BIM在超高層建筑幕墻中的應用初探

顧正浩 蘇州蘇明裝飾股份有限公司

1 序言

隨著科學技術的迅速發(fā)展，技術創(chuàng)新、科技進步已然成為當下企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要部分。工業(yè)在信息化改革后生產效率得到很大提升，遠遠超越了建筑業(yè)，可見建筑業(yè)的低生產效率與它在信息技術應用方面的落后狀況有著明顯的關聯(lián)。BIM技術是針對建筑工程項目信息的數(shù)字化表達，是數(shù)字化技術在建筑業(yè)中的直接應用，也是近來建筑幕墻行業(yè)重大共性技術的研究之一。本文將結合吳江農村商業(yè)銀行綜合營業(yè)大樓的幕墻工程項目，闡述BIM技術在超高層建筑幕墻中的探索應用。

2 項目概況

本工程地處江蘇省吳江濱湖新城核心區(qū)，整體建筑主要由裙樓部位的構件式幕墻和塔樓部位的單元式幕墻構成，建筑總高度為168m，屬于超高層建筑，建筑幕墻總面積約26000多平方米（圖1）。該項目整體外觀立面雄偉纖秀，是一幢國際化標準的商務辦公樓，整體建筑風格體現(xiàn)著“以人為本，以環(huán)境為依托”的思想，注重建筑風格與周邊環(huán)境的協(xié)調，建筑造型體現(xiàn)了現(xiàn)代、簡約、獨特、挺拔，與周邊美麗的環(huán)境融為一體，交相輝映。項目建成后將成為當?shù)仡H具特色的標志建筑，是城市的一道亮麗風景線。

圖1

3 軟件環(huán)境

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）的核心是以三維數(shù)字模型技術為載體，集成建筑工程項目中各種相關信息的工程數(shù)據(jù)而建立的信息化模型，是對建筑工程項目信息的詳細綜合表述。建筑信息模型是數(shù)字化技術與信息化管理在建筑工程項目中的直接應用，以解決建筑工程項目在信息傳遞、提取過程中的問題，使設計人員和工程技術人員能夠在協(xié)同設計的平臺上及時準確地提取需要的信息，從而提高設計、施工的工作效率與質量。建筑信息模型同時又是一種貫穿于設計、建造、管理的數(shù)字化解決方案，這種方案通過將工程信息自動化、透明化來提高管理人員的管理能力。

但是我們在談到BIM 時，很多時候大家想到的就只有Autodesk Revit 這一個軟件的使用，這是對BIM 的一種誤解。BIM絕對不是特指某一款軟件，它是一系列BIM軟件的在一個項目周期中進行的綜合運用。Autodesk Revit作為BIM的核心建模軟件和協(xié)同設計平臺，可以實現(xiàn)主體結構和大部分幕墻的模型建模、明細表數(shù)據(jù)的生成、平立剖面等施工圖出圖等功能。Autodesk Inventor在幕墻標準節(jié)點建模，實現(xiàn)機械加工工藝圖的設計上具備軟件的優(yōu)勢。另外還有Navisworks、Ecotect、Enscape、Fuzor等軟件幫助我們進行模型碰撞檢測、綠色建筑分析（采光分析、陰影分析、風環(huán)境分析等）、動態(tài)漫游、施工進度4D模擬等。我們將結合本幕墻工程BIM技術的探索應用進行相關軟件的具體使用介紹。

4 項目實施重點

BIM技術之所以引起如此強烈的關注，源自于其對專業(yè)與信息的整合，利用數(shù)字建模軟件，提高了項目設計、建造和運營管理的效率，進而成為使企業(yè)更具競爭性的利器。下面圍繞吳江農村商業(yè)銀行綜合營業(yè)大樓幕墻工程在設計、生產和施工管理等項目的實施過程中，重點從以下五個方面介紹BIM技術在本項目中的實際應用情況。

