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“技術與藝術、古典與現代” ---金螳螂幕墻觀音圣壇項目數字化技術應用實踐

來源:2021論文集  作者:牟永來 李書健 鮑曉平 沈艷  日期:2021-7-9
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  摘要:內觀自在,外觀世音。觀音圣壇項目是以意向和具象相結合的設計理念打造的經典佛教建筑。建筑在保留了佛教傳統文化元素的基礎上,采用現代數字化設計理念,配合現代材料及加工工藝,實現了古典造型與現代技術的完美融合。
  關鍵詞:佛教建筑;數字化;BIM

  本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

△ 觀音圣壇全景

誰于峰頂揚正幟,請得孔雀現空中。

誰于今日放光明,毗盧流入千家戶。

唯愿菩薩大慈悲,拯濟群萌出眾苦。

  摘要:內觀自在,外觀世音。觀音圣壇項目是以意向和具象相結合的設計理念打造的經典佛教建筑。建筑在保留了佛教傳統文化元素的基礎上,采用現代數字化設計理念,配合現代材料及加工工藝,實現了古典造型與現代技術的完美融合。

  關鍵詞:佛教建筑;數字化;BIM

  1、普陀山觀音圣壇的建造背景

  普陀山是東海舟山群島中的一個小島,與九華山、峨嵋山、五臺山合稱中國佛教四大名山,素有“海天佛國”、“南海圣境”之稱。

  普陀山是全國最著名最靈異的觀音道場,寺院無論大小,都供奉觀音大士。觀音圣壇就位于普陀區朱家尖香蓮路北側,中國佛學院普陀山學院西側,觀音法界正中。其主體建筑群作為世界佛教觀音崇拜和信仰的圣殿將成為整個觀音文化園和法界的中心標志性建筑(詞條“標志性建筑”由行業大百科提供)。觀音圣壇建筑外立面形態來源于普陀山普濟寺所供奉的毗盧觀音:背光寓意佛光普射四方,頭戴五瓣毗盧冠,每瓣一化佛,正中毗盧遮那佛,即是大日如來。毗盧觀音雙手腹前結禪定印,結跏趺坐于多層蓮座之上。

△ 圣壇形態來源

  秉承“圣壇即觀音”的設計理念,給人以毗盧觀音端坐蓮臺的神圣感。在建筑風格上綜合中國傳統樓閣特色與現代高層建筑技術,是集宗教、藝術、參學、觀光、弘法于一體,引領當代佛教潮流的建筑地標和文化地標。圣壇主體總高度達到91.9米,按內部功能分為九層,境界層層提升,越到上層,境界越高越廣大。觀音圣壇在傳承傳統的同時融入現代藝術手段,通過豐富的視覺體驗體現觀音菩薩在當代禪意中的應機方便,使信眾內觀自在,外觀世音。

△圣壇內部構造

  觀音圣壇共包括三個獨立的建筑,圣壇、善財樓、龍女樓。

  圣壇:地上 10 層,局部地下 1 層,建筑標高91.9 米。

  善財樓、龍女樓:地上 3 層,地下 1 層,建筑標高 35 米。

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△圣壇整體效果圖

  金螳螂幕墻承接了該項目的幕墻工程,整個觀音圣壇外側可視范圍內均為幕墻范圍,幕墻系統主要包括:石材砌筑系統、石材背栓干掛系統、明框框架玻璃幕墻系統、開放式鋁板(銅板)幕墻系統、屋面鈦瓦系統、黃銅鈑金系統、半隱框框架玻璃幕墻(采光頂)系統、柱廊采光頂、鋁合金防風雨百葉、GRG 吊頂(詞條“吊頂”由行業大百科提供)、銅欄桿、銅管與夾層玻璃欄桿、電動開啟、石材雕刻欄桿等。

△圣壇系統劃分

  項目完工效果如下:

△ 觀音圣壇全景

△ 圣壇主體

△柱廊

△毗盧帽

△夜景

△室內效果

△室內效果

  2、用現代技術建造佛教經典建筑——普陀山觀音圣壇

  2.1 項目特點

  相對于普通建筑,觀音圣壇有以下特點:

  2.1.1建筑形體異形

  觀音圣壇作為佛教建筑,融合了佛教文化和宮殿文化,自下而上為環形連廊、32瓣高8.73米的異形銅蓮花瓣、多邊形砌筑石材墻、板仿古挑檐、鈦瓦仿古屋面、45米高異形銅板背光、透明雙曲玻璃采光頂、毗盧帽等。整個建筑形體是隱喻位于蓮花座上的毗盧觀音形象,建筑中大量應用了雙曲造型、異形造型、雕花石材等復雜形體和表現形式,形成了建筑與雕塑藝術相結合的形式。

△ 背光

△ 蓮花瓣

  2.1.2無縫一體超大銅板造型

  區別于傳統的幕墻用金屬板,本項目金屬板為銅板,板塊整體成型,無縫設計,板塊超大,背光高度達到45米,蓮花瓣直徑達到115米。

  2.1.3砌筑超大異形雕花石材

  環廊部位柱腳石材單塊重量達到了1.5噸,石材之間通過砌筑進行連接,石材之間縫隙很小,近乎無縫,保證了復雜佛教花紋的連續。

  2.1.4現代材料及工藝與古代佛教元素的結合

  本項目利用金屬鈦仿造佛教古建筑中的陶瓦,利用高精度進口鋁板模仿佛教古建筑中的檁條,F代工藝的精致與古代佛教元素的古樸自然進行了完美的結合。

  2.1.5 全過程數字化技術的應用

  為了雙曲異形造型的實現,本項目從設計、加工、施工全過程采用了BIM技術。

△項目整體BIM模型

△BIM整體建模過程

  通過BIM模型進行施工模擬,用于對施工步驟和工期計劃進行校核,減少施工過程中可能產生的沖突,保證施工計劃的可行性和工期。

△BIM施工模擬

  2.2數字化技術在項目各系統的應用

  2.2.1砌筑石材系統

  砌筑石材系統系統主要位于首層柱廊及塔身部位,其中柱廊部位的石材采用了復雜的雕花工藝,石材重量達到了1.5噸 是整個項目的亮點和難點。

  現場完工效果如下:

△柱腳石材

△環廊石材

  針對本項目石材雙曲異形的造型及復雜的花紋紋理,傳統的設計及加工安裝工藝已經很難適應本項目的需要。針對本項目,我司主要采用了以下數字化新技術。

  復雜外飾效果的數字化設計:

  首先利用BIM進行室外外輪廓的初次建模,模型主要表達石材塊體之間的關系,不表達復雜的花紋。

△BIM環廊石材模型

  對于復雜的雕花圖案,采用泥塑工藝進行多種方案的必選。

△泥?礃

  泥塑方案確認后,根據泥塑方案進行3D掃描,形成方案模型,對模型進行細部處理,形成最終三維模型。將雕花部位的模型與BIM建模的模型進行合并,形成最終高精度的雕花石材模型。

△雕花石材模型

  根據雕花石材模型自動生成石材的加工圖。

△石材加工圖

  基于BIM三維模型的數據,與加工機械進行聯動,實現數字化加工。

△石材數字化加工

  石材鋼結構的BIM設計:

  因為石材形體復雜,為了支撐復雜的形體,內側鋼架的布置很復雜,傳統的CAD圖紙很難表達。本項目采用BIM技術進行石材龍骨的鋼架布置。

△典型部位鋼架布置圖

  典型復雜部位的BIM設計:

  例如外傾部位石材掛接系統,通過BIM模型清楚的表達了復雜的掛件及連接關系。

△石材掛接BIM模型

  BIM在施工中的運用:

  通過BIM模型,對每塊石材進行編號,配合二維碼,實現石材從加工、運輸到安裝的全過程追蹤。

△石材編號

  利用BIM技術對石材安裝過程進行模擬,確保設計方案的可行性。

△施工過程模擬

  由于本項目為砌筑設計,與傳統石材安裝方式不同,通過BIM模型對石材的仿排水(詞條“排水”由行業大百科提供)進行分析,確定石材的排水路徑,在合適的位置設置排水口,保證石材的防水效果。

  本項目砌筑石材采用了雙道防水設計,外側砌筑石材內部設置了1mm厚海防級不銹鋼板,不銹鋼搭接部位做好防水膠處理。砌筑石材底部設置披水板和排水孔,將進入石材內部的水排出。

△砌筑石材排水設計

△排水孔

  同時砌筑石材的抗震性能是需要重點關注的地方,砌筑石材設置專用不銹鋼拉結片,用于將石材與后側龍骨進行連接,提高石材的抗震性能。拉結片固定在拉結槽中,在拉結槽中滑動,不承受重力,重力依靠石材相互承托,最終傳遞到地面或者承托鋼板上去。

△砌筑施工

△不銹鋼拉結件設計

  因為石材形體比較復雜,錯縫砌筑,對應的石材拉結件的布置比較復雜,通過BIM技術對石材拉結件進行分析,確定不同部位石材拉結件的類型及布置方式,保證石材的安全。

△拉結件的BIM布置

  2.2.2一體銅板系統

  背光、蓮花座、毗盧帽等系統為銅板一體成型,無縫設計。

  本項目一圈共32瓣蓮花瓣,每個蓮花瓣寬12米,高8.73米,采用2.5mm黃銅板一體成型。

△蓮花瓣模型 △蓮花瓣完工效果

  背光高45米,雙曲異形,四面均相同,為銅板一體成型,背光上設置玻璃采光頂。

△背光 △毗盧帽

  毗盧帽位于建筑的最頂端,為9邊形,毗盧帽每個邊設置銅佛一尊。

  針對一體銅板系統雙曲異形的造型,大空間布局及無縫連接技術,我司主要采用了以下數字化新技術:

  異形銅板表皮的數字化設計:

  本項目銅板均為曲面(詞條“曲面”由行業大百科提供)異形造型,通過多款三維設計軟件的綜合應用,實現異形銅板的精細化建模。

△蓮花瓣 △毗盧帽

  對于復雜的花紋紋飾,通過泥塑進行模型效果的比選和確認,完成后翻制為石膏模型,通過對石膏模型進行三維掃描,得到模型三維數據。

△泥?礃

  運用曲面拓撲、曲面修復、數據重構等技術對掃描數據進行優化處理。

△模型優化

  同時對銅板背后的加強筋進行數字化建模,為后期加工提供數據。

△蓮花瓣板條模型 △毗盧帽板條模型

  異形鋼結構的數字化設計:

  鋼結構作為異形金屬板的內部支撐龍骨,會按照異形金屬板的造型進行布置,為空間異形鋼結構。

△蓮花瓣鋼架 △毗盧帽鋼架

△背光鋼架

  復雜異形鋼結構通過BIM劃分為單元鋼龍骨,單元鋼龍骨在工廠加工,現場拼接。具體步驟如下:

  通過BIM進行單元鋼架的設計--根據BIM模型進行單元鋼架的加工--通過胎架進行單元鋼骨架的預拼裝→進行鋼架復核→鋼架修正到位→拆開→運到現場→設置胎架、焊接成型→整體吊裝。

  基于ANSYS、SAP等軟件的空間結構安全校核:

面板校核

△鋼龍骨校核

  數字化加工:

  將模型數據輸入CNC數控中心制作1:1EPS模型。

△模型放樣

  根據模型制作模具,通過機器沖壓,形成曲面造型。

  在工廠將小塊板通過焊接拼接成大板(保證大板能夠運輸),焊接采用手工鎢極焊氬弧焊,選用錫青銅焊絲Scusn8-4.

