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      建筑幕墻數字化、信息化應用趨勢探討

      來源:2020論文集  作者:牟永來 李書健 施志豪  日期:2020-9-21
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        摘要:建筑幕墻數字化、參數化、信息化技術是建筑幕墻設計發展大趨勢,在建筑市場上部分異形建筑已經率先運用了數字化、參數化、信息化技術,本文以蘇州中心大鳥異形屋面項目、上海國家會展中心會議中心幕墻等異形項目為例,介紹了數字化技術在異形幕墻工程的運用現狀,分享了對應的技術難點及解決方案,并對未來建筑幕墻數字化技術的發展進行了展望。
        關鍵詞:數字化、參數化、BIM

        本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

        摘要:建筑幕墻(詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供)數字化、參數化、信息化技術是建筑幕墻設計發展大趨勢,在建筑市場上部分異形建筑已經率先運用了數字化、參數化、信息化技術,本文以蘇州中心大鳥異形屋面項目、上海國家會展中心會議中心幕墻等異形項目為例,介紹了數字化技術在異形幕墻工程的運用現狀,分享了對應的技術難點及解決方案,并對未來建筑幕墻數字化技術的發展進行了展望。

        關鍵詞:數字化、參數化、BIM(詞條“BIM”由行業大百科提供)

        1 引言

        近些年,隨著科學技術的進步,在特定的領域出現了特定的技術突破,隨著越來越多的技術突破,不同技術之間開始相互融合,推動了更多領域的技術發展,比如工業4.0、移動支付、VR、3D打印(詞條“3D打印”由行業大百科提供)、物聯網等。在建筑幕墻領域,隨著三維軟件、3D掃描、二維碼、云計算等技術的融合,最終出現了以BIM技術為核心的建筑數字化應用。BIM技術是繼CAD取代手繪板之后建筑行業第二次技術革命。

        2. 數字化技術應用流程

        數字化技術是一個信息共享的平臺,包括業主、建筑設計院、幕墻設計單位、加工單位、幕墻施工單位、后期維護單位、驗收單位等(如圖1)。以項目為核心,通過智能化和協同化的技術搭建協作平臺。協作平臺分層級搭設,各層級按領域層、交互層、核心層、資源層進行區分,通過權限的設置,不同使用者有不同的權限,實現平臺的共享及信息安全(如圖2)。

      圖1

      圖2

        數字化的BIM模型依據項目不同階段需求進行逐步深化,模型精度從LOD100~LOD500,實現從早期方案確認到施工模擬及加工下料、運維等各個階段的運用(如圖3)。

      圖3

        3. 數字化技術在工程的運用

        數字化技術是一個系統工程,涵蓋項目方案到后期維護全過程的管理體系。

        (1)數字化模型的創建

        數字化技術的基礎是數字化信息模型,以幕墻表皮模型為載體,賦予數字參數技術,模型的創建以主體結構模型為基礎,并考慮主體結構的誤差,使理論模型和現場實際工況進行比對,并對其模型進行修正,取得最終施工BIM模型。

        以蘇州中心大鳥屋面為例:

        大鳥屋面由幕墻表皮層和主體鋼架組合而成,兩者均為雙曲異型,共同構成鋼結構一體化幕墻體系(如圖4)。

      圖4

        設計過程中以幕墻支撐鋼架理論模型為基礎,通過提取鋼結構網格定位點,將鋼架模型橫豎的網格線擬合為曲線。將網狀曲線進一步擬合為曲面,把該曲面作為主體鋼架的理論基準面。(如圖5)

      圖5

        鋼架施工完成后,利用3D掃描儀對10599個異型網格進行測量監控,利用4~6臺全站儀進行鋼架關鍵節點的校核,最終得到測量后的鋼架實際模型,將測量得到的鋼架模型與理論模型進行對比,對理論模型進行修正(如圖6)。

      圖6

        根據最終的鋼架表皮模型,將鋼結構表皮外偏移120mm得到幕墻表皮(如圖7)。

        圖7

        將擬合的鋼結構網格曲線投影到幕墻表皮上,得到幕墻表皮的分格(如圖8)。

      圖 8

        按上述設計程序完成蘇州中心大鳥屋面的施工模型,用于指導設計下料和現場施工。在實際工程中,對于不同的項目,需要根據項目特點來確定具體的建模流程,有些建筑需要以建筑表皮為基礎,向內依次進行建模,比如上海國家會展中心進口博覽會會議廳改造項目。

