解萬生,王 瑾,張有志,王江平
(山西一建集團有限公司,山西 太原 030012)
某工程占地面積約21 432m2,項目總建筑面積5 607.4m2。建設(shè)內(nèi)容包括鼎盛中都陳列區(qū)、自然文化陳列區(qū)、旅游資源陳列區(qū)及配套附屬項目,共27個單體建筑。建筑屋面均采用筒板瓦屋面,包含5種等級,建筑高度 19.1m。
工程設(shè)計為明朝初期建筑,主要以木結(jié)構(gòu)為主,單體建筑形制包含攢尖建筑、硬山建筑、懸山建筑、歇山建筑及廡殿建筑,采用傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)施工方法。
工程主要承重構(gòu)件選用產(chǎn)自巴布新幾內(nèi)亞的菠蘿格,價格高昂,木材密度大,紋理交錯,質(zhì)地堅硬,入水即沉;加工進度慢、難度大,構(gòu)件數(shù)量繁多,種類各異,僅大木作包含柱、梁、檁、枋、斗栱等構(gòu)件40 595 個,涉及榫卯樣式40余種;干縮小,鋸、刨加工困難,木構(gòu)件制作安裝難度較大,對工人專業(yè)水平要求較高。
因工期緊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、木構(gòu)件規(guī)格數(shù)量多,既要按圖紙及營造要求,同時又要減少損耗,降低成本要求,本工程將BIM技術(shù)應(yīng)用于木構(gòu)件制作、安裝階段,首先利用現(xiàn)有CAD圖紙應(yīng)用Revit軟件進行1∶1 參數(shù)化建模同時優(yōu)化節(jié)點榫卯,然后利用Inventor識別轉(zhuǎn)換軟件導(dǎo)出單個構(gòu)件,導(dǎo)入UG軟件對單個構(gòu)件進行參數(shù)化坐標(biāo)設(shè)置并進行自動化加工,最后對加工好的木構(gòu)件進行預(yù)拼裝。技術(shù)難點主要有以下4個方面。
1)掌握不同形制傳統(tǒng)建筑各構(gòu)件營造工藝,熟悉各構(gòu)件名稱、規(guī)格、做法,對柱、檁、梁、枋選材及下料,掌握木材當(dāng)?shù)仄胶夂剩嬎汩久煽s變形量,確保達(dá)到平衡含水率時的榫卯拼接嚴(yán)絲合縫。
2)古建筑建模種類多、難度大,整體建模時,要有足夠空間想象能力,保證所建構(gòu)件完整性,在榫卯深化優(yōu)化時,首先要學(xué)習(xí)掌握古建筑各類榫卯,根據(jù)材料性能、抗震要求及建筑形制選擇特定榫卯連接方式,在建模過程中,不同構(gòu)件因幾何特性不同,生成的方式亦不同,往往1個榫卯節(jié)點的優(yōu)化要運用多種建模技巧且要注重建模順序,否則會適得其反。
3)根據(jù)加工木材特性,深化設(shè)計加工機械 在加工鐵件機床的基礎(chǔ)上進行重組,不斷優(yōu)化改進,將數(shù)控機床改裝為專門對古建筑木構(gòu)件加工服務(wù)的數(shù)控機床,如項目采用的五軸聯(lián)動加工中心、卡具自動避讓多功能曲線銑床等。
4)BIM模型轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序語言 根據(jù)木構(gòu)件特點,選擇相應(yīng)的機器和刀具,將繪制的古建BIM模型通過Inventor軟件轉(zhuǎn)換到數(shù)控機床設(shè)備編程軟件中,對刀具及刀路路徑進行編程、預(yù)覽,達(dá)到BIM模型、數(shù)控機床編程、木構(gòu)件三者的融合統(tǒng)一。
結(jié)合目前推廣的BIM裝配式技術(shù),在保證工程施工質(zhì)量的前提下,確保施工進度為首要任務(wù),應(yīng)用BIM技術(shù)與傳統(tǒng)按圖加工木構(gòu)架相結(jié)合,可降低加工成本,提高施工效率。
首先使用Revit軟件建立1∶1木結(jié)構(gòu)模型,解決木構(gòu)件交圈及碰撞問題,優(yōu)化木結(jié)構(gòu)體系,確保木構(gòu)件比例尺寸協(xié)調(diào)。
