BIM技術(shù)在體育場館幕墻及屋面工程中的應(yīng)用

文/上海寶冶集團(tuán)有限公司 付冠超

華潤置地有限公司 卓思文

1 項(xiàng)目概況

西安奧體中心項(xiàng)目作為2021年第十四屆全運(yùn)會主會場，位于西安市國際港務(wù)區(qū)，由“一場”——主體育場，“兩館”——體育館和游泳跳水館組成。

主體育場幕墻系統(tǒng)分為外立面鋁板罩棚幕墻、內(nèi)立面幕墻（框架玻璃系統(tǒng)、百葉幕墻、頂部室外鋁方通吊頂），外立面鋁板塊通過不同角度翻折形成飄帶造型。屋面呈“花瓣”狀，由鋁錳鎂直立鎖邊屋面和聚碳酸酯陽光板屋面系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 體育場幕墻模型

體育館幕墻系統(tǒng)主要包括單元體（窗花單元體、鋁板單元體）、2～3層倒錐形玻璃幕墻、首層玻璃幕墻等。屋面系統(tǒng)主要由內(nèi)外圈鋁錳鎂屋面系統(tǒng)及外圈TPO卷材屋面系統(tǒng)、鋁合金格柵系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 體育館幕墻模型

游泳跳水館幕墻系統(tǒng)為框架玻璃幕墻系統(tǒng)和室外造型柱穿孔鋁單板幕墻系統(tǒng)、鋁單板幕墻系統(tǒng)、百葉幕墻系統(tǒng)等；屋面為單層卷材TPO屋面系統(tǒng)和采光頂玻璃系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 游泳跳水館幕墻模型

2 BIM應(yīng)用思路

2.1 可視化設(shè)計(jì)

西安奧體中心項(xiàng)目造型獨(dú)特、系統(tǒng)復(fù)雜，同時作為西安市重點(diǎn)工程，項(xiàng)目品質(zhì)要求極高。如何保證施工實(shí)體成形效果與設(shè)計(jì)理念一致，需項(xiàng)目管理者重點(diǎn)關(guān)注。

項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)和施工階段的成果資料不僅包含圖紙，而且要求對應(yīng)一致的提資模型。設(shè)計(jì)階段的模型深度要求不低于LOD300，保證基于模型可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效果展示、設(shè)計(jì)優(yōu)化輔助；施工階段的BIM模型深度在LOD400，達(dá)到可加工深度。通過BIM模型的直觀表達(dá)，設(shè)計(jì)師可了解第一視角下的整體空間感受和細(xì)部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，推敲細(xì)節(jié)，提升品質(zhì)，為方案可行性和做法提供可靠依據(jù)。

2.2 專業(yè)協(xié)同

對于大型公建項(xiàng)目，一般由主體院負(fù)責(zé)初步造型方案設(shè)計(jì)，然后由幕墻設(shè)計(jì)單位進(jìn)行具體方案細(xì)化、可行性設(shè)計(jì)、成本控制優(yōu)化等，出具幕墻設(shè)計(jì)圖紙。最終由施工單位進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、出圖加工等。基于此流程，可保證各環(huán)節(jié)均由專業(yè)單位負(fù)責(zé)，保證設(shè)計(jì)合理性和施工可行性。但對于奧體中心這種特級甲等體育建筑來說，設(shè)計(jì)周期較短，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)質(zhì)量難免受到影響，主體院和幕墻設(shè)計(jì)單位之間的工作銜接與溝通較難保障；同時專業(yè)交叉較多，幕墻專業(yè)要考慮與土建及鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力關(guān)系、與精裝的收邊收口處理、與機(jī)電的風(fēng)口百葉位置協(xié)調(diào)、與機(jī)電管線的空間位置協(xié)調(diào)、與泛光照明及標(biāo)志標(biāo)識的節(jié)點(diǎn)處理、與景觀的收口做法交圈等；這些專業(yè)間的交叉如何在設(shè)計(jì)或深化階段將問題閉合是超極限工期項(xiàng)目的直接需求。

