長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心幕墻BIM技術(shù)應(yīng)用

劉京城 蘇李淵

(北京城建集團有限責(zé)任公司，北京 100088)

【摘 要】隨著BIM技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，大型公共建筑基本上采用了不同深度的BIM應(yīng)用[1]。本文主要介紹了長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心幕墻工程在深化設(shè)計階段、加工階段、施工階段和運維階段的全生命周期BIM技術(shù)應(yīng)用。通過BIM技術(shù)應(yīng)用，解決了幕墻深化設(shè)計難度大、加工精度要求高、施工安裝管理難、運營維護難度大等難點，實現(xiàn)了幕墻工程的智慧建造。

【關(guān)鍵詞】BIM； 幕墻； 深化設(shè)計； 施工

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2017.01.01

1 工程概況

1.1 項目簡介

長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心工程北鄰梅溪湖北路、南鄰環(huán)湖路、東鄰節(jié)慶路，地鐵2號線設(shè)有文化藝術(shù)中心站。本工程總建筑面積12.6×104m2，地下1層(局部3層)，地上3～8層，結(jié)構(gòu)為框剪混凝土及外圍彎扭鋼結(jié)構(gòu)，屋面和外立面主要為GRC幕墻。

長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心工程建筑方案設(shè)計由國際建筑最高獎——普利茲克獎獲得者扎哈·哈迪德女士擔(dān)綱設(shè)計，北京城建集團有限責(zé)任公司為工程施工總承包。

長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心包括1 800座的大劇場、500座的多功能小劇場、展廳面積超過10 000m2的當(dāng)代藝術(shù)館三個主建筑。工程建成后將成為湖南省規(guī)模最大、功能最全、國際一流的高雅文化藝術(shù)殿堂，能承接世界一流的大型歌劇、舞劇、交響樂等高雅藝術(shù)表演。長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心效果圖如圖1所示。

1.2 工程特點和難點

本工程結(jié)構(gòu)、建筑造型復(fù)雜，三個單體共計22 000t異形大跨度彎扭鋼結(jié)構(gòu)，外面覆蓋的幕墻材料主要為GRC幕墻，由1萬余塊無一相同的雙曲面GRC板塊組成[2]。

且設(shè)計方只提供幕墻表皮模型，卻不能提供圖紙，如果不采用BIM技術(shù)，連最基礎(chǔ)的深化設(shè)計都無法完成。

由于這些工程特點，導(dǎo)致幕墻具有深化設(shè)計難度大、加工精度要求高、施工安裝管理難、運營維護難度大等難點。

圖1 項目效果圖

2 BIM組織與應(yīng)用環(huán)境

2.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)

設(shè)計階段目標(biāo)是幕墻全系統(tǒng)BIM建模出施工圖，保證實現(xiàn)設(shè)計外觀及功能； 加工階段目標(biāo)是模具達到加工精度，實現(xiàn)GRC幕墻預(yù)制加工； 施工階段目標(biāo)是實現(xiàn)幕墻施工進度、質(zhì)量、安全可控，實現(xiàn)GRC幕墻施工三維動態(tài)監(jiān)測； 運維階段目標(biāo)是實現(xiàn)運營時GRC幕墻出現(xiàn)破損后的可拆卸、易維修。

2.2 實施方案

北京城建集團作為工程總承包，從建模到管理，從深化到出圖，BIM技術(shù)貫穿始終。工程開工之初便制訂了《長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心總包BIM執(zhí)行計劃書》。在執(zhí)行計劃書內(nèi)闡述BIM總體實施方案，對關(guān)鍵技術(shù)、工作流程、協(xié)同流程、建模標(biāo)準(zhǔn)、模型版本等都做了詳細描述[3]。

2.3 團隊組織

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，落實實施方案，本工程由BIM總監(jiān)牽頭，在開工伊始便組建了BIM團隊制訂總體實施方針，倡導(dǎo)全過程、全專業(yè)、全系統(tǒng)使用BIM技術(shù)。

