BIM技术在阿布扎比国际机场项目中的应用 | BIMBANK

BIM技术在阿布扎比国际机场项目中的应用

引言

阿布扎比国际机场项目是现有阿布扎比机场的扩建项目,新建的航站楼定位为阿布扎比的门户项目,从道路地平线上拔地而起,如同矗立于高原之上。在这种环境中,建筑物的轮廓映衬在天空之中,成为地平线上最为宏伟壮观的建筑。夜间建筑室内空间灯火通明,打造了通透的结构形象,1500米以外清晰可见。通往航站楼的路网系统和景观工程共同打造了一系列活动空间,最终以航站楼内宏伟的市民空间结束。室内出发大厅尺度宏大,高达50米的空间采用大跨斜拱结构,实现了大部分区域的无立柱设计,使得建筑物如同户外开放空间般宽敞通透;拱形支撑结构视觉上与屋面分离,提升了轻盈感。X形的平面设计最大化功能布置的利用率,使得扩建后的航站楼能够覆盖49个登机口,在任何时间都可容纳59架飞机。

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如何保证这一建筑与艺术完美结合的作品的结构安全、高效控制和施工精度等一系列的超级难题,从一开始就摆在了工程建造者们的面前。

采用传统实施手段解决这些问题是非常困难的,不仅花费高、周期长,而且风险是巨大的,所以必须在风险可控的基础上进行适度创新。

BIM技术的引入为系统性地,合理地解决这些难题提供了可行性。

1 项目简介

阿布扎比国际机场项目室内的建筑面积为32.5万平方米,建筑高度为30米,幕墙面积为17.36万平方米。由4个Pier,49个登机Gatehouses、Center Pier、2个Car Park Link Bridge、Main Pier和Main Processor组成。

由于项目地处中东,质量要求高、造型复杂,而且单元板块为尺寸各异的异形板块,共约22000块,因此施工图、加工图和安装难度大。

2 BIM全生命周期在幕墙实施阶段的应用

随着BIM的不断发展,全生命周期在建筑行业的应用被越来越多的人熟知。全生命周期是建筑项目从规划设计到施工设计,再到运维管理甚至到拆除的一个全过程。

BIM的信息是透明化,共享化和有根据可寻化的贯穿整个生命周期,使之成为一个智能化的管理平台。BIM的用途决定了模型的精细化程度,同时模型的精细程度也决定了BIM应用的深度。

根据阿布扎比国际机场项目的BIM实施要求,每个分包都需要成立专业的BIM团队,完成BIM模型并且有责任与其他分包沟通协调。而BIM技术在阿布扎比国际机场项目中的成功运用,是保证该项目顺利实施至今的重要原因之一。同时也让参与在其中的江河创建公司在该项目中真正的体会到了BIM技术的优势,更加坚定了BIM技术的发展趋势和必然性。

在阿布扎比国际机场项目中,BIM技术成功应用于: 精确定位;深化设计;碰撞检查,在设计阶段解决潜在问题;三维模型直接出图辅助加工;配合现场施工,提供定位;工程进度的管理和最终的竣工模型。

2.1 精确定位

整体几何造型定位

由于阿布扎比国际机场项目的放样原理极其复杂,为了能够得到最精确的基准定位模型,我们首先根据IFC图纸所提供的放样原理和公式信息,独立创建理论模型,然后与建筑师提供的参照模型进行比对和分析,逐一确认定位细节,修改和调整有分歧的几何位置,有建筑师最终确认完整模型。经过这样“验证-分析-调整”的过程后便可以更加准确的理解和呈现设计师的设计原理和理念,如图2。

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整个过程我们采用的是Rhino 的grasshopper 插件来做的,准确模拟定位几何外观之外,还解决了数据庞大和风险高的问题。

这个定位模型也就是BIM等级中LOD100模型,通过最简单的几何形体/概念体量来定义建筑物的基本形状。

局部几何造型定位

a) 阿布扎比国际机场项目的外饰面主要部分是由4个Pier和中央区(Central Pier)的标准PT, PC 系统组成,而单位PT、PC系统是在圆锥体的曲面之上,由不同的sin函数曲线切割而成,所得几何定位面为双曲面造型。水平和垂直划分幕墙分割得到的理论单元板块大小和形状都不相同,如图3.4。

