邱繼衠 楊 英

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

住建部等九部門日前聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》(以下簡稱《意見》)，提出以新型建筑工業(yè)化帶動建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級。其中，裝配式建筑被頻繁提及[1]。

裝配式建筑是我國建筑業(yè)推進(jìn)建筑工業(yè)化進(jìn)程的一個很明確的方向，它的特點是建筑材料更多地采用工廠加工拼裝成型的建筑單元模塊，在施工中以建筑單元的形式進(jìn)行規(guī)模化的安裝，省卻了繁雜的現(xiàn)場工序開展環(huán)節(jié)，對施工工作面的需求也較常規(guī)方式更低，是一種行之有效的提升施工效率的手段。

1 BIM技術(shù)與裝配式技術(shù)在幕墻工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

在裝配式建筑的施工階段應(yīng)用BIM技術(shù)能夠很好地將施工全過程模擬出來，逐一演示施工中可能出現(xiàn)的各類問題，提前制定好解決這些問題的有效對策，及時地改進(jìn)并完善現(xiàn)有的施工方案，最大限度地降低施工中出現(xiàn)事故的概率，同時也很好地控制了資源的消耗情況[2]。

對于幕墻工程而言，其裝配式施工的實施往往采用幕墻面板和幕墻龍骨提前組裝的形式形成單元板塊。目前單元式玻璃幕墻的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，多見于各大超高層玻璃幕墻寫字樓的工程。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和工程經(jīng)驗的反復(fù)積累，目前的裝配式技術(shù)已經(jīng)能在更廣泛的場景下發(fā)揮作用。

在當(dāng)前的幕墻工程領(lǐng)域中，BIM應(yīng)用有兩個主流平臺——Revit和Rhino。二者各有特色，Revit的特點在于全專業(yè)的管理和整合，Rhino的特點在于分析、表現(xiàn)、參數(shù)化能力強(qiáng)大，自由度高。

目前國內(nèi)的異形幕墻工程對Rhino的使用日益廣泛，其強(qiáng)大的功能適合于幕墻的精準(zhǔn)建模，用以為建筑的加工和施工環(huán)節(jié)提供充分可靠的數(shù)據(jù)參數(shù)，經(jīng)過大量工程實踐，這種BIM應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。

對于本項目雄安商服中心項目會展樓幕墻工程，幕墻施工的重難點是檐口雙曲面格柵造型鋁板的裝配式施工實現(xiàn)，在此過程中BIM技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，為設(shè)計和施工的推進(jìn)起到了關(guān)鍵的助力作用。

相比一些發(fā)達(dá)國家，例如法國、德國、日本等，我國在研究裝配式方面還處于起步階段，技術(shù)體系有待完善并且應(yīng)用范圍也不夠廣泛[3]。 國內(nèi)對于雙曲面檐口的設(shè)計施工較多采用框架式做法，采取裝配式施工的工程實踐在近幾年中逐漸增多，對于裝配式施工在實際工程中的占比也有提高的趨勢。筆者曾服務(wù)的襄陽東站項目，檐口東西面采用框架式施工，南北面采用裝配式施工。而本文的雄安商務(wù)服務(wù)中心項目則采用全檐口的裝配式設(shè)計與施工。

武漢東西湖體育中心項目中對檐口也有單元式施工的實踐，其實施思路為：為保證工期節(jié)點，將三維建模應(yīng)用至地面單元體拼裝，先在檐口模型中將檐口每榀龍骨的進(jìn)出尺寸、相對標(biāo)高高差及軸線點位尺寸放出，然后根據(jù)數(shù)據(jù)在地面進(jìn)行組裝，最后以單元式龍骨整體吊裝的施工工藝進(jìn)行施工，保證地面焊接龍骨與鋼結(jié)構(gòu)完美對接，且地面焊接、整體吊裝的方式安全可靠，同時費用降低、雨季適用，節(jié)省了大量工期[4]。

