基于BIM的异形组合屋面深化技术研究

1 深化设计

1.1 模型准备

施工准备阶段完成主体结构的测量复核。首先对已浇筑完成的大曲面混凝土结构屋面进行测量复核，复核其结构标高，平整度及曲率变化是否与设计模型一致。通过测量数据，现对已完成的混凝土结构屋面基础模型进行调整，使得模型与实际混凝土结构情况基本一致。

1.2 深化准备

做好深化准备，明确深化要求。深化准备包括测量数据、设计图纸、建模标准，以及涉及的屋面设备器材的尺寸说明，还需要准备相关的设计标准和施工规范。建模标准应明确内容包括：统一深化软件，统一坐标系，统一深化模型精度，包含实体尺寸、位置、材质信息等，实际施工中可用颜色区分不同材质。

1.3 深化阶段

深化设计模型建立阶段，在统一的坐标体系内，基于大曲面的造型特点，选用Rhino软件分别建立各专业模型。包括屋面上的结构混凝土墩、屋面清水混凝土叶脉、屋面格栅、天窗部分膜结构、种植屋面各构造层作法等。

传统的屋顶种植固土方法具体如下：在结构楼板上预留钢筋，与扁钢带焊接，扁钢带与镀锌钢丝绑扎后进行固定，此种方法会穿破防水层，不利于种植土层下部的防排水，会造成渗漏隐患。

对于有一定坡面的平顶式种植屋面，存在屋顶架空板，如何在保证土壤重力作用下固定不偏移，以及与顶部板体连接和防排水功能，实际工程中需要进行针对性设计。

本工程采用蜂巢格室与结构拉结建造技术，解决大坡度种植屋面施工关键问题。通过在坡面混凝土上浇筑混凝土墩的方式，将屋面整体防水满包混凝土墩，实现封闭防水。

通过使用BIM技术，在混凝土屋面的曲面结构模型基础上，建立混凝土墩的三维模型。混凝土墩的尺寸为240 mm×240 mm×260 mm（长×宽×高）。考虑到屋面坡度变化不一致，实际工程中可选择分区域进行布置，屋面坡道大于50 %的区域，混凝土墩间隔1.5 m布置；屋面坡道20 %~50 %的区域，混凝土墩间隔3 m布置；屋面坡道大于20 %的区域，混凝土墩间隔6 m布置，共计完成3 000余个混凝土墩的深化。

通过整合的混凝土墩的三维模型可确定中心点的xy坐标，现场可基于坐标进行定位放线。混凝土墩支模可采用模块化定制模板，可节约材料。

混凝土墩之间通过扁钢连接，将屋面划分为不同规格的模块化区域，内铺高凸形排水板和土工织物，区域内填充蜂巢约束系统。蜂巢约束系统根据屋面造型特点，采用网格状高分子定制蜂巢格室，以提高自身固土能力，此网格状单个网格由2个倒U形合围而成。

蜂巢格室侧板上设置有密布的通风孔，相交网格连接点处和倒U形板中部设置有穿接约束钢丝穿孔。蜂巢内铺厚230 mm改良型轻质土，上层铺草皮卷（土层厚度不大于15 mm）。BIM深化完成蜂巢拉结作法如图1所示。

图1 BIM深化完成蜂巢拉结作法示意

屋面上设计有清水混凝土叶脉，形成发散式的人行步道。由于叶脉依附在混凝土屋面上，其可随屋面坡度变化而变化，同时呈现出不规则的变化形态。利用平面的CAD图纸无法详细表达设计意图，无法指导施工。

本工程依据叶脉设计图纸，基于屋面混凝土结构模型，在屋面上建立清水混凝土叶脉的三维模型，经设计审核确认。通过三维模型导出叶脉平面轮廓及架空高度，确立平面轮廓各点坐标及z轴标高，从而指导施工，提高了施工的效率和精度。通过整合清水混凝土叶脉模型与混凝土墩模型，局部会出现碰撞，需要通过调整混凝土墩的位置或间隔距离，进行避让处理。确认无碰撞点位后，即可导出混凝土墩中心点的xy坐标，指导现场施工。