  通過背板種釘,在背后連接鋼肋板,保證面板的整體剛度(詞條“剛度”由行業大百科提供)。

△基于模型的板條數字化加工 △蒙皮預拼裝

△基于BIM模型的龍骨下料加工

  數字化技術對施工的全過程管理:

  通過BIM模型對安裝過程進行模擬,對安裝方案進行預校核。

△BIM模擬蓮花瓣安裝

  蓮花瓣和背光等超大銅板通過BIM模型進行分體。

△蓮花瓣模型分體 △背光模型分體

  加工完成后的板塊在工廠進行預拼裝,確認滿足精度要求后拆開,分體運輸,在現場與后側鋼架連接固定到位。

△分體運輸 △蓮花瓣拼裝

  整體拼接完成后,進行焊接,打磨處理,調整表面的誤差。然后在銅板表面打膩子,最后上色處理。

△著色處理

  佛像在工廠加工成型,整體運輸到現場進行整體吊裝安裝到位。

△銅像 △毗盧帽

  2.2.3鈦瓦屋面

  本項目屋面由12056塊板瓦、筒瓦和632塊瓦當組成,有別與普通的磚瓦,本項目的屋面瓦為金屬瓦,是將鈦板通過加工形成的金屬瓦。

△鈦瓦完工效果

  數字化技術在鈦瓦系統的應用如下:

  鈦瓦的數字化設計:

  鈦瓦應用在屋面部位,屋面整體雙曲異形,且存在大量與其它系統的交接部位,鈦瓦的排布需要借助數字化技術進行設計。

△鈦瓦數字化設計

  鈦瓦鋼架的數字化設計:

△鈦瓦鋼架的數字化設計

  鈦瓦的數字化加工:

  進行犀牛建模,通過offset命令將金屬模型的內模和外模導出。將模型數據輸入數控機床進行加工,完成模具的制作。

  板瓦采用連續沖壓工藝,根據長度需要沖壓成不同長度的板瓦。

△鈦瓦沖壓成型

  筒瓦采用無邊料沖壓工藝(根據展開形狀下料,成型后不用切邊)

△鈦瓦模型

  屋脊部位復雜的構件采用泥模制作1:1實物模型,翻制石膏模型后進行鑄造或鈑金。

△屋脊部位鈦瓦

  BIM對鈦瓦安裝的輔助:

  通過BIM模型提取項目所需要的鈦瓦數量(筒瓦、板瓦、瓦當、屋脊瓦)及龍骨數量。在安裝工程中提供空間定位數據,配合全站儀進行鈦瓦的空間定位,確保安裝精度。

  通過BIM技術對鈦瓦的安裝過程進行模擬,確保龍骨、防水板、卡件、鈦瓦等構件之間的相互配合滿足要求。

△BIM模擬安裝過程

△現場安裝照片

  2.2.4鋁板挑檐

  鋁板挑檐是將金色鋁板加工成異形造型,用于模擬古代建筑檁條的效果,完工效果如下:

△鋁板挑檐完工效果

  屋檐整體為角部上翹的空間造型,通過鋁板的漸變設計實現圓滑的過度。需要借助BIM技術進行精細化設計,鋁板挑檐主要進行了以下數字化設計:

  鋁板挑檐的BIM建模:

  通過BIM技術對鋁板挑檐進行精細化建模,確定鋁板的分格劃分及漸變效果的處理,并最終直接生產異形鋁板的加工圖。

△鋁板挑檐模型及加工圖

  BIM模擬安裝過程:

△BIM模擬安裝過程

  挑檐整體造型的實現:

  通過BIM模型提供龍骨及面板的關鍵定位數據,結合三維測量定位技術,保證異形挑檐造型的實現。

  2.2.5采光天窗及雙曲玻璃采光頂

△采光天窗及采光頂BIM模型

  采光天窗的數字化設計:

  采光天窗與背光正面交接,相當于在雙曲銅板上開出條狀空間安裝玻璃。該條狀玻璃整體為空間造型,通過分格的劃分,確定每個玻璃板塊均為雙曲異形。

△采光天窗所在位置

  對采光天窗進行BIM分析,確定采光天窗玻璃的翹曲

△采光天窗翹曲值分析

  經過分析,玻璃存在翹曲值,為雙曲面玻璃,天窗四周的型材經過分析,為雙曲型材,需要雙向拉彎,很難加工。

△采光天窗四周型材BIM分析

  最終決定對模型進行優化,最終實現了立柱單曲,橫梁為直框,玻璃為雙曲,方便了加工和安裝。

△模型的修正

  雙曲玻璃采光頂的數字化設計:

△雙曲玻璃采光頂BIM模型△玻璃類型統計歸類

  經過BIM分析,采光頂形體為雙曲異形,對三邊形、四邊形、五邊形等不同類型的玻璃板塊進行統計歸類,確定玻璃的類型(平板、單曲、雙曲)。優化采光頂周圍一圈的型材造型,對模型進行適當修正,避免型材出現雙向拉彎。

  施工中對測量數據與模型進行放樣,基于放樣分析進行碰撞檢測,并對模型進行修正,避免后期施工干涉。

△現場測量放樣

△碰撞檢測

  2.3收口及交接部位的數字化設計

  經過BIM建模分析,本項目主要存在15種交接部位。

△BIM模型交接位置示意

  針對典型交接部位進行BIM精細化建模,確定合理的系統交接方式,保證美觀性、防水性、耐久性(詞條“耐久性”由行業大百科提供)和安全性。

△鈦瓦與背光的交接 △挑檐與背光的交接

△石材收邊 △窗收邊

  2.4 VR及3D打印新技術的應用

  作為佛教地標建筑,建筑效果的把控至關重要,在項目開始之前,運用VR及3D打印新技術全方位、立體展示項目的整體外觀和每一個建筑細節,為建筑師和業主把控整體質量提供依據。

△VR展示

△3D打印模型

  2.5 佛教裝飾工程規范標準

  金螳螂,曾施工過無錫靈山梵宮、洛陽天之圣堂、牛首山佛頂宮、舟山觀音圣壇、九華山大愿文化園、山東兗州靈光寶殿、南京大報恩寺、山東尼山圣境等多個佛教裝飾裝修項目,具有豐富的佛教裝飾裝修施工經驗,由蘇州金螳螂建筑裝飾股份有限公司和中國建筑裝飾協會共同主編的《佛教建筑裝飾裝修工程技術規程》正在編制中,該規程為中國建筑裝飾協會(China Building Decoration Association,縮寫CBDA)標準。

  相信隨著規程的完成并實行,將對佛教建筑裝飾工程的設計和施工提供更加明確的依據,有效指導整個佛教裝飾行業的健康發展。

  2.6 結語

  觀音圣壇項目是利用現代工藝技術打造的佛教地標建筑,是世界上最大規模的四眾弟子教化基地和將佛教造像原型作為建筑形態意象的佛教建筑。觀音圣壇設計和施工過程中,全程采用了VR及BIM技術,保證了建筑效果和異形造型的實現。在建造過程中,克服砌筑石材、雙曲異形銅板、鈦瓦、鋁板挑檐等新材料(詞條“新材料”由行業大百科提供)和新工藝帶來的技術挑戰,最終完美實現了建筑效果。相信隨著2020年11月14日觀音文化園的開園,將極大促進佛教文化的傳播和發展,將返聞自性、慈悲濟世的觀音文化不斷傳承下去。

作者單位:蘇州金螳螂幕墻有限公司

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