2 雄安商服中心的項目概況

雄安商務(wù)服務(wù)中心項目(會展中心樓)位于河北省保定市容城縣。該工程建筑基底面積8 962.43m2，總建筑面積89 842.69m2。建筑層數(shù)(地下/地上)：2/3層(局部有夾層)。幕墻形式包括：鋁型材框架系統(tǒng)、單元幕墻系統(tǒng)、主入口大雨棚系統(tǒng)、鋁板造型系統(tǒng)、屋頂采光頂、屋頂格柵、屋頂陶瓦、防火幕墻、石材幕墻、觀光電梯等。整體效果如圖1所示。

圖1 雄安商務(wù)服務(wù)中心項目整體效果圖

3 裝配式施工的應(yīng)用背景

本項目是雄安新區(qū)成立以來建立的第一個會展項目，工期要求緊，工程量大，檐口設(shè)計難度高。管理團(tuán)隊與設(shè)計團(tuán)隊進(jìn)行了周密的考慮，最終決定采用對整個檐口進(jìn)行裝配式吊裝的方式來施工，來保證國家新區(qū)建筑新成員盡早亮相。相比于傳統(tǒng)建筑方式，裝配式建筑在建設(shè)前期所需成本相對較高，建設(shè)相關(guān)工作量較大[5]。

作者在BIM服務(wù)于大型場站項目的檐口設(shè)計已有經(jīng)驗，曾在襄陽東站幕墻工程中進(jìn)行過工程實踐，技術(shù)儲備已經(jīng)充足，完成此BIM應(yīng)用的關(guān)鍵就是對檐口區(qū)域的整體設(shè)計下單任務(wù)提供效率和精確性的支撐。

檐口整體造型效果如圖2，檐口采用鋁版折彎成格柵造型的方式，檐口板跨越三個大折面，三個折面在走勢上均為雙曲面。在北凹槽區(qū)位與立面存在大量異形收口。出于工期和設(shè)計難度方面的雙重考慮，本項目檐口部分宜采用BIM建模+參數(shù)化下單的方式完成。

圖2 檐口造型效果

4 BIM結(jié)合裝配式的具體應(yīng)用

由于檐口全區(qū)均采用裝配式施工做法，不留收邊收口，施工過程需要一次成活。這使得在實際施工之前，就應(yīng)對整個檐口范圍進(jìn)行考慮，解決轉(zhuǎn)角部位的裝配實現(xiàn)問題，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計分格模數(shù)應(yīng)用于各區(qū)域后是否能夠良好銜接，轉(zhuǎn)角與標(biāo)準(zhǔn)單元、標(biāo)準(zhǔn)與凹槽單元、凹槽單元內(nèi)部等各個裝配之間實現(xiàn)嚴(yán)絲合縫、互不干涉的準(zhǔn)確鄰接關(guān)系，格柵造型的流暢性等問題均需要在BIM運用的過程中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

4.1 全區(qū)域裝配式單元的BIM實施

經(jīng)過BIM放樣，最終施工的單元裝配分區(qū)如圖3，實現(xiàn)了檐口全部板塊均采用裝配式整體吊裝的形式施工，一次成活。

圖3 檐口裝配式單元分布

優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)角裝配單元的實現(xiàn)，之后以標(biāo)準(zhǔn)裝配的方式沿著轉(zhuǎn)角單元向中部進(jìn)行排布，在南北面因為凹槽造型的存在，依據(jù)實際設(shè)計規(guī)格增減單元的模數(shù)，并盡量避免異形單元，同時盡量避免出現(xiàn)過大的單元，對于非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的單元向設(shè)計方進(jìn)行二次提資，經(jīng)反饋后采用定制化的結(jié)構(gòu)布置方式。

4.2 各裝配的單元化

標(biāo)準(zhǔn)化裝配式單元，在檐口的轉(zhuǎn)角、凹槽之外的大面區(qū)域采用，這也是BIM設(shè)計的重點。如圖4所示，一個含百葉的鋁板裝配單元及其龍骨布置方式。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)裝配單元的構(gòu)成

