BIM在复杂异形金属屋面工程中的应用

BIM在复杂异形金属屋面工程中的应用东风设计院BIM技术中心陈鹏【摘要】金属外围护结构在三维异形建筑工程中是比较复杂的部分，也是在建筑生命周期中最容易失败的地方，本文要探索的是BIM在这类工程中的应用来解决常见的问题，例如定位不准、和钢结构产生冲突、隐蔽工程表达不清楚、达不到建筑设计意图等，通过BIM技术在工程建设的流程中有效应用，来保证建设工程质量具有一定的理论和实践意义。【关键词】金属屋面；异形曲面；深化设计；BIM深化流程；协同作业前言：现如今BIM技术应用已经非常广泛，在工程建设的各个阶段各专项工程中也已经逐步在应用，不用怀疑BIM技术确实为工程建设带来了新的思维方法以及工作手段，业界也有将BIM技术过于夸大的，在实际工程应用过程中难以落地实施，但任何新的技术在发展初期难免碰到这样或那样的问题，甚至出现还不如现有常规方式和手段来的利索，但科学的方法是在不停的探索和试错中不断前进的，这其中包括蒸汽机和内燃机这样伟大的发明。BIM技术也是在计算机和网络技术发展到一定阶段才出现的，在异形曲面造型建筑中业界也有三维参数化设计工具，只不过BIM技术是借用管理思想来对这些设计、建造的整个流程进行整合信息化管理，使工程更加方便掌控、以便做最合适的决策。而在专门针对金属屋面工程中，还没有专门的BIM工具来实施，本文中探讨的只不过是借现有工具和方法来拓展在异形金属屋面工程中进行应用。金属屋面类型及金属屋面工程中常见的问题金属屋面类型是根据建筑设计的方案来选择不同的构造方案，以满足于建筑物的各种物理的隔声、保温隔热、防水防火以及力学、美观等要求，常见的屋面类型有直立锁边镁铝锰合金屋面系统、立边咬合系统、古典式扣盖系统、平锁扣式系统、平面半条系统、单元板块式系统、压型板系统等，采用BIM手段时需要对这些系统进行建模，并配合钢结构系统完成协同工作。屋面围护结构对于建筑物来说最大的功能在于抵御自然界的风霜雨雪、太阳辐射、气温变化和其他外界的不利因素，是建筑有良好的使用功能。常见有屋面防水、排水等问题，有在设计屋面构造原因引起的、有因施工不当引起的，也有因时间久远材料老化引起的，在建成以后在找出问题时是很困难的。应用BIM技术对这些复杂的位置进行建模，相比较传统方式能更方便地控制过程，保证质量。另外一个常见问问题吸音问题题，特别是在在剧院、展览览馆这类对噪噪声要求比较较高的建筑中中用到的吸音音材料，这类类吸音材料放放在压型钢板板上铺设、可可以大大降低低吸音效果，但但是在采用什什么样的吸音音材料、多厚厚的吸音材料料，在常规的的办法下是依依托有声学测测试的机构代代为做实验，而而采用BIM手段则可以以依据模型，导导入做噪声分分析的软件做做分析，根据据分析结果来来做判断。同同样的方法也也适用于屋面面的保温设计计。金属屋面工程的的重点及难点点上述提到的防水水、排水、隔隔声、隔热的的问题都是在在屋面工程中中常常碰到的的，因此在建建设过程中是是需要重点考考虑的问题，建建筑物建设过过程中在扩初初设计阶段给给了建筑方案案，但施工方方在深化以及及实施阶段将将概念方案转转换成实际的的工程中却会会有很多的问问题，施工单单位考虑问题题的角度和设设计阶段考虑虑问题的角度度是不一样的的，屋面底层层的找平，放放线定位、屋屋面的坡度，天天沟找坡、溢溢水等问题，特特别是和钢结结构协同作业业的过程，钢钢结构的一些些构件占用了了屋面构造层层的位置，让让处于下游的的屋面施工带带来一系列问问题。这要求求在钢结构施施工之前需要要检查是否占占用了屋面构构造的面，这这个问题在天天沟系统施工工中尤为重要要。另外施工比较难难的地方是有有异形曲面造造型的位置，这这在屋面工程程中很难施工工并控制，而而且是比较影影响建筑效果果的位置，传传统的方法难难以找准三维维空间定位，这这可能会导致致工程质量下下降，返工等等问题。