4.1 項目整體建模

顧名思義我們需要以整個幕墻工程項目為對象創(chuàng)建三維參數(shù)化信息模型。本工程中我們利用Autodesk Revit 軟件，創(chuàng)建了工程項目的整體結構框架模型及大樓幕墻模型（圖2）。結構框架模型主要包括了柱、梁、墻及樓板等結構構件的詳細尺寸、位置等數(shù)據(jù)信息，一般以結構施工圖為BIM 的建模依據(jù)。我們同時以幕墻施工圖為依據(jù)進一步創(chuàng)建外立面的幕墻整體模型，能夠直觀體現(xiàn)建筑的整體效果。通常二維平面CAD 圖紙信息表達的不夠完整和準確，特別是各種收邊收口的交接部位，這階段幕墻三維信息模型在結構框架模型的基礎上，我們通過采用Navisworks 的碰撞分析，一方面已經能夠粗略反應建筑幕墻構造與建筑結構間存在的碰撞干涉情況，可以提前發(fā)現(xiàn)幕墻系統(tǒng)因與主體結構干涉而無法施工的部位；另外一方面可能會存在實際施工尺寸偏差甚至局部缺少圖紙信息表達而無法建模的情況，這些都將是幕墻項目深化設計施工時我們需要重點關注的問題，并需要在進場施工前得到有效的解決。當然項目整體BIM信息模型的創(chuàng)建是項目BIM應用的前提和基礎，能為我們項目后續(xù)的細部構造優(yōu)化調整和利用BIM 信息模型組織施工模擬等各類分析提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2

4.2 幕墻系統(tǒng)深化

深化設計是整個幕墻項目能夠順利實施的前提，是把握項目的設計理念、滿足使用功能要求的關鍵。我們對本工程的幕墻系統(tǒng)構造進行BIM 建模，通過建筑幕墻構造的細部可視化三維深化設計，能夠清晰表達幕墻各構件間的空間關聯(lián)關系，這也是傳統(tǒng)CAD 二維平面所欠缺的。同時作為BIM 參數(shù)化模型是有別于一般的效果圖，需要能夠反應建筑幕墻各構件的參數(shù)化信息，主要包括如型材名稱、型材編號、牌號狀態(tài)、線密度、表面處理及長度等，以便能進一步能夠實現(xiàn)幕墻生產施工相關數(shù)據(jù)的提取，因此BIM 建模工作是幕墻設計中耗時耗力最大的環(huán)節(jié)。

為保證相同幕墻構件在不同幕墻系統(tǒng)構造中進行BIM建模時能夠被重復調用，在保證構件參數(shù)信息準確的同時有效提高建模效率，我們需要在幕墻系統(tǒng)構造BIM 建模前優(yōu)先在Autodesk Revit 軟件環(huán)境中建立幕墻標準型材族庫（圖3），將項目中需要用到的每一個構件進行參數(shù)化信息預置。標準型材族庫的建立不僅僅為本項目的BIM 幕墻系統(tǒng)建模提供便利，而且作為標準化的參數(shù)構件，若在其他工程項目中涉及相同參數(shù)構件時同樣可以重復有效利用。本幕墻工程中我們主要針對橫明豎隱構件式幕墻、豎明橫隱構件式幕墻、橫明豎隱單元式幕墻、豎明橫隱單元式幕墻四種幕墻構造系統(tǒng)，完成了BIM參數(shù)化信息模型的系統(tǒng)深化（圖4）。

圖3

圖4

另外在本工程幕墻系統(tǒng)構造的深化階段我們運用了3D打印技術，通過采用Rhino軟件建模導出后將幕墻型材各構件等打印成1:1的實體模型，型材截面和幕墻系統(tǒng)節(jié)點設計構造進行模擬比對后，能夠進行設計方案的優(yōu)化調整（圖5），最終我們通過三維實體小樣確認幕墻型材的實際開模尺寸和要求，從而有效節(jié)省了幕墻系統(tǒng)型材因試模而報廢的昂貴開模成本。

圖5

4.3 板塊下料

單元式幕墻是將幕墻的鋁合金龍骨、面板材料、五金配件、保溫防水材料及其他相關材料等構件事先在工廠組合成單元組件，單元組件（板塊）直接固定在主體結構上，不再是先安裝一根根幕墻元件組成框架，再安裝面板的施工過程。因為每一單元式幕墻板塊是構成整個幕墻工程的最小基礎單位，也是相對獨立的組件，與BIM 的模塊化建模匹配性較高。因此我們利用BIM技術重點對本工程塔樓部位采用的單元式幕墻進行單元板塊的自動摘料嘗試應用。

