基于参数化BIM应用的异形清水混凝土建筑实施研究.pdf

第 15 卷 第 4 期2023 年 8 月Vol.15 No.4Aug.2023引言当前建筑行业伴随着施工技术与建筑材料的提升，建筑形体越来越多样化，大量建筑突破了传统的规范形式。对建筑空间上提出许多创新要求，追求非线性的柔和形体，使得建筑形式更加多变，大量造型复杂和结构设计施工难度大的异形建筑得以涌现出来1。其中清水混凝土材料由于其优良的结构特性具有的可塑性和环保性，得以在异形建筑中进行应用2，如衢州体育场、海口云洞图书馆、荣成市少年宫和陶溪明珠等项目中均尝试采用异形清水混凝土设计。然而在针对异形清水混凝土建筑的建造实施过程中，往往会遇到清水配比设计、模板定位困难、工艺质量要求高以及材料加工浪费等问题。针对异形清水混凝土建筑实施过程中的难点引入 BIM 技术从而实现异形清水混凝土建筑的智慧建造。本文将针对大河文明馆这一异形清水混凝土建筑进行详细案例研究，阐述智慧建造过程中面临的问题与相关解决途径。1 项目概括1.1 项目设计理念大河文明馆项目总建筑面积约为 1.9 万平方米，位于重庆市南岸区广阳岛南侧沿江农田区域，周边地势较为平坦，几处连续的现存“高台”是大开发时期电力工程遗址。建筑空间采用三维异形曲面形式体现了建筑与自然生态的相互结合遵循“大保护、微开发、巧利用”的设计理念。地下部分采用覆土式特殊建筑类型。地上部分建筑形态以“形于山、嵌于地、隐于田、望于江”实现建筑与自然的完美结合。结构设计采用钢筋混凝土框架+剪力墙形式，其中包含 15m 高的双层壳体肋板梁构件、15m 高双层锥型构建、双层空腔顶板。本项目清水混凝土墙体饰面效果要求为暗红色木纹饰面效果。以清水混凝土的自然状态为最终饰面效果，强调清水混凝土的自然表现肌理。需要以建筑最终完成面的表观要求，进行三维异形曲面清水混凝土墙体的结构施工。项目最终效果如图 1 所示。1.2 项目难点本工程为异形曲面结构，构件类型复杂多样，结构形式采用壳体结构和框架结构相结合的结构形式，存在大量壳体曲面空间结构。项目采用全过程 BIM 正向应用，所有二维图纸基于 BIM 模型表达，且大量构件因形体复杂采用二维图纸无法表达，因此设计蓝图中大部分位置明确标注详见 BIM 模型。造成在施工阶段本项目已无法采用传统的 CAD 图纸等进行下料。由【基金项目】重庆市建设科技项目+“基于生态文明项目的绿色建筑实施路径研究”（编号：城科字 2021 第 3-5 号）【第一作者】郭亚鹏（1997-），男，工程师，主要研究方向：BIM 技术应用。基于参数化 BIM 应用的异形清水混凝土建筑实施研究郭亚鹏郭亚鹏1 1 孙双全 孙双全2 2 王思颖 王思颖3 3 王思翔 王思翔3 3 王成 王成1 1（1.同炎数智科技（重庆）有限公司，重庆 401121；2.北京壹筑建筑设计咨询有限公司，北京 102206；3.中煤科工重庆设计研究院院（集团）有限公司，重庆 400042）【摘 要】【摘 要】清水混凝土由于其优良的可塑性，越来越多的应用于异形建筑中。而针对异形建筑的不规则特性，传统工业技术无法高效满足其异形构筑物定制化需求。本文将以大河文明馆项目这一案例进行异形建筑清水混凝土实施研究，结合 BIM 技术与数控加工进行智慧建造应用研究，实现在异形建筑清水混凝土的智慧建造应用，确保项目进度和质量等目标。同时，也为异形建筑清水混凝土的应用提供参考。【关键词】【关键词】异形建筑；清水混凝土；BIM；智慧建造【中图分类号】【中图分类号】TU17 【文献标识码】【文献标识码】A 【文章编号】【文章编号】1674-7461（2023）04-0028-05【DOI】【DOI】10.16670/11-5823/tu.2023.04.0529基于参数化 BIM 应用的异形清水混凝土建筑实施研究此本项目需采用多种 BIM 软件进行工程的专项深化设计3。且本项目构件类型复杂多样，壳体荷载大、分布不均匀以及受力复杂，壳体模板和定位支撑体系施工难度大。项目曲面空间结构构件主要集中在出入口、环廊、世界厅及广阳厅，需生产特制的定型龙骨才能达到所需的造型。图 1 大河文明馆鸟瞰展示1.3 项目参数化 BIM 实施路径面对项目实施的重难点，本项目结合大量异形建筑案例，以及 BIM 应用类学术研究，针对项目特点梳理出实施技术路径。以彩色木纹清水混凝土饰面肌理、异形建筑混凝土模板体系和现场精密加工实施为主要需求，确立 BIM 应用框架流程如图 2 所示。图 2 大河文明馆 BIM 整体应用流程2 材料信息搭建依据设计理念以及清水混凝土相关标准和要求，需确保清水混凝土达到建筑外立面肌理和结构要求，避免因材质导致清水混凝土效果无法达到设计肌理效果。为了达到以清水混凝土的自然状态为最终饰面效果，强调清水混凝土的自然表现肌理，采用木纹与欧松两种饰面效果。同时为使项目达成设计设计效果，对清水混凝土进行实验配比，通过不同原材配比以及不同模板肌理形式，浇筑形成参照实验，提供多样品供设计选择。表 1 为大河文明馆项目部，通过参照实验得出的详细配比数据与最终效果。表 1 清水混凝土配比信息表所有混凝土原材应在商混站内各自单独存放于一个独立料仓，严禁与其他非清水混凝土原材料混淆存放4。