BIM技術(shù)在杭州湖畔大學(xué)項目金屬屋面工程中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2020-07-14來源：本站編輯：張世輝

[摘要]

　　 1、項目概況

   湖畔大學(xué)由馬云、柳傳志、馮侖、郭廣昌、史玉柱、沈國軍、錢穎一、蔡洪濱、邵曉鋒等九名企業(yè)家和著名學(xué)者等共同發(fā)起創(chuàng)辦，旨在培養(yǎng)具有新一代商業(yè)文明精神的企業(yè)家。新校區(qū)由建筑大師姚仁喜擔(dān)任總設(shè)計師，校區(qū)主體建筑為圓形，四面環(huán)水，采用園林的手法組織空間，兼具現(xiàn)代科技教學(xué)功能。本工程為阿里巴巴集團(tuán)重點(diǎn)項目，愿景成為一所國際級別商學(xué)院，“希望在湖畔形成一種文化，讓每個企業(yè)活長、活久，中國企業(yè)活到三十年以上的非常之少，而這個大學(xué)的愿景就是做三百年。

　　 浙江湖畔大學(xué)創(chuàng)業(yè)研究中心項目（一期）位于浙江省杭州市余杭區(qū)，建筑面積為43710平方米，其中地上29747平方米，地下13963平方米。湖畔大學(xué)是集教學(xué)、辦公、停車、影音、行政后勤、餐飲等為一體的綜合性教育園區(qū)，客戶為各個行業(yè)創(chuàng)業(yè)3年以上的企業(yè)決策者，此次建設(shè)為長期校址。

　　 2、施工作業(yè)與BIM技術(shù)結(jié)合點(diǎn)

　　 本工程涉及專業(yè)多且復(fù)雜，專業(yè)覆蓋面廣，包括結(jié)構(gòu)、建筑、機(jī)電、幕墻、精裝修、景觀、內(nèi)外湖水、古建等。特別是本工程整個屋面系統(tǒng)為雙曲鋼結(jié)構(gòu)+雙曲直立鎖邊屋面板+雙曲重竹吊頂+雙曲收邊鋁板，其中重竹吊頂：為依靠自身彈性變形，直線擬合曲面，達(dá)成雙曲效果，直立鎖邊屋面板：為原設(shè)計單塊最長約50m，施工難度大；檐口鋁板：曲率漸變，均定制加工，定位、加工要求高。通過運(yùn)用BIM三維模型進(jìn)行深化設(shè)計，可順利實(shí)現(xiàn)構(gòu)件工廠加工、現(xiàn)場拼裝的工程目標(biāo)。

　　 3、BIM技術(shù)在金屬屋面深化設(shè)計中的應(yīng)用

　　 金屬屋面的設(shè)計圖紙條件：金屬屋面三維曲面面膜、金屬屋面平面及節(jié)點(diǎn)詳圖、鋼結(jié)構(gòu)平面布置及標(biāo)高圖。

　　 3.1金屬屋面主鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計

　　 本工程金屬屋面的主體結(jié)構(gòu)是采用全焊接節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)，如何控制鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)高以實(shí)現(xiàn)雙曲面的安裝是本工程的難點(diǎn)之一。主體鋼結(jié)構(gòu)共66根圓形鋼柱，其中58根截面尺寸為500×14,8根截面尺寸為500×16，主鋼梁為箱型梁，鋼梁截面600×250×14×22(高度×寬度×腹板厚×翼緣厚)，次梁為200x200x8箱型梁，邊緣環(huán)梁截面尺寸450x200x8x14。

　　 1）雙曲鋼結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計

　　 在深化過程中，為保證不出現(xiàn)主次鋼梁在吊頂面穿出屋面板情況。

鋼梁穿出吊頂面

　　 為此，整體鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)高，需要通過金屬屋面的皮膜、吊頂皮膜以及兩者之間的1000mm構(gòu)造空間，進(jìn)行建模，總體思路如下：

　　 金屬屋面皮膜→設(shè)計鋼梁與皮膜之間構(gòu)造層高度→鋼梁頂面標(biāo)高平面→鋼柱垂直線與鋼梁平面交匯點(diǎn)→鋼柱頂標(biāo)高→鋼柱根據(jù)鋼梁頂面標(biāo)高平面連線→鋼梁定位線