這里利用了點集流的方式，點集工作流的方式不需要改變模型再重新拆模、排序、下料，采用點集的路徑篩選，直接改變受影響的下料板塊。由于拓?fù)潢P(guān)系得以保持，下料模型、圖紙、數(shù)據(jù)實現(xiàn)了按修改同步更新，極大提升了下料效率[6]。

將40個點視為一個標(biāo)準(zhǔn)裝配單元的約束點集，如圖5。

圖5 40個點構(gòu)成的裝配單元

圖6 含百葉裝配單元的設(shè)計范圍

設(shè)計算法可以求解出面板的邊線位置進(jìn)而生成面板模型，以及內(nèi)部的幕墻龍骨。這個算法同時運用于42個標(biāo)準(zhǔn)裝配單元，只需生成42×40個點集即可。

這樣做的最大優(yōu)點是將幕墻位置數(shù)據(jù)和幕墻組裝邏輯分開存儲，將二者連結(jié)為一個可以實時變化的生成系統(tǒng)，便于過程版的調(diào)試和最終版的快速生成、也便于后期加工信息輸出。

算法邏輯的逆推理的過程如下：

1)求出百葉的四個約束頂點，如圖7；

圖7 百葉生成的約束頂點

2)實現(xiàn)從四點生成百葉模型的單元算法，如圖8；

圖8 四點百葉單元算法

3)以立面圖中的控制位置、四點成矩形關(guān)系，鋁板寬度模數(shù)，百葉高度約束等信息，編制程序求解精確的四個控制點，如圖9。

圖9 求解四點的約束關(guān)系

轉(zhuǎn)角單元的設(shè)計更為復(fù)雜，圖10-11分別為其外側(cè)和內(nèi)側(cè)的構(gòu)造設(shè)計情況。

圖10 外完成面鋁板設(shè)計

圖11 內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計

對于此類特殊區(qū)域建模，以邊發(fā)現(xiàn)問題邊解決問題的方式完成正向設(shè)計。

需要考慮的重難點如下：

1)以結(jié)構(gòu)計算通過的龍骨理論布置方法，套用于此部位，迭代至可行；

2)豎向龍骨在大曲率位置的定位，如何滿足施工便利性；

3)兩個立面龍骨與斜向格柵龍骨的連接方式；

4)鋁板在靠近斜向格柵端部的避縫問題。

凹槽區(qū)域的單元設(shè)計范圍，如圖12所示位于南北兩側(cè)，凹槽單元的拼接關(guān)系如圖12色塊顯示。

圖12 凹槽區(qū)域的分布位置

銜接關(guān)系是此類多收口區(qū)域裝配式做法的關(guān)鍵，確保相鄰單元的收邊龍骨互不干涉，又充分滿足后續(xù)收邊板的安裝需求，是此過程的重點，最終的布置如圖13，此種單元分區(qū)方式充分利用了標(biāo)準(zhǔn)單元的9分格做法，在特殊轉(zhuǎn)角處特殊處理，最大限度地利用了標(biāo)準(zhǔn)裝配方案。

圖13 北凹槽局部裝配關(guān)系

4.3 數(shù)字化鋁板下單

檐口鋁板中，采用裝配式吊裝的鋁板有4 326塊，與頂部屋面收口的2 924塊，與三層立面幕墻收口的593塊，共計7 043塊，所有鋁板均為帶有多個折面的異形板，涉及加工的邊長、角度參數(shù)非常多，大量涉及加工的數(shù)據(jù)量，使得下料難度高。以如圖14所示的典型鋁板為例，單塊鋁板的造型折面有8個，同時擁有大量特殊角度，最終實際鋁板的加工參數(shù)有23個邊長和12個角度之多。