BIM技術(shù)是解決專業(yè)交叉問題的有效工具，項(xiàng)目由BIM顧問負(fù)責(zé)各專業(yè)間的模型審核與整合，建立模型綜合協(xié)調(diào)會審制度及BIM周例會制度，及時將各方需求在模型中反映，進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工協(xié)調(diào)，保證問題及時閉合。

2.3 深化設(shè)計(jì)

深化設(shè)計(jì)是下料放樣、現(xiàn)場安裝的前置條件，對此必須保證深化設(shè)計(jì)質(zhì)量和深化設(shè)計(jì)進(jìn)度，以保證施工工期和現(xiàn)場施工質(zhì)量。

國內(nèi)制造業(yè)采用三維深化模型進(jìn)行加工下料的技術(shù)早已成熟，而與制造業(yè)類似的幕墻專業(yè)在國內(nèi)也已實(shí)現(xiàn)基于深化模型的深化設(shè)計(jì)出圖及下料加工。該項(xiàng)目基于BIM模型進(jìn)行空間及材料加工分析，把控深化設(shè)計(jì)重難點(diǎn)，同時基于模型提出合理化建議及優(yōu)化方案，保證模型深度與精度，最后基于模型出具構(gòu)件布置圖、下料圖、坐標(biāo)分布圖等。

3 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

3.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

體育場罩棚表皮采用穿孔鋁板擬合成異形曲面，形成飄逸綿延的“絲帶”（見圖4），設(shè)計(jì)院采用Rhino+Grasshopper技術(shù)解決方案進(jìn)行異形曲面幕墻表皮參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)（見圖5），在效果完美呈現(xiàn)的同時，提高經(jīng)濟(jì)性并簡化施工。

圖4 “絲帶”狀罩棚

圖5 異形幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.2 品質(zhì)美觀

體育館配套熱身館原設(shè)計(jì)方案為2層幕墻系統(tǒng)，內(nèi)側(cè)為玻璃幕墻，外側(cè)為鋁板幕墻，造型與體育館三角窗戶相呼應(yīng)。從主體設(shè)計(jì)院的建筑節(jié)點(diǎn)來看，熱身館頂部一圈結(jié)構(gòu)環(huán)梁頂高18.2m，環(huán)梁上方鋁板構(gòu)造厚0.2m，最頂層鋁板塊頂標(biāo)高18.4m。這就造成頂部鋁板幕墻板塊高度將變成2.8m，而其下方鋁板的分割均按統(tǒng)一模數(shù)2.6m，二者不統(tǒng)一，給行人帶來視覺差異。為此經(jīng)幕墻設(shè)計(jì)單位和主體院協(xié)商，決定保證鋁板分割模數(shù)不變，一圈31根結(jié)構(gòu)柱和環(huán)梁標(biāo)高下降200mm（見圖6），保證設(shè)計(jì)美觀合理，同時減少部分成本。

圖6 基于美觀要求的立面優(yōu)化

3.3 造型方案對比

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)基于方案模型進(jìn)行體育場外立面鋁板罩棚造型鋁板的翹曲度分析（見圖7），根據(jù)不同翹曲值選擇曲面成型方案。如圖8所示，方案1選擇三角形與四邊形結(jié)合，方案2選擇全部三角形拼接。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可根據(jù)不同方案模型統(tǒng)計(jì)不同翹曲板塊面積、加工工藝及預(yù)估模具的套數(shù)，最終確定成本比選。

圖7 造型鋁板翹曲度分析

圖8 曲面成型方案

3.4 協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)

體育場外立面罩棚鋁板采用在環(huán)梁上生根的方式。原主體院鋼桁架設(shè)計(jì)底部裙擺處豎向桿件不延伸至底部，在幕墻與鋼構(gòu)模型整合后發(fā)現(xiàn)，由于底部豎向桿件未延伸至底部，造成下方2根環(huán)梁不具備生根條件。經(jīng)協(xié)調(diào)，明確豎向桿件延伸后與橫向桿件干涉，橫向桿件干涉處作空間彎折處理，橫桿與豎桿相貫。后續(xù)考慮到施工時豎向桿件彎折操作不易控制，且橫向桿件改變角度后節(jié)點(diǎn)處的調(diào)整更困難，對此采取在橫向桿件與豎向桿件相貫節(jié)點(diǎn)與內(nèi)側(cè)鋼結(jié)構(gòu)增加1道桿件，使橫向桿件受力更合理（見圖9）。

