BIM技术在体育场馆幕墙及屋面工程中的应用

时间：2024-07-28

文/上海宝冶集团有限公司付冠超

华润置地有限公司卓思文

1 项目概况

西安奥体中心项目作为2021年第十四届全运会主会场，位于西安市国际港务区，由“一场”——主体育场，“两馆”——体育馆和游泳跳水馆组成。

主体育场幕墙系统分为外立面铝板罩棚幕墙、内立面幕墙（框架玻璃系统、百叶幕墙、顶部室外铝方通吊顶），外立面铝板块通过不同角度翻折形成飘带造型。屋面呈“花瓣”状，由铝锰镁直立锁边屋面和聚碳酸酯阳光板屋面系统组成，如图1所示。

图1 体育场幕墙模型

体育馆幕墙系统主要包括单元体（窗花单元体、铝板单元体）、2～3层倒锥形玻璃幕墙、首层玻璃幕墙等。屋面系统主要由内外圈铝锰镁屋面系统及外圈TPO卷材屋面系统、铝合金格栅系统组成，如图2所示。

图2 体育馆幕墙模型

游泳跳水馆幕墙系统为框架玻璃幕墙系统和室外造型柱穿孔铝单板幕墙系统、铝单板幕墙系统、百叶幕墙系统等；屋面为单层卷材TPO屋面系统和采光顶玻璃系统，如图3所示。

图3 游泳跳水馆幕墙模型

2 BIM应用思路

2.1 可视化设计

西安奥体中心项目造型独特、系统复杂，同时作为西安市重点工程，项目品质要求极高。如何保证施工实体成形效果与设计理念一致，需项目管理者重点关注。

项目要求设计和施工阶段的成果资料不仅包含图纸，而且要求对应一致的提资模型。设计阶段的模型深度要求不低于LOD300，保证基于模型可实现设计效果展示、设计优化辅助；施工阶段的BIM模型深度在LOD400，达到可加工深度。通过BIM模型的直观表达，设计师可了解第一视角下的整体空间感受和细部节点构造，推敲细节，提升品质，为方案可行性和做法提供可靠依据。

2.2 专业协同

对于大型公建项目，一般由主体院负责初步造型方案设计，然后由幕墙设计单位进行具体方案细化、可行性设计、成本控制优化等，出具幕墙设计图纸。最终由施工单位进行深化设计、出图加工等。基于此流程，可保证各环节均由专业单位负责，保证设计合理性和施工可行性。但对于奥体中心这种特级甲等体育建筑来说，设计周期较短，图纸设计质量难免受到影响，主体院和幕墙设计单位之间的工作衔接与沟通较难保障；同时专业交叉较多，幕墙专业要考虑与土建及钢结构的结构受力关系、与精装的收边收口处理、与机电的风口百叶位置协调、与机电管线的空间位置协调、与泛光照明及标志标识的节点处理、与景观的收口做法交圈等；这些专业间的交叉如何在设计或深化阶段将问题闭合是超极限工期项目的直接需求。

BIM技术是解决专业交叉问题的有效工具，项目由BIM顾问负责各专业间的模型审核与整合，建立模型综合协调会审制度及BIM周例会制度，及时将各方需求在模型中反映，进行设计、施工协调，保证问题及时闭合。

2.3 深化设计

深化设计是下料放样、现场安装的前置条件，对此必须保证深化设计质量和深化设计进度，以保证施工工期和现场施工质量。

国内制造业采用三维深化模型进行加工下料的技术早已成熟，而与制造业类似的幕墙专业在国内也已实现基于深化模型的深化设计出图及下料加工。该项目基于BIM模型进行空间及材料加工分析，把控深化设计重难点，同时基于模型提出合理化建议及优化方案，保证模型深度与精度，最后基于模型出具构件布置图、下料图、坐标分布图等。

3 BIM技术在设计阶段的应用

3.1 参数化设计

体育场罩棚表皮采用穿孔铝板拟合成异形曲面，形成飘逸绵延的“丝带”（见图4），设计院采用Rhino+Grasshopper技术解决方案进行异形曲面幕墙表皮参数化、标准化、模块化设计（见图5），在效果完美呈现的同时，提高经济性并简化施工。

图4 “丝带”状罩棚

图5 异形幕墙参数化设计

3.2 品质美观

体育馆配套热身馆原设计方案为2层幕墙系统，内侧为玻璃幕墙，外侧为铝板幕墙，造型与体育馆三角窗户相呼应。从主体设计院的建筑节点来看，热身馆顶部一圈结构环梁顶高18.2m，环梁上方铝板构造厚0.2m，最顶层铝板块顶标高18.4m。这就造成顶部铝板幕墙板块高度将变成2.8m，而其下方铝板的分割均按统一模数2.6m，二者不统一，给行人带来视觉差异。为此经幕墙设计单位和主体院协商，决定保证铝板分割模数不变，一圈31根结构柱和环梁标高下降200mm（见图6），保证设计美观合理，同时减少部分成本。

