復雜建筑幕墻BIM正向設計研究

程希奇 李 蓓 邱繼衠 陳炳任

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

自2003年BIM這一理念進入中國，BIM在我國建筑行業得到飛速發展，各項BIM標準相應出臺[1]，各行業技術不斷融合創新，BIM的先進性、多樣性、融合性、發展性促使BIM已然具備第二個“互聯網+”的雛形[2]，其最主要的信息化應用衍生出無數可能，建造由繁至簡，推動建筑業向數字建造邁進[3]。

國內推行BIM已經十多年，BIM到底是理念、是軟件、是參數化、還是模型？BIM是種解決問題的技術方法，是推動數字建造的手段[4]，是一套完整的全生命周期體系[5]。其精髓在于數據發揮作用的大小，BIM軟件是其中的工具，參數化是其應用的一種方法，模型是信息傳遞的載體。

1 國內幕墻BIM正向設計現狀

目前，很多項目BIM應用仍停留在表面，應用過程中忽略了BIM的核心——數據信息共享，給業主單位造成了BIM是翻模、是軟件、是模型瀏覽平臺的錯覺，認為BIM沒體現出實際的用處[6]。為什么工業化可以發展到4.0，就是因為打通了信息共享的數據鏈，我們要實現BIM最大價值，應該從項目源頭開始，從規劃設計階段就接入BIM技術應用，打通數據鏈條，成體系應用才能獲得最大的價值體現[7]。

當前國內有很多單位在做BIM正向設計的嘗試，如港珠澳大橋、上海萬達廣場、深圳民生互聯網大廈等，不斷研究深挖BIM技術應用價值，但這些案例大部分是針對單一的土建、機電或結構專業總承包層面的，幕墻專業相對較為復雜，特別是異形曲面幕墻，實現起來更為困難。如何在幕墻中運用BIM正向設計技術，充分體現BIM技術應用的價值，是幕墻設計發展的重要突破點。

2 幕墻BIM正向設計解析

正向設計最早是出現在制造業中，由于我國制造業起步晚，以往都是反向設計、反向工程(逆向工程)、逆向設計等。在“十三五規劃”更是明確了我國工業從研仿向自主創新轉變，提出“中國制造2025”，正向設計隨之而生。

簡單來說，正向設計是從概念理論到實物，逆向設計是從實物逆推概念理論。在建筑行業中，從廣義的角度來說，目前所有的設計基本上都屬于正向設計，包括傳統的二維設計、目前流行的BIM翻模等等，而BIM正向設計是目前與制造業中正向設計和“數字設計建造”的概念最為接近的。

BIM正向設計是以BIM信息為主導，貫穿建筑的全生命周期，以BIM的思維進行設計工作，所有信息通過BIM模型進行傳遞，實現設計方案推敲審核、投標應用、深化設計、出圖下料以及施工指導、運維應用等等一系列的BIM應用[8-9]，是推動建筑數字化的力量之一，并且BIM是與工業制造連接的橋梁，建筑材料加工都屬于工業制造領域，特別是當前提倡綠色建造、裝配式建造的環境下，與傳統的二維設計比較，BIM正向設計的效率、效益更高。

3 幕墻BIM正向設計實現的難點

我們也在一直探索和研究如何把BIM正向設計在幕墻項目中扎根發芽，推動傳統幕墻向數字幕墻邁進，通過對眾多幕墻項目BIM應用分析，實現的難點主要有以下幾方面。

(1)效益方面。BIM因項目復雜性不同而費用不同，不能準確評估BIM技術能給項目帶來多少效益，大多數企業沒有從需求的層面去推動BIM發展，而是在嘗試通過技術去驅動。加上BIM推廣、軟硬件購置、人才培訓等增加了運營的成本，造成BIM技術應用一直處于投入大，產值小的狀態，短期內難以看到實際的效益。

