孝感文化中心异形GRC幕墙建造技术BIM应用

赵全斌李金光耿直杨勇

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；2.中交第四公路工程局有限公司，北京100022)

0 引言

在实现公共建筑使用功能的前提下，为追求独特的建筑效果，体现每栋建筑物的个性，出现了大批异形立面的大型公共建筑。采用高性能玻璃纤维增强混凝土GRC(Glass Fiber Reinforced Concrete)板等异形幕墙板进行立面装饰，在文化中心、体育馆、纪念馆等大型公共建筑上取得了良好的效果。

建筑信息化模型BIM(Building Information Modeling)以其可视化、协同效率高、参数化及对项目全生命周期的关注赢得了建筑行业市场的认可，借助BIM技术的可视化、精细化、信息化特点，让多维模型信息联合模拟成为一种可能[1-2]。BIM技术在国内公建以及装配式、幕墙等诸多项目中扮演辅助的角色，但其在深化设计、解决现场施工碰撞方案、施工协调、施工预算、质量管理等方面的表现已展示出其潜质[3-6]。GRC幕墙板在南京青奥会议中心、辛亥革命博物馆等项目中均应用良好[7-8]，而BIM技术在国内玻璃幕墙项目中已有较成熟的应用[9-13]，但在异形GRC幕墙项目中应用不多且标准体系不甚完善[14-15]。文章针对公共建筑—孝感文化中心复杂双曲异形GRC幕墙项目，将BIM技术应用于精细化建模、幕墙深化设计与分析、现场施工应用的幕墙建造全过程。

1 孝感文化中心项目概况

1.1 项目介绍

孝感文化中心位于湖北省孝感市东城新区，规划用地为17.33 hm2，项目总建筑面积＞13万 m2。工程包含10大功能、3组建筑。以A座大剧院、B座音乐厅为中心，C座博物馆与D座图书馆、方志馆、档案馆位于东侧静区，相对独立，E座科技馆、规划展览馆与F座群艺馆、青少年宫及妇儿中心位于西侧动区。该项目幕墙造型复杂，曲面转角流畅，窗户错落镶嵌，外墙及屋面主要采用GRC幕墙系统，系统包括二次结构系统、保温系统、防水系统、GRC板系统等，属于国内面积较大的单体GRC幕墙项目(如图1所示)。

图1 孝感文化中心项目示意图

1.2 项目重难点分析

项目幕墙为异形建筑幕墙设计，其造型新颖、系统构造层次多、技术要求高；GRC幕墙施工工序多、施工难度大，面板与骨架二次深化设计要求高，加工工艺及其定位、下单以及安装和维修复杂；项目要求精细化管理，其施工工期、质量要求高；施工过程均需要三维模型完成，传统的二维设计与图纸均无法满足需求。因此，应用BIM技术，制定项目标准流程，借助三维可视化特点模拟、协调、优化设计，使细部节点充分展现得以指导施工，从而提升施工水平、提高建筑质量，保证建筑的合理性、美观性。

2 异形GRC幕墙建造技术BIM组织与应用环境

2.1 项目BIM实施方案

项目幕墙工程实施之前就单独构建了BIM应用的组织架构，制定了详细的实施策划和实施标准。BIM应用团队结合项目的重点和难点明确了BIM应用的目标和责任划分，将精细化管理作为实施的重中之重，计划在GRC幕墙系统的二次深化设计、加工制造、施工过程力学分析、复杂工程节点与工序模拟等方面进行应用BIM技术，借助这一技术指导项目现场绿色施工、质量管理及进度控制，提升项目的整体管理能力。

2.2 项目BIM软硬件配置

项目实施所使用的软件见表1。

表1 项目BIM软件使用列表

项目BIM硬件重点配置:ThinkPad X1 Carbon 2台，双核，酷睿七代i7-7500U处理器，Graphics 620核芯显卡，512GB ssd。

2.3 项目BIM标准制定

建筑信息模型的标准制定有助于项目形成有机、系统的建模环境，制定建模标准关系到团队协同及各分项工程协同，主要包括文件夹标准化、模型命名标准化、图纸命名标准化、命名规则一致性。项目幕墙由GRC幕墙、玻璃幕墙和铝单板幕墙组成，特制定了详细的BIM建模标准。表2、3分别为项目构件设计深度等级和幕墙建模标准。

表2 构件设计深度等级表

表3 GRC幕墙建模标准表

3 异形GRC幕墙建造技术BIM应用

3.1 项目精细化建模

项目重点针对建筑、结构及异形幕墙制定建模标准并进行精细化建模，创建模型采用典型BIM软件进行，从轴网建立开始，通过文件链接的方式搭建整体模型，采用多人协同完成。完成的模型如图2～4所示。