在Revit軟件中設(shè)置項目基點,將電子版CAD圖紙按平、立、剖、詳圖導(dǎo)成單獨文件導(dǎo)入建筑項目文件中的對應(yīng)面,并調(diào)整其至相應(yīng)參考線位置。對照平、立、剖面圖結(jié)合BIM建模相關(guān)規(guī)定,建立模型(見圖1),使各構(gòu)件參數(shù)信息反映至模型中。通過建立模型,即可分析出圖紙中可能存在的錯漏,及時向監(jiān)理工程師反饋,協(xié)助設(shè)計院完善施工圖紙,亦可及時進行必要的變更簽證。本工程所有建筑均采用Revit參數(shù)化建模,總計40 595個木構(gòu)件。
圖1 三維BIM大木架模型
根據(jù)工程概況、建筑形制、抗震要求、所用木材性能等因素,結(jié)合當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑施工技術(shù),掌握地方及官式榫卯設(shè)計要點,制定節(jié)點榫卯方案。制定的榫卯方案須經(jīng)專業(yè)技術(shù)人員分析確認(rèn),設(shè)計院應(yīng)給出榫卯方案確定文件。
根據(jù)確定的榫卯方案文件,在木結(jié)構(gòu)模型上對所有節(jié)點部位進行榫卯深化,并根據(jù)深化的榫卯模型,逐個節(jié)點進行計算機會榫工作,確保木構(gòu)件拼裝質(zhì)量(見圖2)。
圖2 深化、優(yōu)化的榫卯節(jié)點
制定木結(jié)構(gòu)拼裝方案,首先在軟件中將木構(gòu)件明細(xì)表中加入體積參數(shù),構(gòu)件體積即可在明細(xì)表中顯示,結(jié)合所選材料對應(yīng)密度計算出對應(yīng)構(gòu)件質(zhì)量,協(xié)助項目選用合理的運輸及起重吊裝設(shè)備。
根據(jù)確定的相關(guān)參數(shù)和現(xiàn)場實際情況,應(yīng)用BIM系列軟件制作木結(jié)構(gòu)現(xiàn)場吊裝、拼裝模擬視頻,進一步明確起重機械型號、位置、木構(gòu)件進廠順序、擺放位置、臨時固定、吊裝演示等情況,最大程度地縮短工期,保證木構(gòu)件拼裝質(zhì)量,最終形成木結(jié)構(gòu)拼裝方案。
提量分為2個部分:傳統(tǒng)建筑大木構(gòu)件繁多,要提取每種類型構(gòu)件數(shù)量;每個構(gòu)件尺寸不同,要根據(jù)實際情況提取所需構(gòu)件三維尺寸。這樣能精確計算出每種類型構(gòu)件全部加工完成所需原材料,從而有效控制項目成本。
1)提取各類構(gòu)件數(shù)量、尺寸以方便加工,首先將模型完全精準(zhǔn)化,使用常規(guī)模型中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、融合、放樣等10個命令基本可制作出傳統(tǒng)建筑所有結(jié)構(gòu)類型。一些異形實體若不方便建立則可使用其他尺寸相符的類似形體代替,一些需雕刻花紋的面則只需建立外輪廓造型,木構(gòu)件制作時,在對應(yīng)位置進行深加工即可(此類構(gòu)件亦可實現(xiàn)精細(xì)化建模,但在實際運用過程中實用性不高且浪費時間,因此一般均簡單處理)。此外,傳統(tǒng)建筑木構(gòu)件、卯榫等要完全按專項方案執(zhí)行,并且保證尺寸與工程實際相同,這樣才能方便后續(xù)模型參數(shù)的提取及后續(xù)加工。
具體方法為 :將每種類型構(gòu)件使用1個單獨族文件載入項目文件中,且按擬定的規(guī)律編排命名。然后在明細(xì)表中的“總計”一欄打鉤,常規(guī)模型明細(xì)表中要選擇字段“族與類型”,即可在明細(xì)表中統(tǒng)計出構(gòu)件數(shù)目。