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图3 PT&PC 定位曲线

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图4PT &PC 幕墙线模

b) Car Park Link Bridge部分的造型是由逐渐变化的椭圆截面组合而成,整个的几何形体都是曲面的造型,然后在椭圆界面线之上取等分点一一相连,形成三角形的平面幕墙板块,意味着每个三角形的单元板块大小和拼合角度都不相同,并且在每个关键控制点处同时有六个板块相交,每个板块的倾斜角度和方向也各不相同,所以无论是定位还是创建实体模型难度系数都非常高,如图05。

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图5 Car Park幕墙定位原理

Main Processor部分中的PRD系统中,转角位置的造型很特殊,也很有难度。首先它是由倾斜的75.25°幕墙转变为90°的垂直幕墙的过渡阶段;其次是成面方式:首先定位了顶部和底部的两条不同半径的空间圆弧线,然后由这两条曲线创建成面;分隔的划分在规范中明确说明:将两条基准曲线9等分,然后一一对应连接,水平方向延续大面的水平分割线。

由此便可知,转角位置的所有单元体板块的是形状尺寸都不相同,不仅每层半径均不一致,每块玻璃单元体顶部与底部半径也不一致,由于角度变换,横梁也并非常规的标准状态。

在阿布扎比国际机场项目中,为了打造建筑本身整体的流线造型,设计师使用独特的设计原理,创建各种双曲面造型,所有基准控制点都来源于样条曲线组合的双曲切割曲面之上,以至于外幕墙的面板的尺寸和形状渐变化,多样化,也导致用传统二维的方式无法捕捉和定义位置。如图6.7

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图6 PRD转接位置线模

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图7 PRD玻璃面展开图

【解决方案】

经过我司工程师的多次研究和尝试,根据项目特征和不同软件的优势特点,最终选用 Rhino 创建线模定位,Revit 创建实体模型相结合的方法,准确且高效的完成了阿布扎比国际机场项目的 BIM 建模工作。

以线模为基础,按照建模方式要求,从中直接导出关键控制点的族定位点模型,然后输入到做定位参考。

Revit作为新兴的BIM平台软件,紧跟主流建筑设计的步伐,在创建异性建筑上展现出明显的优势。Revit中,自适应族类型可以通过捕捉控制点而绘制几何图形并产生自适应的构件。它可以灵活适应许多独特概念条件的构件。它的存在让曲面和异性模型的创建更加便捷和智能。 在阿布扎比国际机场项目中,由于建筑几何造型导致的幕墙板块的特殊性,我司大量使用了自适应族类型来创建各种异型的幕墙板块,以最高效的方式完成了相关的建模任务,如图09。

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图9 自适应族类型

2.2 深化设计

模型的深化部分在BIM的全生命周期中占有很大的比例。以确认好的定位模型为基础进行进一步的深化,添加相应的节点和构件形成初版的BIM深化设计模型,就是LOD200 模型。针对外幕墙分包而言,LOD200模型是指为外幕墙面划分基础的单元构件,例如立柱、横梁和面板,确认外观效果。此模型可以被用来创建较详细的工程量清单,也可以被共享给相关分包商,用于交接和协调的初步检查,但仅作参考。

具体模型的深化我司选用Revit Architecture来实现。

由于单元体板块的尺寸和结构不同,形成了多种单元体类型,因此对 Revit 的族文件的可适应性提出了很高的要求。经过我司 BIM 工程师的仔细斟酌和测试,创建了多个多参数共同控制的高适应性的族文件,可以同时适应于不同位置的单元体结构。并且添加足够详细的节点细节,已达到模型的精细程度要求,如图10.11.12.。

