BIM技術(shù)在上海中心裙樓幕墻工程上的探索和應(yīng)用

圖21 PG1檐口（詞條“檐口”由行業(yè)大百科提供）龍骨布置圖

　　3.2模型信息化處理

　　3.2.1數(shù)字化模型合模

　　上海中心裙樓的復(fù)雜空間表皮造型決定了主體鋼結(jié)構(gòu)也將同樣復(fù)雜。正因?yàn)槿绱耍�主體鋼結(jié)構(gòu)和表皮之間的空間關(guān)系僅依靠常規(guī)的分析，是無法進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷的：幕墻表皮和主體鋼結(jié)構(gòu)是否發(fā)生碰撞，是否距離過小無法安裝，是否需加設(shè)二次鋼構(gòu)等等。這些在設(shè)計(jì)階段需要解決的問題都可以通過合模技術(shù)得到直觀體現(xiàn)。

圖22 東裙房主體鋼結(jié)構(gòu)

圖23 西裙房主體鋼結(jié)構(gòu)

　　從上圖可以看出，裙樓鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件密布交織，我們不可能對(duì)每根結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行核查，實(shí)際上對(duì)空間構(gòu)件普通的放樣檢查也很難發(fā)現(xiàn)問題;并且很多鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都以折線模擬曲線，這就為人工判斷表皮是否與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞帶來了很大的困難。我們通過將裙樓實(shí)體模型與鋼結(jié)構(gòu)實(shí)體模型在統(tǒng)一基點(diǎn)上(12軸和H軸的交點(diǎn))進(jìn)行整合，模型軟件自動(dòng)將相互干涉的部位直觀顯示出來。設(shè)計(jì)人員可以對(duì)干涉部位進(jìn)行檢查分析。

圖24 紅線部位為合模后發(fā)現(xiàn)的幕墻表皮與結(jié)構(gòu)的碰撞

圖25 VIP廳處鋼結(jié)構(gòu)凸出幕墻表皮

圖26 裙樓立面底部鋼結(jié)構(gòu)凸出幕墻表面

圖27南側(cè)連廊處，主體鋼結(jié)構(gòu)凸出幕墻表面

　　從上圖可以清晰看出，鋼結(jié)構(gòu)凸出了幕墻表皮。在建筑外表皮原則不變的情況下，這就意味著主體鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行調(diào)整。由于設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)施工藍(lán)圖基本上是以二維平、立、剖的形式表現(xiàn)，因此我們利用數(shù)字化模型剖切出合模后相干涉的部位的外表皮安裝控制邊線，以此邊線做為結(jié)構(gòu)的控制線，即結(jié)構(gòu)表皮邊緣(含主體鋼結(jié)構(gòu)和樓層板砼)不能超出此邊線，設(shè)計(jì)院以此邊線為基礎(chǔ)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的修正。如果設(shè)計(jì)院認(rèn)為某些結(jié)構(gòu)確定不能夠調(diào)整(如鋼柱已從地下室伸上來，已無法移動(dòng))，只要其未超出幕墻表皮，但是超出了幕墻安裝控制線，我們就需逐一進(jìn)行龍骨安裝分析，分析安裝時(shí)是否會(huì)有影響。

圖28 結(jié)構(gòu)的控制邊緣線分析

　　3.2.2材料加工數(shù)據(jù)的提取

圖29 鋁板加工圖紙

　　在上圖鋁板加工圖中，共有六個(gè)加工數(shù)據(jù)，兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢尺寸。另外還附有供商務(wù)與廠家核算鋁板面積的其他一些數(shù)據(jù)。僅PR系統(tǒng)一項(xiàng)，數(shù)據(jù)量就高達(dá)近十萬個(gè)。

圖30 鋁板信息化模型

圖31鋁板信息化批量導(dǎo)出

圖32 鋁板加工數(shù)據(jù)表格

　　由于實(shí)體模型的建立，使材料加工尺寸等數(shù)據(jù)可以以EXCEL表格形式導(dǎo)出。這有助于實(shí)現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的“零”錯(cuò)誤：①鋁板(玻璃或其他材料)實(shí)體模型的建立，使設(shè)計(jì)人員更為直觀地進(jìn)行核查;且軟件也可以進(jìn)行一定的相交、碰撞檢查;②模型建立核對(duì)后，統(tǒng)一由程序生成所需的加工數(shù)據(jù)，避免人為測(cè)量尺寸、尺寸填寫、尺寸歸并等造成的二次錯(cuò)誤。

　　3.2.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、安裝定位的依據(jù)

