BIM技术在复杂外形建筑深化设计中的应用

冯友平

中铁建设集团南方工程有限公司 广东 广州 511400

1 工程概况

某长影“环球100”项目中国影视博物馆，建筑占地面积3 325.97 m2，建筑总面积7 318.6 m2，地上建筑面积5533.3 m2，地下建筑面积1785.3 m2，建筑高度14.65 m。项目位于中国村中心位置且靠近多个主题概念广场，因此确保博物馆达到与所在区域和乐园整体同等水平的主题细化是十分重要的。项目的重点为外装饰构造设计，具有整体概念效果图细节多、材料层面复杂、空间变化大、预制构件造型繁多且相同类型均为不同尺寸等诸多特点，也成为BIM技术应用解决的重点和难点。

工程主体为钢筋混凝土框架剪力墙结构，外装饰设计由下至上分层，外墙为仿石材GRFC材料，屋顶装饰为钢构架龙骨和低辐射率玻璃幕墙，外装饰主龙骨为多种型号规格的空心钢材管门框架、仿木材PVC包装，其中框架顶及侧边分别由纤维水泥嵌板和仿木材GRFC连接，入口装饰由仿木材GRFC通过单元块拼装组成，尾部及侧翼由空心钢材管门框架和透明PVC膜组成。通过BIM技术应用对外装饰分层建模，结合族模型的方式对其组成的构件进行参数设置并生成，进而能清晰地表达出详细的建筑实体信息 （图1）。

图1 外形设计分层示意

2 BIM技术设计深化的应用实施情况

项目前期图纸信息较少，业主要求做出详细的施工策划（外装饰）、工程量统计，并为后期深化设计提供参考思路，我们严格按照平面图尺寸、剖面图节点的高度及效果图中构件的分布进行分层搭建，通过确定各层构件位置、方向、尺寸数据，按照施工工艺路径设置族参数，由不同族构件进行预制拼装组成外装饰部件，最后采用其他软件进行协同优化、定点定位，生成外装模型。

2.1 关键坐标数据提取

根据平面图、立面图和部分详图，按照外装饰分解构件的坐标数据进行提取，2座建筑共有55根不同规格的空心钢材管门框架主龙骨，需读取其平面位置、规格尺寸、转角高度及顶点标高数据，并列表汇总（图2）。同理，头部分解为9层构件，分别读取其周长、厚度、深度、标高等数据（图3）；尾部分别读取每块梯形夹板尺寸、标高、仰角等数据，以及钢材龙骨规格尺寸、标高、周长等数据（图4）；低辐射率玻璃幕墙分别读取平面尺寸、折角高度、路径顶点高度和分隔间距等数据（图5）；侧翼鳞片分别读取多边形尺寸、连接高度及仰角等数据（图6）。其他构件，包括顶部仿木材GRFC鳞片，以及与钢材管框架连接的纤维水泥嵌板、仿木材GRFC嵌板，按形状尺寸一致均匀排布处理，读取构件连接的仰角大小即可。

图2 空心钢材管门框架 （主龙骨）

图3 头部仿木材GRFC板 （正面）

图4 尾部空心钢材 框架和PVC膜

图5 低辐射率 玻璃幕墙

图6 侧翼鳞片空心钢材 框架和PVC膜

2.2 工艺路径族参数设置

2.2.1 空心钢材管门框架的族制作

空心钢材管门框架族的制作应用自适应公制常规模型族样板，设置两自适应点间的距离为报告参数，根据该参数及门架高度添加公式，计算单榀门框架长度。设置好门框架的高度变化及路径，根据自适应应用原理自动放置门框架。

2.2.2 头部仿木材GRFC板的族制作

根据头部各层单元构件关键数据，导入CAD正立面图作为参照平面和原点，应用自适应公制常规模型族样板，设置相应板块参数，通过放样融合生成子族，再以放置参照平面的方式组成整体，最终镜像对称形成头部模型。

2.2.3 尾部仿木材GRFC板和PVC膜的族制作

尾部翼板根据尺寸、倾斜角度应用自适应公制常规体量模型建立族样板，按每块板厚度中心线设置参照平面，在参照平面放样融合厚度一致的翼板。同理，设置体量模型参数建立钢材框架龙骨和PVC膜（图7）。

图7 尾部翼板、钢龙骨及PVC膜族模型

2.2.4 侧翼钢材框架和PVC膜的族制作

侧翼板包括四边形和五边形2种类型，应用自适应公制常规模型族样板，设置单个构件侧框长度为报告参数，生成的族模型按安装路径链接成组。

2.2.5 纤维水泥嵌板的族制作

纤维水泥嵌板分为屋面嵌板、侧面嵌板及尾部嵌板，应用基于填充图案的公制常规模型族样板制作嵌板子族，添加长度、宽度参数均为共享的报告参数，在标注时标注两点的距离，在标注两点的距离时注意拾取的工作平面。