2)若要顯示構(gòu)件尺寸至明細(xì)表中以方便后續(xù)配料及下料工作,則需在每個構(gòu)件族文件制作過程中使用共享參數(shù),定義構(gòu)件實際下料過程中的長、寬、高、直徑等,并將顯示該尺寸的標(biāo)注尺寸賦予該參數(shù)。將上述參數(shù)載入明細(xì)表中的字段中,即可顯示出構(gòu)件詳細(xì)尺寸,也可導(dǎo)出至EXCEL表格中(見圖3)。需根據(jù)構(gòu)件實際尺寸進行標(biāo)注,不可漏標(biāo)或標(biāo)記錯位及標(biāo)記至不合適的參照平面上。
圖3 常規(guī)模型明細(xì)表效果
部分構(gòu)件在修改尺寸后,必須檢查所標(biāo)注尺寸是否隨構(gòu)件尺寸真實發(fā)生變化,若無則要修改尺寸標(biāo)注,這樣才具有指導(dǎo)施工的意義,一些異形構(gòu)件,要結(jié)合構(gòu)件實際造型做尺寸標(biāo)注,有些構(gòu)件要考慮2個合并為1個加工的情況來進行標(biāo)注。
精確的模型量可用來指導(dǎo)材料購買方案和細(xì)加工下料,木工師傅可根據(jù)材料形變特征及明細(xì)表上的詳細(xì)尺寸、數(shù)量計算出實際需要的木料工程量。采購人員可根據(jù)木工下料表靈活選取購買木料原材,提高出材率。
根據(jù)確定的會榫方案及模型提量,確定對應(yīng)木構(gòu)件加工方法。2種方法如下。
1)提取單個木構(gòu)件參數(shù)化模型,導(dǎo)出CAD二維詳圖,項目部技術(shù)人員核對詳圖尺寸準(zhǔn)確性,結(jié)合木材性能選用合理的加工工具,對工人進行木構(gòu)件加工的安全技術(shù)交底。由于BIM技術(shù)應(yīng)用,實際操作時對工人專業(yè)技術(shù)水平要求不高,現(xiàn)場工人可直接按圖加工單個構(gòu)件。由于匠人老齡化、技藝水平參差不齊,單個建筑全過程均由1個師傅畫線,使用1套杖桿,所有榫卯開設(shè)畫線均由1人掌控,存在復(fù)雜部位構(gòu)件榫卯開設(shè)無法有效控制及提前會榫、過程控制薄弱等問題。
2)將BIM模型轉(zhuǎn)換至數(shù)控設(shè)備編程軟件中,設(shè)置對應(yīng)刀具并對刀路路徑進行編程。將規(guī)格料在設(shè)備規(guī)定位置固定好,將程序指令輸入機器匹配好坐標(biāo)點即可開始加工。通過運用數(shù)控機床,木構(gòu)件加工效率、精確率得到了極大提升,誤差降低至1mm內(nèi)。凡涉及木結(jié)構(gòu)角梁的建筑,角梁在未經(jīng)過二次加工的情況下,運抵現(xiàn)場后1h內(nèi)完成了安裝,這種精確度在人工加工時極難達(dá)到,充分證明了機床可靠性,且大大提高畫線速度和準(zhǔn)確率。
通過BIM技術(shù)應(yīng)用,在該項目施工中的木料選用、開卯成功率得到很好預(yù)控,合格率為100%。充分證實了BIM技術(shù)應(yīng)用實用性,同時加快了施工進度,減少了木材浪費,保護環(huán)境并節(jié)約了成本。
對加工好的木構(gòu)件依據(jù)木構(gòu)件拼裝視頻進行預(yù)拼裝,所有節(jié)點均與模型逐一對應(yīng),拼裝實現(xiàn)零誤差,在適應(yīng)木材性能的基礎(chǔ)上,確保加工的木構(gòu)件榫卯拼接質(zhì)量。試拼裝完成的木構(gòu)件,拆除后按集團相關(guān)規(guī)定統(tǒng)一編碼、分類碼放、打包運至施工現(xiàn)場做好成品保護工作,木構(gòu)件拼裝前按拼裝視頻對相關(guān)人員進行技術(shù)交底,明確相關(guān)職責(zé)及注意事項,嚴(yán)格按拼裝方案進行吊裝,必須依據(jù)吊裝安全技術(shù)交底固定木構(gòu)件吊裝過程中的單個構(gòu)件,臨時固定必須牢靠,確保木構(gòu)件位置準(zhǔn)確,榫卯連接牢靠?,F(xiàn)場拼裝完成效果如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場拼裝完成效果
1)各級安全生產(chǎn)責(zé)任制與安全內(nèi)業(yè)管理執(zhí)行企業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),各項經(jīng)濟承包有明確的安全指標(biāo)和經(jīng)濟獎罰措施,健全各級安全生產(chǎn)責(zé)任制。