　　為了現(xiàn)場(chǎng)減少焊接量，在主體結(jié)構(gòu)加工工廠進(jìn)行了大量的幕墻所需的預(yù)埋鋼板預(yù)制。主體鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，預(yù)埋鋼板其偏差值是否滿足幕墻安裝需要，如果不滿足需提前考慮糾偏方案，避免現(xiàn)場(chǎng)隨意切割現(xiàn)象的發(fā)生。這是就需要一個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量互動(dòng)的過程;根據(jù)信息化數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)人員提供預(yù)埋鋼板理論三維坐標(biāo)點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量預(yù)埋鋼板實(shí)際三維坐標(biāo)值 設(shè)計(jì)人員進(jìn)行坐標(biāo)值分析 進(jìn)行糾偏方案處理。

圖34 實(shí)體模型三維點(diǎn)

圖35 理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

　　上圖為設(shè)計(jì)人員提供的實(shí)體模型上的，某一焊制于主體鋼結(jié)構(gòu)上埋板的一個(gè)定位數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員根據(jù)指示對(duì)此塊埋板進(jìn)行測(cè)量并反饋回設(shè)計(jì)人員。設(shè)計(jì)人員進(jìn)行對(duì)比分析，偏差在幕墻龍骨可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的不予處理，對(duì)于偏差大于調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的，設(shè)計(jì)人員則需要加長(zhǎng)或縮短轉(zhuǎn)接件距離，加大調(diào)節(jié)孔長(zhǎng)度，或采用其他糾偏措施。

　　上海中心表皮空間邏輯造型復(fù)雜，幕墻表皮并非為某一水平面或垂直面，多數(shù)幕墻表皮為空間曲面，特別是收口部位基本上全為異形扭曲面。為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝精度，就必須進(jìn)行安裝關(guān)鍵點(diǎn)控制：在深化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員依據(jù)實(shí)體模型，找出安裝龍骨(面材)等工序時(shí)的關(guān)鍵控制安裝點(diǎn)，并以三維坐標(biāo)的形式標(biāo)注與龍骨(面材)布置圖上;在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，施工人員結(jié)合實(shí)體模型，對(duì)照設(shè)計(jì)人員給出的安裝關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放線，保證每道工序的安裝控制點(diǎn)都能在可接受范圍內(nèi)，這樣最終成型的幕墻才能確保精度，達(dá)到建筑師的要求。

圖36 PG1側(cè)部收口鋁板

　　PG1處收口鋁板為在造型邏輯上為一圓臺(tái)體的剖切面，兼顧著接口PG1百頁格柵和PR玻璃幕墻。如果鋁板加工不精準(zhǔn)或安裝出現(xiàn)較大偏差，會(huì)出現(xiàn)圓弧面不能夠平滑過渡出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象，也可能會(huì)出現(xiàn)收口鋁板不能很好地銜接PG1百葉格柵和PR玻璃幕墻，造成交接縫隙過大或過小。這兩者都會(huì)影響建筑效果。

　　因此我們除了在繪制加工圖時(shí)給出了關(guān)鍵控制尺寸，并且還給出了安裝關(guān)鍵控制點(diǎn)位。如下圖，每塊鋁板安裝我們給出了三個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)，六個(gè)非關(guān)鍵輔助控制點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員根據(jù)這些控制點(diǎn)理論三維坐標(biāo)進(jìn)行控制，從而保證鋁板安裝的精準(zhǔn)性。

圖37 鋁板復(fù)核定位圖

圖38 鋁板安裝測(cè)量定位表

　　在上海中心裙樓幕墻工程深化設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于表皮造型邏輯為空間曲面的幕墻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員都會(huì)給出龍骨、面材的關(guān)鍵加工、安裝坐標(biāo)等信息，因?yàn)榇祟惸粔ΜF(xiàn)場(chǎng)施工人員是無法根據(jù)施工藍(lán)圖進(jìn)行推算得出詳細(xì)安裝坐標(biāo)的。而對(duì)部分表皮造型邏輯非空間曲面的幕墻系統(tǒng)，其平行于或垂直于X、Y軸，可以通過二維施工藍(lán)圖推算出安裝點(diǎn)位的，設(shè)計(jì)人員可以不提供三維坐標(biāo)點(diǎn)。

圖39 PR幕墻玻璃及安裝座模型圖

　　前面已經(jīng)描述過PR幕墻的空間扭曲造型，現(xiàn)場(chǎng)施工人員是無法通過推算得出型材、玻璃的安裝坐標(biāo)點(diǎn)的。我們通過鋁制轉(zhuǎn)接系統(tǒng)的各種調(diào)節(jié)，在材料加工時(shí)可以歸并一部分玻璃和鋁制安裝座，減少加工量和現(xiàn)場(chǎng)材料二次搬運(yùn)工作量。但是現(xiàn)場(chǎng)定位坐標(biāo)卻無法合并，每一塊玻璃都有其固定唯一的安裝坐標(biāo)點(diǎn)，而每一塊玻璃都需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量又不現(xiàn)實(shí)，因此設(shè)計(jì)人員提出：橫向上每隔兩至三跨，縱向上每六個(gè)300mm寬的玻璃板塊需精確測(cè)量一次控制點(diǎn)，保證安裝精度。精確控制點(diǎn)之間的玻璃以設(shè)計(jì)人員坐標(biāo)點(diǎn)做為參考，以實(shí)際安裝效果做為基準(zhǔn)，保證空間曲線的圓滑過渡即可。