2.2.6 鳞片的族制作

应用基于填充图案的公制常规模型族样板制作鳞片子族，按高度、顶点高差、高度差、顶点高度差及投影宽度设置族共享参数，将完成的共享鳞片子族载入可参变的鳞片族中。

2.2.7 玻璃幕墙的族制作

应用体量模型制作幕墙，根据图纸确定幕墙位置尺寸，以幕墙分割线放样融合，形成幕墙整体，再用幕墙系统进行平均分隔。

2.3 族构件预制拼装

2.3.1 空心钢材管门框架与纤维水泥嵌板、鳞片、侧翼框膜的预制拼装

根据已建好的单元构件族模型，按照自动原点到原点精确导入的CAD参照平面图，将空心钢材管门框架族模型按照其关键数据进行预制拼装，准确完成主龙骨系统的建模（图8）。

图8 空心钢材管门框架体系建模

根据自适应族样板特性，将每个面分割成需要的数量，填充相应的嵌板，即在项目中根据路径和关键坐标放置纤维水泥嵌板（图9）。

图9 纤维水泥嵌板拼装完成

同理，根据自适应族样板特性，将每个面分割成图纸中规定的数量，按路径和关键坐标填充并完成相应鳞片的放置，以空心钢材平面为参照平面完成放置。

2.3.2 头部预制拼装

头部构件按自适应常规样板特性和分层搭建方式，以自动原点到原点导入的CAD参照平面图为基准点，分别将单元构件族组合预制为子族层，最终完成系统拼装。

2.3.3 尾部预制拼装

尾部应用交点方式进行预制组合，设置参照基准点完成最终拼装。

2.4 协同检查

复杂外形各层构件预制拼装完成后，将其链接成工作组，完成整体模型的建立，应用协同设计对各层系统及整体进行碰撞检查，排除冲突和链接误区，提高模型与图纸信息的精确程度（图10）。

图10 三维模型

2.5 工程量自动统计

建筑实体工程量的统计是前期策划的重点，其涉及材料构造形式、型号和数量，通过BIM技术应用样板族精确建模，同时应用族参数设置，确保构件尺寸变化时仍能满足工程量自动统计的准确度要求，最终通过明细表的方式自动统计出各类构件的工程量。

3 BIM技术应用效果

前期策划中，应用BIM技术不仅解决了因图纸不全、工程信息不完善等问题导致的“三项策划”（施工组织策划、成本策划、资金策划）开展困难的问题，而且在模型建立方面具有可视化、精确度高、信息全面和直观清晰等优势。更重要的是，模型的数据模拟真实建筑实体效果，工程量自动统计、参数设置变化协调修改等功能得到业主的高度认可，对其有效、准确、快速决策起到了积极作用，同时也为后期施工策划和深化设计提供了更多的思路和方法。

3.1 族模型设置参数变化，构件工厂化预制拼装

博物馆项目外装饰异形空间变化复杂，二维平面图无法表达造型信息，通过建立子族的方式，给每个子族添加参数信息，再结合二维图平面尺寸组合单元族，将不同种类材质的族团以点、线及面的方式放置于导入的平面图中，最终链接成整体。每个子族都严格按照图纸尺寸要求建立，并配有编号和参数，施工模拟精确度较高，可直接作为工厂化预制加工清单，通过深化设计后的各构件连接方式和安装角度最终完成现场拼装。

3.2 三维模型可视化，数据信息自动化

三维模型可快速、清晰地表达各构件的信息，协助业主直观、准确地把握整体造型的难度和做法，后期深化设计时完善局部细节并以3DMax建模、渲染、动画等方式展现。BIM技术的应用，不仅能通过三维协同平台建模，还能精确、快速地获得技术经济指标、工程量等信息，完全掌握各构件的变化并对其进行自动统计，方便业主控制建筑施工规模和成本，后期可生成材料用量表，并结合多种软件平台优化建造方案。

3.3 专业配合，软件协同

Revit软件建立的建筑模型直观可视，各专业建模可同时进行，随时检查异形空间高度、曲线变化情况。应用Naviswork、3DMax、Dynamo等软件对整体模型进行渲染、漫游、动画模拟、碰撞检查、协同出图等分析判断，协助业主对施工方案确定、图纸审查、成本测算及深化设计内容进行决策。

4 结语

BIM技术应用推动了建筑业信息化发展进程，工程项目的全生命周期管理已逐步完善，设计与施工不再互相脱节，而是全面促进和配合[1-2]。随着参与各方的数量增多，数据建造将实现无图纸设计、三维审图模式和智能化成果交付转型升级。

本工程的BIM技术应用充分符合这一思路。随着业主对投资项目管理的日益成熟，前期策划要求逐步提高，需要施工方协助解决的问题不断增多。BIM技术的应用促成了项目的合作与发展，攻破复杂外形建筑的施工难题，实现资源整合与信息共享。