        該項目為改造建筑,在老的建筑外側設置設置新的表皮,為了固定新的表皮,建筑外側需要設置主體鋼架,該鋼架的建模是根據外表皮的模型及分格進行拓展建模的。

        改造建筑的建模需要考慮新建部分與老建筑部分的關系,如果老建筑有BIM模型,需要與老的建筑進行合模,必要的時候需要通過三維掃描對現有模型進行實體建筑的數字化,用于與新的模型進行比對和碰撞檢測。

        經過對國家會展中心已有老建筑模型的碰撞檢測,對新建筑的屋檐等部位進行了修正,避免了施工過程結構碰撞問題(如圖9、圖10)。

      圖9

      圖10

        建筑表皮數字化模型建模及分格劃分過程中,除了美觀性能,還要考慮后續的生產工藝和安裝工藝需求。國家會展中心西廳改造項目在前期設計方案階段進行了多種技術方案的比選,確定轉角(詞條“轉角”由行業大百科提供)部位鈦板造型采用一體板設計,鈦金板板塊分格設計保證鈦板鍍鈦滿足工藝要求,優化后的最終建筑幕墻表皮模型如圖11:

      圖11

        (2)參數化設計

        建筑模型只是建筑的三維體現,真正能夠實現數字化、信息化應用需要為建筑模型賦予的參數化信息,模型的參數化設計才是BIM技術應用的目標。

        模型參數化是將三維模型中的組成部分賦予不同的屬性,比如玻璃板塊能夠包含的參數信息包括尺寸信息(四邊邊長、對角線邊長、翹曲值)、材料信息(玻璃或者格柵)、附框信息等,參數化信息可以根據不同的項目及模型的不同深度而不同。

        比如蘇州中心項目有10190個板塊,每個板塊均不相同,通過DP軟件進行建模,通過DP樹結構對板塊賦予尺寸、材質、面積等信息,為后續的分析歸類、生成加工圖等提供了參數支撐(如圖12)。

      圖12

        通過對四點的階差進行統計歸類,生成玻璃面板平面階差分布圖(如圖13),方便對不同的板塊采取不同的加工及安裝工藝研究應用。

      圖13

        基于板塊面積參數,對所有面板進行統計分析超規板塊信息,對超規范板塊采用針對性技術措施和解決方案(如圖14)。

      圖14

        通過賦予板塊對應的材質參數化,結合尺寸參數,實現自動下料(如圖15)。

      圖15

        通過板塊尺寸優化歸類分析,將類似板塊進行合并,可大幅度降低了加工及下料的工作量,提高設計效率和準確率。

        最終根據參數化的型材及板塊的信息,可以自動生成加工圖(如圖16)。

      圖16

        除了常規的板塊,對于異形曲面組合板塊,也能夠實現加工圖的自動生成(如圖17)。比如國家會展中心項目轉角板塊為兩個單曲板與一個雙曲板通過空間組合而成。

      圖17

        且該板塊為穿孔板,錯位梅花孔,通過BIM軟件的參數化設計,實現了在雙曲面上的自動排孔。

        對于異形單元玻璃幕墻系統,通過對單元板塊的翹曲值參數的的分析(如圖18),結合冷彎成型工藝(如圖19),能夠實現平板單元對雙曲面的模擬。

      圖18

      圖19

        (3) 數字化結構建模與分析

        BIM模型與結構計算之間也可以進行模型聯動(如圖20),實現數據聯動輸出、分配和交換任務。

        ①、數據輸出

        以BIM施工模型為依據,提取需冷彎玻璃的所有關鍵信息(邊長、夾角、各點翹曲值),生成數據流并輸出至公司本地服務器。

        ②、數據分配

        服務器授予各專業設計人員不同的權限,確保設計人員在查看本人所需數據的同時,無法修改其他設計人員取用的數據,真正實現了大數據的專人專供。

        ③、數據輸入&分析

        結構分析人員將服務器中有關結構的數據下載到本地PC,借助ANSYS通用有限元軟件及微軟Visual Studio IDE進行計算程序的編寫,實現自動化、批量化分析,分析程序將所有板塊分析結果及計算文件保存在制定目錄下,供設計人員后處理使用。

        ④、數據后處理

        結構人員將分析程序所得的基礎數據輸入微軟Excel軟件,借助VBA宏語言的強大功能對其進行匯總分析,尋找出最不利玻璃板塊。再將這部分板塊數據整合輸出至公司本地服務器,為施工人員制作1:1試驗模型提供依據。

      圖20

        (4) 基于BIM的數字化加工

        數字化加工是基于BIM模型導出加工數據,將數據輸出到加工設備(詞條“設備”由行業大百科提供)上,進行材料的加工。相對傳統的加工方式,省略了中間出加工圖的環節,實現了從模型到加工成品之間的直接聯系,降低了成本,提高了效率,減少了因為人工操作可能產生的錯誤。

