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应用BIM技术解决复杂幕墙的方法案例

时间:2016-12-13    来源:建筑幕墙设计咨询     BIM编辑:wang

  随着BIM应用的广泛性,BIM技术在复杂建筑建造中的地位越来越重要,今几年银河SOHO、广州塔、迪士尼及中国尊等项目被称为BIM技术应用的典范。BIM技术以三维数字模型为基础,在应用维度上囊括了设计、项目信息、可视化、项目协调等一系列过程管理的内容;在几何空间上大到规划设计、小到装置构件无不体现了BIM技术的应用。

  银河SOHO项目中BIM技术渗透到了项目的方方面面,CCDR有幸参与了银河SOHO东标段幕墙BIM的实施(图1)

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  这是对幕墙BIM的一次重要探索与实践,其圆润、流线型的幕墙系统对项目的设计建造提出了新的挑战:

  1)大量非标准单元板块,标准节点无法重复使用;

  2)大量双曲面板需要优化成可展曲面;

  3)面板尺寸无法用常规尺寸标注描述;

  4)安装定位困难;

  5)无法确定特殊型材数量。

  上述问题让业主方的设计管理团队意识到,现有的幕墙深化设计方法、实施流程、加工工艺及安装方法无法满足幕墙建造的需求,因此业主决定引入幕墙BIM到现有的设计管理体系中,而选择的幕墙BIM团队必须要能解决以下问题:

  1)了解曲面几何属性;

  2)掌握工业参数化建模软件——CATIA;

  3)能开发软件从数字模型中提取建造数据;

  4)协调专业碰撞。

  行业的挑战给予了CCDR一次机会,CCDR作为幕墙BIM分包参与项目实施,幕墙行业的BIM服务应运而生,银河SOHO幕墙BIM的成功实施让我们收获颇丰,总结了大量可行的流程和实用的经验。当我们完成了银河SOHO后发现,原本是业主所推动的BIM服务,继而转变为项目内部自身的需求。在这之后,CCDR相继完成了大同博物馆、望京SOHO、凌空SOHO等幕墙BIM的实施。

  1 优势

  1.1 工业化基因

  建筑业中的钢结构和幕墙专业与制造业很相似,大型幕墙企业有自己的ERP系统,企业内部可以实现模型及电子料单的交付生产。BIM概念强化了幕墙产业的工业化基因,提高了深化设计乃至整个工程的质量、效率,为建筑业节约成本,带来巨大的效益。几款主流的建筑业BIM软件设计思想和推进的产业流程均源自制造业,突破建筑业以蓝图作为设计交付的模式,通过BIM实现产业化是幕墙行业发展的必然选择,由此,幕墙产业与BIM的一见倾心绝非巧合。

  (1)在复杂幕墙系统的设计上越来越多地采用单元式幕墙,其构成原理为:在工厂里由横竖框架组成单元组件框架,并将玻璃、铝板等材质的面板安装到单元组件框的相应位置上,形成单元组件(图2),然后运往工地现场,通过连接件固定在预埋龙骨上。幕墙业务的工业化逻辑与BIM技术高度契合,BIM技术是连接从设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部流程的关键技术链。

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  (2)BIM技术使幕墙工业推进至更高的工业标准。幕墙产业在国内是上世纪80年代发展起来的,大型企业的标准比行业标准更高,其在深化设计流程、制图标准及造价控制体系制度方面完全按工业化方向发展。BIM技术介入后,BIM模型不仅可以生成AutoCAD难以绘制的二维加工图(图3),而且BIM模型提取的数据表单将大幅减少2D蓝图表达设计的格局。通过3D实体模型来确定设计和生产工艺,将模型数据和电子表单导入PLM系统中进行管理。

  (3)幕墙BIM设计应选择顶级工业制造软件。前期较多使用工业设计软件Rhino用于曲面设计和数据分析,其操作简单、模块封装、插件众多等特点受到建筑师的青睐,适合于前期方案的构思和建筑几何计算。深化设计则更多使用CATIA软件,作为工业设计领域的顶级设计软件,其拥有极强的几何造型能力和准确的建模功能,同时具备稳定的参数化建模环境,可以方便地将模型生成图纸和提取数据。

  上世纪90年代末,Frank Gehry就用它来解决复杂建筑的案例,后来基于实际项目的应用经验,在CATIA平台上开发了DigitalProject,轰动一时。

  1.2 复杂幕墙可建造

  1.2.1 BIM与参数化设计

  建筑师通过在软件中输入设计逻辑、建立数理计算模块、设定几何约束等方法生成外形体及幕墙表皮,表皮的肌理呈现复杂的关联性、动态性、非线性、渐变性等特征,银河SOHO、望京SOHO、凌空SOHO等建筑正是用这样的设计方法生成的建筑。参数化设计通过参数驱动模型产生设计,BIM基于模型整合数据承载项目生命周期的各种应用。从流程上来看,BIM不仅承接参数化设计模型及参数,传递设计,而且更多的贡献集中在如何根据新的建造条件、材料供应等情况调整模型数据。值得一提的是,参数化和参数化设计不是一个概念,参数化通常说明的是软件的参数化建模能力,而参数化设计是一种设计方法,BIM软件都具备参数化建模能力。参数化设计方法与BIM珠联璧合,参数化设计在BIM流程中核心的应用是优化面板,在视觉误差允许的情况下,尽可能地用单曲面代替双曲、平板代替单曲(图4),规格尽可能统一(图5),以降低造价。

