随着当今技术的发展, 建筑作品逐渐摆脱传统技术的束缚, 建筑形态日渐复杂。复杂异形建筑倡导对建筑进行精密控制、以制造业的标准来打造建筑。钢结构以其良好的机械加工性能、易拼装、轻质高强等独特优势成为复杂异形建筑的首选。异形钢网架其建筑空间结构复杂、对制造精度要求高、施工难度也相对较大, 而设计图纸数据难以满足网架加工和安装的精度要求。因此, 实施深化设计, 是显著提高异形钢网架制作精度与施工质量的主要途径。

当前, 由于异形钢网架非标准构件和非标准节点多、总用钢量大、总构件数多, 其深化设计存在着重复计算工作量大、效率低、设计-制造-建造过程信息断层等问题。异形钢网架深化设计中信息的集成管理与应用仍待解决。

BIM技术以数字化模型为载体, 贯通建筑全生命周期的数据流, 可以提高深化设计乃至整个工程的质量、效率, 实现建筑资源的优化配置, 节约行业成本。通过BIM技术突破异形建筑以蓝图作为设计交付的模式, 实现异形钢网架的产业化是建筑行业发展的必然选择。本文结合福建省邵武市体育中心项目, 探索实践BIM技术在异形钢网架深化设计中的应用。

福建省邵武市体育中心项目位于邵武市城南新区古山溪左岸生态城片区。项目用地面积约139.1亩, 容积率0.46, 绿化率23.98%, 建筑密度40%, 建筑限高45米。建筑设计融合“太极”元素, 综合体育馆与游泳馆采用椭圆形体量, 体育场采用西侧大、东侧小的顶盖设计。上部为异形钢网架结构, 下部为大体积混凝土结构。本工程是邵武的城市门户, 是“城中有景, 景中有城”城市画卷中的点睛之笔, 承载着健康生活的责任和文明内涵。

工程本身复杂的造型, 尤其是钢网架错综交错的空间结构, 为钢网架的加工制造和精准安装带来一系列挑战:

为赋予建筑流动性和灵动感, 邵武体育中心采用流线曲面构造。然而, 设计图纸对于复杂异形结构的表达具有一定的局限性, 难以全面表达复杂空间信息, 进而限制了建筑师设计意图向制造和安装阶段的传递。

据初步统计, 工程钢网架部分共计钢杆件20000多根, 高强螺栓球节点4000多个, 屋面檩条17000多根。且钢网架、屋面檩条根据屋面曲面变化而有不同角度、不同空间位置。因此, 本工程中海量构件均为非标准化构件。对于海量非标准化构件, 常规的信息表达方法费时费力, 高效率的深化设计解决方案有待探索。

为加快工期、提高施工质量, 项目的空间钢网架结构、大跨度屋面钢结构等构件均采用工厂化制作, 现场拼装、吊装的方式。工厂化预制对构件精度提出了高要求, 每根杆件及其附属结构的具体尺寸, 各个螺栓球节点具体的开孔位置、开孔深度等信息深度, 均要满足加工制造的精度要求。

本工程钢网架结构本身造型变化大, 与竖向钢支撑柱相连, 可能造成屋面钢网架结构复杂多变, 安装难度大。精准定位安装是整体结构稳定和良好施工质量的重要保障。

借助BIM技术实现异形钢网架的空间可视化, 解决复杂异形建筑空间信息全面表达的问题, 以“所见即所得”的BIM模型直观传达建筑师的设计意图。

基于工程前期的结构设计计算结果, 利用BIM技术实现计算软件与深化设计软件之间信息的双向贯通, 快速、直接根据已有结构计算成果创建对应的海量空间信息, 避免建立深化设计BIM模型时“从零开始”重新输入计算数据。

研究钢网架构件的结构特征, 分析和梳理构件的结构规律, 构建符合工程结构要求的BIM标准模板库, 利用BIM参数化模板解决海量非标准构件的标准化模板复用问题, 提高标准化模板的复用率。

以满足钢网架构件的加工制造精度为提前, 应用BIM技术实现海量非标准化构件的快速、批量生成, 提高信息表达效率。

基于高精度的深化设计BIM模型, 提取建造数据, 以BIM模型为数据信息载体, 传递并延续深化设计信息, 贯通从设计到加工、建造的信息流, 为构件加工和精确安装提供数据依据。

CATIA (Computer Aided Tri-dimensional Interface Application) 软件是由世界著名的航空航天企业法国Dassault Aviation公司开发的一款BIM软件, 凭借其完美的曲面处理能力被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、电子等行业。作为工业设计领域的顶级设计软件, CATIA以超强的自由曲面造型及逆向功能、人性化的界面、智能型的功能操作以及全面组合分析功能而备受人们青睐。作为钢网架BIM深化设计软件, CATIA具有以下优势:

(1) CATIA拥有极强的几何造型能力和准确的建模功能, 同时具备稳定的参数化建模环境, 可以方便地将模型生成图纸和提取数据。其满足钢网架加工及建造过程中对模型的精度和数据提取的需求, 有利于BIM数据从设计向下游产业链贯通。

(2) CATIA具有基于规则、面向目标的知识工程系统, 能够提供完整的预定义应用服务, 并通过函数、规范、组件和系统等方式实现知识的管理和重用, 各类知识可以自行定制, 并能够与外部代码集成。

(3) CATIA给用户预留了二次开发接口和一系列开发工具, 用以完成宏程序执行, 用户界面定制, 几何形体生成等功能。可以满足钢网架深化设计BIM应用过程中用户对软件个性化服务的要求。