        數字化加工要求BIM模型深度達到LOD400,通過BIM軟件相應模塊建造構件(詞條“構件”由行業大百科提供)模型,通過NC編程及代碼驗證,最終實現3D模型數據的輸出。

        圖21為型材的加工,通過五軸加工設備實現模型要求的加工步驟。

        圖22為穿孔板的數字化加工,該穿孔板為上海國家會展中心項目的雙曲鈦金板,鈦金板的穿孔是在平板上進行的,需要根據BIM的三維穿孔模型,進行三維穿孔板的攤平,根據攤平的穿孔圖進行加工。

        圖23為觀音圣壇石材的數字化加工,觀音圣壇的石材為砌筑石材,整體為異形,特別是柱墩部位的石材重量達到了1.5噸,雕花設計,傳統的圖紙很難表述清楚,通過BIM模型,配合石材數控加工,實現了石材的自動化加工。

      圖21

      圖22

      圖23

        (5)材料出廠后的二維碼追蹤

        二維碼分為構件二維碼與選擇集二維碼,構件二維碼根據模型的每一個構件生成一個二維碼,掃碼可查看構件的詳細信息。選擇集二維碼,掃碼可查看選擇集的屬性,關聯的資料以及其相對應的精簡模型。

        通過掃描二維碼,可以得到板塊的參數信息(如圖24)。

      圖24

        二維碼是材料的可追溯體系,記錄了材料生產、運輸等相關信息,同時包含了板塊的編號、尺寸、安裝位置等相關信息,對于安裝、更換及后期維護等都提供了技術支撐。

        (6)數字化與施工

        ①施工組織設計

        基于精細化的模型,在虛擬環境中模擬和驗證施工過程,減少現場的風險和浪費。對方案可行性和工期計劃進行驗證,減少后期返工(如圖25)。

      圖25

        ② 施工測量

        對于異形形體的建筑,傳統的測量放線方式已經無法滿足施工安裝的要求,需要與BIM技術進行結合,通過BIM模型提供理論定位點,現場利用數字化掃描技術進行現場測量,測量后模型在與理論模型進行技術比對與修正,為現場施工提供技術支撐和保障。比如上海國家會展中心項目,在現場安裝過程中,根據BIM信息模型,基于與施工測量相同基點的坐標系,提取以下定位數據:

        Ø 結構生根牛腿的定位點

        Ø 曲面面板固定用T型鋼龍骨的定位點

        Ø 面板交點理論數據定位點

        根據提取以上數據,安裝過程中自內而外層層逐點定位,實現了雙曲異形金屬板的完美拼接。

      圖26

        ③施工收口應用

        對于改造建筑,收口部位是新建部位與老建筑的交接,老建筑因為施工誤差、定位基準坐標等原因,很難按照理論進行收口,需要對收口部位進行測量,將測量數據返到BIM模型中,按照測量修正的模型進行收口部位的下料,如圖27為上海國家會展中心西廳改造項目連廊底口與坡道已有混凝土護邊的交接。

      圖27

        3.8 成本及預算和結算管理

        BIM模型可以自動生成工程量,通過在材料中添加價格信息屬性,配合造價軟件,實現物料清單的自動生成,從而可以實現預算結算的智能化和自動化。

        3.9 質量控制

        通過將施工過程中測量數據與BIM理論數據的比對,實現了對施工精度的實時監測修正,并可以根據測量數據擬定對施工進行整改優化。

        4. 對數字化未來的展望

        數字化在建筑行業處于起步階段,還有很長的路要走,未來的數字化會呈現以下特征。

        1、標準化:通過行業標準和國家標準的制定,所有的軟件之間可以實現互通。

        2、輕量化:輕量化的移動端APP會越來越多,可以實現對建筑信息的實時訪問和更新。

        2、模塊化:眾多模塊化的定制功能會涌現,加快建模的速度。

        4、智能化:智能化建筑,有生命的建筑。

        5、工廠化:建筑工廠化,建筑品質工業化,精細化。

        5. 結語

        目前數字化應用處于量變的過程,通過在一些項目的不斷嘗試,積累了越來越多的經驗,隨著國家鼓勵政策的出臺和規范標準的發布,建筑數字化會迎來質變,實現行業的普及,為創新建筑的實現和精細化管理提供有力的保證。

      作者:牟永來、李書健、施志豪

      作者單位:蘇州金螳螂幕墻有限公司

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      原文地址:http://www.52mqw.com/info/2020-9-21/47552-1.htm
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