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BIM在复杂异形金属屋面工程中的应用.docBIM在复杂异形金属屋面工程中的应用
东风设计院BIM技术中心 陈鹏
【摘要】金属外围护结构在三维异形建筑工程中是比较复杂的部分，也是在建筑生命周期中最容易失败的地方，本文要探索的是BIM在这类工程中的应用来解决常见的问题，例如定位不准、和钢结构产生冲突、隐蔽工程表达不清楚、达不到建筑设计意图等，通过BIM技术在工程建设的流程中有效应用，来保证建设工程质量具有一定的理论和实践意义。
GB／Z 24294.2-2017 信息安全技术 基于互联网电子政务信息安全实施指南 第2部分：接入.pdf【关键词】金属屋面；异形曲面；深化设计；BIM深化流程；协同作业
现如今BIM技术应用已经非常广泛，在工程建设的各个阶段各专项工程中也已经逐步在应用，不用怀疑BIM技术确实为工程建设带来了新的思维方法以及工作手段，业界也有将BIM技术过于夸大的，在实际工程应用过程中难以落地实施，但任何新的技术在发展初期难免碰到这样或那样的问题，甚至出现还不如现有常规方式和手段来的利索，但科学的方法是在不停的探索和试错中不断前进的，这其中包括蒸汽机和内燃机这样伟大的发明。BIM技术也是在计算机和网络技术发展到一定阶段才出现的，在异形曲面造型建筑中业界也有三维参数化设计工具，只不过BIM技术是借用管理思想来对这些设计、建造的整个流程进行整合信息化管理，使工程更加方便掌控、以便做最合适的决策。而在专门针对金属屋面工程中，还没有专门的BIM工具来实施，本文中探讨的只不过是借现有工具和方法来拓展在异形金属屋面工程中进行应用。
金属屋面类型及金属屋面工程中常见的问题
金属屋面类型是根据建筑设计的方案来选择不同的构造方案，以满足于建筑物的各种物理的隔声、保温隔热、防水防火以及力学、美观等要求，常见的屋面类型有直立锁边镁铝锰合金屋面系统、立边咬合系统、古典式扣盖系统、平锁扣式系统、平面半条系统、单元板块式系统、压型板系统等，采用BIM手段时需要对这些系统进行建模，并配合钢结构系统完成协同工作。
屋面围护结构对于建筑物来说最大的功能在于抵御自然界的风霜雨雪、太阳辐射、气温变化和其他外界的不利因素，是建筑有良好的使用功能。常见有屋面防水、排水等问题，有在设计屋面构造原因引起的、有因施工不当引起的，也有因时间久远材料老化引起的，在建成以后在找出问题时是很困难的。应用BIM技术对这些复杂的位置进行建模，相比较传统方式能更方便地控制过程，保证质量。
另外一个常见问题吸音问题，特别是在剧院、展览馆这类对噪声要求比较高的建筑中用到的吸音材料，这类吸音材料放在压型钢板上铺设、可以大大降低吸音效果，但是在采用什么样的吸音材料、多厚的吸音材料，在常规的办法下是依托有声学测试的机构代为做实验，而采用BIM手段则可以依据模型，导入做噪声分析的软件做分析，根据分析结果来做判断。同样的方法也适用于屋面的保温设计。
金属屋面工程的重点及难点
上述提到的防水、排水、隔声、隔热的问题都是在屋面工程中常常碰到的，因此在建设过程中是需要重点考虑的问题，建筑物建设过程中在扩初设计阶段给了建筑方案，但施工方在深化以及实施阶段将概念方案转换成实际的工程中却会有很多的问题，施工单位考虑问题的角度和设计阶段考虑问题的角度是不一样的，屋面底层的找平，放线定位、屋面的坡度，天沟找坡、溢水等问题，特别是和钢结构协同作业的过程，钢结构的一些构件占用了屋面构造层的位置，让处于下游的屋面施工带来一系列问题。这要求在钢结构施工之前需要检查是否占用了屋面构造的面，这个问题在天沟系统施工中尤为重要。
另外施工比较难的地方是有异形曲面造型的位置，这在屋面工程中很难施工并控制，而且是比较影响建筑效果的位置，传统的方法难以找准三维空间定位，这可能会导致工程质量下降，返工等问题。
BIM在金属屋面工程应用中发现及解决的问题
在金属屋面工程中使用BIM技术相比较传统手段，可以发现在每个细部都可以清晰的看到构造，以及存在的问题，在出CAD图纸的时候，可能只出几个断面，但是碰到曲面变化的时候，就不是很容易发现问题，例如弧形天沟的部分，天沟底部是变化的，这得要找到天沟的各点的高度变化。而使用BIM工具的时候这个问题就可以比较轻易的得到解决。
概念方案转换成实施方案
在概念设计阶段的模型在转化成实际实施方案的时候，发现概念模型中根本无法实施，这是设计师在扩初设计阶段没有考虑到疏漏的问题，在细化建模过程中就需要调整概念模型，和顾问和设计沟通后确认做法并实施。在某实际工程中就遇到檐口铝复合板切分太多面无法在钢结构上生根的问题。
屋面是铺设在钢结构上的，但是有时钢结构却占用了屋面构造层的位置，并且又需要控制整体的轮廓，这如果钢结构和屋面施工没有充分的协作，这样的协作也必须是在BIM技术手段下进行，把概念模型、屋面构造模型和钢结构模型合在一起，来检查确认实施方案。