BIM在金属屋屋面工程应用用中发现及解解决的问题CAD深化过程程在金属屋面工程程中使用BIM技术相比较较传统手段，可可以发现在每每个细部都可可以清晰的看看到构造，以以及存在的问问题，在出CAD图纸的时候候，可能只出出几个断面，但但是碰到曲面面变化的时候候，就不是很很容易发现问问题，例如弧弧形天沟的部部分，天沟底底部是变化的的，这得要找找到天沟的各各点的高度变变化。而使用用BIM工具的时候候这个问题就就可以比较轻轻易的得到解解决。概念方案转换成成实施方案在概念设计阶段段的模型在转转化成实际实实施方案的时时候，发现概概念模型中根根本无法实施施，这是设计计师在扩初设设计阶段没有有考虑到疏漏漏的问题，在在细化建模过过程中就需要要调整概念模模型，和顾问问和设计沟通通后确认做法法并实施。在在某实际工程程中就遇到檐檐口铝复合板板切分太多面面无法在钢结结构上生根的的问题。协作屋面是铺设在钢钢结构上的，但但是有时钢结结构却占用了了屋面构造层层的位置，并并且又需要控控制整体的轮轮廓，这如果果钢结构和屋屋面施工没有有充分的协作作，这样的协协作也必须是是在BIM技术手段下下进行，把概概念模型、屋屋面构造模型型和钢结构模模型合在一起起，来检查确确认实施方案案。软硬件因模型精度问题题软件和硬件件跟不上，按按照施工图上上的节点来进进行建模，那那模型构件的的数量是巨大大的，一个8万平米的屋屋面固定支座座就在大概16万个，目前前在Revit软件中这样样的显示方法法是一个硬伤伤，即使配上上再好的硬件件改善的效果果是微乎其微微。东风院提提出的后台数数据库运行的的方式，模型型细部不用在在软件视图中中全部显示出出来，只存在在于后台的数数据库中，在在复杂的位置置需要查看可可以局部显示示出来，目前前在国产某软软件中已经实实现，通过这这种方式运行行的效果相比比较而言有大大幅度的提升升。流程和方法在建设工程的流流程中，应用用BIM技术应当从从设计开始，包包括在屋面覆覆盖这些分包包的专业工程程中，把问题题在设计的过过程中解决掉掉才能显示出出效益。2D的施工图出出来以后再进进行建模来检检查问题，就就好比先天的的基因缺陷，需需要手术刀来来不停的来做做手术进行修修补，那样得得到的结果可可想而知。而而通过3D的概念和扩扩初设计成果果在实施方案案中多方进行行协同工作，共共同促进工作作成果，将问问题消灭在过过程中。良好好的基因从一一开始能延续续下来才能得得到好的结果果。深化设计流程现有深化设计是是基于施工图图和实际能实实施的方案综综合分析而进进行的，而在在基于BIM的实施过程程里目前这样样完善的流程程还比较缺失失，在实际工工程中探索一一套可有效执执行的是非常常必要的，下下面是在实际际工程中总结结一个流程：：设计院LOD300模型设计院LOD300模型方案交底方案交底专业分包深化模型专业分包深化模型未通过未通过报监理、总包批复意见报监理、总包批复意见基于模型出深化节点图LOD400基于模型出深化节点图LOD400通过 通过业主(顾问公司)、设计审批业主(顾问公司)、设计审批发放模型及图纸发放模型及图纸应用点深化设计在深化设计过程程中建立BIM深化模型，及及时发现深化化设计过程中中遇到的问题题，并利用模模型及相关工工具来和参与与各方及时沟沟通并进行调调整，这样的的过程会大大大提高效率。金属屋面方案优优化建筑金属屋面方方案对后期施工、造价等方面的影响颇大，尤尤其是表皮的的分割方式与与嵌板平直度度决定了施工工的整体成本本。方案设计计初期，在确定表皮皮嵌板所使用的材料料前提下（此项目采用用的金属铝板板），需要考考虑表皮的曲面造型后期期可能带来的的影响。建筑方案案中的表皮从从屋面弯曲至至地面观察表皮曲面造型型的曲率关系系以下表格罗列了了表皮嵌板的影响因素。对对表皮分割的的嵌板时，需减少对建筑造型方案案的影响又要最大程度度降低造价，将将优化分割后后的平直嵌板板最大化的拟合合表皮曲面造造型。嵌板特征影响因素曲面嵌板成本昂贵制造难度高嵌板尺寸规格种种类过多增加了制造、施施工难度嵌板特征影响因素平直嵌板成本相对较低制造简单嵌板尺寸规格最最大化精简提高批量制造率率，施工难度低低表1：曲面嵌板表1：曲面嵌板表2：平直嵌板左1左1右1右2右1为存在曲率变变化的曲面嵌嵌板；右2为平直化后的的嵌板。