BIM技术在异形双曲面清水混凝土施工应用

陈群源

（上海城建信息科技有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

随着建筑行业的发展，公众审美眼光日益提升，横平竖直的建筑外观逐渐难以满足公众的审美需求，不拘一格的异形建筑越来越多地出现在公众的视野。然而异形建筑的建造过程往往会遇到定位困难、材料浪费的难题。该文主要分析异形双曲面清水混凝土工程利用BIM技术解决施工放样定位、材料加工遇到的问题。

1 BIM技术

BIM技术是建筑设计信息的重要模式，是一种工程设计的应用方式。通过建筑工程设计、数据化管理的应用，构建三维模型辅助设计施工深化。从构件的导向方式入手，结合电脑辅助操作设计规范方法，使建筑模型直观地呈现。BIM技术能够帮助建筑企业进行集成化设计施工管理。从建筑设计的数据分析，到建筑施工的项目结构优化，实现各项数据信息的融合，构建三维模型化的数据库评估。传统的建筑绘图制造主要是通过点、线、面进行体系化元素分析，而BIM技术可视化、参数化设计操作更加具有塑造性。该技术通过几何设计方式，能够将各类信息数据建立模型，确定实际设计施工过程中最优的方案，重视多领域可塑性水平的评估分析，加强对技术数据信息化的融合评测，满足多数据可能性的测定优化。

2 项目概况

荣成少年宫项目位于荣成市奥体中心南，樱花湖公园东，由综合馆、科技馆、图书馆、游泳馆4个场馆组成，不同场馆间均分布着拱形通道、球体、伞形柱等异形构件，地上3层、地下1层，分为游泳馆、科技馆、图书中心、艺术培训、儿童活动、动感剧场、综合服务等，建筑面积4.8万m2，清水混凝土展开面积3.3万m2（如图1）。

图1 建筑剖面图

3 项目难点分析及解决办法

荣成少年宫由于清水混凝土均为异形双曲面饰面清水混凝土构件，其中拱形通道、圆筒剪力墙、锥形筒剪力墙、游泳馆伞形柱、科技馆球体、双曲面出入口及外墙造型复杂且允许误差低，该工程拱形通道分双曲面结构和单曲面构件2种，共计8处，其中最大拱形通道为编号T2直径达20m，长约48.9m，两边分别设置有不同尺寸耳门。针对该工程存在超大截面拱形通道、球体、伞形柱等异形清水混凝土构件对模板、钢筋下料与敷设要求高的特点，在现场施工前采用BIM可视化软件对其进行验证，该项目主要采用Rhino、Grasshopper软件对其模板与钢筋体系进行建模、拆分、编号，确保各种类型构件模板、钢筋现场拼缝准确及精度满足要求，由于采用参数化建模分割及材料编码，减少了由于分割不合理造成的材料损耗，施工现场根据模型构件导出的编码图，有序调配材料并分配到各个施工班组进行搭接拼装，提高现场人员工作效率。

3.1 异形构件模板体系参数化分割

荣成少年宫特有的异形双曲面结构，几乎没有横平竖直的结构体，这导致项目结构体施工过程模板加工异常复杂，施工过程通过BIM模型多次推敲，寻求最美观最合理的模型布置方案，与设计方多次协同沟通，共同探讨参数化设置规则，以参数化模型为基础建立了跨越专业、跨越团队、跨越地区的沟通平台。设计方实时对所有深化设计成果及各部位的施工节点及转折变化关系进行审查复核。深化设计生成指导施工的图纸在整个施工过程十分重要，包括模板下料，安装及最终效果都有具体的体现。图纸深化以施工模型为基准，通过犀牛软件将施工工艺的做法反应到具体模型，利用犀牛软件“摊平可展开的曲面”命令，将3D实体模型转化为2D加工图纸。图纸导出后根据模型实物编号，将每个导出的CAD模块整合、编号[1]。项目施工准备阶段BIM咨询方、设计方、施工方3方进行长达4个月的集中办公深化设计配合和校对，将拱形通道、球体等结构模型拆解。模板体系现场加工利用Grasshopper软件将参数化模型分割、编号、摊平、导出二维加工图纸（如图2、图3），确保所有禅缝交圈，将排板误差降低到零。通过参数化设计分割的模板体系使模板切割利用率达到最高，降低模板损耗率。一线施工人员只需要持有模板拼接图，调取已经切割好的模板，已 “搭积木”的方式根据相应编号进行对应拼装。

图2 拱形通道深化设计排版图

图3 球体深化设计排版图

通过前期对模型的深化搭建，使设计成果在Rhino软件自带插件Grasshopper的智能“拆分”功能形成模板加工图，将生成的CAD图纸导入全自动数控雕刻机床，机床控制主机识别雕刻路径信息，每片模板实现自动化精确雕刻，保证尺寸准确，切口平整，且误差控制在2mm内。雕刻过程工人对逐个片模型进行编码，安装现场根据模板编号参照三维模型构件的编号情况，有序调配材料分配到各个施工区域，施工班组进行现场搭接拼装，有效提高现场人员工作效率，经统计该项目利用参数化模型导出2000余张深化图纸指导现场施工。