2.4 應(yīng)用措施

具體應(yīng)用措施是設(shè)計階段使用Digital Project軟件和Rhino軟件進行幕墻全系統(tǒng)參數(shù)化建模，將BIM模型通過Navisworks整合，完成碰撞檢測，生成碰撞報告，調(diào)整設(shè)計模型無誤后再出施工圖。加工階段使用Digital Project軟件導(dǎo)出GRC模具筋板切割模型，利用CNC三軸雕刻機切割雕刻，保證GRC生產(chǎn)加工精度。施工階段使用基于微信平臺的GRC管理系統(tǒng)進行進度、質(zhì)量、安全管理，完成GRC的無紙化驗收和實現(xiàn)GRC施工動態(tài)監(jiān)測。運維階段是利用BIM模型進行GRC拆卸方案的模擬和利用GRC管理系統(tǒng)對GRC幕墻運維信息查詢。通過幕墻全生命周期的BIM技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)工程智慧建造與運維。

2.5 軟硬件環(huán)境

幕墻BIM實施過程中項目使用了Revit、Navisworks、Rhino、Digital Project、Trimble Connect、Trello和GRC管理系統(tǒng)等多種BIM軟件。并配套使用了塔式工作站、移動工作站、移動終端等硬件設(shè)備。軟硬件環(huán)境如圖2所示。

圖2 軟硬件環(huán)境

3 BIM應(yīng)用

3.1 BIM建模

由于幕墻造型極其復(fù)雜，針對自由曲線的建模特點，本工程使用Digital Project軟件和Rhino軟件進行幕墻全系統(tǒng)參數(shù)化建模，模型精度可達到0.0001mm。在Digital Project軟件建立的設(shè)計模型下進行深化設(shè)計，使用Rhino軟件快速生成二次鋼結(jié)構(gòu)、檁條等構(gòu)件，經(jīng)碰撞檢測無誤后，從施工模型中直接導(dǎo)出CAD文件，完成出施工圖。項目BIM模型整合如圖3所示。

圖3 BIM模型整合

圖4 防水層檁條施工模型 圖5 防水層檁條施工圖

3.2 BIM應(yīng)用情況

本工程幕墻BIM應(yīng)用于深化設(shè)計階段、加工階段、施工階段，并對未來運維階段有所規(guī)劃。

3.2.1 深化設(shè)計階段

設(shè)計階段幕墻BIM應(yīng)用主要為深化設(shè)計階段的全系統(tǒng)建模、碰撞檢測、云平臺協(xié)同、MR輔助深化、結(jié)構(gòu)計算、節(jié)點模擬、出施工圖。

基于云平臺協(xié)同的BIM應(yīng)用，將分散的設(shè)計人員以及業(yè)主、總包、分包集成在高效的網(wǎng)絡(luò)平臺中，保證溝通順暢，節(jié)約項目時間成本。通過遠程協(xié)同辦公，將設(shè)計和深化問題提前暴露并解決，減少現(xiàn)場返工，推動進度目標(biāo)實現(xiàn)。利用 Trimble Connect 平臺可以分權(quán)限共享 BIM 文件、圖紙、會議紀(jì)要等； 利用Trello 平臺可以有效及時地跨地域溝通。將BIM模型通過Navisworks整合，完成碰撞檢測，生成碰撞報告； 檢測出的碰撞問題，發(fā)布至Trello平臺，并邀請碰撞問題對應(yīng)方加入討論，問題方修改碰撞后，在Trello平臺中上傳修改后圖片并回復(fù)，各方確認沒有問題后再將第二版模型上傳至Trimble Connect平臺，再從實際施工模型中導(dǎo)出施工圖。項目防水層檁條施工模型和施工圖如圖4、圖5所示。

3.2.2 加工階段

加工階段幕墻BIM應(yīng)用主要為模具參數(shù)化設(shè)計、模具加工圖制作、模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、模具數(shù)字化加工、GRC幕墻預(yù)制加工。