　　3.2.4指導(dǎo)工廠化制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝

　　上海中心裙樓幕墻系統(tǒng)繁多，幕墻面材組合復(fù)雜。特別是PS石材幕墻，單塊石材面積較小，分別為1200*450mm，900*450mm，600*450mm三種規(guī)格，這三種石材又按四種組合方式在立面上進(jìn)行排布。PS石材幕墻整體邏輯造型為雙曲圓胎面。

圖40 PS石材面板立面布置圖，邊部未剪切

圖41 PS石材面板布置放大圖

　　從上圖可以看出，PS幕墻石材面板較小，但是分布又有一定規(guī)律。如果采用普通框架式安裝，即現(xiàn)場(chǎng)逐塊安裝，會(huì)存在以下兩方面的缺點(diǎn)：①石材面材較小，安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)工，產(chǎn)出比不高;②石材面材逐塊安裝，控制點(diǎn)位過多過雜。而現(xiàn)場(chǎng)影響因素較多，會(huì)導(dǎo)致可能出現(xiàn)較大偏差。

　　因此我們采取內(nèi)部防水鋁板框架式安裝，外部石材單元式整體吊裝（詞條“吊裝”由行業(yè)大百科提供）的安裝方式。由于PS石材幕墻的雙曲表皮造型，而石材板塊出于造價(jià)考慮，以直面板塊代替弧線造型，因此必須精準(zhǔn)定位石材板塊掛接點(diǎn)位，才能保證石材板塊“以折代曲”，實(shí)現(xiàn)弧線的雙曲效果。

　　在進(jìn)行“以折代曲”石材面板前，需要在理論放樣上，對(duì)其實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行判斷，分析平板與弧板間的拱高差異，是否在建筑師可接受的范圍，避免折面交口處出現(xiàn)較大凹凸臺(tái)的出現(xiàn)。

圖42 PS石材幕墻放樣

圖43 橫向放樣

圖44 縱向放樣

　　從上圖放樣可以看出，PS石材幕墻橫向曲率半徑624米，縱向曲率半徑最小為64米。橫向曲率較大，因此平面石材板塊拱高只有0.65mm;縱向曲率稍小，平面石材板塊拱高有3.54mm。經(jīng)過討論，建筑師認(rèn)為采用平面石材板塊，此拱高在大面積幕墻范圍人的視覺是無法察別的，是可以接受的。

　　因此對(duì)于PS幕墻的雙曲面造型，石材后部龍骨在橫向上沿法向布置來適應(yīng)橫向曲率，縱向上采用彎弧形式;在安裝防水鋁板前，將石材板塊掛座預(yù)先安裝于龍骨上，并進(jìn)行三維坐標(biāo)定位;石材板塊在工廠進(jìn)行加工組裝，檢驗(yàn)合格后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng);防水鋁板經(jīng)水密性測(cè)試完成后立即進(jìn)行整體安裝石材板塊。從這個(gè)角度上看，影響石材板塊安裝質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)，除了板塊的組裝質(zhì)量外，最重要的就是現(xiàn)場(chǎng)安裝的石材掛座點(diǎn)的精準(zhǔn)性。

圖45 石材鋁掛座模型定位圖

圖46 石材板塊掛點(diǎn)模型示意圖

圖47 鋼龍骨掛接點(diǎn)位定位數(shù)據(jù)表

　　鋼龍骨在工廠進(jìn)行加工時(shí)，根據(jù)信息化模型中提供的數(shù)據(jù)，在鋼龍骨上進(jìn)行預(yù)鉆掛座定位安裝孔。龍骨在進(jìn)行工廠材料復(fù)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)測(cè)完畢后，龍骨上的掛座位置也基本進(jìn)行了精確定位。后續(xù)在安裝石材掛座和石材板塊時(shí)，進(jìn)行更一步的微調(diào)，確保安裝完畢后的石材幕墻精度。

　　3.3參數(shù)化設(shè)計(jì)

　　參數(shù)化設(shè)計(jì)，是通過將一定的邏輯關(guān)系組合，并將組合中的某一項(xiàng)賦予一定的參數(shù)變量，在此變量下批量生成模型、數(shù)據(jù)，或?qū)ψ兞繑?shù)值進(jìn)行一定的修改，模型構(gòu)件即能夠大批量地進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。現(xiàn)以PR幕墻玻璃的布置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單說明。

