基于BIM參數(shù)化方法的北京陽光保險(xiǎn)幕墻項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)及施工應(yīng)用研究

邵洋 紀(jì)曉鵬 王方玨 潘文濤

摘 要：當(dāng)前幕墻構(gòu)造及功能形式日趨復(fù)雜多樣，設(shè)計(jì)和施工難度越來越大，采用傳統(tǒng)施工方法，在埋件精確定位、材料下單、構(gòu)件加工、運(yùn)輸安裝等都難以實(shí)施。BIM技術(shù)的應(yīng)用給幕墻行業(yè)帶來了變革，本文以陽光保險(xiǎn)項(xiàng)目為例，用Rhino及Catia建立幕墻模型，探索幕墻深化設(shè)計(jì)及施工的BIM應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BIM；參數(shù)化；Rhino；Catia；幕墻

中圖分類號(hào)：TU17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）18-0126-03

1 BIM參數(shù)化

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展近年來建筑設(shè)計(jì)也走向多元化發(fā)展，對(duì)功能空間和視覺藝術(shù)表達(dá)等多方面因素綜合考慮越來越嚴(yán)格。參數(shù)化設(shè)計(jì)的引入讓設(shè)計(jì)方法變得與眾不同，參數(shù)化模型中所構(gòu)建的數(shù)學(xué)邏輯，使得與之相關(guān)部分的幾何形態(tài)可以關(guān)聯(lián)變動(dòng)，利用數(shù)學(xué)算法得到方案的最優(yōu)解法。在建筑整個(gè)建造過程中，需考慮的問題更是錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)于一些復(fù)雜形體的建筑，其復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工定位問題必將需要一個(gè)高效的建模工具，參數(shù)化設(shè)計(jì)正是這種高效的工作方法，同時(shí)也是一種獨(dú)特的思維模式。因此在施工階段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)工具進(jìn)行參數(shù)化的深化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)建筑復(fù)雜形態(tài)和施工定位的必由之路。

本文通過在陽光保險(xiǎn)金融中心項(xiàng)目的幕墻項(xiàng)目的深化設(shè)計(jì)和施工BIM應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)了針對(duì)本項(xiàng)目難點(diǎn)的BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法，得到了良好的應(yīng)用效果。

2 項(xiàng)目概況

陽光保險(xiǎn)金融中心外立面工程（如圖1所示），位于北京CBD核心區(qū)域，占地8000m2，建筑面積13萬m2，地上44層地下5層，總高度220米。其中幕墻工程面積共5.3萬m2，主要幕墻系統(tǒng)為塔樓單元式幕墻系統(tǒng)3.8萬m2、裙樓花瓣幕墻點(diǎn)式玻璃幕墻系統(tǒng)0.3萬m2、內(nèi)幕墻及塔基框架幕墻系統(tǒng)1.2萬m2。

3 工程難點(diǎn)——參數(shù)化表皮方案擬合

本工程概念方案的形態(tài)通過標(biāo)準(zhǔn)正方形基底沿220米塔樓全高逐漸到頂部變形為橢圓形平面而獲得。為保證概念方案的實(shí)施與落地，在確保維持造型與視覺感受的前提下對(duì)概念方案形體進(jìn)行調(diào)整。具體問題如下[1]：

（1）各樓層存在功能與高度的變化導(dǎo)致各層之間在大體形態(tài)相似的前提下存在細(xì)節(jié)差異，樓層平面輪廓無一重合。（2）概念設(shè)計(jì)階段粗略的形體設(shè)計(jì)導(dǎo)致多處使用功能障礙。（3）形體變化導(dǎo)致樓層輪廓收縮面臨斜柱設(shè)計(jì)。（4）從概念形體上截取的輪廓線其曲率連續(xù)變化施工中難以定位。（5）裙樓花瓣曲面造型多變大量雙曲板塊造成加工困難。

經(jīng)參數(shù)化分析發(fā)現(xiàn)塔身四周的直線部分很容易確定，在東南及西北角區(qū)域采用圓弧替代，通過控制其半徑與圓心的變化來控制整個(gè)塔身的收縮，所有輪廓的找尋過程在參數(shù)化的驅(qū)動(dòng)下只需幾秒鐘完成。

現(xiàn)在形體由兩種各司其職的參數(shù)控制才能進(jìn)行精確自如的形體微調(diào)，解決各種設(shè)計(jì)問題，例如由于形體收縮造成的斜柱問題、不同功能樓層轉(zhuǎn)角變形導(dǎo)致的使用功能障礙等，可通過貝塞爾曲線對(duì)所有樓層的轉(zhuǎn)角參數(shù)進(jìn)行整體進(jìn)行列表微調(diào)，貝塞爾曲線的控制數(shù)列呈連續(xù)勻稱的變化趨勢(shì)，這樣保證了相鄰樓層間始終保持平滑的過度，調(diào)整中保證全局可視化調(diào)整，不會(huì)出現(xiàn)各別樓層的突兀變化[2]。