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图10 横梁自适应族

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图11T型板自适应族

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图12 三角形嵌板自适应族

这些参数的设定不仅为前期模型的创建和修改提供了方便,而且在后期可以通过 Revit的明细表提取各个单元板块的不同参数数据,真正的实现了参数化建模。族库就是把大量Revit族按照特性、参数等属性分类归档而成的数据库。在以后的工作中,可直接调用族库数据,并根据实际情况修改参数,便可提高工作效率。 如图13

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图13 族参数设置

Revit族库已经被公认为一种无形的知识生产力。相关行业企业或组织随着项目的开展和深入,都会积累到一套自己独有的族库。族库的质量,是相关行业、企业或组织的核心竞争力的一种体现,在未来的行业竞争中也将起到决定性的作用。

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图14 Car Park族

图纸的深化设计贯穿整个生命周期,与模型同步进行。两者是相辅相成的关系,随着图纸的不断更新模型也实时的进行修改,而模型中发现的问题也会及时解决并更新记录在最新版本的图纸之上。

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图15Piers族

阿布扎比国际机场项目中,图纸提交时要求,必须有相对应的BIM模型同时提交,而且模型必须是与相关分包协调之后的无碰撞模型,同时具备模型和图纸才可以进入到图纸的审批过程。这一要求大大的提高了图纸审批的效率,不仅因为三维模型的配合加快了看图、审图的速度,而且经过模型协调后提交的图纸中的错误和问题更少,所以审批过程的反复次数也就越少,通过率也越高。

2.3 多专业交接协调-碰撞检查

随着模型的不断深化,细节不断的增加,局部不断的完善,模型的等级可以升级到LOD300,这时的模型可以用于碰撞检查,协调沟通,分包参照,4D施工模拟,漫游及确认效果等。

对于传统建设项目设计模式,各专业包括建筑、结构、暖通、机械、电气、通信、消防等设计之间的矛盾冲突极易出现且难以解决。

阿布扎比国际机场项目有过之而无不及,结构复杂,分包众多,不仅设备管线的布置系统繁多,布局复杂,而且还要满足消防通道的净高要求和现场预留洞口的位置不变,所以常常出现管线之间或者管线与构件之间发生碰撞,加之有效利用空间极度紧张,所以设计难度大,施工要求高,如图16&17。

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图16 登机桥设备管线模型

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图17short crossing设备管线模型

鉴于如上情况,我司使用Autodesk Navisworks Manage进行多专业模型的碰撞检查。Autodesk Navisworks Manage软件是设计和施工管理专业人员使用的一款全面审阅解决方案,支持项目设计与建筑专业人士将各自的模型成果集成至同一个同步的建筑信息模型中,用于辅助项目管理。它可以将精确的错误查找功能与基于硬冲突、软冲突、净空冲突与时间冲突的管理相结合。也可以将精确的错误查找和冲突管理功能与动态的四维项目进度仿真和照片级可视化功能完美结合,如图18&图19。

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图18碰撞检查模型

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图19碰撞报告细节

Autodesk Navisworks Manage软件的碰撞检查功能,可以直接用于我司范围内不同系统的碰撞检查,也可以用于与其它各系统分包的模型进行空间的碰撞检查,碰撞检查可以真实查找和报告建筑模型中的不同冲突。而硬碰撞和软碰撞(间隙碰撞)两个方式又分别解决了实体之间的碰撞和空间间距无法满足施工相关要求这两种情况,全面的验证和检查了图纸方案的可实施性与准确性,随之将碰撞结果形成报告反馈给设计组或者相关分包公司,及时的沟通,然后完善设计方案并修改模型,最终达到模型跟踪修改的目的。

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图20 CG顶部钢件碰撞报告

阿布扎比国际机场项目中,通过创建BIM模型实践提前检查和协调的工作方法,在设计阶段解决了很多潜在碰撞问题,比如混凝土与MEP管道系统,MEP管道系统与幕墙结构支撑,消防通道位置吊顶与消防管道等;优化了很多设计方案,比如登机桥与Pier系统交接位置的各系统的安装顺序,short crossing位置的后补埋件方案等。在这些情况复杂的位置,避免了施工现场大量的返工和资源浪费,同时缩短了工期,大大提高了整个项 目的工程建造效率。

