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BIM技术在杭州湖畔大学项目金属屋面工程中的应用

【概要描述】湖畔大学由马云、柳传志、冯仑、郭广昌、史玉柱、沈国军、钱颖一、蔡洪滨、邵晓锋等九名企业家和著名学者等共同发起创办,旨在培养具有新一代商业文明精神的企业家。新校区由建筑大师姚仁喜担任总设计师,校区主体建筑为圆形,四面环水,采用园林的手法组织空间,兼具现代科技教学功能。本工程为阿里巴巴集团重点项目,愿景成为一所国际级别商学院,“希望在湖畔形成一种文化,让每个企业活长、活久,中国企业活到三十年以上的非常之少,而这个大学的愿景就是做三百年。

BIM技术在杭州湖畔大学项目金属屋面工程中的应用

【概要描述】湖畔大学由马云、柳传志、冯仑、郭广昌、史玉柱、沈国军、钱颖一、蔡洪滨、邵晓锋等九名企业家和著名学者等共同发起创办,旨在培养具有新一代商业文明精神的企业家。新校区由建筑大师姚仁喜担任总设计师,校区主体建筑为圆形,四面环水,采用园林的手法组织空间,兼具现代科技教学功能。本工程为阿里巴巴集团重点项目,愿景成为一所国际级别商学院,“希望在湖畔形成一种文化,让每个企业活长、活久,中国企业活到三十年以上的非常之少,而这个大学的愿景就是做三百年。

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1、项目概况

   湖畔大学由马云、柳传志、冯仑、郭广昌、史玉柱、沈国军、钱颖一、蔡洪滨、邵晓锋等九名企业家和著名学者等共同发起创办,旨在培养具有新一代商业文明精神的企业家。新校区由建筑大师姚仁喜担任总设计师,校区主体建筑为圆形,四面环水,采用园林的手法组织空间,兼具现代科技教学功能。本工程为阿里巴巴集团重点项目,愿景成为一所国际级别商学院,“希望在湖畔形成一种文化,让每个企业活长、活久,中国企业活到三十年以上的非常之少,而这个大学的愿景就是做三百年。

   浙江湖畔大学创业研究中心项目(一期)位于浙江省杭州市余杭区,建筑面积为43710平方米,其中地上29747平方米,地下13963平方米。湖畔大学是集教学、办公、停车、影音、行政后勤、餐饮等为一体的综合性教育园区,客户为各个行业创业3年以上的企业决策者,此次建设为长期校址。

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   2、施工作业与BIM技术结合点

   本工程涉及专业多且复杂,专业覆盖面广,包括结构、建筑、机电、幕墙、精装修、景观、内外湖水、古建等。特别是本工程整个屋面系统为双曲钢结构+双曲直立锁边屋面板+双曲重竹吊顶+双曲收边铝板,其中重竹吊顶:为依靠自身弹性变形,直线拟合曲面,达成双曲效果,直立锁边屋面板:为原设计单块最长约50m,施工难度大;檐口铝板:曲率渐变,均定制加工,定位、加工要求高。通过运用BIM三维模型进行深化设计,可顺利实现构件工厂加工、现场拼装的工程目标。

   3、BIM技术在金属屋面深化设计中的应用

   金属屋面的设计图纸条件:金属屋面三维曲面面膜、金属屋面平面及节点详图、钢结构平面布置及标高图。

   3.1金属屋面主钢结构深化设计

   本工程金属屋面的主体结构是采用全焊接节点的钢结构,如何控制钢结构的标高以实现双曲面的安装是本工程的难点之一。主体钢结构共66根圆形钢柱,其中58根截面尺寸为500×14,8根截面尺寸为500×16,主钢梁为箱型梁,钢梁截面600×250×14×22(高度×宽度×腹板厚×翼缘厚),次梁为200x200x8箱型梁,边缘环梁截面尺寸450x200x8x14。

   1)双曲钢结构的深化设计

   在深化过程中,为保证不出现主次钢梁在吊顶面穿出屋面板情况。

  

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钢梁穿出吊顶面

   为此,整体钢结构的标高,需要通过金属屋面的皮膜、吊顶皮膜以及两者之间的1000mm构造空间,进行建模,总体思路如下:

   金属屋面皮膜→设计钢梁与皮膜之间构造层高度→钢梁顶面标高平面→钢柱垂直线与钢梁平面交汇点→钢柱顶标高→钢柱根据钢梁顶面标高平面连线→钢梁定位线

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   根据连线的结果,主梁基本为双曲率钢梁,为减少次梁的双曲情况,所有的次梁利用构造层的空间,采用单曲率以减小加工难度。

   2)钢结构梁节点的深化设计

   深化出整体钢构的空间模型后,下一步则需要在节点部分进行处理,第一步是满足整体的金属屋面标高,但是在深化过程中,节点会出现下图所示的情况

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主次梁节点

   此种情况下,可以利用金属屋面与吊顶面存在的1000mm的构造层进行深化设计,只要整体钢梁的标高不增加,便可以对金属屋面不产生干涉,根据整体的模型测量,大部分这种偏差尺寸在5cm左右,为减少这种节点对构件受力的不利情况,所有此种情况下的次梁标高均下降5cm,以保证焊口处不露口。