三维协同作业屋面覆盖件工程程中关系最大大的是结构深深化后的结构构构件，在曲曲面造型的结结构中，需要要和建筑表皮皮专业进行充充分的协作，表表皮专业会给给结构专业提提出需求，在在哪里需要支支撑、哪里需需要吊点，预预设埋件等工工作，这中间间协调如果出出了问题会导导致表皮覆盖盖件无法安装装，或者安装装不准确，甚甚至出现建筑筑表皮修改实实施方案等情情况，与原有有设计意图偏偏差过大，经经过改方案审审图效率低下下，也违背最最初意图。那么协作过程是是建筑表皮专专业需要用到到结构深化模模型、或者结结构深化用建建筑表皮深化化模型，这里里的模型必须须是统一的，需需要保证数据据及信息的准准确性。在屋屋面钢格栅的的设计中体现现尤为明显，钢钢结构在设计计过程中高度度超出了范围围，屋面在深深化过程中就就调整格栅的的安装定位。常常见的结构深深化设计用的的是Tekla软件，需要要通过插件导导入其他软件件如Rhino或者Revit中进行协同同工作。与钢结构有有碰撞 经过协同设设计深化后金属屋面构件工工程量统计金属屋面建模是是按照屋面的的实际构造来来进行的，不不同于常规三三维设计的是是，BIM模型是按照照管理思维来来进行的，模模型里涵盖了了相关建模标标准以及编码码规则，根据据这些可以在在模型中轻松松的得到各种种材料的工程程量，在难以以解决的曲面面部位的材料料也可以比较较准确的得到到，前提是按按照标准有效效执行了建模模工作，屋面面构造中的大大宗材料的工工程量，施工工单位在进行行内部控制的的时候可以很很清楚的知道道各种材料的的用量，可以以及时安排好好进场材料和和人手调度。有个屋面二次防防水板的实际际案例，初步步方案使用的的二次防水板板在折弯加工工上没有考虑虑防水板的加加工过程，初初步设计需要要五道工序完完成，但在建建模过程中发发现这个完全全可以按3道工序完成成，二次防水水板采用的是是立边和折弯弯边搭接安装装的，按3道工序过程程就直接完成成，工厂生产产过程中2mm钢板每折弯弯一道成本在在1.5元，8万多平米的的屋面，就可可以节约大量量的人力成本本和时间成本本。屋面轮廓控制表皮设计阶段会会涉及到建筑筑专业与结构构专业的交互互，需将每块块平直嵌板定定位点（X、Y、Z坐标值）数数据输出给结结构工程师。定位点数据同样也可导出网网架节点、节节杆信息给结结构进行有限限元分析。如如结构存在优优化调整，则则将优化后的的点数据返给给建筑师重新新生成表皮嵌板，经过建建筑师与结构构师的多次磨磨合，最终在在美学与力学学上达到统一一。在设计和咨询顾顾问认可的方方案确认后，需需要分包单位位进行深化实实施，确定实实施方案，确确保设计意图图能够尽可能能的执行，其其中屋面实施施和钢结构实实施要确保能能充分协作。结语：以下是上海某会会展综合体项项目一个10万平米实际际工程中金属属屋面工程应应用BIM技术的价值值分析表：屋面部分BIMM效益分析表表序号应用点解决的问题预计节约成本1发现设计问题并并解决发现12处屋面面天沟高度和和结构柱和梁梁干涉问题1.2万2檐口有18处铝铝复合板龙骨骨没法在结构构主体上生根根3.4万3屋面钢格栅由225处与主体钢钢结构干涉3.9万42处弧形天沟部部分的标高与与定位问题1.5万52处吊顶格栅龙龙骨在钢结构构上的生根问问题1.2万6深化设计异形曲面檐口深深化设计工作作，对檐口板板进行坐标定定位5.2万7异形屋面飘带部部分的深化设设计工作4.5万8材料量统计实现屋面底板、二二次防水板、面面板的材料用用量统计4万94D施工模拟设备材料进场、劳劳动力配置，工工序安排等3.4万10Autodessk3600应用便于施工人员及及时查看构件件尺寸及定位位，并对施工工的成品进行行检测1.5万由上表可以看出出在金属屋面面工程中应用用BIM技术可以解解决实际工程程中存在的问问题，并对成成本控制起到到一定的作用用。通过BIM技术术在金属屋面面工程中的应应用，从设计计阶段开始，通通过多专业多多个参与方的的协作，制造造出精细化的的建筑表皮、在在建造过程确确认每个构件件的精确尺寸寸及位置，包包括檐口铝板板、龙骨、钢钢格栅，钢结结