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“技术与艺术、古典与现代” ---金螳螂幕墙观音圣坛项目数字化技术应用实践

来源:2021论文集  作者:牟永来 李书健 鲍晓平 沈艳  日期:2021-7-9
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  摘要:内观自在,外观世音。观音圣坛项目是以意向和具象相结合的设计理念打造的经典佛教建筑。建筑在保留了佛教传统文化元素的基础上,采用现代数字化设计理念,配合现代材料及加工工艺,实现了古典造型与现代技术的完美融合。
  关键词:佛教建筑;数字化;BIM

  本篇文章内容由[中国幕墙网tmkj.net]编辑部整理发布:

△ 观音圣坛全景

谁于峰顶扬正帜,请得孔雀现空中。

谁于今日放光明,毗卢流入千家户。

唯愿菩萨大慈悲,拯济群萌出众苦。

  摘要:内观自在,外观世音。观音圣坛项目是以意向和具象相结合的设计理念打造的经典佛教建筑。建筑在保留了佛教传统文化元素的基础上,采用现代数字化设计理念,配合现代材料及加工工艺,实现了古典造型与现代技术的完美融合。

  关键词:佛教建筑;数字化;

  1、普陀山观音圣坛的建造背景

  普陀山是东海舟山群岛中的一个小岛,与九华山、峨嵋山、五台山合称中国佛教四大名山,素有“海天佛国”、“南海圣境”之称。

  普陀山是全国最著名最灵异的观音道场,寺院无论大小,都供奉观音大士。观音圣坛就位于普陀区朱家尖香莲路北侧,中国佛学院普陀山学院西侧,观音法界正中。其主体建筑群作为世界佛教观音崇拜和信仰的圣殿将成为整个观音文化园和法界的中心。观音圣坛形态来源于普陀山普济寺所供奉的毗卢观音:背光寓意佛光普射四方,头戴五瓣毗卢冠,每瓣一化佛,正中毗卢遮那佛,即是大日如来。毗卢观音双手腹前结禅定印,结跏趺坐于多层莲座之上。

△ 圣坛形态来源

  秉承“圣坛即观音”的设计理念,给人以毗卢观音端坐莲台的神圣感。在建筑风格上综合中国传统楼阁特色与现代技术,是集宗教、艺术、参学、观光、弘法于一体,引领当代佛教潮流的建筑和文化地标。圣坛主体总高度达到91.9米,按内部功能分为九层,境界层层提升,越到上层,境界越高越广大。观音圣坛在传承传统的同时融入现代艺术手段,通过丰富的视觉体验体现观音菩萨在当代禅意中的应机方便,使信众内观自在,外观世音。

△圣坛内部构造

  观音圣坛共包括三个独立的建筑,圣坛、善财楼、龙女楼。

  圣坛:地上 10 层,局部地下 1 层,91.9 米。

  善财楼、龙女楼:地上 3 层,地下 1 层,建筑 35 米。

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△圣坛整体效果图

  金螳螂幕墙承接了该项目的幕墙工程,整个观音圣坛外侧可视范围内均为幕墙范围,幕墙系统主要包括:砌筑系统、系统、明框式()幕墙系统、屋面钛瓦系统、黄铜钣金系统、半隐框框架玻璃幕墙(防风雨百叶、GRG 、铜栏杆、铜管与栏杆、电动开启、石材栏杆等。

△圣坛系统划分

  项目完工效果如下:

△ 观音圣坛全景

△ 圣坛主体

△柱廊

△毗卢帽

△夜景

△室内效果

△室内效果

  2、用现代技术建造佛教经典建筑——普陀山观音圣坛

  2.1 项目特点

  相对于普通建筑,观音圣坛有以下特点:

  2.1.1建筑形体异形

  观音圣坛作为佛教建筑,融合了佛教文化和宫殿文化,自下而上为环形连廊、32瓣高8.73米的异形铜莲花瓣、多边形砌筑石材墙、板仿古挑檐、钛瓦仿古屋面、45米高异形铜板背光、透明双曲、毗卢帽等。整个建筑形体是隐喻位于莲花座上的毗卢观音形象,建筑中大量应用了双曲造型、异形造型、雕花石材等复杂形体和表现形式,形成了建筑与雕塑艺术相结合的形式。