輪廓確定后需要進(jìn)行層間鋁板設(shè)計(jì)，通過參數(shù)化編寫兩個(gè)可變的剖面，來應(yīng)對(duì)塔樓東南及西北側(cè)兩處上下錯(cuò)開的玻璃（見圖2所示）。對(duì)于玻璃板塊的劃分，塔樓東南及西北角位置為折線板塊，樓層表皮逐漸往內(nèi)收，每層板塊的定位點(diǎn)及數(shù)量按照一定的規(guī)律變化，采用折線擬合。經(jīng)放樣分析，單元板塊之間的水平夾角為171°～180°變化，越往高處角度呈增大趨勢(shì)，直線板塊拱高最大值達(dá)34mm，單元板塊設(shè)計(jì)夾角可調(diào)范圍為±2°，因此該處需要設(shè)計(jì)三套立柱進(jìn)行表皮的擬合，大量的非標(biāo)準(zhǔn)板塊給幕墻下單及施工帶來很大難度。

裙樓花瓣擬合：花瓣主曲面大致走向與裙樓內(nèi)幕墻大致相同但其曲面造型更為自由多變，在保證造型的前提下，花瓣玻璃板塊優(yōu)化尤為重要。分格完成后板塊會(huì)存在翹曲現(xiàn)象，利用軟件分析翹曲誤差，將誤差較小值優(yōu)化為平板板塊。對(duì)于翹曲值較大板塊，經(jīng)曲線分析發(fā)現(xiàn)其曲率變化不大，故將曲線先擬合為與其相接近的圓弧線（見圖3所示）?；ò昵嬖煨吞攸c(diǎn)導(dǎo)致其加工數(shù)據(jù)龐大，板塊加工數(shù)據(jù)的表達(dá)及準(zhǔn)確施工定位成為該方案能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵[3]。

4 BIM參數(shù)化深化設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 BIM參數(shù)化深化

方案設(shè)計(jì)階段在軟件中輸入設(shè)計(jì)邏輯、建立數(shù)理算法、設(shè)定條件約束等參數(shù)化方式生成幕墻表皮。根據(jù)對(duì)比幾款常用的建模軟件，陽光保險(xiǎn)項(xiàng)目采用Rhino軟件進(jìn)行方案階段三維建模，完成從概念方案到可建造方案的第一步轉(zhuǎn)變。在深化設(shè)計(jì)階段，鑒于塔樓及裙樓花瓣等龐大的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及建造數(shù)據(jù)表達(dá)，決定選用達(dá)索公司的CATIA軟件作為深化平臺(tái)，其自上而下（TopDown）的思想方便數(shù)據(jù)的管理及提取，同時(shí)CATIA作為工業(yè)軟件擁有多種數(shù)據(jù)接口，可與其它BIM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

CATIA軟件參數(shù)化程度較高，用戶可定義特征、公式、規(guī)則、檢查，產(chǎn)生參數(shù)、設(shè)計(jì)表、方程、檢查、規(guī)則等可重復(fù)利用的知識(shí)工程對(duì)象[3]。利用這些工具對(duì)單元板塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及深化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)板塊進(jìn)行自動(dòng)化檢查，使得設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及三維模型實(shí)現(xiàn)高度自主統(tǒng)一。利用知識(shí)工程模塊，將編寫好的單元板塊模板實(shí)例化為各層板塊，之后利用裝配模塊將各板塊裝配為一個(gè)整體。裝配設(shè)計(jì)模塊可定義兩件之間的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)定位并檢查零件間的一致性（見圖4所示）。最后使用工程圖模塊自動(dòng)生成與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)一樣的工程圖，并導(dǎo)出DWG文件。

4.2 BIM工業(yè)化數(shù)據(jù)

CATIA軟件平臺(tái)采用“自上而下”（TopDown）的數(shù)據(jù)管理思想，軟件邏輯通過先建立“產(chǎn)品”（Product）之后嵌套進(jìn)“零件”（Part）的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)，零件和零件之間的數(shù)據(jù)傳遞是通過“發(fā)布參數(shù)”功能來實(shí)現(xiàn)的[4]?！爱a(chǎn)品”和“零件”都是用戶自定義創(chuàng)建，模型建立之初必須建立好管理細(xì)則，方便于之后的數(shù)據(jù)規(guī)劃及提取。清晰的數(shù)據(jù)路徑及標(biāo)識(shí)是管理項(xiàng)目信息的基礎(chǔ)，為使數(shù)據(jù)能夠被快速的檢測(cè)及提取需建立一套適合項(xiàng)目的命名標(biāo)準(zhǔn)。