想要獲取單元板塊的準確摘料數(shù)據(jù)參數(shù)，前提是必須確保我們的建筑幕墻BIM三維參數(shù)模型的準確性。我們在整體幕墻模型中首先對單元幕墻板塊按不同類型、不同尺寸等進行分類編號，對具備相同類型、尺寸但位于不同部位的單元板塊采用相同編號的原則。通過利用Autodesk Revit 軟件的系統(tǒng)自動編號，所有單元幕墻板塊根據(jù)不同的分類編號及在BIM模型中所處的相對位置信息，構成了本項目中每一單元幕墻板塊屬性數(shù)據(jù)的唯一性。我們利用Autodesk Revit 軟件的嵌板族庫為本項目的每一種不同幕墻類型創(chuàng)建了幕墻嵌板族（圖6），板塊尺寸不同但構造形式相同的作為一種幕墻類型。然后對整個幕墻工程模型中的單元幕墻板塊進行對應的幕墻嵌板族參數(shù)調用嵌套設置。將所有的幕墻板塊參數(shù)調整設置完畢后，我們的整個BIM 模型幕墻系統(tǒng)已經成為具備了本項目專屬屬性數(shù)據(jù)的三維信息參數(shù)化模型。

圖6

我們可以通過選擇本項目所有幕墻板塊或按樓層選擇幕墻板塊等多種任意方式組合選取后，利用軟件系統(tǒng)自動導出幕墻板塊統(tǒng)計表，包括板塊的類型、編號、寬高尺寸、面積、標高及所處位置等信息；進一步可以自動生成鋁材明細表、面板明細表等詳細參數(shù)數(shù)據(jù)，幫助我們進行下料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。所有的數(shù)據(jù)來源均通過幕墻參數(shù)模型自動給出，數(shù)據(jù)不僅可以隨取隨用、快速便捷，而且準確性高，避免了人為統(tǒng)計的誤操作偏差；并且幕墻板塊設計如果發(fā)生變更，僅需調整相應的族參數(shù)等數(shù)據(jù)參數(shù)信息，所有幕墻下料數(shù)據(jù)即可瞬間自動計算更新，大大節(jié)省了因幕墻變更所帶來的重復畫圖、計算、統(tǒng)計等大量重復工作的時間。

為了能將BIM信息參數(shù)模型與幕墻摘料更好的有機結合起來，同時提高幕墻板塊下料的數(shù)據(jù)處理效率，上述軟件系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)處理方式與我們日常工作習慣匹配度不高，數(shù)據(jù)表單界面不夠直觀清晰，無法直接滿足我們的實際需要。我們針對公司幕墻單元板塊的實際下料流程，并基于Autodesk Revit 軟件平臺進行了幕墻下料軟件的二次插件開發(fā)，能夠實現(xiàn)將BIM信息參數(shù)模型中的幕墻嵌板各分類明細表數(shù)據(jù)進行整合，同時快速生成符合公司日常使用標準的幕墻板塊下料單，進一步提高了工作效率和BIM數(shù)據(jù)的可用性。

4.4 加工出圖

幕墻加工圖是用于幕墻構件加工的重要文件，其尺寸的準確和精度的高低會直接影響幕墻的加工質量。通常幕墻的加工圖紙需要按機械制圖的標準來設計。我們在上述BIM的相關應用中主要是采用Autodesk Revit 軟件來實現(xiàn)，但其最大的不足是軟件的最小精度為毫米級，導致幕墻鋁合金型材的細部如邊部小圓角等無法準確表達。當然我們可以采用Autodesk Revit 和AutoCAD 相結合的處理方案，因涉及部分傳統(tǒng)技術方案的處理方式，本文在這里不再詳述。