圖9 體育場鋼桁架優(yōu)化方案

熱身館屋面主檁條和鋼構(gòu)方通龍骨上下垂直布設(shè)，主檁條通過在鋼結(jié)構(gòu)龍骨上垂直設(shè)連接件進(jìn)行固定。原設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)中間檁條間距為2250mm，端部龍骨間距為1500mm。后續(xù)經(jīng)屋面模型與鋼結(jié)構(gòu)模型整合后發(fā)現(xiàn)，端部檁條懸挑1250mm，受力不符合要求，且該位置檁條生根無法落在鋼結(jié)構(gòu)方通上（見圖10）。為此，經(jīng)過模型綜合協(xié)調(diào)會商議，鋼結(jié)構(gòu)軸和軸處龍骨統(tǒng)一向外移動750mm，間距與其他部位一致，均為2250mm。

圖10 鋼構(gòu)和屋面檁條協(xié)調(diào)

3.5 節(jié)點(diǎn)方案比對

對于體育場外立面鋁板支撐結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)基于模型提出多種方案，如圖11所示，從直觀可視的角度供業(yè)主方比選。

圖11 體育場外立面鋁板支撐結(jié)構(gòu)方案

3.6 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

體育場罩棚鋁板幕墻構(gòu)造層級由內(nèi)往外為：主鋼構(gòu)桁架→圓管環(huán)梁→支撐→鋁板，其中最初鋁板支撐采用全抱箍形式在環(huán)梁上生根的設(shè)計(jì)方案。后續(xù)經(jīng)整合幕墻鋼結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，位于桁架鋼構(gòu)件處的環(huán)梁牛腿與鋁板全抱箍存在沖突，導(dǎo)致后期抱箍無法施工，同時考慮到材料成本，建議優(yōu)化為半抱箍形式。

4 BIM技術(shù)在施工階段的應(yīng)用

4.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

針對類似屋面構(gòu)造層材料，如果單純在Rhino中放樣需耗費(fèi)大量工作精力，而采用參數(shù)化建模技術(shù)，根據(jù)計(jì)算機(jī)擬定的算法自動生成模型數(shù)據(jù)，可極大減少人力重復(fù)性工作，提高下料精準(zhǔn)度，縮短深化設(shè)計(jì)時間。

體育場屋面通過參數(shù)化手段批量生成主檁托、次檁托、吊頂板連接角鋼、幾字形襯檁等材料，進(jìn)行施工放樣下料。

4.2 專業(yè)協(xié)同

體育館外圈屋面功能層設(shè)計(jì)為單主檁條方案，在深化設(shè)計(jì)階段將屋面與鋼構(gòu)模型整合后發(fā)現(xiàn)，該方案在外環(huán)屋面處檁條與鋼結(jié)構(gòu)腹桿碰撞沖突嚴(yán)重（見圖12），經(jīng)深化設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)會多方討論，優(yōu)化為雙檁方案，鋼支托上部采用方通增加轉(zhuǎn)換支架以保證雙檁條生根（見圖13），特殊節(jié)點(diǎn)處建立屋面檁條與鋼結(jié)構(gòu)支托的結(jié)構(gòu)連接，以驗(yàn)證連接形式合理性（見圖14）。

圖12 單主檁條方案與鋼構(gòu)腹桿沖突

圖13 雙檁方案

圖14 特殊位置鋼支托與主檁條連接方式

體育館外圈功能層屋面設(shè)16個風(fēng)井，風(fēng)井周邊共設(shè)置127臺風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采取在鋼結(jié)構(gòu)檁托上生根。由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)框架弦向龍骨固定在風(fēng)井徑向龍骨上，相交節(jié)點(diǎn)處風(fēng)井側(cè)墻鋁板被截?cái)嘈璺挚p處理。對此，幕墻單位根據(jù)機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)提資深化模型，進(jìn)行龍骨調(diào)整和鋁板分縫深化（見圖15）。