(2)平臺與數據共享方面。市場上BIM專業平臺雖多卻不配套，數據共享連通成為最大的問題，而且幕墻項目比較復雜，需要多個平臺相互配合。IFC[10]標準是國際通用的BIM數據交換和共享標準，但即使是用同樣標準，在復雜的幕墻環境中，不同BIM平臺存在信息交換后數據丟失現象，需要一個多方兼容的數據中心進行信息交換[11-12]。

(3)規范和標準方面。BIM主流平臺和軟件大部分是國外開發的[13]，國外的標準與國內標準相差較遠，同時，設計交付的成果是符合國家規范與標準的“圖紙”，而不是BIM模型，國家雖然已經出臺相關的BIM應用標準[14-18]，但總的來說還不夠齊全，企業在標準應用方面的研究力量不足，造成BIM設計成果的合法性與有效性無法驗證[19]。

(4)人才儲備方面。掌握BIM技術的設計與施工人員相對較少，大部分單位都是BIM、設計與施工兩條線，BIM與設計、施工脫節的情況比較嚴重，缺少掌握BIM技術的設計和施工人員。

(5)管理方面。BIM是新興的技術，在國家規范和標準未研究吃透之前，BIM在企業中的定位仍不確定； 幕墻工程是建筑的外觀表現，除了需要建筑、結構專業協同，還需要生產加工單位的配合，加之設計周期等待的時間較長，往往出現等方案、趕工期的情況。

(6)設計變更方面?，F行設計仍是以二維圖紙為主，三維模型為輔，最終結果是需要二維圖紙，設計越往后期，變更的成本就越高，在施工階段需大量調整并進行深化設計工作時，大量的設計信息變更調整，設計變更造成的工作量成倍遞增。

4 探索幕墻BIM正向設計的思路

在近兩年，BIM正向設計也逐步被大家認同，積極開展BIM正向設計的研究工作，眾多單位在實施過程中，遇到了很多難以解決的問題，只能在項目的某一階段應用正向設計，全面使用BIM正向設計在企業中仍不現實。如何讓BIM正向設計與傳統設計相結合[20]，實現項目落地和降本增效，是我們重點要解決的問題。

(1)制訂發展規劃，加大對BIM技術的投入力度。BIM 技術是數字幕墻發展必備條件，需要把研究BIM技術放在重要的戰略高度，根據企業自身情況，確定BIM技術研發目標，制訂出中長期發展規劃，包括組織架構、資金配備等，同時出臺對各級管理者的考核機制以及職工所關心的職稱、待遇、職業發展等方面的激勵政策，激發各級管理者推動BIM技術的積極性和員工學習研究的熱情。

(2)以實際出發，兼顧新老技術，研究具有企業特色的協作流程。一是BIM設計與傳統設計相配合，以二維設計為主，三維設計為輔，設計時根據方案同步設計，讓設計師在設計中接觸和使用BIM，借助BIM技術解決設計存在的錯漏，提高設計的質效。二是組建一支BIM設計師團隊，先行試點，擁有專業的設計基本功和BIM技術，開發相應插件，使BIM出圖、審圖等符合國內的規范和標準，這以三維設計為主，二維設計為輔，前期投入成本較高，周期較長，高風險高投入，但成型后效率和收益也比較高。三是輪崗輪訓，針對不懂BIM的設計師，輪崗到BIM團隊進行培訓； 相對沒有設計基礎的BIM設計師，則輪崗到設計團隊進行基礎培訓，通過交叉培訓，提高現有人員的BIM技術和設計能力水平。

(3)積極開展技術交流?？梢圆扇∽叱鋈ズ驼堖M來相結合的方式，經常邀請或參加行業內的BIM專家進行技術講座與研討，指引BIM研發方向，促進BIM技術發展。針對BIM項目，以解決實際問題和項目落地為導向，安排BIM技術人員到項目中去，與項目設計師、管理人員等定期組織技術交流集思廣益，在應用過程中發現問題，解決問題，不斷總結推廣，逐步提升設計和施工企業的BIM技術應用水平。積極與行業內的企業進行技術交流，總結完善出一套適合當前企業生產力的BIM設計流程，重心轉變到技術流程中來，改變以往著重平臺使用的問題。