　　 根據(jù)連線的結(jié)果，主梁基本為雙曲率鋼梁，為減少次梁的雙曲情況，所有的次梁利用構(gòu)造層的空間，采用單曲率以減小加工難度。

　　 2)鋼結(jié)構(gòu)梁節(jié)點(diǎn)的深化設(shè)計

　　 深化出整體鋼構(gòu)的空間模型后，下一步則需要在節(jié)點(diǎn)部分進(jìn)行處理，第一步是滿足整體的金屬屋面標(biāo)高，但是在深化過程中，節(jié)點(diǎn)會出現(xiàn)下圖所示的情況

主次梁節(jié)點(diǎn)

　　 此種情況下，可以利用金屬屋面與吊頂面存在的1000mm的構(gòu)造層進(jìn)行深化設(shè)計，只要整體鋼梁的標(biāo)高不增加，便可以對金屬屋面不產(chǎn)生干涉，根據(jù)整體的模型測量，大部分這種偏差尺寸在5cm左右，為減少這種節(jié)點(diǎn)對構(gòu)件受力的不利情況，所有此種情況下的次梁標(biāo)高均下降5cm，以保證焊口處不露口。

　　 3）邊緣雙曲鋼梁的深化設(shè)計

　　 邊緣梁根據(jù)原設(shè)計截面為箱型梁，經(jīng)線性模型搭建后，受檐口鋁板的雙曲構(gòu)造層影響，次梁無法做成單曲梁或線性梁，檐口鋁板為雙曲面板，反映到邊緣箱型鋼梁上，要求鋼梁出現(xiàn)雙曲率加扭轉(zhuǎn)情況，方型管在實(shí)現(xiàn)同一平面不同曲率時工廠尚可加工，當(dāng)加上扭轉(zhuǎn)時，箱型梁的加工難度極大，且無法安裝，此時考慮圓管的多向同性，在實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時并不對圓管本身造成加工難度，因此類似此種情況均考慮為采用與箱型梁同剛度的圓管進(jìn)行替代，減少加工及施工難度。

邊緣環(huán)梁立面

　　 4）鋼結(jié)構(gòu)與各造型層的干涉驗(yàn)證

　　 現(xiàn) 通過直觀的BIM三維模型，對不同專業(yè)模型合并，對各個環(huán)節(jié)及細(xì)部進(jìn)行全方位檢査，暴露不易發(fā)現(xiàn)的深層次問題。在本工程中主要針對鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)與屋面專業(yè)進(jìn)行碰撞檢査，其中天溝與鋼結(jié)構(gòu)的碰撞檢查，金屬屋面板與鋼結(jié)構(gòu)的碰撞檢查都發(fā)現(xiàn)了空間尺度定位碰撞的問題。鋼結(jié)構(gòu)模型搭建完成后，模型應(yīng)交付至金屬屋面深化設(shè)計，金屬屋面根據(jù)皮膜完成相應(yīng)曲面設(shè)計后，可通過半逆向出剖面圖，檢查各構(gòu)件的碰撞情況，發(fā)現(xiàn)碰撞問題后，通過調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)的局部標(biāo)高，避免對構(gòu)造層的碰撞。

　　 3.2檐口鋁板的深化設(shè)計

　　 1）檐口的曲面造型及安裝分析

　　 對檐口鋁板進(jìn)行雙曲面的翹曲值（Grasshopper）分析，對分析的板塊邊緣進(jìn)行優(yōu)化擬合，擬合采用遺傳算法取得最優(yōu)解，誤差±1mm；根據(jù)擬合后邊線及CAD圖紙對板塊進(jìn)行劃分，根據(jù)三點(diǎn)共面原理對劃分后板塊進(jìn)行翹曲分析。不同顏色區(qū)域，翹曲值大于10mm，需做工廠彎扭成型板。翹曲值小于10mm，可采用平板。判斷出采用平板自然彈變保證曲面效果和彎弧加工保證曲面效果范圍，對翹曲值較大鋁板進(jìn)行三維放樣，保證彎弧加工精度，以順利實(shí)現(xiàn)設(shè)計效果、節(jié)約造價

檐口鋁板翹曲分析

　　 2）檐口鋁板的深化定位及下料

　　 檐口鋁板共1003塊，每塊的造型尺寸因空間曲面關(guān)系，各個不同。傳統(tǒng)測量平面尺寸的方法無法在本金屬屋面中實(shí)現(xiàn)下料、加工。因?qū)τ谌S曲面，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)三維效果，現(xiàn)場安裝需全部按照模型定位、安裝，材料加工全部依據(jù)建立的信息模型進(jìn)行材料構(gòu)件的下料。通過BIM模型獲取的構(gòu)件的加工、安裝數(shù)據(jù)，包括定位坐標(biāo)、尺寸大小、彎弧加工所需數(shù)據(jù)以及構(gòu)件管理編號，縮短構(gòu)件的加工制作周期，提高構(gòu)件的加工精度。提高了加工、安裝精度及效率。