由于大面积清水混凝土施工对浇筑过程模板的稳定性要求高的要求，该项目为了保证异形双曲面的表观形态，单独建立了数字化的定位体系及数字圆盘定位体系，解决空间形态的定位问题。确保项目拼缝准确及精度，该项目创造性采用了双层优质模板体系，底层衬板为受力的12mm厚或17mm厚优质覆膜板，面板为量身定制的6mm厚优质清水专用覆膜板，安装拼缝大小控制在0.5mm；通过双层面板的应用，该项目拼缝优良率达到了95%以上。

3.2 数字化定位放样

该项目空间跨度最大的是游泳馆区域，整个区域仅靠6根开花型巨柱支撑，伞形柱形态各异，双面曲线的结构采用传统的手段难以放样，因此每根柱体都需要建立一套数字化定位体系及数字圆盘定位体系，解决空间形态的定位问题。伞形柱施工放样前运用BIM技术在Rhino软件自带插件Grasshopper中对柱体定位点进行“等分”，将每根伞形柱平均拆分出1580个定位点（如图4），施工现场将全站仪与Grasshopper插件之间实现双向通信，将控制点实时投影到地面形成二维轴测网精准定位，定位过程每个控制点都至少完成2次校核，发现误差及时调整，确保每个定位点做到精准定位，另外拱形通道整体通过主控线及辅助线来控制这个施工流程，测量员采用全站仪及水平仪来辅助整体施工，要求点、线、坐标、尺寸、标高等必须精准。根据已知标高点，利用3D-2D软件对不同标高做辅助切线，从而得到地面投影控制线，控制拱形通道过程放样施工。拱形通道测量放线根据其平面图纸，施工全站仪根据具体尺寸、节点在施工场地放样。具体采用全站仪先将定位钢管定位，拱形通道定位钢管为沿结构长边纵向搭设，间距为沿每根紧贴拱形通道壳体的横杆搭设，然后根据深化图纸定型的木质背楞，沿定位钢管按加固要求间距，以背楞编号依次对不规则拱形通道敷设定型[1]。

图4 伞形柱构件定位实例

清水混凝土面对装饰装修施工工艺要求高，不能进行二次剔凿，对机电末端的定位要求极高，异型构件的空间定位利用传统二维图纸很容易造成定位错误，该项目采用BIM进行精确定位在设计阶段将界面预留的水暖电洞口、智能化设备摄像头、控制盘等考虑在内，通过模型预留洞口进行精细化的设计表达，有效避免传统施工时临时凿洞对结构造成的影响。

3.3 异型钢筋精确下料

该项目异形清水混凝土构件外观样式复杂，项目几乎没有1根标准长度尺寸的钢筋，国内外常规的钢筋计算软件均无法计算钢筋下料长度，只能使用BIM软件，通过先建模后分析，由于钢筋布置结构样式息息相关，项目前期已经通过Rhino软件搭建结构模型，所以钢筋模型的建立可以在已经搭建的结构模型中进行，反过来有利于验收钢筋模型是否超出结构轮廓（如图5）。钢筋模型搭建完毕后，根据工程施工进展需要对每一个结构构件内的每一根横向、竖向钢筋进行编号，通过Rhino软件自带明细表功能对钢筋长度统计，Rhino软件内可以选择对应钢筋，明细表内即可高亮显示钢筋长度，现场加工人员根据明细表长度实现对钢筋切割精确下料。该项目采用Rhino对钢筋模型搭建统计，使得现场钢筋敷设链接紧密，缩短施工周期，确保清水混凝土的完成质量。根据估算该项技术将节约施工工期40d左右，节省测量定额工约200个（如图6）。

图5 伞形柱钢筋布置

图6 伞形柱钢筋绑扎

3.4 双层模板拼接体系

大面积清水混凝土施工不仅对浇筑过程模板的稳定性要求高的要求，而且为了保证异形双曲面的表观形态满足设计要求，该项目创造性采用了双层优质模板体系，底层衬板为受力的12mm厚或17mm厚优质覆膜板，面板为量身定制的6mm厚优质清水专用覆膜板，安装拼缝大小控制在0.5mm，通过双层面板的应用该项目拼缝优良率达到了95%以上（如图7）。同时清水混凝土面对装饰装修施工工艺要求高，不能进行二次剔凿，对机电末端的定位要求极高，异型构件的空间定位利用传统二维图纸很容易造成定位错误，该项目采用BIM进行精确定位，在设计阶段将界面预留的水暖电洞口、智能化设备摄像头、控制盘等考虑在内（如图8），通过模型预留洞口进行精细化的设计表达，有效避免传统施工时临时凿洞对结构造成的影响。

图7 双层模板拼接体系

图8 末端定位

4 结语

山东荣成市少年宫项目采用BIM技术辅助施工，经过多年的应用实践，建立了一套成熟的技术应用体系，充分发挥BIM技术虚拟建造的优势，成功实现了设计模型施工深化出图、模板体系、钢筋体系构件编码和精准下料、结合自动化数控机床切割物联网技术的精细化应用，有效减少异形构件施工过程材料浪费。相信随着BIM技术的不断推广和行业相关制度的完善，BIM技术将被更加广泛地应用到工程项目上，该项目结合BIM技术的精细化施工管理将为行业内同类型项目建设提供借鉴参考。