(4)統籌融合各平臺，建立BIM數據管理中心。當前BIM設計平臺眾多，不同平臺有不同的優缺點，構建大型BIM數據管理中心，統籌融合不同平臺的BIM模型信息，具備項目管理、模型與圖紙管理、文檔管理、項目全生命周期管理、企業ERP等多方內容，整合互聯網、物聯網、云計算等新技術的企業級管理平臺[21]，打通信息壁壘，實現企業、項目、工廠一體化建設。

5 幕墻BIM正向設計實踐研究

設計院通過多個幕墻項目的應用研究，并在實際項目中進行應用，幕墻BIM正向設計研究已初見雛形，下面以中建深圳裝飾有限公司蘇州某大廈幕墻項目與大家一起探討BIM正向設計在幕墻項目中的一些應用。

圖2 蘇州某大廈裙樓異形采光頂及內部效果圖

5.1 項目概況

蘇州某大廈項目位于蘇州工業園區，地塊長約90m，寬約107m。如圖1所示，該項目以中國太平的企業形象“成長·安定”作為設計主題，不刻意追求特意的造型，以展現“莊重大方”、“節節高升”等特質為主，并且兼顧蘇州的傳統地方文化特色，反映在整體造型設計和景觀設計上。

圖1 蘇州某大廈幕墻整體效果圖

圖2中塔樓外墻與裙樓的異形采光頂相連，呈現絲綢般柔軟的連續曲線，為建筑外形帶來整體感，體現了建筑的連續性和動態感，玻璃采光頂下的支撐柱以“樹枝”為意向進行裝飾，呼應了業主的企業形象。

5.2 項目重難點分析

(1)從圖3可以看出，裙房異形采光頂空間造型在二維圖紙上難以表達清晰，面板放置方向各異，深化設計、下料和施工實現難度大。

圖3 曲面分格原始模型

(2)如圖4所示，曲面鋁裝飾條從塔樓西立面扭轉過渡到南立面，需要同時保證拼接外觀效果與實際施工可行性。

圖4 曲面鋁裝飾條扭轉模型

(3)圖5中，鋼結構梁寬度僅為150mm，且法向方向各異，鋼結構的水平施工誤差導致面板支撐鋼件的生根定位誤差較大。

圖5 曲面支撐的鋼結構

5.3 設計階段BIM正向設計研究

5.3.1 三維可視化設計

設計初期，依據建筑模型和圖紙，通過BIM三維可視化技術，建立塔樓標準層系統節點模型(圖6)、復雜系統節點模型(圖7)，通過節點快速生成標準層幕墻系統(圖8)，直觀表現出塔樓幕墻系統設計的構造及功能，幫助設計師理解和展示設計意圖，發現和解決設計中的問題，提高工作效率。

圖6 塔樓標準層幕墻系統節點可視化設計

圖7 塔樓標準層幕墻系統復雜節點可視化設計

圖8 塔樓標準層幕墻系統可視化設計

在方案設計時，裙樓的設計表達是非常重要的，二維圖紙難以把流暢的曲面造型表達出來。我們通過BIM三維可視化技術，與方案設計師配合，建立裙樓單元幕墻與采光頂BIM模型(圖9、 10)把曲線特征通過BIM三維可視化技術完美展示在業主眼前，最終確定裙樓的設計方案。

圖9 裙樓可視化設計

5.3.2 參數化設計

如圖11所示，裙樓采光頂通過借助參數化技術建立BIM模型，定義項目的復雜幾何關系，包括生成設計、算法幾何、關聯性模型等，以參數驅動模型產生設計，為后面延續的深化設計、出圖下料和施工指導提供基礎模型及數據。

圖10 裙樓采光頂可視化設計

圖11 裙樓采光頂參數化曲面

5.3.3 曲面分析

利用BIM分析技術，對曲面進行翹曲度分析(圖12)，通過grasshopper程序編寫算法(圖13)，進行雙曲擬合單曲，單曲擬合平面，選擇最優的翹曲做法以及相應的深化方案(圖14)。

