BIM技术在异形建筑中的探索与实践——以中新国际智慧产业园展示中心为例.pdf

发展与创新2062023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究摘要：随着建筑行业数字化、信息化的不断发展，BIM技术在建筑行业的应用突飞猛进。针对异形建筑的表皮控制、建筑结构一体化设计、施工与设计的现场配合等，传统二维设计难以对建筑进行整体控制，BIM技术成为解决异形建筑设计和建造难题的有效工具。文章以广州中新国际智慧产业园的展示中心项目为例，探索 BIM 技术在异形建筑设计、施工中的应用，研究BIM 应用的路径，旨在提升项目建设品质。关键词：BIM 技术；异形建筑；参数化建模；穿孔板；设计施工一体Abstract:With the continuous development of digitalization and informatization in the construction industry,the application of BIM technology in the construction industry is advancing by leaps and bounds.For the skin control,the building structure integrated design,and the on-site coordination between construction and design of irregular buildings,the traditional two-dimensional design is difficult to achieve overall control of the building.BIM technology has become an effective tool to solve the design and construction problems in irregular buildings.Taking Guangzhou Zhongxin International Smart Industrial Park Exhibition Center project as an example,this paper explores the application of BIM technology in the design and construction of irregular buildings,and studies the application path of BIM,aiming to improve the construction quality of the project.BIM 技术在异形建筑中的探索与实践以中新国际智慧产业园展示中心为例杨 坤，张浩楠，谭春晓中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014Exploration and Practice of BIM Technology in Irregular BuildingsTaking Zhongxin International Smart Industrial Park Exhibition Center as an ExampleYANG Kun,ZHANG Haonan,TAN ChunxiaoCITIC General Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan 430014,Hubei,China067.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.针对造型复杂的建筑，传统的二维技术在表达、实现异形构件方面尤为不足，二维技术指导施工变得困难，BIM 技术在此类建筑工程的应用十分必要。文章通过广州中新国际智慧产业园展示中心项目的 BIM 实践应用，探讨异形建筑项目中如何合理高效地运用 BIM 技术，解决异形建筑在空间定位、表皮划分等多方面的技术难题，研究 BIM 应用方法和流程，在分析 BIM 价值的同时提出存在的问题，为 BIM 三维技术在异形建筑上的应用提供实践经验及借鉴。1 项目概况广州中新国际智慧产业园项目位于广州市白云区中新知识城，项目基地处于知识城南起步区东侧。展示中心作为智慧园区的启动建筑（见下页图 1），对标伦敦总部展示中心，力求打造全球第二座西门子展厅，融入智慧城市功能，打造同时满足中国绿建三星、新加坡 GREENMARK、美国 LEED 三重标准的智慧展厅。展示中心建筑面积为 4 800 m2，地上三层，地下一层，室外展场面积为 1 500 m2。展示中心建设周期短，质量要求高，项目开发模式为 EPC，对设计和施工的一体化提出了较高要求。作者简介：杨坤，男，本科，高级建筑师，研究方向为 BIM 创新与应用。