建筑BIM參數(shù)化技術(shù)在異形曲面幕墻設(shè)計與施工中的應(yīng)用

佟克龍

（中建八局第二建設(shè)有限公司濟南250014）

0 引言

近年來隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，社會進步，奇異獨特異形建筑日益增多，人們對建筑外裝飾效果要求也越來越高。異形曲面幕墻具有現(xiàn)代抽象感與外觀新穎感，給人一種身處奇幻境界的感覺。同時建筑BIM 技術(shù)出現(xiàn)和發(fā)展也為建筑師的各種建筑構(gòu)想提供了行業(yè)實踐，使異形建筑幕墻的建筑物能夠更好發(fā)揮最佳的藝術(shù)效果，是現(xiàn)代抽象主義異形曲面建筑的顯著特征。異形曲面幕墻的特點是工程存在較多角度旋轉(zhuǎn)，整體結(jié)構(gòu)特殊，造型復(fù)雜無規(guī)律，并且建筑截面尺寸大小不一，造就建筑空間高度各不相同。建筑整體造型由多個曲面層疊組合而成，形成大量交接弧曲部位，而這些部位為異形曲面建筑幕墻特點。

1 建筑BIM參數(shù)化技術(shù)的簡述

建筑BIM 是一種建筑信息新技術(shù)的簡稱，即行業(yè)內(nèi)稱建筑信息化模型［1］。采用建筑BIM 技術(shù)就要考慮建筑設(shè)計智能化需求，因此建立模型時給模型賦予建筑信息的屬性，比如構(gòu)配件的材料屬性、尺寸大小、規(guī)格種類等。建筑BIM 技術(shù)以其可視化的意境、協(xié)同工作高效率、構(gòu)建參數(shù)化設(shè)計及對項目全生命周期的關(guān)注贏得了業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。建筑BIM 技術(shù)在工程前期方案決策、項目預(yù)決算、施工深化設(shè)計、模擬施工工藝、碰撞施工方案、施工協(xié)調(diào)合作、項目健康監(jiān)測、智慧智能工地等方面出色性能的表現(xiàn)，在現(xiàn)代建筑全過程中已經(jīng)展示出了它未來應(yīng)用的潛質(zhì)。BIM 以建筑信息模型為載體，結(jié)合三維模型的信息化特點，本文將從設(shè)計與施工角度來探索建筑BIM 參數(shù)化技術(shù)在異形曲面建筑幕墻設(shè)計與施工中的應(yīng)用。

“參數(shù)化設(shè)計就是把影響建筑設(shè)計的主要因素看做參數(shù)，將這些參數(shù)通過特定的關(guān)系組織到一起，借助于計算機編程和軟件進行描述，通過計算機技術(shù)把變量數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成參數(shù)模型”。由于異形曲面建筑的表達方式有異于常規(guī)，傳統(tǒng)的設(shè)計表達方式已經(jīng)無法滿足其設(shè)計和生產(chǎn)需求，而參數(shù)化設(shè)計就作為一個很好的契機進入到建筑設(shè)計領(lǐng)域中來。參數(shù)化設(shè)計通過控制變量的輸入值來優(yōu)化建筑形態(tài)、空間，以及模型數(shù)據(jù)的自動生成，對其進行直觀的控制［2］。異形曲面幕墻參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容就是通過改變幕墻參數(shù)來控制生成效果，也能夠提高異形曲面幕墻的建造效率、質(zhì)量和獲利能力［3］。

2 建筑BIM參數(shù)化技術(shù)設(shè)計流程

為了保證設(shè)計工作的順利進行，在采用建筑BIM技術(shù)創(chuàng)建模型時，依次制定了具體BIM 模型創(chuàng)建流程，用于指導(dǎo)BIM 創(chuàng)建的具體工作。根據(jù)工程總進度計劃編制，制定建筑BIM 深化設(shè)計進度計劃，該進度計劃是各項工作實施的前提保障。建筑BIM參數(shù)化技術(shù)設(shè)計流程如圖1所示。

從圖1 可以看出，各專業(yè)信息不斷加入BIM 中，實現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同工作［4］。

圖1 建筑BIM參數(shù)化技術(shù)設(shè)計流程Fig.1 Design Flow Chart of Building BIM Parameterization Technology