2.4 添加项目建筑信息

只有三维实体,没有相关的BIM建筑信息的模型不能称之为BIM模型。所以添加信息是BIM生命周期中不可缺少的一部分。信息的完整添加也标志等级进入了LOD400模型。

阿布扎比国际机场项目中。Revit作为专业的BIM软件,可以很方便的为每一个构件添加特征性建筑信息参数,其中包括:唯一的编号,位置信息,工程量数据,构件描述,施工计划时间,现场完成时间,构件的变更记录,相关的图纸信息等,如图21。

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图21 CG顶部钢件碰撞报告

运用Revit自带的明细表功能创建指定参数信息内容的清单,并且可以便捷的导出为Excel表格,不仅方便于数据的统计,也为后期的4D和5D管理提供了基础依据,如图20。

计划部门的时间信息也是不断的定时更新的,准确显示现场的安装情况。模型提取的工程量清单数据与原始工程量清单数据相互链接,提供给商务部核算实际用量数据,也提供给总包相关部门审批,用于实际的工程请款事宜,如图23。

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图22 工程量清单

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图23进度控制表

2.5 辅助出图及加工

阿布扎比国际机场项目的模型已经达到了LOD400的等级时,被作为加工参照,直接用来统计数量、提料、提取重量、输出施工图、输出加工图、提供给其他分包定义开孔或者焊接位置等。

首先可出图性是BIM的五大特点之一,通过对BIM模型设定剖切位置得到构件精度的节点图,而且这些节点图纸与三维模型相关联,只要模型发生变化二维图纸就会自动修改了,大大的减少了重复修改图纸的工作量,如图22&23&24。同时,可出图性不仅仅指通过模型创建图纸的作用,更重要的是此时的模型经过了碰撞检查和设计修改优化的过程,出错率低,需要修改的就少,通过这样高效的工作方式便达到减少设计人员的投入的效果。

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图24 Elevation

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图25 Section

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图26 Detail

其次在阿布扎比国际机场项目中,辅助加工有很多方面的应用,以Short Crossing为例,此位置遍布各种消防管道、空调换气设备、电路、灯、无线接收设备等,再加上混凝土梁结构密集排布,同时我们所做的吊顶位置由于位于消防路线范围有净高要求,因此复杂的结构交接和有效的利用空间为吊顶设计和安装造成了很大的困难的同时,碰撞打架问题 众多,如图27。

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图27 Short crossing合并模型

由上可知,仅凭图纸的表达和沟通已无法满足此时复杂的协调情况,拥有直观的可视性和模拟性的BIM模型此时充分体现了它的优势。并且协调后无碰撞冲突的BIM模型直接用于提料和加工,BIM实体模型可直接用于加工参照和位置定义,同时模型中的每个构件都拥有自身的特征信息参数,包括长度、数量、重量、材质等,可以批量导出数据表便于统计或提供给其他部门参考使用。

所以最终short crossing位置的吊顶和龙骨的模型直接用于加工,在阿布扎比国际机场项目中很多类似这样复杂的位置都采用了“模型协调沟通-辅助提料加工”的运营模式,不仅加快了沟通协调、修改优化、确认最终可行方案的速度,还有效的避免了人工的误差,从而也有效的减少了材料的浪费与缺失情况。

2.6 配合施工

LOD400的模型也可以用于复核现场偏差和指导现场安装。

阿布扎比国际机场项目中,通常会从模型中提取所有构件的定位坐标数据给现场测量人员复核主体结构偏差,为准确安装提供基础保障,如图14。

以Gatehouse为例,协调后最终确认的Revit实体模型提供给钢结构分包,用于定义钢件焊接位置,以便于钢件可以在工厂完成焊接。当带有钢件的钢结构在现场完成安装后,项目测量人员会根据BIM提供的坐标信息复查所用钢件的现场坐标点信息,以此来判断主体结构的偏差值并分析对幕墙面板的安装影响。

