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长沙梅溪湖国际文化艺术中心幕墙BIM技术应用
文章来源: 北京城建集团有限责任公司 发布时间: 2017-06-06 浏览量: 0


1  工程概况

1.1  项目简介

长沙梅溪湖国际文化艺术中心工程北邻梅溪湖北路、南邻环湖路,东邻节庆路、地铁2号线设有文化艺术中心站。本工程总建筑面积12.6万平方米 ,地下1层(局部3层),地上3~8层,结构为框剪混凝土及外围弯扭钢结构,屋面和外立面主要为GRC幕墙。

长沙梅溪湖国际文化艺术中心工程建筑方案设计由国际建筑最高奖——普利兹克奖获得者扎哈•哈迪德女士担纲设计。北京城建集团有限责任公司为工程施工总承包。

长沙梅溪湖国际文化艺术中心包括1800座的大剧场、500座的多功能小剧场、展厅面积超过10000平方米的当代艺术馆三个主建筑。工程建成后将成为湖南省规模最大、功能最全、国际一流的高雅文化艺术殿堂,能承接世界一流的大型歌剧、舞剧、交响乐等高雅艺术表演。长沙梅溪湖国际文化艺术中心效果图如图1所示。

  

图1  项目效果图

1.2  工程特点和难点

本工程结构、建筑造型复杂,三个单体共计22000吨异形大跨度弯扭钢结构,外面覆盖的幕墙材料主要为GRC幕墙,由两万余块无一相同的双曲面GRC板块组成。

且设计方只提供幕墙表皮模型,却不能提供图纸,如果不采用BIM技术,连最基础的深化设计都无法完成。

由于这些工程特点,导致幕墙具有深化设计难度大、加工精度要求高、施工安装管理难、运营维护难度大等难点。

2  BIM组织与应用环境

2.1  BIM应用目标

设计阶段目标是幕墙全系统BIM建模出施工图,保证实现设计外观及功能;加工阶段目标是模具达到加工精度,实现GRC幕墙预制加工;施工阶段目标是实现幕墙施工进度、质量、安全可控,实现GRC幕墙施工三维动态监测;运维阶段目标是实现运营时GRC幕墙出现破损后的可拆卸、易维修。

2.2  实施方案

北京城建集团作为工程总承包,从建模到管理,从深化到出图,BIM技术贯穿始终。工程开工之初便制订了《长沙梅溪湖国际文化艺术中心总包BIM执行计划书》。在执行计划书内阐述BIM总体实施方案,对关键技术、工作流程、协同流程、建模标准、模型版本等都做了详细描述。

2.3  团队组织

为实现上述目标,落实实施方案,本工程由BIM总监牵头,在开工伊始便组建了BIM团队制订总体实施方针,倡导全过程、全专业、全系统使用BIM技术。

2.4  应用措施

具体应用措施是设计阶段使用Digital Project软件和Rhino软件进行幕墙全系统参数化建模,将BIM模型通过Navisworks整合,完成碰撞检测,生成碰撞报告,调整设计模型无误后再出施工图。加工阶段使用Digital Project软件导出GRC模具筋板切割模型,利用CNC三轴雕刻机切割雕刻,保证GRC生产加工精度。施工阶段使用基于微信平台的GRC管理系统进行进度、质量、安全管理,完成GRC的无纸化验收和实现GRC施工动态监测。运维阶段是利用BIM模型进行GRC拆卸方案的模拟和利用GRC管理系统对GRC幕墙运维信息查询。通过幕墙全生命周期的BIM技术应用,实现工程智慧建造与运维。

2.5  软硬件环境

幕墙BIM实施过程中项目使用了Revit、Navisworks、Rhino、Digital Project、Trimble Connect、Trello和GRC管理系统等多种BIM软件。并配套使用了塔式工作站、移动工作站、移动终端等硬件设备。软硬件环境如图2所示。

  

图2  软硬件环境

3  BIM应用

3.1  BIM建模

由于幕墙造型极其复杂,针对自由曲线的建模特点,本工程使用Digital Project软件和Rhino软件进行幕墙全系统参数化建模,模型精度可达到0.0001mm。在Digital Project软件建立的设计模型下进行深化设计,使用Rhino软件快速生成二次钢结构、檩条等构件,经碰撞检测无误后,从施工模型中直接导出CAD文件,完成出施工图。项目BIM模型整合如图3所示。

  

图3  BIM模型整合

3.2  BIM应用情况

本工程幕墙BIM应用于深化设计阶段、加工阶段、施工阶段,并对未来运维阶段有所规划。

 (1) 深化设计阶段。设计阶段幕墙BIM应用主要为深化设计阶段的全系统建模、碰撞检测、云平台协同、MR辅助深化、结构计算、节点模拟、出施工图。

基于云平台协同的BIM应用,将分散的设计人员以及业主、总包、分包集成在高效的网络平台中,保证沟通顺畅,节约项目时间成本。通过远程协同办公,将设计和深化问题提前暴露并解决,减少现场返工,推动进度目标实现。利用 Trimble Connect 平台可以分权限共享 BIM 文件、图纸、会议纪要等;利用Trello 平台可以有效及时跨地域沟通。将BIM模型通过Navisworks整合,完成碰撞检测,生成碰撞报告;检测出的碰撞问题,发布至Trello平台,并邀请碰撞问题对应方加入讨论,问题方修改碰撞后,在Trello平台中上传修改后图片并回复,各方确认没有问题后再将第二版模型上传至Trimble Connect平台,再从实际施工模型中导出施工图。项目防水层檩条施工模型和施工图如图4、图5所示。