圖12 曲面翹曲度分析模型

圖13 曲面翹曲分析程序

圖14 優化后的曲面表皮模型

5.3.4 專業協調

利用BIM可協調性，把建立好的幕墻BIM模型與結構、土建專業進行綜合分析(圖15)，通過碰撞檢查解決幕墻設計時的各專業碰撞問題，例如埋件與結構發生碰撞、幕墻與機電發生碰撞、幕墻與結構發生碰撞等問題(圖16)。

圖15 全專業協調應用

圖16 幕墻與結構專業碰撞檢查

5.3.5 三維出圖

此次項目所有圖紙基于BIM出圖，通過從碰撞后的模型中提取BIM三維圖紙(圖17)，提交評審與施工深化。在方案或評審改動時，通過直接在模型上進行修改，圖紙文檔相應的自動修改，極大提高了工作效率。

圖17 幕墻節點出圖

5.4 深化設計階段BIM正向設計研究

5.4.1 方案對比

在通過曲面翹曲分析后，通過BIM技術進行曲面玻璃幕墻冷彎做法與翹邊兩種方案比對(圖18、 19)通過業主和日建設計對現場樣板(圖20)的查看，確定了翹邊的應用方案。

圖18 玻璃冷彎方案

圖19 玻璃翹邊方案

5.4.2 幕墻系統優化

通過BIM模型觀察，玻璃幕墻系統中相鄰玻璃板塊型材具有共邊的特點(圖21)，玻璃和型材之間必然存在特殊角度，為使玻璃安裝至正確位置，鋁折板副框需呈無規則梯形(圖22)。我們利用BIM技術，通過對系統進行優化，改為半單元式，取消共邊型材，解決了設計下料與工廠加工的雙重問題。

圖20 兩種方案的安裝效果

圖21 玻璃板塊共邊節點

圖22 鋁折板副框呈無規則梯形

5.4.3 鋁裝飾條設計優化

鋁裝飾條是業主和總包關注的重點，影響到整體的外觀效果，我們通過BIM技術解決了鋁裝飾條外觀效果存在的兩個難題：

(1)剪刀現象(圖23)。兩個相鄰長直物體，放置方向角成一定角度，并用公共平面斜切密拼的情況下，其相交截面會出現類似于剪刀的情況，剪刀的交叉點(即長直物體的放置基點)。

解決方法：如圖24所示，通過BIM模型分析，裝飾條的做法從270mm高改為150mm高，從玻璃分格縫定位優化為在裝飾條頂部向下75mm處設中軸定位，拼接效果得到了明顯改善(圖25)。

圖23 剪刀現象

圖24 剪刀消除分析

圖25 消除剪刀現象后的鋁裝飾條

(2)鋁裝飾條錯臺偏差(圖26)。玻璃面板呈翹邊狀，鋁裝飾條與玻璃間隙存在著不均等錯臺。為使錯臺間隙趨于一致，設計方提出以翹曲點向上偏移一定距離，作為裝飾條下口定位基線。而裝飾條的效果存在著銜接漸變，所以偏移值在與塔樓銜接段和收尾段有所差異。

解決方法：我們利用BIM技術，前后進行了7次的推演，把每1段鋁裝飾條的端點連線，對應玻璃的法線方向按照編寫的算法進行偏移計算，最終完成錯臺偏差的優化調整(圖27)。

圖26 鋁裝飾條錯臺偏差

圖27 調整后的鋁裝飾條

5.5 下料階段BIM正向設計研究

5.5.1 面材出圖下料應用

(1)彩釉玻璃批量出圖

彩釉玻璃由于彩釉點數量大，玻璃的位置任意性，如何在圖紙上給玻璃板塊上清晰的標明彩釉點位是一個難題。我們利用BIM參數化技術找到了規律，得以批量排布玻璃彩釉點，連同每塊玻璃的加工尺寸一起表達為預加工圖，完成普通設計師需要兩個月才能完成的1 700塊玻璃彩釉點的全部配置(圖28)。