圖6 GRC模架 圖7 GRC預(yù)制件

GRC加工的傳統(tǒng)模架是在木板上覆蓋白紙，沿白紙所繪曲線切割而成，精度難以保障。本工程GRC的數(shù)字化加工主要體現(xiàn)在模架的加工。將Digital Project中設(shè)計模型通過插件導(dǎo)出CNC可用文件，然后導(dǎo)入CNC專用數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)代碼逐行運行，驅(qū)動CNC三軸雕刻機銑刀上下、左右、前后高速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)模架板毫米級加工精度。CNC加工后的模架經(jīng)線方向間隔500mm、緯線方向間隔1 000mm排布，蒙皮過程隨形貼三層5mm厚板，刮三層膩子，刷一道漆，澆灌GRC砂漿，注漿有一定強度后與背負鋼架連接，再經(jīng)養(yǎng)護、脫模、表面修整后包裝。GRC模架和GRC預(yù)制件如圖6、圖7所示。

3.2.3 施工階段

施工階段幕墻BIM應(yīng)用主要為三維掃描、可視化交底、進度質(zhì)量安全控制、可視定位安裝、無紙化驗收、施工動態(tài)監(jiān)測與統(tǒng)計。

(1)鋼結(jié)構(gòu)三維掃描

利用三維掃描設(shè)備對現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)進行三維掃描，生成點云，并利用軟件自動計算逆向建模[4]，與設(shè)計模型在1cm、5cm、10cm不同精度范圍內(nèi)分析比對，得到對比數(shù)據(jù)，GRC板、檁托、二次鋼結(jié)構(gòu)模型根據(jù)此數(shù)據(jù)進行調(diào)整。鋼結(jié)構(gòu)三維掃描逆向建模模型如圖8所示。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)三維掃描逆向建模模型

(2)施工可視化交底

由于幕墻GRC構(gòu)造層次復(fù)雜，單靠圖紙和普通的技術(shù)交底很難達到比較好的效果。本工程利用BIM軟件建立GRC整體構(gòu)造模型，并進行模擬安裝，指導(dǎo)施工。GRC幕墻安裝可視化交底如圖9所示。

(3)GRC無紙化驗收

幕墻造型復(fù)雜，三個單體共1萬余塊異形GRC板，且各板塊無一相同。所以針對幕墻GRC專項施工管理需求極為迫切。通過開發(fā)的GRC管理系統(tǒng)對質(zhì)量進行管理[5]，分權(quán)限掃描二維碼驗收，可以方便地將廠家、分包、總包、監(jiān)理、業(yè)主統(tǒng)一在一個平臺下便捷操作。在GRC管理系統(tǒng)中點擊掃一掃，掃描粘貼在GRC上的二維碼。自動跳轉(zhuǎn)至驗收界面，點擊查看詳情，如圖10所示。

圖9 GRC幕墻安裝可視化交底

圖10 GRC板塊詳細信息

圖11 GRC無紙化驗收

確認出廠信息無誤，外觀完好，查看單個板塊三維模型與出廠圖片準(zhǔn)確對應(yīng)后，返回點擊出廠驗收，確定通過后出廠驗收完成，如圖11所示，自動進入進場驗收階段。整個無紙化驗收過程綠色節(jié)能、可追溯性強。

(4)GRC施工統(tǒng)計與動態(tài)監(jiān)測

進入管理系統(tǒng)后臺，點擊小劇場，可以看到小劇場GRC施工狀態(tài)統(tǒng)計餅狀圖。查看當(dāng)前GRC板塊驗收狀態(tài)信息，點擊3D顯示，整體GRC模型呈現(xiàn)灰色，當(dāng)前GRC板塊以黃色亮顯，已安裝GRC板塊以紅色動態(tài)亮顯。如圖12所示,實現(xiàn)當(dāng)前板塊定位和施工進度的三維動態(tài)監(jiān)測。