  

  

图4  防水层檩条施工模型                               图5  防水层檩条施工图

(2) 加工阶段。加工阶段幕墙BIM应用主要为模具参数化设计、模具加工图制作、模型数据转化、模具数字化加工、GRC幕墙预制加工。

GRC加工的传统模架是在木板上覆盖白纸,沿白纸所绘曲线切割而成,精度难以保障。本工程GRC的数字化加工主要体现在模架的加工。将Digital Project中设计模型通过插件导出CNC可用文件,然后导入CNC专用数控系统。数控系统代码逐行运行,驱动CNC三轴雕刻机铣刀上下、左右、前后高速转动,实现模架板毫米级加工精度 。CNC加工后的模架经线方向间隔500mm、纬线方向间隔1000mm排布,蒙皮过程随形贴三层5mm厚板,刮三层腻子,刷一道漆,浇灌GRC砂浆,注浆有一定强度后与背负钢架连接,再经养护、脱模、表面修整后包装。GRC模架和GRC预制件如图6、图7所示。

   

  

图6  GRC模架                                      图7  GRC预制件

(3) 施工阶段。施工阶段幕墙BIM应用主要为三维扫描、可视化交底、进度质量安全控制、可视定位安装、无纸化验收、施工动态监测与统计。

钢结构三维扫描。利用三维扫描设备对现场钢结构进行三维扫描,生成点云,并利用软件自动计算逆向建模,与设计模型在1cm、5cm、10cm不同精度范围内分析比对,得到对比数据,GRC板、檩托、二次钢结构模型根据此数据进行调整。钢结构三维扫描逆向建模模型如图8所示。

施工可视化交底。由于幕墙GRC构造层次复杂,单靠图纸和普通的技术交底很难达到比较好的效果。本工程利用BIM软件建立GRC整体构造模型,并进行模拟安装,指导施工。GRC幕墙安装可视化交底如图9所示。

       

  

图8  钢结构三维扫描逆向建模模型                           图9  GRC幕墙安装可视化交底

GRC无纸化验收。幕墙造型复杂,三个单体共两万余块异形GRC板,且各板块无一相同。所以针对幕墙GRC专项施工管理需求极为迫切。通过开发的GRC管理系统对质量进行管理,分权限扫描二维码验收,可以方便的将厂家、分包、总包、监理、业主统一在一个平台下便捷操作。在GRC管理系统中点击扫一扫,扫描粘贴在GRC上的二维码。自动跳转至验收界面,点击查看详情,如图10所示。确认出厂信息无误,外观完好,查看单个板块三维模型与出厂图片准确对应后,返回点击出厂验收,确定通过后出厂验收完成,如图11所示,自动进入进场验收阶段。整个无纸化验收过程绿色节能、可追溯性强。

         

  

图10  GRC板块详细信息                           图11  GRC无纸化验收

GRC施工统计与动态监测。进入管理系统后台,点击小剧场,可以看到小剧场GRC施工状态统计饼状图。查看当前GRC板块验收状态信息,点击3D显示,整体GRC模型呈现灰色,当前GRC板块以黄色亮显,已安装GRC板块以红色动态亮显。如图12所示实现当前板块定位和施工进度的三维动态监测。

(4) 运维阶段。未来,运维阶段规划的幕墙BIM应用主要为运维信息查询、拆卸方案设计。

GRC运维信息查询。运营过程中若发现GRC板损坏,可根据二维码扫描的信息,确定板的编号以及基本信息。维护人员可登录GRC管理系统后台根据单体名称、厂家、编号搜索损坏的GRC板所有信息。第一时间重新生产加工。

GRC可拆卸方案设计。屋面防水施工难度极大,要求满足防、排、修三点,进而要求GRC幕墙必须可拆卸,为使拆卸方案切实可行,拆卸方案直接在幕墙三维模型中设计,针对真实的板块和安装节点完成方案。GRC幕墙拆卸方案模拟如图13所示。

           

  

图12  GRC施工动态监测                                图13  GRC可拆卸方案设计

4  应用效果

通过幕墙BIM技术应用,实现了设计阶段参数化、加工阶段数字化、施工阶段信息化。节约了大量工期、物料和人工费。

(1)幕墙拆卸方案已受理发明专利及实用新型专利7项。

(2) GRC管理系统已受理发明专利1项,著作权1项。

(3)期刊已发表以本工程为封面的BIM专题1篇。

(4)通过北京市建委组织召开的《大型复杂工程智慧建造关键技术研究与应用》科技成果鉴定,鉴定意见为“该研究成果总体达到国际先进水平,其中GRC幕墙建造技术达到国际领先水平” 。

5  总  结

5.1  创新点

工程创新点为幕墙全生命周期BIM应用,针对幕墙特点、难点,以BIM技术为主,采用多种信息化手段全方位、多层次综合应用于幕墙设计、加工、施工各个阶段,并规划应用于未来的运维。特别是创造性的开发了微信平台的GRC管理系统,实现了基于移动终端的无纸化验收和施工三维可视化动态监测。为工程实现智慧建造打下了坚实基础。

5.2  经验教训

(1)由于幕墙主要参与方分散在全国各地,云文件管理平台和沟通平台可以保证信息传递时效性和可追溯性。

(2)BIM虽然发展有段时间了,但大多是停留在Revit应用,像幕墙专业用到的Digital Project和Rhino并不很普及,在BIM实施前应该对所有技术人员进行软件培训,保障实施过程畅通。

(3)总承包管理下开发的GRC管理系统,调动业主、监理、总包、分包所有相关人员参与,可以发挥BIM技术最大价值。