3 建筑異形曲面幕墻總體分析

造型復(fù)雜的異形曲面幕墻，不利用BIM技術(shù)，難以直觀表現(xiàn)和設(shè)計施工控制。為提高建模的高效性及模型交換合并，利用Rhino&Grasshopper（簡稱GH）創(chuàng)建整體的表皮模型。Grasshopper 是一種插件，是一款可以在Rhino犀牛環(huán)境下運行的采用計算程序算法而生成模型的建模插件，與傳統(tǒng)建模工具相比，GH 的最大的優(yōu)點是可以向BIM運行計算機下達高級復(fù)雜的邏輯建模運算指令，使計算機根據(jù)預(yù)定的計算算法自動構(gòu)建模型結(jié)果。

建筑幕墻表皮模型創(chuàng)建基本流程：①設(shè)定統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，方便后期模型整合；②從CAD平面圖提取每層的幕墻輪廓控制線；③根據(jù)樓層標(biāo)高放置每層的幕墻輪廓控制線，形成三維輪廓控制網(wǎng)；④將三維空間輪廓控制網(wǎng)導(dǎo)入Rhino 犀牛軟件；⑤根據(jù)三維輪廓控制網(wǎng)、立面圖、效果圖等利用GH快速建立表皮模型。

3.1 異形曲面構(gòu)件式幕墻模型深化設(shè)計

異形曲面構(gòu)件式幕墻系統(tǒng)，其外觀裝飾線條造型獨特，內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，需要復(fù)雜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)支撐。龍骨作為空間結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件，同時也是幕墻系統(tǒng)最主要的受力構(gòu)件，龍骨安裝定位的精準(zhǔn)度決定了整個幕墻質(zhì)量的優(yōu)劣。將幕墻龍骨通過BIM 建模，可直觀地展示幕墻龍骨整體造型，異形部位變化趨勢，體現(xiàn)龍骨之間的搭接配合，幕墻龍骨與主體鋼結(jié)構(gòu)之間的定位關(guān)系，轉(zhuǎn)角交界部位處理等信息。對系統(tǒng)節(jié)點進行可視化模擬，可視化是BIM 應(yīng)用的一種有效方式，不僅能夠進行幕墻系統(tǒng)的三維模擬，實現(xiàn)轉(zhuǎn)折交接部位的可視化，還可以模擬各材料的安裝過程和邏輯配合順序，從而對幕墻系統(tǒng)設(shè)計進行反饋優(yōu)化。因此，異形曲面構(gòu)件式幕墻的深化設(shè)計常采用GH。GH 不僅具有參數(shù)化及強大的曲面建模功能，還可以快速的完成模型創(chuàng)建并能夠?qū)С霾牧闲畔ⅰ?/p>

3.2 異形曲面單元式幕墻模型深化設(shè)計

異形曲面單元式幕墻采用傳統(tǒng)方式測量、加工、安裝都有非常大的難度。為精確加工、精準(zhǔn)安裝，模型的深化設(shè)計非常重要。不僅造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)層次多，相互交接部位多。保證單元板塊的加工組裝進度，以及下一步的材料提取加工，本幕墻系統(tǒng)采用CATIA 軟件進行設(shè)計建模。通過CATIA 具有強大的參數(shù)化設(shè)計能力，能夠有效快速的進行后期模型的調(diào)整和修正。建立參數(shù)化模型后，通過檢查分析模型，優(yōu)化調(diào)整不合理部位使之更合理，同時更為方便加工組裝。開放的API 接口能夠極大的提高設(shè)計效率及精確度，而且其完善的CAM 功能方便車間對型材數(shù)控加工。為了能夠快速的實現(xiàn)創(chuàng)建模型、提取和更新參數(shù)、獲得型材模型等工作，對Catia 進行了一系列的二次開發(fā)，形成小程序，更加便于設(shè)計施工。 利用CATIA 從表皮模型中提取用于實例化模型的控制參數(shù)，根據(jù)該工程的特點，可以由四個點和兩個長度參數(shù)驅(qū)動模型，通過其它參數(shù)控制模型的細部內(nèi)容；通過“批量實例化”程序得到各單元體模型及單元組件參數(shù)；為單元下料做好準(zhǔn)備。

4 建筑幕墻模型創(chuàng)建

4.1 建筑表皮分格劃分

在構(gòu)建建筑模型時，為了能夠最大限度地貼合建筑效果且滿足幕墻設(shè)計施工及其加工要求，全過程采用Rhino 參數(shù)化設(shè)計。以兩根建筑輪廓控制線為基準(zhǔn)，此設(shè)計分格原則為美學(xué)要求，也符合建筑原生板材規(guī)則。在建模過程中經(jīng)過多次調(diào)整達到比較完美的效果。根據(jù)設(shè)計要求，利用Rhino&GH 參數(shù)化對立面進行分格劃分，盡量控制板塊的模數(shù)，使每個板塊都能滿足設(shè)計及加工要求。通過BIM 軟件對建筑外立面進行模數(shù)化分格劃分是BIM 最常用的技術(shù)之一，建筑表皮分格劃分也是為建筑表皮曲率分析確定依據(jù)。犀牛Rhino的優(yōu)點在于強大的曲面建模能力和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)計算功能，有利于異形曲面建筑幕墻的建立，是實現(xiàn)幕墻參數(shù)化設(shè)計的手段之一。