　　①PR金色肌理玻璃幕墻，玻璃高度方向約300mm，寬度方向上約1800mm。上文中對(duì)玻璃分格邏輯進(jìn)行了說明：東裙樓PR按等寬邏輯方式布置，西裙樓PR按圓弧等分邏輯方式布置。如果PR幕墻是純單曲面，玻璃布板工作用普通排列布置方式毫無問題，但是由于PR表皮的空間扭曲造型，再加上東、西裙樓兩種布板原則，使布板工作變得相當(dāng)困難。即使在模型上進(jìn)行手工逐塊布板，工作量也相當(dāng)巨大。

圖48 PR金色肌理玻璃板塊布板模型

圖49 起始部位布板

圖50 鏤空部位布板

圖51吊頂圓弧部位布板

　　因此我們采用了模型參數(shù)化設(shè)計(jì)。根據(jù)一定的邏輯關(guān)系，將玻璃布板分格交由程序完成。

圖52參數(shù)化程序

　　首先根據(jù)玻璃板塊分格尺寸，以1800mm尺寸做平行于軸線的輔助線，并將輔助線投影到曲面上形成交線，得到玻璃的水平分格。這一步程序較為簡(jiǎn)單，可以通過程序完成也可以通過手工完成。

　　在參數(shù)化程序里面，大致上可以分為四個(gè)子模塊：第一個(gè)子模塊是將上述形成的玻璃分格交線進(jìn)行布點(diǎn)，即沿弦長(zhǎng)等于300mm設(shè)置玻璃定位點(diǎn)(東裙)，并在設(shè)置定位點(diǎn)時(shí)留出玻璃分格間隙;第二個(gè)子模塊是將相鄰交線上的四個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)四邊形曲面，并將此曲面拍成平面;第三個(gè)子模塊是輸出平面玻璃的長(zhǎng)、寬、高等加工尺寸和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位點(diǎn)等數(shù)據(jù)。

圖53 參數(shù)化程序中的關(guān)鍵控制變量

　　前面提到過，參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于利用程序驅(qū)動(dòng)建模工作，并且調(diào)整程序中的相關(guān)參數(shù)變量，模型隨之進(jìn)行調(diào)整。如上圖所示，此參數(shù)化程序里面的參數(shù)為藍(lán)色模塊中的300mm。如果建筑師要求調(diào)整玻璃分格，只需將300mm更改成相應(yīng)數(shù)值，模型即可完成調(diào)整。相比傳統(tǒng)意義上的做圖模式，有了質(zhì)的飛躍。

　　由于建筑師的多輪調(diào)整，如果每次調(diào)整都要重新建模分析，無疑會(huì)帶來相當(dāng)大的工作量。此時(shí)參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)便極大地體現(xiàn)出來。

圖54 參數(shù)化程序

　　在此參數(shù)化程序里面，將挑檐鋁板的模型建立分為四個(gè)子模塊：第一個(gè)子模塊是采用與PG3玻璃幕墻垂直的直線輔助線，以間距900mm分格投影至挑檐曲面上，并得到與挑檐相交的曲線;第二個(gè)模塊是形成如上面方案圖所示的挑檐造型。先形成垂直(或傾斜)于PR邊線，高度為900mm的挑檐外沿面，然后以一定角度轉(zhuǎn)為吊頂面;第三個(gè)模塊是將鋁板橫縱向分格交線的交點(diǎn)連成一個(gè)曲面四邊形，分析四邊形是否在一個(gè)平面內(nèi)，如果不在一個(gè)平面內(nèi)，其翹曲值為多少，并輸出每一塊鋁板的長(zhǎng)、寬、高等加工尺寸和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位點(diǎn)等數(shù)據(jù)。

圖55 參數(shù)化程序中的關(guān)鍵控制變量

　　總體來說，上海中心裙樓的設(shè)計(jì)，從最開始的業(yè)主招標(biāo)方案僅有的一些概念圖紙，到最后的完成專家驗(yàn)收，它是我們公司第一個(gè)全過程、多階段，高深入使用BIM工具做為主要設(shè)計(jì)工具的工程，應(yīng)該來說取得了一定的成功。

上海中心大廈

總高度632米，結(jié)構(gòu)高度580米，已建成項(xiàng)目中中國(guó)第一、世界第二高樓；地上樓層127層，觀光平臺(tái)在119層；建筑面積約57.6萬平方米，占地面積約3萬平方米。最大的非線性雙曲面自潔玻璃

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　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張璐薇、關(guān)瑞明;《華中建筑》;BIM技術(shù)發(fā)展及其建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　[2]盧婉玫;《天津大學(xué)》;BIM技術(shù)及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

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