Key Words:BIM technology;irregular building;parametric modeling;perforated plate;design and construction integration分类号：TU767；TU17发展与创新207工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月2 展示中心项目重难点2.1 建筑异形造型展示中心设计采用不规则五边形外轮廓呼应用地边界，整体概念取意“乘风破浪，扬帆起航”，建筑形体简洁有力、轻盈剔透。外立面采用折面穿孔铝板幕墙+ALC 板的双表皮设计，室内大厅结构悬挑 45 m 形成通高无柱大堂，可举办大型科技展示交流活动，综合打造智慧园区的标志性名片。为解决展示中心因异形造型带来的双层表皮划分、空间定位、室内空间效果控制等一系列设计及施工问题，该项目采用 BIM 技术支撑建筑造型的设计和优化。2.2 设计、施工协调难度大展示中心为整个项目启动建筑，建设周期短，建筑空间复杂（见图 2）。项目优先提供主体设计图纸保障项目开工，同步进行各类专项设计（钢结构、幕墙深化、机电深化、精装深化图纸等），结合 EPC 的工程计划进行安排。整个过程中主体设计、专项设计、现场施工穿插进行，需要协调的工作非常多，为解决该项目的设计施工协调难题，运用 BIM 技术进行全过程跟踪，不断调整和深化。图 2 展示中心内部空间图2.3 绿色建筑等级要求高展示中心与德国西门子集团合作，对标伦敦总部展示中心，打造全球第二座西门子展厅，绿色建筑要求达到国际化标准。除满足国内绿建三星外，还要满足新加坡 GREENMARK、美国 LEED 标准等要求，通过 BIM 技术进行绿建分析，实现目标要求。3 展示中心 BIM 技术应用3.1 幕墙表皮的 BIM 设计3.1.1 穿孔铝板表皮分隔常用的穿孔铝单板厚 2.5 3.0 mm，宽 900 1 500 mm，超过 1 500 mm 宽的铝单板造价成本会显著增加。设计对方案穿孔铝板幕墙进行细分，该项目切面关系较复杂，存在不同方向和角度，因此铝板细分要兼顾造型特征、各面对缝美观及成本可控等多方因素。设计采用犀牛 Rhino 的参数化工具 Grasshopper 对穿孔铝板进行了多轮分隔，采用三角形与四边形、等分与渐变等不同形式反复比选（见图 3），优化铝板幕墙分隔设计，经多轮比选，最终确定了更具视觉张力的方案 3。图 1 展示中心人视效果图3.1.2 穿孔铝板孔径优化穿孔铝板幕墙面板分隔后，设计需进一步细化铝板的穿孔直径，综合考虑美观、节能和泛光照明等要求，（a）方案 1：平行四边形水平划分（b）方案 2：平行四边形斜向划分（c）方案 3：四边形（非平行）斜向划分（d）方案 4：三角形划分图 3 表皮分隔方案发展与创新2082023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究通过 BIM 技术指导现场的采购及施工。（1）孔径的美观要求。铝板幕墙的穿孔孔径设计具有逻辑单一、规律性强、重复度高、图案简单等特点，在建筑形体较为复杂的展示中心，还要兼顾建筑宣传展示性质，与泛光设计紧密配合。BIM 技术采用数字化驱动的方式，通过程序实时、精细化控制穿孔形状、大小、间距变化，综合考虑三维效果（见图 4）。图 4 穿孔孔径排布方式对比（2）孔径对采光节能的影响。除考虑美观外，铝板要综合考虑穿孔率的要求，通过穿孔率控制进光量，穿孔率越大，采光系数越好，但热量越高，节能效果越差。广州地区为夏热冬暖地区，日照条件较好，节能要求高，根据建筑采光设计标准（GB 500332013）和广东省公共建筑节能设计标准（DBJ 15-512020）的相关要求，展示中心对遮阳要求较高，因此要在满足采光规范的基础上合理降低孔隙率。通过 BIM 软件分析展示中心的采光和节能，综合比较后，将展示中心的铝板穿孔率控制在 40%60%，穿孔板挡板透射比为 0.5，适合当地气候特征。（3）穿孔尺寸与灯具匹配度。该项目为 EPC 模式，除设计关注的美观、穿孔率、采光、遮阳等问题外，还需要跟市场上采购的灯具产品紧密结合。项目灯具为 LED 贴片高亮点光源，灯具嵌入穿孔内，面罩做成磨砂雾状罩，出线使用灰白色（与穿孔板颜色接近）。常见的光源直径有 20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、80 mm、85 mm、100 mm 等，通过三维 BIM 工具，在反复调试、优化过程中，实时观察三维状态下的布置效果。经数次 BIM 模型比选等，最终形成点光源灯具安装保护线槽模具图1，确定 20 mm、30 mm、40 mm三种规格供现场选样，经现场选样比对，最终确定了30 mm 孔径的穿孔板（见图 5）。图 5 穿孔板现场选样定样BIM 技术的应用充分考虑了各种情况，既满足外观设计效果，又符合生产加工工艺要求，保障现场施工，提高了项目效率，降低了采购风险。上述幕墙表皮的BIM 设计、穿孔铝板孔径优化、采光节能计算、灯具匹配等工作的开展有效控制了现场外表皮幕墙质量。