4.2 建筑表皮曲率分析

利用BIM 模型對幕墻自由曲面部分各個立面進行曲率分析，根據(jù)分析結(jié)果對曲率不均勻的區(qū)域進行曲面的重新擬合生成，從而保證建筑造型順滑自由過渡的最佳外立面效果。幕墻鋼龍骨為沿幕墻外立面造型變化的自由扭曲曲線，通過BIM 模型分析出曲線的曲率及弦高，在不影響視覺效果的前提下，根據(jù)不同曲率進行整理歸類，并將曲率較小的弧形優(yōu)化成直線。建筑表皮曲率分析對建筑表皮最終確定具有重要的實際意義，也是建筑幕墻結(jié)構(gòu)確定提供科學(xué)的依據(jù)。

4.3 建筑幕墻結(jié)構(gòu)確定

異形曲面幕墻為曲面環(huán)繞幕墻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，外部效果變化多形。因此我們在幕墻方案設(shè)計階段，對幕墻系統(tǒng)進行區(qū)域分解建模，并為結(jié)構(gòu)計算提供精確的計算模型。同時對計算受力位置、受力跨度、受荷寬度、傾斜角度等計算條件進行統(tǒng)計歸類，模擬出找出受力最不利的位置，減少結(jié)構(gòu)計算的重復(fù)工作量。對重點部位進行三維建模模擬，模式系統(tǒng)可行性，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件通過計算確定系統(tǒng)的安全性、可靠性。

4.4 幕墻節(jié)點可視化模擬

橫豎龍骨配合曲面造型調(diào)整，空間定位很難。橫向裝飾條截面尺寸呈現(xiàn)曲面飄逸變化，分格錯位交接，角度變化頗多。常規(guī)的二維節(jié)點無法表達精確。幕墻橫豎龍骨在施工現(xiàn)場也無法按照常規(guī)的施工工藝定位施工，只有通過BIM 軟件進行安裝模擬，檢查各構(gòu)件的配合是否合理，安裝空間是否足夠，結(jié)構(gòu)受力位置是否科學(xué)，施工安裝順利是否合理，因此節(jié)點可視化模擬施工也是BIM最常應(yīng)用的技術(shù)之一。

4.5 碰撞檢查及復(fù)核

基于網(wǎng)絡(luò)的工程管理、信息互通以及協(xié)同工作信息化平臺等，利用Navisworks 軟件對幕墻龍骨模型和與主體結(jié)構(gòu)及其其他專業(yè)模型進行碰撞檢查，提前發(fā)現(xiàn)模型中的干涉問題，及時作出調(diào)整。當(dāng)建筑用戶幕墻模型與各個專業(yè)碰撞沒有問題時，那就是建立完成完整的建筑模型。

4.5.1 與主體結(jié)構(gòu)的碰撞檢測

利用BIM 的碰撞自動檢測功能檢測幕墻龍骨與主體結(jié)構(gòu)之間的干涉情況，在設(shè)計階段對干涉提前進行調(diào)整。

4.5.2 與其他專業(yè)間的碰撞檢查

將各個專業(yè)模型導(dǎo)入一個建模軟件Revit 進行合模，然后再導(dǎo)入Fuzor 進行碰撞檢查，看與管道管線設(shè)備等是否有沖突。若有存在沖突需應(yīng)該及時出具碰撞報告，及時反饋協(xié)商解決辦法，在施工前將碰撞問題解決掉。

4.5.3 幕墻施工過程中的跟蹤復(fù)核

幕墻施工過程中，通過現(xiàn)場復(fù)核與模型比對，實現(xiàn)建筑的實時精準(zhǔn)控制。實施過程中，通過現(xiàn)場復(fù)核與模型比對，實現(xiàn)建筑的實時精準(zhǔn)控制。使其設(shè)計與施工進度相對應(yīng)，形成施工設(shè)施的4D動態(tài)管理［5］。