2)完善項目質(zhì)量保證體系,做到組織落實、人員落實,貫徹質(zhì)量責(zé)任制,明確工作職責(zé)。進行質(zhì)量意識教育,樹立質(zhì)優(yōu)我榮、質(zhì)劣我恥的思想意識。發(fā)揮項目質(zhì)量管理體系的監(jiān)督管理控制職能作用。
3)為保證質(zhì)量目標(biāo)的實現(xiàn),施工前做好主要分部分項工程質(zhì)量策劃,針對常見質(zhì)量問題,有的放失地提出解決和預(yù)防措施。將質(zhì)量問題消除在初期,以保證實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。
4)密切關(guān)注定位放線、材質(zhì)檢驗、成品保護、技術(shù)交底、施工控制等主要過程,嚴(yán)把技術(shù)復(fù)核制度的落實。
5)堅持三檢制、樣板制,每道工序施工前做好樣板間作為工程標(biāo)準(zhǔn),工序交接做到“三檢”控制。堅持質(zhì)量驗收管理方法。
6)機電設(shè)備專人操作,防護裝置要標(biāo)準(zhǔn),一機一閘,閘箱上鎖,閘箱有防潮防雨設(shè)施,杜絕機構(gòu)傷害及電氣傷害事故。
7)提高所有施工人員成品保護意識教育,養(yǎng)成保護成品、愛護成品的習(xí)慣。施工前編制詳細(xì)成品保護方案,做到責(zé)任到人。做好各種工序及工種之間協(xié)調(diào)工作,避免破壞其他工種成品,要求將成品保護措施寫入相應(yīng)技術(shù)交底中。
8)防腐施工操作人員必須佩戴防塵口罩、防護眼鏡等必要的防護用品。
9)合理布置滅火器材,并派人定期檢查,確保有效;消防通道要保持暢通。木料加工區(qū)和存放區(qū)的防火應(yīng)安排專人不定時巡檢。
傳統(tǒng)建筑木構(gòu)件智能化加工技術(shù)遵循營造法則,利用Revit軟件精確繪制BIM模型,通過對族文件編排和共享參數(shù)設(shè)置,可顯示并匯總出各構(gòu)件實際下料尺寸,再配以材料變形特征即可算出損耗率最低的毛料尺寸,精確控制材料損耗。
利用BIM技術(shù)輔助古建筑施工現(xiàn)場設(shè)計,將傳統(tǒng)技藝轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)的BIM模型,實現(xiàn)木構(gòu)件榫卯的可視化,預(yù)先拼裝,達(dá)到節(jié)點優(yōu)化。進行碰撞試驗,將榫卯節(jié)點連接結(jié)合更加吻合,實現(xiàn)柱、梁、枋等木制構(gòu)件精確計算。
經(jīng)檢驗,工程質(zhì)量符合設(shè)計要求及規(guī)范規(guī)定,并大大減少了人力投入,降低了施工成本,減少了損耗。所有大木構(gòu)件統(tǒng)一加工,材料可根據(jù)實際情況在滿足要求的同時合理利用,避免浪費,數(shù)控機床代替工人放樣畫線,曲線銑床及刻槽一體機代替人工加工木構(gòu)件,且準(zhǔn)確率高。保證了結(jié)構(gòu)安全性及仿古建筑屋面整體美觀性,滿足了古建筑大木構(gòu)架使用功能,保證了工程質(zhì)量。建成效果如圖5所示。
圖5 建成效果
目前,BIM技術(shù)應(yīng)用在本項目實施前期起到舉足輕重的作用,能很好地對傳統(tǒng)建筑技術(shù)參數(shù)進行儲備,結(jié)合相應(yīng)軟件對結(jié)構(gòu)做合理分析,更好地優(yōu)化木結(jié)構(gòu)方案,指導(dǎo)木構(gòu)件加工、拼裝。若要BIM技術(shù)更好地應(yīng)用于傳統(tǒng)建筑全生命周期,除了施工深化,還需在項目決策階段掌握不同朝代對應(yīng)地域建筑風(fēng)格、榫卯特征、傳統(tǒng)文化等要素,這樣才能更好地做好傳統(tǒng)建筑及傳統(tǒng)文化傳承。