因模型精度问题软件和硬件跟不上，按照施工图上的节点来进行建模，那模型构件的数量是巨大的，一个8万平米的屋面固定支座就在大概16万个，目前在Revit软件中这样的显示方法是一个硬伤，即使配上再好的硬件改善的效果是微乎其微。东风院提出的后台数据库运行的方式，模型细部不用在软件视图中全部显示出来，只存在于后台的数据库中，在复杂的位置需要查看可以局部显示出来，目前在国产某软件中已经实现，通过这种方式运行的效果相比较而言有大幅度的提升。
在建设工程的流程中，应用BIM技术应当从设计开始，包括在屋面覆盖这些分包的专业工程中，把问题在设计的过程中解决掉才能显示出效益。2D的施工图出来以后再进行建模来检查问题，就好比先天的基因缺陷，需要手术刀来不停的来做手术进行修补，那样得到的结果可想而知。而通过3D的概念和扩初设计成果在实施方案中多方进行协同工作，共同促进工作成果，将问题消灭在过程中。良好的基因从一开始能延续下来才能得到好的结果。
现有深化设计是基于施工图和实际能实施的方案综合分析而进行的，而在基于BIM的实施过程里目前这样完善的流程还比较缺失，在实际工程中探索一套可有效执行的是非常必要的，下面是在实际工程中总结一个流程：
在深化设计过程中建立BIM深化模型，及时发现深化设计过程中遇到的问题，并利用模型及相关工具来和参与各方及时沟通并进行调整，这样的过程会大大提高效率。
建筑金属屋面方案对后期施工、造价等方面的影响颇大，尤其是表皮的分割方式与嵌板平直度决定了施工的整体成本。方案设计初期，在确定表皮嵌板所使用的材料前提下（此项目采用的金属铝板），需要考虑表皮的曲面造型后期可能带来的影响。
建筑方案中的表皮从屋面弯曲至地面 观察表皮曲面造型的曲率关系
以下表格罗列了表皮嵌板的影响因素。对表皮分割的嵌板时，需减少对建筑造型方案的影响又要最大程度降低造价，将优化分割后的平直嵌板最大化的拟合表皮曲面造型。
右1为存在曲率变化的曲面嵌板； 右2为平直化后的嵌板。
屋面覆盖件工程中关系最大的是结构深化后的结构构件，在曲面造型的结构中，需要和建筑表皮专业进行充分的协作，表皮专业会给结构专业提出需求，在哪里需要支撑、哪里需要吊点，预设埋件等工作，这中间协调如果出了问题会导致表皮覆盖件无法安装，或者安装不准确，甚至出现建筑表皮修改实施方案等情况，与原有设计意图偏差过大，经过改方案审图效率低下，也违背最初意图。
那么协作过程是建筑表皮专业需要用到结构深化模型、或者结构深化用建筑表皮深化模型，这里的模型必须是统一的，需要保证数据及信息的准确性。在屋面钢格栅的设计中体现尤为明显，钢结构在设计过程中高度超出了范围，屋面在深化过程中就调整格栅的安装定位。常见的结构深化设计用的是Tekla软件，需要通过插件导入其他软件如Rhino或者Revit中进行协同工作。
与钢结构有碰撞 经过协同设计深化后
金属屋面构件工程量统计
金属屋面建模是按照屋面的实际构造来进行的，不同于常规三维设计的是，BIM模型是按照管理思维来进行的，模型里涵盖了相关建模标准以及编码规则，根据这些可以在模型中轻松的得到各种材料的工程量，在难以解决的曲面部位的材料也可以比较准确的得到，前提是按照标准有效执行了建模工作，屋面构造中的大宗材料的工程量，施工单位在进行内部控制的时候可以很清楚的知道各种材料的用量，可以及时安排好进场材料和人手调度。
有个屋面二次防水板的实际案例，初步方案使用的二次防水板在折弯加工上没有考虑防水板的加工过程，初步设计需要五道工序完成，但在建模过程中发现这个完全可以按3道工序完成，二次防水板采用的是立边和折弯边搭接安装的，按3道工序过程就直接完成，工厂生产过程中2mm钢板每折弯一道成本在1.5元，8万多平米的屋面，就可以节约大量的人力成本和时间成本。
表皮设计阶段会涉及到建筑专业与结构专业的交互DB14／T 2372-2021 社区灾害风险地图制作规范.pdf，需将每块平直嵌板定位点（X、Y、Z坐标值）数据输出给结构工程师。
同样也可导出网架节点、节杆信息给结构进行有限元分析。如结构存在优化调整，则将优化后的点数据返给建筑师重新生成表皮嵌板，经过建筑师与结构师的多次磨合，最终在美学与力学上达到统一。
在设计和咨询顾问认可的方案确认后，需要分包单位进行深化实施，确定实施方案，确保设计意图能够尽可能的执行，其中屋面实施和钢结构实施要确保能充分协作。
以下是上海某会展综合体项目一个10万平米实际工程中金属屋面工程应用BIM技术的价值分析表：
由上表可以看出在金属屋面工程中应用BIM技术可以解决实际工程中存在的问题，并对成本控制起到一定的作用。
通过BIM技术在金属屋面工程中的应用，从设计阶段开始，通过多专业多个参与方的协作，制造出精细化的建筑表皮、在建造过程确认每个构件的精确尺寸及位置，包括檐口铝板、龙骨、钢格栅，钢结构之间的关系，在实施BIM的过程中精确控制，将施工单位和设计初期就结合在一起，最大限度的提高建筑的可能性并使起价值最大化。
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