4.6 施工圖紙生成

參數(shù)化BIM 技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)由二維圖紙到三維模型的設(shè)計流程。建筑模型檢驗無誤后，將Rhino 模型導(dǎo)入另一個建筑模型軟件Revit，利用Revit 強大的出圖功能生成平面圖、立面圖、剖面圖等施工圖紙。在以后的建筑設(shè)計中再延伸到思維模式，實現(xiàn)全生命周期的構(gòu)建。而且，利用BIM 可以降低相應(yīng)的風(fēng)險和縮短工期［6］。

5 建筑幕墻模型指導(dǎo)施工

5.1 材料信息提取及材料提取加工

異形幕墻折線多，交接部位多且復(fù)雜，故采用參數(shù)化方法對材料信息進行批量提取，保證交接部位準(zhǔn)確吻合。具體實際設(shè)計過程中是通過犀牛Rhino創(chuàng)建幕墻模型，生成建筑幕墻實體模型。在Rhino 中將三維模型設(shè)置在Perspective 視圖中，采用Orient3Pt 命令，通過三點定位方式，定位到基準(zhǔn)平面；在TOP 視圖中采用Make2D，生成三視圖，導(dǎo)出DWG 文件，從而生成加工圖。建模過程中生成的參數(shù)和構(gòu)件實體模型都可用于生成數(shù)控加工的型材模型（.stp 文件），此模型可以通過“導(dǎo)出幾何體”程序直接獲得，也可以先導(dǎo)出Catia 文件，然后用“格式轉(zhuǎn)換”程序轉(zhuǎn)換成.stp 文件。幕墻生產(chǎn)車間根據(jù)型材模型利用數(shù)控機床加工型材，大大減輕了工藝圖出圖工作量，提高了加工效率及準(zhǔn)確性。

5.2 材料跟蹤管理

異形曲面幕墻的遞進式倒退造型決定了工程中沒有相同的板塊，面對數(shù)以萬計的面板材料，材料管理成了難題。基于材料跟蹤管理系統(tǒng)結(jié)合BIM 軟件形成“互聯(lián)網(wǎng)+BIM”的技術(shù)，實時更新各個環(huán)節(jié)的材料狀態(tài)，根據(jù)材料的安裝信息，將現(xiàn)場進度實時反映在BIM 模型中。利用無人機進行空中航拍形成全景影音資料，方便與BIM 模型進行比對，以便確定模型與現(xiàn)場進度絕對統(tǒng)一，對工程進度有更為直觀的了解，對項目設(shè)計與施工實施動態(tài)調(diào)整。采用這種管理方式實現(xiàn)了對材料高效化、科學(xué)化、智能化的管理。材料跟蹤管理流程如圖2所示。

5.3 模型內(nèi)部漫游，查看設(shè)計合理性

建筑幕墻模型內(nèi)部漫游采用顯示速度及效果比較好的Fuzor 軟件。軟件Fuzor 對Revit 的具有更好的兼容性，可以直接使用在碰撞檢查階段合成的模型進行漫游，檢查設(shè)計合理性，而且可以直接在Fuzor 中修改模型，能夠?qū)崟r同步到Revit。如果有必要可以導(dǎo)出漫游動畫，進行4D模擬施工與動畫演示［7］。

圖2 材料跟蹤管理流程Fig.2 Material Tracking Management Flowchart

5.4 施工模擬

針對該工程空間點位多的特點，采取全站儀進行放樣，以確保定位的精度，保證建筑效果。先將模型點位信息導(dǎo)出到表格，然后導(dǎo)入全站儀進行現(xiàn)場放樣，根據(jù)放樣結(jié)果校核模型。BIM參數(shù)化技術(shù)在施工工作中起到重要作用，大大縮短了整個項目的施工工期。

5.5 放樣定位測量放線

在施工現(xiàn)場中，可以根據(jù)實際情況將深化設(shè)計模型中的定位點信息導(dǎo)出到表格（.csv），然后將所得數(shù)據(jù)輸入全站儀進行現(xiàn)場放樣，根據(jù)放樣結(jié)果校核幕墻模型。施工放線應(yīng)首先確定關(guān)鍵點，先放樣水平線，用水準(zhǔn)儀進行水平線的放線，常用的鐵線放線采用花藍螺絲收緊，然后吊垂線豎直放樣，當(dāng)風(fēng)力大于4級時不宜放線。測量放線時根據(jù)放線后現(xiàn)場情況，對實際施工的土建結(jié)構(gòu)進行測量。測量結(jié)構(gòu)要隨時記錄，并且對數(shù)據(jù)記錄整理分類：對測量的各種結(jié)果進行分析，對數(shù)據(jù)進行處理后，要對誤差大，需調(diào)整的位置進行處理，提出切實可行的處理方案。同時，將資料整理成冊上報項目，同為下一道工作做好鋪墊。