圖14 典型鋁板的造型示意

解決辦法是定制一張具有編號、加工圖號、35個加工參數(shù)的加工信息表，如圖15所示，邊長控制板塊大小，二面角控制格柵朝向，平面角控制各面銜接妥當(dāng)，充足的參數(shù)保證了板塊尺寸的精準(zhǔn)定制。

圖15 典型鋁板的加工信息表

4.4 可視化校核鋁板尺寸、查找物料

為了便于設(shè)計對加工參數(shù)正確性的檢驗，在三維模型上使用空間標(biāo)注的形式對數(shù)據(jù)和編號的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行可視化顯示，可以讓檢查校核工作也更加直觀，如圖16所示，邊長、二面角、平面角的參數(shù)編號與數(shù)值均直觀展示在三維模型上，設(shè)計校對只需將Exel數(shù)據(jù)表對應(yīng)板塊信息在模型對應(yīng)位置查看即可，無需二次手動量取數(shù)據(jù)，尤其是二面角的數(shù)據(jù)不易量取，此種方法節(jié)省了很多校對時間。

圖16 尺寸參數(shù)的編號和數(shù)值直接展示的可視化分析

鋁板下單的重點是加工圖號對應(yīng)了不同的角碼布置方式，鋁板編號對應(yīng)了裝配式定位的組裝依據(jù)。同樣使用Rhino的dottext對象來進(jìn)行可視化的編排，用于指導(dǎo)設(shè)計檢查工作和項目組裝裝配單元時的重要依據(jù)，如圖17所示每個板塊所用的加工圖類型和編號高亮顯示之后，可以輕易看出每種板塊所用加工圖角碼連接方式是否正確。

圖17 加工圖與編號對照可視化分析

4.5 裝配式龍骨的提料、裁切與定位

建好的裝配式模型中，要輸出工程組裝需要的數(shù)據(jù)來進(jìn)行龍骨組裝，以剖面圖來對龍骨的尺寸和定位關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的表達(dá)，總計640個剖面圖全部藉由參數(shù)化程序?qū)崿F(xiàn)生成，如圖18。以所有龍骨所在的工作平面，定位圖元到平面上一字排開的方式，出圖效率遠(yuǎn)高于手動從模型上量取繪制。

圖18 批量生成的裝配龍骨剖面圖集

在此基礎(chǔ)上，為了符合現(xiàn)場組裝單元的便捷性，將單元按照大斜面為基底進(jìn)行放置，以此輸出CAD圖紙，如圖19。這種更符合現(xiàn)場操作直覺的方式對于施工的效率帶來了很大的便利性，這還便于對場地的利用，直接在三層吊裝檐口下方進(jìn)行組裝，減少運輸距離，即裝即吊，工作面得到有效利用，如圖20為現(xiàn)場組裝與吊裝的作業(yè)情況。

圖19 將單元板塊躺平放置出圖，便于現(xiàn)場量取

圖20 現(xiàn)場組裝與吊裝的作業(yè)情況

4.6 預(yù)焊龍骨的BIM設(shè)計

當(dāng)需要控制整體輪廓時，若施工人員沒有做好屋面施工與鋼結(jié)構(gòu)的協(xié)作工作，則無法保證鋼結(jié)構(gòu)模型、屋面構(gòu)造模型以及概念模型的有效結(jié)合[7]。非裝配式的主龍骨也采用BIM預(yù)演。將鋼結(jié)構(gòu)的施工模型載入Rhino后獲得其網(wǎng)格模型。為了便于現(xiàn)場的施工，將“H”形狀的龍骨焊接定位，與鋼結(jié)構(gòu)工字鋼進(jìn)行頂?shù)讓R的模擬，找到最合理的布置方式，既能滿足頂面水溝的布置空間，又不與鋁板下傾完成面發(fā)生干涉。通過對Mesh與Plane的多重運算，求解出最便于現(xiàn)場施工的H型主龍骨吊裝位置，并與裝配式的鋁板及龍骨進(jìn)行干涉檢查調(diào)優(yōu)，最終因地制宜地定出焊接位置，如圖21。