图6 基于美观要求的立面优化

3.3 造型方案对比

设计团队基于方案模型进行体育场外立面铝板罩棚造型铝板的翘曲度分析（见图7），根据不同翘曲值选择曲面成型方案。如图8所示，方案1选择三角形与四边形结合，方案2选择全部三角形拼接。设计团队可根据不同方案模型统计不同翘曲板块面积、加工工艺及预估模具的套数，最终确定成本比选。

图7 造型铝板翘曲度分析

图8 曲面成型方案

3.4 协同优化设计

体育场外立面罩棚铝板采用在环梁上生根的方式。原主体院钢桁架设计底部裙摆处竖向杆件不延伸至底部，在幕墙与钢构模型整合后发现，由于底部竖向杆件未延伸至底部，造成下方2根环梁不具备生根条件。经协调，明确竖向杆件延伸后与横向杆件干涉，横向杆件干涉处作空间弯折处理，横杆与竖杆相贯。后续考虑到施工时竖向杆件弯折操作不易控制，且横向杆件改变角度后节点处的调整更困难，对此采取在横向杆件与竖向杆件相贯节点与内侧钢结构增加1道杆件，使横向杆件受力更合理（见图9）。

图9 体育场钢桁架优化方案

热身馆屋面主檩条和钢构方通龙骨上下垂直布设，主檩条通过在钢结构龙骨上垂直设连接件进行固定。原设计钢结构中间檩条间距为2250mm，端部龙骨间距为1500mm。后续经屋面模型与钢结构模型整合后发现，端部檩条悬挑1250mm，受力不符合要求，且该位置檩条生根无法落在钢结构方通上（见图10）。为此，经过模型综合协调会商议，钢结构轴和轴处龙骨统一向外移动750mm，间距与其他部位一致，均为2250mm。

图10 钢构和屋面檩条协调

3.5 节点方案比对

对于体育场外立面铝板支撑结构，项目设计团队基于模型提出多种方案，如图11所示，从直观可视的角度供业主方比选。

图11 体育场外立面铝板支撑结构方案

3.6 构造节点优化

体育场罩棚铝板幕墙构造层级由内往外为：主钢构桁架→圆管环梁→支撑→铝板，其中最初铝板支撑采用全抱箍形式在环梁上生根的设计方案。后续经整合幕墙钢结构模型发现，位于桁架钢构件处的环梁牛腿与铝板全抱箍存在冲突，导致后期抱箍无法施工，同时考虑到材料成本，建议优化为半抱箍形式。

4 BIM技术在施工阶段的应用

4.1 参数化设计

针对类似屋面构造层材料，如果单纯在Rhino中放样需耗费大量工作精力，而采用参数化建模技术，根据计算机拟定的算法自动生成模型数据，可极大减少人力重复性工作，提高下料精准度，缩短深化设计时间。

体育场屋面通过参数化手段批量生成主檩托、次檩托、吊顶板连接角钢、几字形衬檩等材料，进行施工放样下料。

4.2 专业协同

体育馆外圈屋面功能层设计为单主檩条方案，在深化设计阶段将屋面与钢构模型整合后发现，该方案在外环屋面处檩条与钢结构腹杆碰撞冲突严重（见图12），经深化设计协调会多方讨论，优化为双檩方案，钢支托上部采用方通增加转换支架以保证双檩条生根（见图13），特殊节点处建立屋面檩条与钢结构支托的结构连接，以验证连接形式合理性（见图14）。

图12 单主檩条方案与钢构腹杆冲突

图13 双檩方案

图14 特殊位置钢支托与主檩条连接方式

体育馆外圈功能层屋面设16个风井，风井周边共设置127台风机，风机基础采取在钢结构檩托上生根。由于风机基础框架弦向龙骨固定在风井径向龙骨上，相交节点处风井侧墙铝板被截断需分缝处理。对此，幕墙单位根据机电设备基础提资深化模型，进行龙骨调整和铝板分缝深化（见图15）。

图15 风井龙骨优化调整对比

4.3 构造节点优化

体育场屋面根据风荷载分区划分，次檩条的种类和间距不一致，造成2种间距交接处次檩条接头位置空间较小，最窄处2种次檩条已经交叉，无法设置檩托板（T形，150mm×108mm×8mm）。对此，将端部次檩托板由原来的T形钢板优化为2片角钢（100×60×6）错开设置（见图16），保证施工空间。

图16 复杂节点次檩板优化

热身馆屋面格栅龙骨采用钢方通立柱直接焊接在钢结构工字梁上，但经专业间模型整合，共发现42处竖向方通与钢结构主檩相交。后续经过深化设计会上各方讨论协商，在钢结构檩条已下料无法改变的情况下，屋面方通进行开洞，洞口大小为166mm×215mm，保证檩条可从洞口穿过，同时方通在开洞处两边施焊加劲板保证方通受力稳定性。