BIM技術在杭州湖畔大學項目金屬屋面工程中的應用

發布日期：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、邵曉鋒等九名企業家和著名學者等共同發起創辦，旨在培養具有新一代商業文明精神的企業家。新校區由建筑大師姚仁喜擔任總設計師，校區主體建筑為圓形，四面環水，采用園林的手法組織空間，兼具現代科技教學功能。本工程為阿里巴巴集團重點項目，愿景成為一所國際級別商學院，“希望在湖畔形成一種文化，讓每個企業活長、活久，中國企業活到三十年以上的非常之少，而這個大學的愿景就是做三百年。

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

　　 2、施工作業與BIM技術結合點

　　 本工程涉及專業多且復雜，專業覆蓋面廣，包括結構、建筑、機電、幕墻、精裝修、景觀、內外湖水、古建等。特別是本工程整個屋面系統為雙曲鋼結構+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，達成雙曲效果，直立鎖邊屋面板：為原設計單塊最長約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。通過運用BIM三維模型進行深化設計，可順利實現構件工廠加工、現場拼裝的工程目標。

　　 3、BIM技術在金屬屋面深化設計中的應用

　　 金屬屋面的設計圖紙條件：金屬屋面三維曲面面膜、金屬屋面平面及節點詳圖、鋼結構平面布置及標高圖。

　　 3.1金屬屋面主鋼結構深化設計

　　 本工程金屬屋面的主體結構是采用全焊接節點的鋼結構，如何控制鋼結構的標高以實現雙曲面的安裝是本工程的難點之一。主體鋼結構共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，邊緣環梁截面尺寸450x200x8x14。

　　 1）雙曲鋼結構的深化設計

　　 在深化過程中，為保證不出現主次鋼梁在吊頂面穿出屋面板情況。

鋼梁穿出吊頂面

　　 為此，整體鋼結構的標高，需要通過金屬屋面的皮膜、吊頂皮膜以及兩者之間的1000mm構造空間，進行建模，總體思路如下：

　　 金屬屋面皮膜→設計鋼梁與皮膜之間構造層高度→鋼梁頂面標高平面→鋼柱垂直線與鋼梁平面交匯點→鋼柱頂標高→鋼柱根據鋼梁頂面標高平面連線→鋼梁定位線

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

　　 2)鋼結構梁節點的深化設計

　　 深化出整體鋼構的空間模型后，下一步則需要在節點部分進行處理，第一步是滿足整體的金屬屋面標高，但是在深化過程中，節點會出現下圖所示的情況

主次梁節點

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

　　 3）邊緣雙曲鋼梁的深化設計

　　 邊緣梁根據原設計截面為箱型梁，經線性模型搭建后，受檐口鋁板的雙曲構造層影響，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，要求鋼梁出現雙曲率加扭轉情況，方型管在實現同一平面不同曲率時工廠尚可加工，當加上扭轉時，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，在實現扭轉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行替代，減少加工及施工難度。

邊緣環梁立面

　　 4）鋼結構與各造型層的干涉驗證

　　 現 通過直觀的BIM三維模型，對不同專業模型合并，對各個環節及細部進行全方位檢査，暴露不易發現的深層次問題。在本工程中主要針對鋼結構專業與屋面專業進行碰撞檢査，其中天溝與鋼結構的碰撞檢查，金屬屋面板與鋼結構的碰撞檢查都發現了空間尺度定位碰撞的問題。鋼結構模型搭建完成后，模型應交付至金屬屋面深化設計，金屬屋面根據皮膜完成相應曲面設計后，可通過半逆向出剖面圖，檢查各構件的碰撞情況，發現碰撞問題后，通過調整鋼結構的局部標高，避免對構造層的碰撞。

　　 3.2檐口鋁板的深化設計

　　 1）檐口的曲面造型及安裝分析

　　 對檐口鋁板進行雙曲面的翹曲值（Grasshopper）分析，對分析的板塊邊緣進行優化擬合，擬合采用遺傳算法取得最優解，誤差±1mm；根據擬合后邊線及CAD圖紙對板塊進行劃分，根據三點共面原理對劃分后板塊進行翹曲分析。不同顏色區域，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行三維放樣，保證彎弧加工精度，以順利實現設計效果、節約造價

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系，各個不同。傳統測量平面尺寸的方法無法在本金屬屋面中實現下料、加工。因對于三維曲面，為實現精準三維效果，現場安裝需全部按照模型定位、安裝，材料加工全部依據建立的信息模型進行材料構件的下料。通過BIM模型獲取的構件的加工、安裝數據，包括定位坐標、尺寸大小、彎弧加工所需數據以及構件管理編號，縮短構件的加工制作周期，提高構件的加工精度。提高了加工、安裝精度及效率。

　　 3.3鋁鎂錳板的深化設計

　　 1）雙曲鋁鎂錳板的側彎分析

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

　　 因屋面造型復雜，導致實際板材側彎嚴重，規范要求最大側彎不超過1/100，此種側彎值下，實際無法實現。如按照此側彎值施工，在屋面施工時會出現鋁鎂錳板無法咬合，或者整體咬合扭曲，觀感效果極差且容易滲水。

　　 2）各項變形對材料側彎的影響分析

　　 為驗證此種分析方法下，側彎不受鋁鎂錳板拱、旋轉、曲的影響，對分析值進行分析驗證。我們在實際分析過程中取了單片板。對此塊板，分別進行起拱及角度放大，再采用NURBS曲線展開命令進行側彎分析，發現金屬板的側彎值未發生變化。

影響側彎的變形驗證

　　 2）鋁鎂錳板的斷板處理

　　 因單塊屋面板會呈現類似S型曲線，在整塊板中會出現兩到三個側彎最大值點。為解決上述側彎較大、無法安裝問題，考慮采用在金屬屋面板最大側彎處進行斷板，通過兩到三次斷板，實現每段金屬屋面板側彎值不大于5cm，減小安裝難度。

　　 如上圖中所示側彎值小于5cm，可滿足實際安裝需求，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。

　　 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雜，傳統2D平面圖紙的分析方法已經無法判斷排水流向。排水方向無法判斷，也就無法驗證雨水斗在天溝中的合理性。很可能會出現雨水斗實際施工時，布置的位置不在天溝低點，造成拆改浪費。通過三維曲面的等高線分析，根據天溝的位置，可以形象直觀的判斷出每一處天溝的低點，如下圖所示：

　　 效益分析：

　　 大型復雜三維曲面結構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、施工造價會產生較大影響。本工程通過BIM輔助深化設計，解決2670處碰撞點，累計為項目節約430余萬元。以雙曲金屬屋面的深化設計、下料、加工及樣板驗證為主要內容，利用參數化建造分析，解決復雜曲面的建造深化及實體安裝困難的問題，減少后期各專業干涉。利用參數化建造，提高材料下料精度，實現三維曲面出圖，精確測量，提升安裝效率，對類似工程的深化設計具有參考意義。

【相關閱讀】

• BIM+物聯網技術在裝配式混凝土建筑中的應用
• 中鐵二局深圳公司平湖醫院項目積極運用BIM技術模擬施
• 淺談BIM技術在項目管理上的應用
• BIM技術在公路工程中的應用與思考
• 淺談臺灣三大建設企業的BIM應用
• BIM技術對工期和成本的控制應用和問題