圖21 預(yù)焊龍骨的BIM定位模型

同樣以導(dǎo)出剖面圖的方式提供H型主龍骨的加工尺寸信息，并在平面內(nèi)表達(dá)出排布位置，如圖22。

圖22 導(dǎo)出預(yù)焊龍骨的平面定位圖

4.7 掛接點的定位指導(dǎo)

在三維模型中直接根據(jù)設(shè)計規(guī)則，對裝配式龍骨的掛接點進(jìn)行圖示，輸出為平面圖紙，便于現(xiàn)場施工安裝時查閱，如圖23。解決了雙曲屋面測量定位體系復(fù)雜、屋面各點標(biāo)高難以控制及各類材料用量計算難度大精度低等施工技術(shù)難點，使整個建造過程更加高效精準(zhǔn)[8]。

圖23 導(dǎo)出掛接點定位圖

4.8 BIM應(yīng)用于裝配式施工的經(jīng)驗總結(jié)

本項目的BIM應(yīng)用，對于整個檐口區(qū)域的所有鋁板和龍骨施工都進(jìn)行了有效指導(dǎo)，鋁板面材面積達(dá)到了10 000m2以上，是一次大規(guī)模的異形曲面鋁板幕墻的裝配式施工實踐，對全局的應(yīng)用都發(fā)揮了重要作用，為裝配式建筑精益建造取得實效提供了有力的信息保障[9]。 圖24為實際施工質(zhì)量控制的照片。

圖24 吊裝單元的工程質(zhì)量控制

BIM技術(shù)在本項目的實踐，證明了BIM的參數(shù)化設(shè)計能力在裝配式施工中的發(fā)力點：

(1)精確性。借助完成的BIM模型可以對項目的重點或難點部分進(jìn)行可建性模擬[10]。在建構(gòu)邏輯上相似，空間幾何上差異化的幕墻裝配單元，無論其面材造型形式有多復(fù)雜，無論其龍骨組織形式如何多樣，都可以從理論上找到一種基于關(guān)鍵點約束的生成邏輯，算法從過程上實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)參數(shù)從成果上輸出差異化與定制化，借助點圖元的幾何特性實現(xiàn)幕墻產(chǎn)品細(xì)節(jié)的精確性，創(chuàng)造高質(zhì)量幕墻施工的競爭優(yōu)勢。

(2)高效性。裝配式設(shè)計的特點，需要裝配單元的各種類型加工材料提前在工廠加工完畢，并同時到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行最終組裝，這樣提升了施工效率，減少了施工措施成本。但同時也將大量設(shè)計工作前置，尤其是裝配單元內(nèi)部的大量加工件的精細(xì)化加工數(shù)據(jù)必須在很短的時間內(nèi)完成出具，這對于效率有非常高的需求，參數(shù)化的能力為批量生成提供了技術(shù)支撐，把盡可能多的工作交給計算機(jī)完成，來為設(shè)計進(jìn)度保駕護(hù)航。

(3)延展性。本項目的BIM實施過程，是轉(zhuǎn)角→標(biāo)準(zhǔn)→凹槽→下收口→上收口的順序來進(jìn)行的，非標(biāo)準(zhǔn)單元與標(biāo)準(zhǔn)單元穿插進(jìn)行，對與參數(shù)化的程序管理帶來一定難度。但先難后易的做法，也有利于摸清邏輯，為標(biāo)準(zhǔn)化單元算法從邏輯上有個預(yù)演，也是為一種不錯的工作流程。BIM作為新興技術(shù)，其能力還并未完全發(fā)揮出來，只有BIM技術(shù)在裝配式工程中能有更廣泛的應(yīng)用，項目施工人員能對BIM有更多的了解，更有助于施工與BIM技術(shù)的同步提升，發(fā)掘更多管理中可優(yōu)化的點，讓裝配式施工技術(shù)少走彎路，朝著工業(yè)化、智能定制化的方向不斷發(fā)展。