圖28 彩釉玻璃批量配置出圖

(2)鋁板出圖下料

對于四邊形鋁板，對接的鋁板加工廠可以根據數據表格來加工，通過BIM技術將模型的板塊數據進行提取，輸出下料單和加工圖(圖29)。

圖29 飄帶鋁板加工料單

(3)月牙鋁包邊板下單

包邊鋁板與裝飾條相似，都存在剪刀誤差，也存在三維拼切角，因此加工圖的表達上需要有切割數據(圖30)。

圖30 月牙鋁包邊板加工圖

5.5.2 線材下料應用

(1)鋁裝飾條下料應用

裝飾條加工圖的難點在于三維切角的表達，在屋蓋首尾區域共9排的漸變區裝飾條，還存在著側面和底面各切一刀空間斜角的情況(圖31)。我們利用BIM參數化技術，對裝飾條進行分組，通過編寫程序批量輸出預加工圖(圖32)。

圖31 漸變區裝飾條

圖32 批量輸出的預加工圖

(2)玻璃護邊下料應用

玻璃護邊與玻璃面板存在平面上的推導關系，但由于玻璃翹邊階差的存在，在護邊的高度上有所差異，我們利用BIM技術，將模型中的玻璃翹值參數結構化的傳遞過來，通過編寫程序實現批量出圖下料(圖33)。

圖33 玻璃護邊出圖下料

5.5.3 鋼件下料應用

我們通過利用BIM技術分析，對原始的鋼件按照一定的閾值進行分類優化，主鋼件優化為8種(圖34)，次鋼件優化為3種(圖35)，極大減少了下料的成本。

圖34 主鋼件優化

圖35 次鋼件優化

5.6 施工階段BIM正向設計研究

5.6.1 工藝工序及施工模擬

通過使用BIM技術，對項目施工過程實現模擬，降低施工風險。施工指導上，制作工藝工序的演示動畫視頻，一是作為技術交底的內容，二是指導項目施工，避免施工發生錯誤，造成返工(圖36-37)。

圖36 埋件安裝工藝指導與現場效果

圖37 工序模擬與技術交底

5.6.2 三維掃描技術應用

我們結合三維掃描技術生成的鋼結構模型，與建立的BIM模型進行對比(圖38)，在施工前發現了實際安裝時出現的偏差情況(圖39)，導致部分幕墻無法安裝。通過數據分析，我們提出了兩種調整方案(圖40-43)供業主選擇，最終選擇了方案二，根據結構調整曲面，從結構中提取數據修改施工表皮，實現施工質量與效率。

圖38 三維掃描模型與BIM模型對比

圖39 鋼梁誤差分布模型

圖40 調整方案一 圖41 調整方案二

圖42 方案一調整后模型 圖43 方案二調整后模型

5.6.3 測量放線技術應用

由于屋蓋的所有面材和線材都是定制化加工，所以，幕墻安裝的定位點也必須精準，我們預先在程序中對模型進行空間定位編號(圖44)，利用BIM技術結合全站儀對每個安裝點位進行測量，通過編寫程序算法(圖45)，自動篩選處理安裝定位點(圖46)，工人按照給定的定位點進行施工，提高了施工進度(圖47)。

圖44 模型空間定位編號

圖45 數據處理程序

圖46 空間定位點

圖47 實際安裝效果

6 結語

BIM技術及其應用各方觀點、態度不盡相同，但各單位都是非常重視信息化建設以及BIM技術的發展，從這些看出至少BIM是朝著設計頂層發展方向走的，相信廣泛應用BIM正向設計已然不遠。幕墻BIM正向設計目的是為使項目建設更高效優質，就當前而言，幕墻BIM正向技術研究的重點是如何推進BIM設計成為頂層設計，以解決實際問題、實現項目落地為導向，完善設計、施工和維護的全流程，融合“互聯網+”、物聯網和大數據、云計算等技術，研發實用的插件軟件和平臺，打通信息鏈路壁壘，提高幕墻項目效率和產能，實現幕墻BIM技術應用的最大價值。