　　 3.3鋁鎂錳板的深化設(shè)計

　　 1）雙曲鋁鎂錳板的側(cè)彎分析

　　 原設(shè)計鋁鎂錳板最長板的長度達(dá)47m，整體呈現(xiàn)雙曲造型，為分析出鋁鎂錳板在整個大屋面曲率的可實(shí)施性及咬合效果，用BIM模型分析出側(cè)彎值以判斷可實(shí)施性。對雙曲金屬屋面通過NURBS曲線展開單塊屋面板進(jìn)行側(cè)彎分析，找出金屬屋面板的最大側(cè)彎，確定單片金屬屋面板可安裝長度，以下是分析結(jié)果：

　　 因屋面造型復(fù)雜，導(dǎo)致實(shí)際板材側(cè)彎嚴(yán)重，規(guī)范要求最大側(cè)彎不超過1/100，此種側(cè)彎值下，實(shí)際無法實(shí)現(xiàn)。如按照此側(cè)彎值施工，在屋面施工時會出現(xiàn)鋁鎂錳板無法咬合，或者整體咬合扭曲，觀感效果極差且容易滲水。

　　 2）各項變形對材料側(cè)彎的影響分析

　　 為驗(yàn)證此種分析方法下，側(cè)彎不受鋁鎂錳板拱、旋轉(zhuǎn)、曲的影響，對分析值進(jìn)行分析驗(yàn)證。我們在實(shí)際分析過程中取了單片板。對此塊板，分別進(jìn)行起拱及角度放大，再采用NURBS曲線展開命令進(jìn)行側(cè)彎分析，發(fā)現(xiàn)金屬板的側(cè)彎值未發(fā)生變化。

影響側(cè)彎的變形驗(yàn)證

　　 2）鋁鎂錳板的斷板處理

　　 因單塊屋面板會呈現(xiàn)類似S型曲線，在整塊板中會出現(xiàn)兩到三個側(cè)彎最大值點(diǎn)。為解決上述側(cè)彎較大、無法安裝問題，考慮采用在金屬屋面板最大側(cè)彎處進(jìn)行斷板，通過兩到三次斷板，實(shí)現(xiàn)每段金屬屋面板側(cè)彎值不大于5cm，減小安裝難度。

　　 如上圖中所示側(cè)彎值小于5cm，可滿足實(shí)際安裝需求，同時為保證斷板處不滲漏，在斷板處增加天溝。以解決鋁鎂錳板雙曲部位搭接的熱脹冷縮，后期易漏水的缺點(diǎn)。

　　 3.4金屬屋面的排水分析

　　 整個金屬屋面為雙曲面，屋面排水方向較為復(fù)雜，傳統(tǒng)2D平面圖紙的分析方法已經(jīng)無法判斷排水流向。排水方向無法判斷，也就無法驗(yàn)證雨水斗在天溝中的合理性。很可能會出現(xiàn)雨水斗實(shí)際施工時，布置的位置不在天溝低點(diǎn)，造成拆改浪費(fèi)。通過三維曲面的等高線分析，根據(jù)天溝的位置，可以形象直觀的判斷出每一處天溝的低點(diǎn)，如下圖所示：

　　 效益分析：

　　 大型復(fù)雜三維曲面結(jié)構(gòu)的分析對于施工建造可操作性及加工安裝精度非常重要，對施工順序、施工造價會產(chǎn)生較大影響。本工程通過BIM輔助深化設(shè)計，解決2670處碰撞點(diǎn)，累計為項目節(jié)約430余萬元。以雙曲金屬屋面的深化設(shè)計、下料、加工及樣板驗(yàn)證為主要內(nèi)容，利用參數(shù)化建造分析，解決復(fù)雜曲面的建造深化及實(shí)體安裝困難的問題，減少后期各專業(yè)干涉。利用參數(shù)化建造，提高材料下料精度，實(shí)現(xiàn)三維曲面出圖，精確測量，提升安裝效率，對類似工程的深化設(shè)計具有參考意義。

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