圖15 風(fēng)井龍骨優(yōu)化調(diào)整對比

4.3 構(gòu)造節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

體育場屋面根據(jù)風(fēng)荷載分區(qū)劃分，次檁條的種類和間距不一致，造成2種間距交接處次檁條接頭位置空間較小，最窄處2種次檁條已經(jīng)交叉，無法設(shè)置檁托板（T形，150mm×108mm×8mm）。對此，將端部次檁托板由原來的T形鋼板優(yōu)化為2片角鋼（100×60×6）錯開設(shè)置（見圖16），保證施工空間。

圖16 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)次檁板優(yōu)化

熱身館屋面格柵龍骨采用鋼方通立柱直接焊接在鋼結(jié)構(gòu)工字梁上，但經(jīng)專業(yè)間模型整合，共發(fā)現(xiàn)42處豎向方通與鋼結(jié)構(gòu)主檁相交。后續(xù)經(jīng)過深化設(shè)計(jì)會上各方討論協(xié)商，在鋼結(jié)構(gòu)檁條已下料無法改變的情況下，屋面方通進(jìn)行開洞，洞口大小為166mm×215mm，保證檁條可從洞口穿過，同時方通在開洞處兩邊施焊加勁板保證方通受力穩(wěn)定性。

4.4 深化加工

當(dāng)前幕墻構(gòu)造及功能形式日趨復(fù)雜多樣，設(shè)計(jì)和施工難度加大，傳統(tǒng)施工方法在埋件精確定位、深化設(shè)計(jì)、材料下單、構(gòu)件加工、運(yùn)輸安裝等環(huán)節(jié)均難以實(shí)施，而BIM技術(shù)的出現(xiàn)，正好打通整個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)幕墻專業(yè)的“裝配化”施工。

以體育館鋁板單元體為例，首先基于設(shè)計(jì)模型進(jìn)行深化，根據(jù)碰撞檢測和施工工藝進(jìn)行類似節(jié)點(diǎn)優(yōu)化等工作，待深化設(shè)計(jì)通過審核后，將模型導(dǎo)入Pro-e（集成設(shè)計(jì)加工生產(chǎn)，制造工業(yè)化主流軟件）生成完整工藝參數(shù)模型，隨后導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床進(jìn)行智能加工，極大提高加工出圖效率（見圖17）。

圖17 幕墻深化加工流程

4.5 施工模擬

在施工過程中，為更好地表達(dá)施工意圖，項(xiàng)目對幕墻安裝方案進(jìn)行可視化模擬，可更好地發(fā)現(xiàn)施工重難點(diǎn)，使施工思路更明確，同時可實(shí)現(xiàn)匯報(bào)可視化、交底直觀化。

5 結(jié)語

西安奧體中心“一場兩館”幕墻專業(yè)在設(shè)計(jì)階段即通過BIM模型驗(yàn)證方案、深化招標(biāo)圖紙精度，同時模型延伸到后續(xù)施工階段，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、加工下料，創(chuàng)造了極高的效益。在BIM應(yīng)用過程中得出以下結(jié)論。

1）針對幕墻專業(yè)，BIM技術(shù)可提供參數(shù)設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)和加工制造的解決方案。

2）基于模型可視化和多專業(yè)模型整合，可輔助設(shè)計(jì)方案比選，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)“錯漏碰缺”，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3）施工階段基于BIM模型，各參建單位可更好地協(xié)同，對專業(yè)交叉點(diǎn)進(jìn)行施工工序把控，技術(shù)交底，規(guī)避設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工脫節(jié)，保證“一次成優(yōu)”，避免返工。

4）對于大型體育場館項(xiàng)目，BIM技術(shù)可進(jìn)一步提升項(xiàng)目的精細(xì)化管理，對項(xiàng)目的高品質(zhì)呈現(xiàn)、成本優(yōu)化、工期提前具有極高的輔助價(jià)值。