对比理论坐标数据和现场实际测量数据表便可以得到偏差值报告,以此确认安装的调节方案,以保证幕墙始终安装在精确的理论位置,如图15。

同样以Gatehouse为例,由于主体钢结构分包的加工误差和现场安装偏差,导致整体的钢结构定位侧偏20mm。因此根据偏差报告分析,我们不得不通过调整挂接方案,加大调节范围,来保证了幕墙实际安装位置不变,达到精确安装的效果。

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图28 坐标数据报告

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图29偏差值报告

在Autodesk Navisworks Manage中我们运用BIM三维可视化功能创建漫游动画,将施工方案模型化、动漫化,与现场管理人员进行施工交底、利用动画指导现场施工人员安装,无论安装位置,还是安装顺序,都清晰可见,无形中加快施工进度。

2.7 工程进度管理

工程进度管理是在BIM的三维模型的基础上添加时间信息,用来安排施工计划、优化同级任务及确认下级分包商的工作顺序,实时地掌握现场的施工安装情况,从而控制整个工程的时间维度。

阿布扎比国际机场项目中,所有的 BIM模型构件都被赋予了相应的建筑信息,如图22&图23为直接从模型中导出的数据表,Table C的便是时间信息,包括计划时间和实际安装时间,用于工程进度管理。

将时间数据与模型一起导入工程管理软件Autodesk Navisworks Manage便可以实现工程进度的可视化效果,也就是4D化模拟,如图30。不仅直观地展现项目的安装情况,同时可以评测设计、施工时间安排的合理性。

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图30 PT系统4D管理

在Autodesk Navisworks Manage中我们还可以根据工程进度的时间数据,运用BIM三维可视化功能创建漫游动画虚拟施工进度,让管理人员、甚至非工程行业出身的业主领导都对施工进度的各种问题和情况了如指掌。

在虚拟建筑中解决所有需要现场才能解决的问题,避免现场返工;提前协调好,合理安排工作顺序,没有停顿和等待,完全把控工程进度。因此,业界评价4D管理的价值为“做没有意外的施工”。

2.8 竣工模型交付

竣工模型创建于项目后期,即LOD500模型。竣工模型相对于竣工图纸更加的直观和便捷。

它体现了现场安装完成后的项目的真实情况,包括设计阶段的变更,施工阶段的修改调整等,而且其中应包含项目生命周期的所有信息,是一个完整的数据库。

在阿布扎比国际机场项目中,客户要求BIM模型必须与竣工图纸保持完全一致,也就是要求模型真实体现建筑完成的情况。同时竣工图纸中也要注明相关模型信息,实现模型与图纸的相互关联。如此BIM竣工模型、竣工图纸、实际工程三部分的完全统一。

竣工模型的信息集成将为后期管理提供基础,同时也会为未来建筑的翻新和改造提供便捷的查询途径。

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3 总结与展望

在阿布扎比国际机场项目BIM全生命周期的应用实践中,BIM团队遇到了很多问题,比如多种不同弧度的曲线怎样拟合;碰撞检查怎样形成更明确的报告反馈予设计;项目信息怎么样在模型中体现才能合理提供给后期管理使用等。但是随着问题的逐一解决,使整个阿布扎比国际机场项目团队人员更深刻的体会到了BIM的价值和优势,更深刻的体会到了BIM的未来发展趋势。同时在BIM技术的支撑下,各个阶段工作的数据信息不断完善、经验与教训不断积累,都将为后续的项目提供了宝贵的经验。

现阶段的BIM是在不断的发展和完善中的,BIM模型中信息资料的保存与传递的完整性决定后期BIM运维系统的深入程度。BIM绝不仅仅用于模型查看阶段,BIM作为在建筑信息管理平台最重要的新型工具,将会越来越多的应用到不同的项目中,更加广泛的领域中。比如阿布扎比国际机场项目在后期管理中计划实现自动识别以实现休息室是否有空余位置;根据客流量的分析可以节省照明设备,电梯的使用情况;遇到突发情况时可以根据位置可以快速的找到最近的疏散通道等。这些都将在未来的BIM发展中被实践和实现。

专家介绍

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陶伟

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:江河创建集团股份有限公司

作者:陶伟 章绍玉


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