3.2 结构的 BIM 协同设计及施工3.2.1 悬挑结构设计优化除外表皮铝板幕墙外，展示中心右侧设有一无柱空间，形成跨度 30 45 m 的悬挑结构，结构采用巨型桁架+网架的方案，桁架及网架的设计是该工程结构的重难点。为保证项目整体悬挑桁架轻巧精致，设计采用rhino 软件生成形式不同的钢结构悬挑桁架分割线，将各分割线导入钢结构通用软件 3D3S，计算不同桁架形式的用钢量、位移等指标，综合考虑外立面分割效果，确定合理经济的分割思路。在确定外表皮分割的基础上，细化桁架及外表皮分割，通过建筑 BIM 模型提取建筑表皮分割线，生成悬挑结构的杆件线，导入Rhino，由 Grasshopper 加工，建立展示中心桁架结构的 BIM 模型。采用 BIM 技术使结构杆件与幕墙分隔相匹配，省去了幕墙的转换龙骨，减轻了悬挑部分重量，降低了用钢量。通过优化结构杆件空间布置（见图 6），实现建筑结构的合理性和经济性，达到建筑单体轻巧精致的效果。图 6 结构 BIM 模型发展与创新209工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月3.2.2 钢结构桁（网）架信息提取、空间定位该项目不规则的表皮及钢结构桁架、网架等都需要精确三维空间定位。设计通过 Grasshopper 程序将其进行三维参数化处理，生成空间模型，其中上弦杆曲线和下弦杆曲线通过网格曲面生成，腹杆曲线通过连接上下弦杆曲面的网格节点生成，钢结构桁架的节点空间坐标通过曲线提取，即使用 End Points 运算器提取曲线端点坐标。在钢结构桁架和网架的 Grasshopper 脚本程序中，分三个步骤分别生成上弦杆曲线、腹杆曲线和下弦杆曲线。在杆件端点坐标提取中，同样分成三个部分与之对应，分别对上弦杆、腹杆和下弦杆进行编号，提取端点坐标。通过 Grasshopper 参数化脚本的数据提取与整理，形成上弦杆端点坐标、下弦杆端点坐标和腹杆端点坐标，以及坐标表指导三维空间定位。3.2.3 钢结构工厂加工及现场施工在展示中心的工程加工和现场施工过程管理中，BIM 模型信息通过设计单位、施工单位和工厂加工单位之间的信息传输，解决信息孤岛问题。（1）工厂加工。工厂通过 BIM 模型提取钢结构加工数据，根据钢结构的设计要求，结合生产工艺进行深化设计，完善梁、柱、桁架、网架、节点等各类构件信息，生成加工模型。利用加工模型的信息进行用料统计，对订料、库存、排产、消耗、成本控制等资源管理起到了重要作用2。通过提取钢结构所需相应材料的工程量，快速计算对应的成本预算和造价核算，安排现场排产，最大限度地减少材料消耗。BIM 技术的使用使钢结构加工过程变得精确，模型与数控设备的信息得到了有效传递，可以确保加工生产组织管理的高效有序开展。完成各类构件的生产制作后，利用二维码技术将构件信息附于材料上，利用信息技术对数据库进行材料管理。工厂钢结构加工完毕后，利用BIM 技术结合工程进度对工地施工区进行排布。现场安装条件具备后，工厂将各类钢构件拆解成小段，加工完成后运输至现场3。（2）现场定位施工。异形钢结构使现场施工定位施工难度大幅度提升，施工单位需要进行测量放线定位，易存在平面误差和三维空间误差。精确放样是现场施工的难题，BIM 技术可以较好地解决现场放样及定位问题4。现场利用 BIM 三维软件导出的各精细控制点位数据提供至现场，通过与全站仪连接，导出构件的三维坐标（X，Y，Z）数据，完成各类构件的生产制作后，利用二维码技术将构件信息附于材料上，利用信息技术对数据库进行材料管理5。之后提交给现场施工人员，利用全站仪测量放线得到现场准确的放样点，完成现场的施工吊装（见图 7）。在整个过程中，BIM 技术在施工放样中体现了高效率、高精度的优势，保障了异形构件的现场施工精度要求。4 结束语文章依托广州中新国际智慧产业园展示中心项目的 BIM 集成应用，对异形建筑中的穿孔铝板幕墙分隔和泛光设计、大悬挑结构的 BIM 协同设计及施工一体化等 BIM 多个应用点进行了探讨，研究了 BIM 应用的具体方法，为类型项目提供了实践经验及借鉴。此外，项目 BIM 参数化技术应用大部分是基于 Revit、Rhino、Grasshopper 等软件和平台。随着新软件和新平台的不断更新，BIM 应用技术将不断推陈出新，建筑行业与信息化技术的结合也会日益紧密，为此应不断加大探索与应用的广度和深度，提高 BIM 技术在建筑行业的应用价值。参考文献1 王继向.异形建筑结构爬架施工技术J.石材,2023(6):19-21.2 易英英.BIM 技术在异形建筑幕墙工程中应用的研究D.南昌:南昌大学,2021.3 刘濠,洪洁茹,章梦霞,等.结合BIM 与二维码技术的装配式建筑信息管理方法研究J.施工技术,2020,49(2):110-114,118.4 詹建文.基于BIM 的异形空间结构物的参数化信息技术应用研究D.广州:广州大学,2018.5 马杰,熊楚峰,赵野,等.利用三维数字化驱动设计完成穿孔铝板的建筑表现J.建筑科技,2020,4(1):8-12.（a）（b）图 7 现场吊装拼接成完整的悬挑桁架