基于清水混凝土材料配比结果，将配比参数与材质最终呈现效果进行编组，将样品外观效果制成无缝贴图形式，在 BIM 模型材质中进行设置，进行 BIM 模型整体立面效果展示，帮助设计确定肌理。同时可以通过 BIM 技术提取所用材质编号，结合材质信息中的配比参数，计算出混凝土各原材用量，方便项目进行材料采购5。3 BIM 技术应用理论及方法3.1 BIM 参数搭建定位测量体系清水混凝土造型控制主要通过精准的测量定位体系完成。如何在复杂多变的三维异形曲面清水混凝土墙体施工过程中保证墙体模板的精确定位是本项目清水混凝土能否顺利实施的关键因素6。常规的二维平面深化体系无法满足本项目的三维异形曲面墙体定位。针对本项目三维异形曲面清水混凝土的特殊性质，在清水混凝土墙体定位深化环节，整理出一套可实施的三维异形曲面墙体定位体系。通过 BIM 技术对模板定型体系的二次深化，实现以 BIM参数化搭建定位模板体系完成三维异形曲面墙体的定位工作7，如图 3 展示针对大河文明馆广阳厅异形墙体的定位体系。30图 3 广阳厅定型龙骨模板深化设计过程中应用 BIM 软件 Rhino 将定型体系进行拆分，拆分出排骨面定位辅助模板简称定位盘及异形曲面定型背楞。以定位盘完成定型背楞定位，以定型背楞完成三维异形曲面墙体定位。如图 4 展示通过 BIM 三维模型提取大河文明馆伞状柱的定位控制线以及背楞投影。图 4 伞形柱定位体系深化模型示例以二维平面坐标体系完成定位盘定位工作，定位盘在深化设计过程中须通过 BIM 参数标记出各定位盘的二维平面坐标点位、异形曲面定型背楞的间距、平面位置以及矢量朝向等关键信息并将其分类，以免定型背楞安装过程中出现混淆。3.2 BIM 参数深化饰面模板在大河文明馆清水混凝土模板体系深化设计中，结合 BIM 技术为三维异形空间曲面造型进行找型，满足清水混凝土墙体定型的同时作为加固受力构件参与清水混凝土模板加固体系当中。然后为清水混凝土饰面层模板蝉缝深化设计，对于一次成形且不加修饰的清水混凝土而言，饰面面板蝉缝深化设计决定混凝土墙体构件的最终表现。在进行蝉缝深化设计时必须与设计保持同步沟通，与设计思想对话，充分理解设计理念，通过项目 BIM 协同平台保持实时同步沟通。清水混凝土深化设计成果必须经过原建筑设计师确认后方可组织现场开始进行施工作业。总结概况为清水混凝土的饰面效果要求，体现在模板的深化设计中对模板的选择、加固体系的设计以及蝉缝的设计，以达到拆模后一次成形。清水混凝土深化设计要按照装饰装修的深化设计思路组织实施，要求了解清楚深化设计边界，必须与其他装饰做法进行有效衔接。具体是指在深化设计过程中，要考虑工程的地面做法、吊顶做法、非清水墙面的做法、装修中一次成型的滴水线、窗框条和清水混凝土表面纹理的细部处理，完成之后要求清水混凝土与其他装饰的做法及其他的专业达到无缝衔接。故混凝土模板排布皆采用 BIM 技术进行，设计施工通过 BIM 模型进行模板深化排布沟通，最终形成最终数字化模板深化正式成果8。如图 5 展示为样板清水混凝土深化模型，以及基于模型提取的模板以及相应编号。图 5 样板 BIM 模型最终将提取出的模板进行排版，形成深化待加工排版图，提供给现场结合数控加工技术进行模板制作。图 6 展示了基于样板清水混凝土模板深化设计的饰面板加工排版图。图 6 饰面板加工排版图大河文明馆项目通过结合异形曲面排版原理，梳31基于参数化 BIM 应用的异形清水混凝土建筑实施研究理整套流程后，基于 BIM 参数化技术进行项目定制化二次开发，大大提高了工作效率，使得项目的进度得以保障。如图 7 为项目梳理异形曲面排版流程图。图 7 异形曲面排版流程图4 智慧建造应用由于本项目特殊性以及对项目进度的高要求，从而引入智慧建造技术，通过 BIM 技术为数字底座，将深化设计到现场施工建造数据打通。通过 Computerized Numerical Control（以下简称 CNC）数控加工技术与三维异形曲面清水混凝土定型体系结合9。大河项目清水混凝土模板体系全部采用 CNC 全数控自动加工机床进行模板的加工制作以保证模板加工精准性，现场配置 CNN 全数控自动化加工厂房。模型深化完成后到模板精加工完成的过程，需要通过 BIM 参数程序编辑及CNC 全数控自动加工机床精加工后方能满足现场使用10。将深化排版及编号完成后的模型通过 BIM 二次开发的参数程序，自动由三维平面转换为二层平面状态进行二次深化分割。图 8 为项目自主开发 BIM 参数程序组。图 8 BIM 参数程序组模板二次分割完成后将其嵌套去模板原材图框中进行加工排版工作后进行模板精加工。模板排版完成后将图纸线条转换 CNC 全数控自动加工机床加工代码进行相关的加工11。如图 9 所示通过数控机场加工清水混凝土体系模板。图 9 CNC 数控加工5 结论为保证大河文明异形清水混凝土建筑的空间成型质量以及清水混凝土外立面效果，本工程采用了清水混凝土配比实验并将相关参数代入至 BIM 模型中进行材料量测算。同时基于 BIM 技术与项目特殊性对清水混凝土模板定位以及排布进行 BIM 参数深化，保障了项目质量与项目进度。并且通过 BIM 技术将深化设计至施工实施间的数据打通，进行更深层次智慧建造应用。