   3)边缘双曲钢梁的深化设计

   边缘梁根据原设计截面为箱型梁,经线性模型搭建后,受檐口铝板的双曲构造层影响,次梁无法做成单曲梁或线性梁,檐口铝板为双曲面板,反映到边缘箱型钢梁上,要求钢梁出现双曲率加扭转情况,方型管在实现同一平面不同曲率时工厂尚可加工,当加上扭转时,箱型梁的加工难度极大,且无法安装,此时考虑圆管的多向同性,在实现扭转时并不对圆管本身造成加工难度,因此类似此种情况均考虑为采用与箱型梁同刚度的圆管进行替代,减少加工及施工难度。

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边缘环梁立面

   4)钢结构与各造型层的干涉验证

   现 通过直观的BIM三维模型,对不同专业模型合并,对各个环节及细部进行全方位检査,暴露不易发现的深层次问题。在本工程中主要针对钢结构专业与屋面专业进行碰撞检査,其中天沟与钢结构的碰撞检查,金属屋面板与钢结构的碰撞检查都发现了空间尺度定位碰撞的问题。钢结构模型搭建完成后,模型应交付至金属屋面深化设计,金属屋面根据皮膜完成相应曲面设计后,可通过半逆向出剖面图,检查各构件的碰撞情况,发现碰撞问题后,通过调整钢结构的局部标高,避免对构造层的碰撞。

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   3.2檐口铝板的深化设计

   1)檐口的曲面造型及安装分析

   对檐口铝板进行双曲面的翘曲值(Grasshopper)分析,对分析的板块边缘进行优化拟合,拟合采用遗传算法取得最优解,误差±1mm;根据拟合后边线及CAD图纸对板块进行划分,根据三点共面原理对划分后板块进行翘曲分析。不同颜色区域,翘曲值大于10mm,需做工厂弯扭成型板。翘曲值小于10mm,可采用平板。判断出采用平板自然弹变保证曲面效果和弯弧加工保证曲面效果范围,对翘曲值较大铝板进行三维放样,保证弯弧加工精度,以顺利实现设计效果、节约造价

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檐口铝板翘曲分析

   2)檐口铝板的深化定位及下料

   檐口铝板共1003块,每块的造型尺寸因空间曲面关系,各个不同。传统测量平面尺寸的方法无法在本金属屋面中实现下料、加工。因对于三维曲面,为实现精准三维效果,现场安装需全部按照模型定位、安装,材料加工全部依据建立的信息模型进行材料构件的下料。通过BIM模型获取的构件的加工、安装数据,包括定位坐标、尺寸大小、弯弧加工所需数据以及构件管理编号,缩短构件的加工制作周期,提高构件的加工精度。提高了加工、安装精度及效率。

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   3.3铝镁锰板的深化设计

   1)双曲铝镁锰板的侧弯分析

  

   原设计铝镁锰板最长板的长度达47m,整体呈现双曲造型,为分析出铝镁锰板在整个大屋面曲率的可实施性及咬合效果,用BIM模型分析出侧弯值以判断可实施性。对双曲金属屋面通过NURBS曲线展开单块屋面板进行侧弯分析,找出金属屋面板的最大侧弯,确定单片金属屋面板可安装长度,以下是分析结果:

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   因屋面造型复杂,导致实际板材侧弯严重,规范要求最大侧弯不超过1/100,此种侧弯值下,实际无法实现。如按照此侧弯值施工,在屋面施工时会出现铝镁锰板无法咬合,或者整体咬合扭曲,观感效果极差且容易渗水。

   2)各项变形对材料侧弯的影响分析

   为验证此种分析方法下,侧弯不受铝镁锰板拱、旋转、曲的影响,对分析值进行分析验证。我们在实际分析过程中取了单片板。对此块板,分别进行起拱及角度放大,再采用NURBS曲线展开命令进行侧弯分析,发现金属板的侧弯值未发生变化。

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影响侧弯的变形验证

   2)铝镁锰板的断板处理

   因单块屋面板会呈现类似S型曲线,在整块板中会出现两到三个侧弯最大值点。为解决上述侧弯较大、无法安装问题,考虑采用在金属屋面板最大侧弯处进行断板,通过两到三次断板,实现每段金属屋面板侧弯值不大于5cm,减小安装难度。

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   如上图中所示侧弯值小于5cm,可满足实际安装需求,同时为保证断板处不渗漏,在断板处增加天沟。以解决铝镁锰板双曲部位搭接的热胀冷缩,后期易漏水的缺点。

   3.4金属屋面的排水分析

   整个金属屋面为双曲面,屋面排水方向较为复杂,传统2D平面图纸的分析方法已经无法判断排水流向。排水方向无法判断,也就无法验证雨水斗在天沟中的合理性。很可能会出现雨水斗实际施工时,布置的位置不在天沟低点,造成拆改浪费。通过三维曲面的等高线分析,根据天沟的位置,可以形象直观的判断出每一处天沟的低点,如下图所示:

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   效益分析:

   大型复杂三维曲面结构的分析对于施工建造可操作性及加工安装精度非常重要,对施工顺序、施工造价会产生较大影响。本工程通过BIM辅助深化设计,解决2670处碰撞点,累计为项目节约430余万元。以双曲金属屋面的深化设计、下料、加工及样板验证为主要内容,利用参数化建造分析,解决复杂曲面的建造深化及实体安装困难的问题,减少后期各专业干涉。利用参数化建造,提高材料下料精度,实现三维曲面出图,精确测量,提升安装效率,对类似工程的深化设计具有参考意义。

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