在建立模板文件之初，將單元板塊中的面板信息、框架信息、非常規(guī)型材等數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)編碼，軟件按照設(shè)計(jì)依據(jù)自動(dòng)識(shí)別輸入?yún)?shù)，完成整體建筑模型裝配，而后通過編寫程序讀取加工參數(shù)生成物料清單，料單中對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行特殊編碼，通過物料編號(hào)下放加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)單元板塊快速拼裝。利用BIM快速導(dǎo)出精確數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)可以很方便的解決施工中的幕墻埋件定位難題，各層埋件單獨(dú)編碼每一個(gè)埋件都會(huì)有自己的編號(hào)及對(duì)應(yīng)位置，在保證各埋件位置準(zhǔn)確的同時(shí)大大提高工作效率。

4.3 基于BIM的施工與維護(hù)

對(duì)于施工階段材料的進(jìn)場(chǎng)、板塊吊裝、材料堆放也是常見難題，利用BIM模型制作施工模擬動(dòng)畫直觀高效的展示施工方案，模擬真實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)確保方案的可行性，在設(shè)計(jì)階段解決施工問題。在運(yùn)維階段，由于建筑幕墻使用年限較長(zhǎng)，使用過程中板塊損壞現(xiàn)象在所難免，在幕墻設(shè)計(jì)階段必須要考慮到后續(xù)的幕墻維護(hù)問題，陽光保險(xiǎn)項(xiàng)目板塊種類繁多且大多工藝復(fù)雜，一旦出現(xiàn)損壞情況更換難度較大，通過BIM手段，建筑模型都存儲(chǔ)于BIM模型中。系統(tǒng)交付之后，業(yè)主可對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行的信息查詢，如：?jiǎn)卧?hào)，玻璃編號(hào)，層號(hào)，類型，安裝日期，以及相關(guān)信息。如果業(yè)主由于需要進(jìn)行二次裝修或者損壞，可以快速查詢到相關(guān)規(guī)格、尺寸、性能等參數(shù)，方便維修，減少浪費(fèi)[5]。

4.4 BIM參數(shù)化應(yīng)用效果

在陽光保險(xiǎn)項(xiàng)目開展以來施工方便成立了由三人組成的BIM核心團(tuán)隊(duì)，利用BIM的多專業(yè)協(xié)同優(yōu)勢(shì)提前解決碰撞問題。團(tuán)隊(duì)一直在追蹤由于圖紙出錯(cuò)或缺乏協(xié)調(diào)導(dǎo)致的返工情況，至今項(xiàng)目在幕墻方面的被動(dòng)變更費(fèi)用在總變更費(fèi)用中占比極小，利用BIM的參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，項(xiàng)目幕墻深化設(shè)計(jì)人員僅有4人，這比其它同規(guī)模項(xiàng)目所需的深化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)人數(shù)要少得多，同時(shí)在應(yīng)用BIM的情況下，項(xiàng)目施工工期縮短將近20%。

5 結(jié)語

參數(shù)化設(shè)計(jì)可輔助設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)，也可作為主體的設(shè)計(jì)構(gòu)思方式，如今更多的人愿意接受參數(shù)化設(shè)計(jì)帶來的更多設(shè)計(jì)可能。從設(shè)計(jì)方面，參數(shù)化設(shè)計(jì)為建筑設(shè)計(jì)打開了新的窗口，幫助建筑師依據(jù)其它專業(yè)的模型創(chuàng)造新的設(shè)計(jì)手法，另一方面參數(shù)化工具使得復(fù)雜建筑形體的實(shí)現(xiàn)成為可能，還幫助施工方完成復(fù)雜加工、參數(shù)輸出、及構(gòu)件定位及生產(chǎn)過程中的優(yōu)化。同時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)也會(huì)為推動(dòng)建筑構(gòu)件通用性進(jìn)程，設(shè)計(jì)過程中采用全參數(shù)化構(gòu)件設(shè)計(jì)，就會(huì)建立一個(gè)通用的構(gòu)件庫(kù)，從而減少許多訂制設(shè)計(jì)。但以上參數(shù)化的這些優(yōu)勢(shì)，需要參數(shù)化設(shè)計(jì)工具被納入常用設(shè)計(jì)工具才更具有現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]林彬，梁梁.淺談“BIM”技術(shù)在幕墻工程中的應(yīng)用[J].門窗，2015，（1）：6-7.

[2]樊波.BIM技術(shù)在建筑幕墻上的應(yīng)用[J].門窗，2018，（2）：3.

[3]李學(xué)志，李若松.Catia實(shí)用教程[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[4]梁少寧.BIM在幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索[D].華南理工大學(xué)，2015.

[5]史英麟.參數(shù)化設(shè)計(jì)理念在幕墻設(shè)計(jì)及成本核算中的應(yīng)用[J].門窗，2012，（7）：6-7.