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  1.2.2 结构化数据

  庞大的设计数据和建造数据需求首当其冲的便是要做好数据规划。在复杂的幕墙系统中通常采用达索的CATIA作为BIM平台软件,数据组织采用的是“自上而下”(TopDown)的管理思想。软件具体的操作是通过“产品”(Product)和“零件”(Part)间的嵌套链接关系来实现的(图6),零件与零件间互相引用的数据通过“发布参数”的功能来传递。“产品”和“零件”是一个虚拟的概念,管理具体的项目必须依据实际情况来划分大小,好的数据规划是将来提取、使用数据的前提。例如在银河SOHO中最大的层级是整个幕墙工程为一个“产品”,然后按塔楼、楼层、部位依次逐渐细化“产品”,最后把一个单元定义成一个“零件”,单元板后面的连接件、龙骨“零件”是实体的“特征”。

  清晰的数据结构和数据标识是管理每块板块设计信息和定位参数的基础,保持一致的字段名称和组成结构对于项目数据的管理十分重要,为使以后各个部位、阶段的数据能快速、准确地被检索到,需要建立统一的命名标准(图7)。例如编码“TW2_CLD_F06_FLK”可以表示成“二号塔楼-铝板幕墙-第六层-侧挂板”。

  1.2.3 效率

  复杂幕墙可建造的说法是一个相对的概念。100多年前安东尼·高迪设计建造的建筑,形体波浪起伏富有动感,表皮填充奇妙、梦幻的纹理,大量使用陶瓷瓦片、马赛克、彩色玻璃拼贴出屋顶、墙面的肌理,算是复杂的幕墙系统,几乎没有一块建材可以成批制造,都必须现场手工加工,大量匠人花费长达数百年的时间去建造,圣家族大教堂的建造一直持续到今天。15年前还没有BIM的概念,后续的承建者们用3D模型模拟设计及建造,基本上都能按照高迪的手稿复原建造(图8),由此可见,使用BIM建造复杂建筑是时代的要求。

  1.2.4 数据提取

  表皮离散后生成非标准单元幕墙,非标准单元背后隐藏着庞大的数据需求,比如龙骨的长度、公框和母框的夹角(图9)、转接件的个数、每个转接件的角度参数等(图10)。此时,我们已经无法逐一地用CAD的办法绘制幕墙单元的设计信息。出于经济和实用的目的,需要利用BIM强大的数据管理能力实现建造,具体如下:

  (1)BIM模型能提取和管理成千上万的非标准单元幕墙的设计数据,包括面板、

  龙骨及连接件的几何、材料、建造信息,庞大的数据呈指数增长。

  (2)BIM模型中得到单元板块的安装坐标(图11)。

  数据提取的过程是通过计算机程序按照上一小节所描述的数据结构遍历所有的“产品”和“零件”(图12),读取参数后按规定的格式填写数据。数据提取生成数字料单是组成幕墙企业ERP系统的核心数据。

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  1.2.5 数据料单

  与普通幕墙生产相比,复杂幕墙单元的型材长短不一、面板呈非标准几何形状,给构件加工和管理带来困难,导致成本上升,以传统的流程需要增加5%以上的额外非标准产生的成本,且时间上无法保证。BIM的工作模式改变了这一流程:首先在建模的时候对“用户自定义特征”中的单元面板、龙骨框架、非常规型材这类构件依据数据规划进行唯一的编码2,计算机根据几何条件自动计算输入参数,装配出整体建筑的幕墙模型,而后通过程序提取数据产生料单。料单中对每根构件都有唯一的编号,通过编号下放材料加工、管理材料堆放,按标准单元模板图(图13)快速拼装单元。根据型材几何特点,与下游材料供应商沟通,以数据表(图14)、CAD文件、三维模型的形式下发生产料单。料单中的编号在材料出厂时要求厂家写在面板背面,这两年大型企业已经开始用条形码、二位码等标识单元(图15)。这样有利于材料进场时就近码放,安装前按排版图顺序摆放在地面上,对进场材料进行验收,也有利于安装时对号就位。

  1.3 可视化

  为了能够将专业设计及工序用可视化的方式表达出来,BIM无疑是最好的选择,基于BIM技术的三维虚拟设计环境将设计信息、模拟信息快速地传递给项目协作伙伴,给设计协调带来了巨大的好处。幕墙BIM对可视化的需求主要是节点研究和施工工序模拟,几乎所有的设计意图(节点设计)都可以通过三维模型进行协调(图16),施工过程可以通过仿真模拟工序,实现了所见即所得,减少了设计返工带来的经济损失。按SOHO中国潘石屹先生的话说就是:在盖楼之前先在计算机里盖一遍,把问题消灭在计算机里。SOHO中国设计管理有一条要求:在设计例会、交底会、供应商的技术讨论会上,以模型作参照,改“看图说话”为“看模型说话”。我想这是对BIM可视化应用最友好的评价。

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