因此, 本工程以CATIA软件作为钢网架BIM深化设计软件, 并基于CATIA探索深化设计阶段异形钢网架的BIM应用。

本工程采用MST软件完成了钢网架的结构计算和分析, 为了避免反复的“二次输入”, 提高计算结果的延续性, BIM控制系统应以结构计算结果为基础直接创建。直接创建BIM控制系统需要贯通结构计算与深化设计阶段的信息, 解决海量空间点、线数据快速跨平台映射的问题。

为此, 本工程基于CATIA利用VB语言定制化开发了数据转换工具。通过数据转换工具, 一方面, CATIA软件可直接读取MST输出的结构设计计算信息, 实现MST与CATIA软件间数据信息的自由交换;另一方面, 以各节点空间坐标为基础, 可在CATIA中完成各节点对应三维空间点的自动创建, 根据杆件的类型、杆件两端节点的编号和空间位置信息, 自动由节点生成杆件连线 (见图1) , 进而实现海量空间信息的快速映射、全过程自动创建和更新。

节点空间点与杆件连线即为本工程的BIM控制系统, 该控制系统可以为其所包罗的所有建筑系统提供无缝隙的几何定义依据, 是构建钢网架系统的重要参照。

参数化设计是将建筑形体变为数字语言, 建筑的变化即是数字的变化, 数值变化带动建筑形体变化。对于数量成千上万的异形构件, 常规的设计方法已难以满足项目对设计进度、模型精度、信息可调整度的要求, BIM参数化由此应运而生。

本项目中, 通过利用BIM参数化建立杆件模板、螺栓球模板 (如图2所示) 、檩条模板等, 形成BIM标准模板库, 提高体育中心海量非标准、复杂构件的生成及修改效率。

分析工程钢网架的结构形式、节点处理方式, 归纳总结杆件、球节点、檩条的特征参数, 梳理各构件模板的参数化规律, 确定用户参数, 以满足构件的加工制造精度要求为前提, 基于CATIA, 针对用户参数与构件三维模型中对应的特征参数建立相应公式。以用户参数驱动系统参数, 控制不同类型的杆件、螺栓球节点、屋面檩条的尺寸。将参数赋予到BIM模型中, 通过参数驱动模型产生设计, 以杆件直径、壁厚、套筒尺寸、锥头尺寸等参数驱动杆件随类型变化, 以螺栓球直径、螺栓孔深度、螺纹长度等参数驱动球节点随杆件相对关系而变化, 以空间点位置为参数驱动屋面檩条随空间坐标而变化。

通过BIM参数化, 本项目将两万余个非标准化构件的特征归纳在14个参数化模板中, 以有限的参数化模板解决海量非标准化构件的模板复用问题, 提高了参数化模板对异形构件的可用性, 实现以BIM模型为载体, 参数等可变信息在建筑物全生命周期的传递和延伸。

异形钢网架信息快速表达的关键是如何实现参数化模板的批量化实例。常规的参数化模板实例化方式为构件逐一实例化, 操作繁琐、工作量大, 且难以与深化设计对信息高效表达及快速更替的要求相匹配。

为此, 本工程以能反映建筑形态变化的BIM控制系统作为整个几何控制系统构建的基石, 基于参数化模板, 总结分析构件的空间布置规律, 将无序、无规律的空间构件信息规律化, 运用CATIA知识工程实现规律的固化。通过以BIM控制系统为“基础控制线”, 获取控制元素信息, 遍历各控制元素自动调用对应的参数化构件模板, 实现对高精度参数化构件模板的自动化重复调用, 进而快速、高效、批量实例化杆件、球节点、屋面檩条参数化构件模板, 完成构件的快速空间布置, 实现异形钢网架的快速建模。

基于CATIA知识工程的应用, 在满足构件加工制造精度的前提下, 实现了从构件到产品的参数化, 以及复杂异形建筑空间信息的高效率表达和更替。

图3即为通过知识工程应用所生成的本工程深化设计BIM模型。

BIM技术的最大价值是实现数据共享与信息贯通, 以整合和贯通来消除目前建筑业生产效率低下的现状。与常规标准构件的生产相比, 复杂异形钢网架型材长短不一、构件呈非标准化, 给构件加工和管理带来困难, 导致成本上升, 进度不可控。基于制造精度级别的深化设计BIM模型, 包含着每个异形构件与周边控制信息的衍生关系, 控制着构件的位置及轮廓, 提供了每个非标准构件唯一的坐标、尺寸。

本工程依据数据规划对杆件、球节点等构件进行唯一的编码。以编码为基础, 加工企业可通过计算机程序、遍历所有的“产品”和“零件”, 自动完成从深化模型中提取异形构件的加工、安装数据信息, 为数控加工创造条件。通过编号下放材料加工、管理材料堆放, 实现标准单元的快速拼装。根据型材几何特点, 以数据表、CAD文件、三维模型的形式下发生产料单, 用条形码、二位码等作为标识单元, 有利于材料进场时就近码放, 也有利于安装时对号就位。

结合福建省邵武市体育中心项目, 对BIM技术在异形钢网架深化设计中的应用实践成果表明, 应用BIM技术可以实现模型参数化, 提高非标准化构件对标准化模板的复用率, 显著提升异形建筑模型生成效率, 从而克服异形钢结构建筑空间信息复杂、非标准构件和非标准节点多、总构件数多、制作精度要求高的问题。BIM技术提高了深化设计信息表达的效率, 实现了数字化设计与数字化加工的无缝对接, 将建筑设计业与制造业完美结合。为“工厂预制化”和“现场装配化”的异形钢结构实施深化设计, 显著提高异形钢构件制作精度与施工质量提供了一条实现途径。