△ 背光

△ 莲花瓣

  2.1.2无缝一体超大铜板造型

  区别于传统的幕墙用板,本项目金属板为铜板,板块整体成型,无缝设计,板块超大,背光高度达到45米,莲花瓣直径达到115米。

  2.1.3砌筑超大异形雕花石材

  环廊部位柱脚石材单块重量达到了1.5吨,石材之间通过砌筑进行连接,石材之间缝隙很小,近乎无缝,保证了复杂佛教花纹的连续。

  2.1.4现代材料及工艺与古代佛教元素的结合

  本项目利用金属钛仿造佛教古建筑中的陶瓦,利用高进口铝板模仿佛教古建筑中的。现代工艺的精致与古代佛教元素的古朴自然进行了完美的结合。

  2.1.5 全过程数字化技术的应用

  为了双曲异形造型的实现,本项目从设计、加工、施工全过程采用了BIM技术。

△项目整体BIM模型

△BIM整体建模过程

  通过BIM模型进行施工模拟,用于对施工步骤和工期计划进行校核,减少施工过程中可能产生的冲突,保证施工计划的可行性和工期。

△BIM施工模拟

  2.2数字化技术在项目各系统的应用

  2.2.1砌筑石材系统

  砌筑石材系统系统主要位于首层柱廊及塔身部位,其中柱廊部位的石材采用了复杂的雕花工艺,石材重量达到了1.5吨 是整个项目的亮点和难点。

  现场完工效果如下:

△柱脚石材

△环廊石材

  针对本项目石材双曲异形的造型及复杂的花纹纹理,传统的设计及加工安装工艺已经很难适应本项目的需要。针对本项目,我司主要采用了以下数字化新技术。

  复杂外饰效果的数字化设计:

  首先利用BIM进行室外外轮廓的初次建模,模型主要表达石材块体之间的关系,不表达复杂的花纹。

△BIM环廊石材模型

  对于复杂的雕花图案,采用泥塑工艺进行多种方案的必选。

△泥模看样

  泥塑方案确认后,根据泥塑方案进行3D扫描,形成方案模型,对模型进行细部处理,形成最终三维模型。将雕花部位的模型与BIM建模的模型进行合并,形成最终高精度的雕花石材模型。

△雕花石材模型

  根据雕花石材模型自动生成石材的加工图。

△石材加工图

  基于BIM三维模型的数据,与加工机械进行联动,实现数字化加工。

△石材数字化加工

  石材的BIM设计:

  因为石材形体复杂,为了支撑复杂的形体,内侧钢架的布置很复杂,传统的图纸很难表达。本项目采用BIM技术进行石材的钢架布置。

△典型部位钢架布置图

  典型复杂部位的BIM设计:

  例如外倾部位石材挂接系统,通过BIM模型清楚的表达了复杂的挂件及连接关系。

△石材挂接BIM模型

  BIM在施工中的运用:

  通过BIM模型,对每块石材进行编号,配合二维码,实现石材从加工、运输到安装的全过程追踪。

△石材编号

  利用BIM技术对石材安装过程进行模拟,确保设计方案的可行性。

△施工过程模拟

  由于本项目为砌筑设计,与传统石材安装方式不同,通过BIM模型对石材的仿进行分析,确定石材的排水路径,在合适的位置设置排水口,保证石材的效果。

  本项目砌筑石材采用了双道防水设计,外侧砌筑石材内部设置了1mm厚海防级,板部位做好处理。砌筑石材底部设置和排水孔,将进入石材内部的水排出。

△砌筑石材排水设计

△排水孔

  同时砌筑石材的性能是需要重点关注的地方,砌筑石材设置专用不锈钢拉结片,用于将石材与后侧龙骨进行连接,提高石材的抗震性能。拉结片在拉结槽中,在拉结槽中滑动,不承受重力,重力依靠石材相互,最终传递到地面或者承托上去。

△砌筑施工

△不锈钢拉结件设计

  因为石材形体比较复杂,错缝砌筑,对应的石材拉结件的布置比较复杂,通过BIM技术对石材拉结件进行分析,确定不同部位石材拉结件的类型及布置方式,保证石材的安全。

△拉结件的BIM布置

  2.2.2一体铜板系统

  背光、莲花座、毗卢帽等系统为铜板一体成型,无缝设计。

  本项目一圈共32瓣莲花瓣,每个莲花瓣宽12米,高8.73米,采用2.5mm黄铜板一体成型。

△莲花瓣模型 △莲花瓣完工效果

  背光高45米,双曲异形,四面均相同,为铜板一体成型,背光上设置玻璃采光顶。

△背光 △毗卢帽

  毗卢帽位于建筑的最顶端,为9边形,毗卢帽每个边设置铜佛一尊。

  针对一体铜板系统双曲异形的造型,大空间布局及无缝连接技术,我司主要采用了以下数字化新技术:

  异形铜板表皮的数字化设计:

  本项目铜板均为异形造型,通过多款三维设计软件的综合应用,实现异形铜板的精细化建模。

△莲花瓣 △毗卢帽

  对于复杂的花纹纹饰,通过泥塑进行模型效果的比选和确认,完成后翻制为石膏模型,通过对石膏模型进行三维扫描,得到模型三维数据。

△泥模看样

  运用曲面拓扑、曲面修复、数据重构等技术对扫描数据进行优化处理。

△模型优化

  同时对铜板背后的进行数字化建模,为后期加工提供数据。

△莲花瓣板条模型 △毗卢帽板条模型

  异形钢结构的数字化设计:

  钢结构作为异形金属板的内部支撑龙骨,会按照异形金属板的造型进行布置,为空间异形钢结构。

△莲花瓣钢架 △毗卢帽钢架

△背光钢架

  复杂异形钢结构通过BIM划分为单元钢龙骨,单元钢龙骨在工厂加工,现场拼接。具体步骤如下:

  通过BIM进行单元钢架的设计--根据BIM模型进行单元钢架的加工--通过胎架进行单元钢骨架的预拼装→进行钢架复核→钢架修正到位→拆开→运到现场→设置胎架、成型→整体。

  基于ANSYS、SAP等软件的空间结构安全校核:

△校核

△钢龙骨校核

  数字化加工:

  将模型数据输入中心制作1:1模型。

△模型放样

  根据模型制作,通过机器,形成曲面造型。

  在工厂将小块板通过焊接拼接成大板(保证大板能够运输),焊接采用手工钨极焊氩弧焊,选用锡青铜Scusn8-4.

  通过背板种钉,在背后连接钢,保证面板的整体。

△基于模型的板条数字化加工 △蒙皮预拼装

△基于BIM模型的龙骨下料加工

  数字化技术对施工的全过程管理:

  通过BIM模型对安装过程进行模拟,对安装方案进行预校核。

△BIM模拟莲花瓣安装

  莲花瓣和背光等超大铜板通过BIM模型进行分体。

△莲花瓣模型分体 △背光模型分体

  加工完成后的板块在工厂进行预拼装,确认满足精度要求后拆开,分体运输,在现场与后侧钢架连接固定到位。

△分体运输 △莲花瓣拼装

  整体拼接完成后,进行焊接,处理,调整表面的误差。然后在铜板表面打,最后上色处理。

△着色处理

  佛像在工厂加工成型,整体运输到现场进行整体吊装安装到位。

△铜像 △毗卢帽

  2.2.3钛瓦屋面

  本项目屋面由12056块板瓦、筒瓦和632块瓦当组成,有别与普通的砖瓦,本项目的屋面瓦为金属瓦,是将通过加工形成的金属瓦。

△钛瓦完工效果

  数字化技术在钛瓦系统的应用如下:

  钛瓦的数字化设计:

  钛瓦应用在屋面部位,屋面整体双曲异形,且存在大量与其它系统的交接部位,钛瓦的排布需要借助数字化技术进行设计。

△钛瓦数字化设计

  钛瓦钢架的数字化设计:

△钛瓦钢架的数字化设计

  钛瓦的数字化加工:

  进行犀牛建模,通过offset命令将金属模型的内模和外模导出。将模型数据输入进行加工,完成模具的制作。

  板瓦采用连续冲压工艺,根据长度需要冲压成不同长度的板瓦。

△钛瓦冲压成型

  筒瓦采用无边料冲压工艺(根据展开形状下料,成型后不用切边)

△钛瓦模型

  屋脊部位复杂的采用泥模制作1:1实物模型,翻制石膏模型后进行或钣金。

△屋脊部位钛瓦

  BIM对钛瓦安装的辅助:

  通过BIM模型提取项目所需要的钛瓦数量(筒瓦、板瓦、瓦当、屋脊瓦)及龙骨数量。在安装工程中提供空间定位数据,配合全站仪进行钛瓦的空间定位,确保安装精度。

  通过BIM技术对钛瓦的安装过程进行模拟,确保龙骨、、卡件、钛瓦等构件之间的相互配合满足要求。

△BIM模拟安装过程

△现场安装照片

  2.2.4铝板挑檐

  铝板挑檐是将金色铝板加工成异形造型,用于模拟古代建筑檩条的效果,完工效果如下:

△铝板挑檐完工效果

  屋檐整体为角部上翘的空间造型,通过铝板的渐变设计实现圆滑的过度。需要借助BIM技术进行精细化设计,铝板挑檐主要进行了以下数字化设计:

  铝板挑檐的BIM建模:

  通过BIM技术对铝板挑檐进行精细化建模,确定铝板的分格划分及渐变效果的处理,并最终直接生产异形铝板的加工图。

△铝板挑檐模型及加工图

  BIM模拟安装过程:

△BIM模拟安装过程

  挑檐整体造型的实现:

  通过BIM模型提供龙骨及面板的关键定位数据,结合三维测量定位技术,保证异形挑檐造型的实现。

  2.2.5采光及双曲玻璃采光顶

△采光天窗及采光顶BIM模型

  采光天窗的数字化设计:

  采光天窗与背光正面交接,相当于在双曲铜板上开出条状空间安装玻璃。该条状玻璃整体为空间造型,通过分格的划分,确定每个块均为双曲异形。

△采光天窗所在位置

  对采光天窗进行BIM分析,确定采光天窗玻璃的值

△采光天窗翘曲值分析

  经过分析,玻璃存在翘曲值,为,天窗四周的经过分析,为双曲型材,需要双向拉弯,很难加工。

△采光天窗四周型材BIM分析

  最终决定对模型进行优化,最终实现了单曲,为直框,玻璃为双曲,方便了加工和安装。

△模型的修正

  双曲玻璃采光顶的数字化设计:

△双曲玻璃采光顶BIM模型△玻璃类型统计归类

  经过BIM分析,采光顶形体为双曲异形,对三边形、四边形、五边形等不同类型的玻璃板块进行统计归类,确定玻璃的类型(、单曲、双曲)。优化采光顶周围一圈的型材造型,对模型进行适当修正,避免型材出现双向拉弯。

  施工中对测量数据与模型进行放样,基于放样分析进行碰撞检测,并对模型进行修正,避免后期施工干涉。

△现场测量放样

△碰撞检测

  2.3收口及交接部位的数字化设计

  经过BIM建模分析,本项目主要存在15种交接部位。

△BIM模型交接位置示意

  针对典型交接部位进行BIM精细化建模,确定合理的系统交接方式,保证美观性、防水性、和安全性。

△钛瓦与背光的交接 △挑檐与背光的交接

△石材收边 △窗收边

  2.4 VR及新技术的应用

  作为佛教地标建筑,建筑效果的把控至关重要,在项目开始之前,运用VR及3D打印新技术全方位、立体展示项目的整体外观和每一个建筑细节,为建筑师和业主把控整体质量提供依据。

△VR展示

△3D打印模型

  2.5 佛教装饰工程规范标准

  金螳螂,曾施工过无锡灵山梵宫、洛阳天之圣堂、牛首山佛顶宫、舟山观音圣坛、九华山大愿文化园、山东兖州灵光宝殿、南京大报恩寺、山东尼山圣境等多个佛教装饰装修项目,具有丰富的佛教装饰装修施工经验,由和中国协会共同主编的《佛教建筑装饰装修工程技术规程》正在编制中,该规程为中国建筑装饰协会(China Building Decoration Association,缩写A)标准。

  相信随着规程的完成并实行,将对佛教建筑装饰工程的设计和施工提供更加明确的依据,有效指导整个佛教装饰行业的健康发展。

  2.6 结语

  观音圣坛项目是利用现代工艺技术打造的佛教地标建筑,是世界上最大规模的四众弟子教化基地和将佛教造像原型作为建筑形态意象的佛教建筑。观音圣坛设计和施工过程中,全程采用了VR及BIM技术,保证了建筑效果和异形造型的实现。在建造过程中,克服砌筑石材、双曲异形铜板、钛瓦、铝板挑檐等和新工艺带来的技术挑战,最终完美实现了建筑效果。相信随着2020年11月14日观音文化园的开园,将极大促进佛教文化的传播和发展,将返闻自性、慈悲济世的观音文化不断传承下去。

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