本工程幕墻中我們是通過Autodesk Inventor 軟件來實現(xiàn)幕墻生產加工圖的BIM 參數(shù)化設計。創(chuàng)建的幕墻板塊三維BIM參數(shù)化模型（圖7），不僅能夠直觀的呈現(xiàn)幕墻板塊系統(tǒng)的詳細結構，而且可以直接導出幕墻每一根構件的二維平面加工圖紙及幕墻板塊的裝配圖，同時通過Autodesk Inventor信息模型可以自動導出生成構件的加工尺寸清單一覽表（圖8）用于幕墻車間的生產制作。導出的加工圖、裝配圖、數(shù)據(jù)單等與傳統(tǒng)方式無異，車間工人不需要額外進行培訓識別三維模型空間圖的技術能力，也不需要改變以往的常規(guī)工作模式就能順利完成幕墻產品的加工任務。

圖7

圖8

然而目前版本的Autodesk Inventor 軟件與Autodesk Revit軟件間的自定義參數(shù)族庫數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺的互通共用，BIM 模型數(shù)據(jù)文件也無法直接相互引用，因此造成了我們在軟件應用上的局限性，需要在不同軟件下有多次建模的情形，但筆者相信通過軟件版本的升級換代就會有很好的解決方案。

另外我們利用已創(chuàng)建的BIM 三維模型，借助Autodesk Inventor 完善的模型裝配和豐富的資源中心，可以輕松制作幕墻板塊的裝配動畫模擬（圖9），它作為對車間工人的可視化加工交底，比傳統(tǒng)的交底方式更加的形象生動。

圖9

4.5 施工管理

單元式幕墻都是在工廠加工組裝制作成單元組件，一個單元板塊即為一個受力單元，現(xiàn)場只需要進行吊裝。在工廠制作好的單元板塊運至施工現(xiàn)場，與建筑主體結構預先設置的連接件支座精確連接，完成大樓整幅幕墻的施工安裝。本工程塔樓單元式幕墻的最大單元板塊尺寸為1500mm×4200mm，最大施工高度為168m。根據(jù)本項目的現(xiàn)場實際情況，本工程施工時計劃采用單導軌軌道吊裝，分別在塔樓的16層、32 層及頂層設置滑軌。我們依據(jù)該項目的幕墻施工組織設計方案，在項目正式施工前利用BIM 技術進行了幕墻板塊吊裝方案的施工模擬（圖10），以便更直觀地展現(xiàn)該項目施工過程及施工管理中的重難點，能夠及時調整相應的施工方案。同時我們制作了單元幕墻板塊的現(xiàn)場安裝動畫模擬（圖11），通過直觀的動畫演示給施工班組進行施工交底，加強了安裝工人對板塊施工工藝的深刻了解和掌握，進一步提高了本項目幕墻板塊的安裝質量。

圖10

圖11

建筑幕墻的高效施工組織管理是項目施工管理中的主要要素之一，能夠保證整體項目的順利實施。通常幕墻板塊的運輸成本相對較高，板塊容易破損，破碎后不易立刻更換等。我們如何能夠做到項目的精準下料、精準加工、精準運輸及精準掛裝，從而保證項目的整體進度？BIM技術在本工程項目的施工中起到了重要作用。我們利用BIM技術進行項目施工進度的整體動畫模擬，通過關鍵時間節(jié)點，控制項目的施工進度要求。另外根據(jù)不同區(qū)域幕墻板塊的施工進度情況，在BIM三維參數(shù)模型中采用顏色分區(qū)及板塊屬性參數(shù)管理（圖12），清晰地反應出幕墻板塊已安裝和未安裝的區(qū)域，并與現(xiàn)場實際情況數(shù)據(jù)同步，及時直觀地反映項目的施工進度情況，更好地進行項目管控。

圖12

5 結語

通過對本項目幕墻工程中的BIM 技術的探索應用，我們更加發(fā)現(xiàn)BIM技術在幕墻項目中特別是超高層建筑幕墻實施中的巨大潛力優(yōu)勢。它不僅能讓項目的設計過程更流暢、更精準、更高效，而且還能讓項目的施工過程更合理、施工管理更高效，實現(xiàn)項目的經濟效益。同時BIM 技術在本項目的實施應用中也遇到了很多問題，不僅有技術上的，也有管理上的，但我們有理由相信BIM 的信息化參數(shù)設計是以往傳統(tǒng)工具所無法替代的，代表了信息技術在我國建筑業(yè)中的應用趨勢，未來必然將展現(xiàn)很高的建筑信息化應用價值。