叶脉模型与混凝土墩模型碰撞检查如图2所示。

图2 叶脉模型与混凝土墩模型碰撞检查示意

天窗深化，屋面的11个天窗均为异形窗口，大小形态各不相同，天窗上部为格栅，需逐个深化。基于屋面混凝土结构模型，建立天窗的三维模型，确定各天窗的轮廓和尺寸。在模型上建立铝合金格栅，格栅在天窗内均匀分布。由模型尺寸导出每根格栅的具体长度尺寸，在工厂车间完成加工，到现场后进行模块化安装，避免了构件的尺寸偏差。

天窗格栅深化模型示意如图3所示。

图3 天窗格栅深化模型示意

基于BIM深化屋面混凝土面层以上各构造层作法，包括找平层、保温层、防水层、隔离层、保护层等。通过按图纸要求建立各构造层的作法模型，模型信息包括使用材料及材料厚度，能够详细表达交界处的节点作法和各构造层厚度。

基于模型组织专家对屋面的防水保温作法进行论证，最终确定了在原设计为2道改性沥青聚酯胎SBS（3 mm+4 mm）防水卷材的基础上，增加1道厚1.5 mm聚氨酯涂膜层，并创新应用防水保温一体化材料即硬泡聚氨酯，用4道防水设防构造，确保屋面不渗不漏。

利用构造层的精准模型可计算出各构造层的材料用量，便于统筹屋面施工中的材料进场顺序和材料用量。

本工程金属屋面覆盖20 %~60 %坡度的悬挑屋盖区域，面积约6 000 m²，由1 000种不同规格尺寸的蜂窝铝板组成，形成建筑屋面外沿疏密有致的曲面条形百叶造型。

除此还创造了富有动感韵律的室外空间效果和形象，但也对建造和工期提出了严峻挑战，经对曲面幕墙的分析得出，建造逻辑梳理，板块加工的设计深化和机电条件的预留预埋等都是造型成功与否的关键。

金属幕墙深化示意如图4所示。

图4 金属幕墙深化示意

本工程在实际施工过程中，项目深化设计人员首先通过三维模型的分析，确定屋顶外沿各部分条形百叶的整体造型，再结合泛光灯带的安装空间需求，确定双曲铝板的典型剖面，运用参数化设计，将剖面流动到金属大屋面上，并在边缘处自然过渡，形成翘曲曲率的变化。标准的双曲铝板应统一尺寸并进行分类，以提高铝板的成材率和加工效果。

各专业系统模型整合，基于统一的轻量化平台，将各专业模型整合，查找碰撞点，并对碰撞原因进行了相关分析。

通过组织模型会的形式，对模型进行综合会审，综合各方意见，对模型进行调整。根据碰撞，将出现碰撞的专业进行重新优化调整，待调整完成后，再进行整合，直至没有碰撞点出现，并需符合设计和施工规范要求，可完成优化，形成最终深化模型，模型经过各方签字确认后，最终形成施工模型。由模型导出施工图，经过各方确认后，指导现场施工。深化模型和深化图纸可以用于施工过程指导及配合验收。

2 创新应用

本工程首次将BIM技术应用到异形组合屋面的辅助深化设计中，利用BIM技术优势，将多专业多系统进行统一集成，在深化设计阶段排除各专业系统交叉带来的施工质量隐患，解决技术重难点问题。高精度的模型可辅助技术方案的修改与完善，大幅提高了施工质量。

创新性地利用三维模型进行精准定位，解决了构件在大曲面异形屋面上的定位放线难题，确保了施工精度。创新提出利用三维模型进行物料统计，解决了大曲面异形屋面上各类物料无法用传统方法计算难题。

3 结束语

本工程基于BIM对主会场异形组合屋面进行了全专业深化，有效解决了复杂种植屋面多专业交织，防水排水要求高的难题。通过整体模型，能够对曲面屋面上构件进行精准定位。基于BIM模型的材料统计及物料调配，对施工阶段的物资调配起到了重要作用。BIM技术的应用有效保障了工期，确保了最终的完成效果可达到设计要求。