图2 单体建筑BIM模型示意图

图3 单体结构模型示意图

图4 建筑结构幕墙精细化整体模型示意图

3.2 幕墙深化设计与分析

3.2.1 双曲幕墙模型二次深化

双曲幕墙二次深化设计按以下步骤完成建模:(1)把方案设计幕墙外轮廓导入，并设定不同的图层加以区分；(2)根据幕墙厚度，确定幕墙外轮廓线和主要的控制点；(3)通过放样并扫掠，外轮廓线形成的面即最终模型，是非均匀有理B样条曲线形成的曲面模型。E馆的二次深化图如图5所示。

使用参数化技术，创建双曲幕墙表面分割，并通过批量添加共享组参数的方式建立幕墙面板的编码，实现手动和自动编码相结合控制完成幕墙面板编码。

图5 幕墙二次深化图(以E馆为例)

3.2.2 施工过程受力校核与有限元分析

采用二次开发工具，将前期建模数据流导入有限元分析软件进行计算分析，并将有限元分析的结果数据返回到建筑信息模型中，从而实现了BIM数据在整个施工全过程中的“闭环”。图6为选取的典型幕墙板和背腹钢架的受力分析。

图6 幕墙施工过程受力分析图

3.3 现场施工应用

3.3.1 模型拟合

项目双曲异型GRC幕墙外形极为复杂，现场施工需要具有可视化、精确的三维模型实体。结合项目建筑结构模型，通过BIM软件对中心幕墙进行三维模型的优化，将项目幕墙的整体三维幕墙轮廓、各控制点的坐标节点、幕墙装饰分格、幕墙各部位细部节点的构造及相应位置关系等进行可视化拟合，并将施工实际数值与三维模型中的理论数值做对比分析，施工过程中不断调整、消化、整合误差，使最终异形幕墙空间定位最大限度的满足BIM模型所建立的虚拟建筑建造。

3.3.2 指导幕墙钢构件龙骨制作及其空间定位

异型复杂幕墙面层板分项构造及外形均非常复杂，幕墙各构造的支撑钢构件龙骨的相对位置和角度均不同且定位困难，利用BIM精细化模型进行碰撞检查，精确定位各相互矛盾节点并及时调整。项目通过提取BIM模型的幕墙支撑钢构件龙骨加工尺寸图和根部预埋件的定位数据及龙骨拼接点的定位数据，得到主结构的偏差数据，极大地提高了龙骨制作精度和准确度，很好地指导了龙骨制作和安装就位，如图7、8所示。

图7 预埋件示意图

图8 龙骨制作空间定位示意图

3.3.3 提取面板的加工尺寸及空间定位

项目异型幕墙面板构造十分复杂且幕墙板块大多为非平面板，现场施工放样定位均难以精确把控。在具体施工过程中使用了幕墙面板的BIM精细化模型进行材料下单，并对施工安装进行了指导，大大提高了材料下单速度及安装精度，加快了施工进度。

3.3.4 施工过程与复杂施工节点工序模拟

BIM施工模拟是关于建筑设施的物理性能和各方面属性的综合性直观表述，其针对复杂幕墙工程将项目进行建造过程与复杂施工节点工序模拟，使项目管理人员可以实时、动态的掌控建造进度，确定最好的建造顺序和时间节点，快速优化资源配置，并为制定物资供给计划提供及时、准确的数据参考，如图9、10所示。

图9 实际施工过程与虚拟建造过程对比图

图10 施工过程与复杂施工节点工序模拟图

4 结语

孝感文化中心项目建筑外形复杂，其双曲异形GRC幕墙构造层次多且构件繁多复杂，使用BIM技术建立精细化BIM系列模型，以模型精细化指导幕墙建造全过程。项目各方在幕墙工程实施之前构建基于BIM应用的组织架构，制定了详细可行的实施策划和标准，结合项目的重难点明确BIM应用的目标和责任划分，这些均有力的保证项目BIM应用的顺利进行。

基于BIM技术的精细化管理，在高性能玻璃纤维增强混凝土GRC幕墙系统的二次深化设计、加工制造、建造过程力学分析、复杂工程节点与工序模拟等方面进行BIM技术应用，有力的保证了项目的建造质量和工期。借助BIM技术来指导项目的现场绿色施工、质量管理及进度控制，提升了项目的整体管理能力。下一步，BIM应用实施的工作重点将放在平台建设和面向运维的模型搭建和应用等方面。