三维 BIM 模型的建立可以使得信息更加完善，通过针对项目特殊性自主开发的 BIM 参数程序，高效准确的完成清水混凝土的模板编号、下料、数控加工和定位实施。并且基于 BIM 多维度信息特性，使项目部生产人员更加直观地了解构件概况、实施工序和技术难点，以更加直观的方式进行技术交底。数字化加工也确保了模板加工质量、拼缝质量，确保构件空间曲线蝉缝更加准确。通过上述相关技术的实施应用，大河文明馆项目组很好地完成了设计意图，并且确保项目质量和进度。同时也为以后异形清水混凝土建筑工程施工积累了大量重要经验，有效地推进了现浇清水混凝土工程的发展，具有一定的社会效益。32参考文献参考文献1 袁越当代艺术博物馆展示空间复杂性形式研究 D.杭州:浙江大学，20152 史学文.浅谈异形双曲面清水混凝土施工质量控制与应用 J.中国建材,2022(03):133-135.3 段 超 龙,周 晓 帆,戴 路,胡 新 余.BIM 技 术 在 武 汉琴台美术馆异形结构中的应用 J.施工技术(中英文),2022,51(11):32-36.4 彭林林.土建施工中的清水混凝土技术应用研究 J.居舍,2022(19):61-63.5 王宝娟.精细 BIM 构建及其在修缮工程中的应用 J/OL.土木建筑工程信息技术:1-6Research on the Implementation of Special-shaped Fair-faced Concrete Research on the Implementation of Special-shaped Fair-faced Concrete Buildings Based on Parametric BIM ApplicationBuildings Based on Parametric BIM ApplicationYapeng Guo1,Shuangquan Sun2,Yanliang Zhao3,Zhijie Xuan3,Cheng Wang1（1.ITY Intelligent Science&Technology(Chongqing)Co.,Ltd.,Chongqing 116026,China；2.Beijing Yizhu Architectural Design&Consulting Co.,Ltd.,Beijing 102206,China；3.hina Railway Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100142,China)Abstract:Due to its excellent plasticity,fair-faced concrete is increasingly used in special-shaped buildings.In view of the irregular characteristics of special-shaped buildings,traditional industrial technology cannot efficiently meet the customization needs of special-shaped structures.Taking the Dahe Civilization Museum project as a case study on the implementation of fair-faced concrete in special-shaped buildings,this paper conducts an research on the application of smart construction in combination with BIM technology and CNC machining,which realizes the application of smart construction in fair-faced concrete in special-shaped buildings and also ensures the project progress and quality.Keywords:Special-shaped Building;Fair-faced Concrete;BIM;Intelligent Construction6 陈群源.BIM技术在异形双曲面清水混凝土施工应用J.中国新技术新产品,2021(13):113-115.7 汪涛,蔡晓男,林墨翰,孙忠猛.空间扭转曲面清水混凝土建筑支架体系设计与施工J.施工技术,2021,50(11):4-8.8 刘曲平.异形伞状清水混凝土柱模板体系设计与施工技术 J.中国建材科技,2021,30(04):105-108+32.9 孙乃毅，孙炀，王伟，刘彬波，荣成市少年宫异形清水混凝土施工技术研究，工程技术与应用，2019（16）：68-69.10 海口云洞图书馆 J.建筑学报,2021(06):23-28.11 胡勇,邸克孟,冯锐.基于 BIM 技术的钢筋智能化加工技术研究J.土木建筑工程信息技术,2020,12(03):44-49.