圖12 GRC施工動態(tài)監(jiān)測

3.2.4 運維階段

未來，運維階段規(guī)劃的幕墻BIM應(yīng)用主要為運維信息查詢、拆卸方案設(shè)計。

(1)GRC運維信息查詢

運營過程中若發(fā)現(xiàn)GRC板損壞，可根據(jù)二維碼掃描的信息，確定板的編號以及基本信息。維護人員可登錄GRC管理系統(tǒng)后臺根據(jù)單體名稱、廠家、編號搜索損壞的GRC板所有信息。第一時間重新生產(chǎn)加工。

(2)GRC可拆卸方案設(shè)計

屋面防水施工難度極大，要求滿足防、排、修三點，進而要求GRC幕墻必須可拆卸，為使拆卸方案切實可行，拆卸方案直接在幕墻三維模型中設(shè)計，針對真實的板塊和安裝節(jié)點完成方案。GRC幕墻拆卸方案模擬如圖13所示。

圖13 GRC可拆卸方案設(shè)計

4 應(yīng)用效果

通過幕墻BIM技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)了設(shè)計階段參數(shù)化、加工階段數(shù)字化、施工階段信息化。節(jié)約了大量工期、物料和人工費。

1)幕墻拆卸方案已受理國家發(fā)明專利及實用新型專利7項；

2)GRC管理系統(tǒng)已受理國家發(fā)明專利1項，著作權(quán)1項；

3)期刊已發(fā)表BIM相關(guān)論文6篇；

4)通過北京市建委組織召開的《大型復(fù)雜工程智慧建造關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》科技成果鑒定，鑒定意見為“該研究成果總體達到國際先進水平，其中GRC幕墻建造技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平”。

5 總結(jié)

5.1 創(chuàng)新點

工程創(chuàng)新點為幕墻全生命周期BIM應(yīng)用，針對幕墻特點、難點，以BIM技術(shù)為主，采用多種信息化手段全方位、多層次綜合應(yīng)用于幕墻設(shè)計、加工、施工各個階段，并規(guī)劃應(yīng)用于未來的運維。特別是創(chuàng)造性的開發(fā)了微信平臺的GRC管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于移動終端的無紙化驗收和施工三維可視化動態(tài)監(jiān)測。為工程實現(xiàn)智慧建造打下了堅實基礎(chǔ)。

5.2 經(jīng)驗教訓(xùn)

1)由于幕墻主要參與方分散在全國各地，云文件管理平臺和溝通平臺可以保證信息傳遞時效性和可追溯性；

2)目前，BIM大多停留在Revit應(yīng)用，像幕墻專業(yè)用到的Digital Project和Rhino并不是很普及，在BIM實施前應(yīng)對所有技術(shù)人員進行軟件培訓(xùn)，保障實施過程暢通；

3)總承包管理下開發(fā)的GRC管理系統(tǒng)，調(diào)動業(yè)主、監(jiān)理、總包、分包所有相關(guān)人員參與，可以發(fā)揮BIM技術(shù)最大價值。

參考文獻：

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The Curtain Wall BIM Technology Application of Changsha Meixi Lake International Culture and Art Center

Liu Jingcheng， Su Liyuan

(Beijing Urban Construction Group Co.，Ltd.， Beijing 100088， China)

Abstract：With the domestic popularization and application of BIM technology, the large public buildings basically used the different depth of BIM applications[1]. This article mainly introduces the application of BIM technology in Changsha Meixi Lake International Culture and Art Center of curtain wall engineering project in design development stage, processing stage, construction stage and operational stage of the whole life-cycle. Through the application of BIM technology, solved the difficulties of curtain wall design development, high machining accuracy requirements, construction and installation management as well as the operation and maintenance, finally realized intelligent construction of the curtain wall project.

Key Words：BIM; Curtain Wall; Design Development; Construction

【作者簡介】劉京城(1969-)，男，教授級高級工程師，主要研究方向：土建施工、幕墻施工、BIM、施工管理； 蘇李淵(1992-)，男，助理工程師，主要研究方向：BIM技術(shù)應(yīng)用、信息化、施工管理。

【中圖分類號】TU17

【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】1674-7461(2017)01-0001-06