5.6 工程量統(tǒng)計

通過優(yōu)化之后的BIM 模型，利用GH 參數(shù)化輸出板材尺寸清單、板材、型材、鋼材等材料的工程量，為材料招標(biāo)及商務(wù)預(yù)算提精確的數(shù)據(jù)，大大減少了商務(wù)算量的工作量。通過材料信息提取出加工圖紙，直接交付生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)加工，效率提升數(shù)倍，極大的縮短了材料采購周期。深化設(shè)計后的模型，已經(jīng)具備準(zhǔn)確的材料信息，根據(jù)導(dǎo)出的材料信息表利用Excel開發(fā)的插件自動生成符合國家工程量清單計價規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的工程量清單及報表，可以快速統(tǒng)計和查詢各專業(yè)工程量，可以為進度控制、進度款支付、結(jié)算等提供工程量支撐。

5.7 信息化管理

在項目采用DBWord 平臺進行項目管理，包括項目信息、管理人員、施工檔案、安全管理、質(zhì)量管理、進度控制、技術(shù)與科技、智慧工地等。其中模型管理有對各專業(yè)BIM 模型的信息互通交流、匯總整合、信息查詢反饋等功能。所以，采用BIM 技術(shù)對研究異形曲面幕墻設(shè)計與施工作用具有積極意義［8］。

5.8 工程可視化管理

可視化管理是BIM 技術(shù)應(yīng)用的一種有效方式，不僅能夠進行幕墻系統(tǒng)的三維模擬，實現(xiàn)轉(zhuǎn)折遞進折疊交接部位的可視化，還可以模擬各材料的安裝進程和邏輯順序，從而對幕墻系統(tǒng)設(shè)計進行反饋優(yōu)化。通過BIM 三維可視化溝通，能夠直觀的展示建筑的形態(tài)和構(gòu)造，所見即所得，能夠有效的縮短溝通時間，大大提高溝通效率，減少了溝通成本。

因此，建筑幕墻參數(shù)化設(shè)計通過驅(qū)動參數(shù)模型進行模擬設(shè)計，BIM 參數(shù)化技術(shù)基于數(shù)據(jù)集成承載項目生命周期的各種應(yīng)用。從過程上來看，BIM 參數(shù)化技術(shù)不僅承接參數(shù)化設(shè)計模型及參數(shù)，同時傳遞設(shè)計，并將更多貢獻集中在如何根據(jù)新的建造條件、材料供應(yīng)等情況調(diào)整模型數(shù)據(jù)。通過在建筑設(shè)計過程中應(yīng)用BIM 參數(shù)化技術(shù)，通過建立具有時效性的建筑信息模型實現(xiàn)其他專業(yè)的協(xié)同設(shè)計，避免傳統(tǒng)二維建筑設(shè)計過程中建筑模數(shù)資料不對等的問題，實現(xiàn)二維到三維再到四維空間時空的轉(zhuǎn)變，再次過程中也優(yōu)化設(shè)計流程，提高設(shè)計效率，表達設(shè)計的合理性。BIM 模型中在以后的應(yīng)用中包括建筑項目整個生命周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及核心內(nèi)容，因此，應(yīng)用BIM 參數(shù)化在今后的異形幕墻設(shè)計施工中尤為重要［9］。

6 總結(jié)

為了適應(yīng)新的國家戰(zhàn)略形勢，是配合地區(qū)新舊動能轉(zhuǎn)換，促進構(gòu)建技術(shù)升級，推動建筑行業(yè)快速發(fā)展，相關(guān)從業(yè)人員要主動積極推廣建筑BIM 參數(shù)化技術(shù)，把BIM 參數(shù)化技術(shù)更多的應(yīng)用于實際復(fù)雜工程之中。積極探索主動拓展積極配合使用三維激光掃描儀、VR技術(shù)、3D 打印等先進儀器設(shè)備；完善并加強“互聯(lián)網(wǎng)+BIM參數(shù)化技術(shù)”，逐步搭建適合幕墻工程的BIM構(gòu)建平臺。實現(xiàn)協(xié)同的項目管理和全生命周期的數(shù)據(jù)信息管理；打造“BIM+智慧工廠”，實現(xiàn)模擬設(shè)計與智能工廠的無縫對接，提高異形曲面幕墻設(shè)計、施工及其各種材料構(gòu)配件生產(chǎn)效率和整體質(zhì)量，最終建造出完美的異形曲面建筑幕墻產(chǎn)品。