BIM 技術(shù)在異形建筑幕墻中的應(yīng)用

高懿瓊GAO Yi-qiong；馬鐳MA Lei

（蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070）

（Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

0 引言

當(dāng)今技術(shù)的發(fā)展讓越來(lái)越多的建筑擺脫傳統(tǒng)技術(shù)的束縛，以更加自由的姿態(tài)展示其獨(dú)特的個(gè)性。令人炫目驚嘆之余，異形建筑也給建造者帶來(lái)了一系列需要解決的“新問(wèn)題”：很多部位用傳統(tǒng)的“二維施工圖”無(wú)法清晰表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，這正促使建筑界采用更加有效的手段進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工與管控，由此，BIM 應(yīng)運(yùn)而生。BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型，是對(duì)工程項(xiàng)目相關(guān)信息的詳盡表達(dá)。BIM 的出現(xiàn)改變了現(xiàn)有建筑生命周期的傳統(tǒng)工作方式，也改變了中國(guó)建筑業(yè)現(xiàn)狀的發(fā)展趨勢(shì)。BIM 作為一種先進(jìn)的工具和工作方式，非常符合目前我國(guó)建筑業(yè)信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 異形建筑與異形建筑幕墻

科技和社會(huì)的飛速發(fā)展與進(jìn)步使得建筑物外觀具有藝術(shù)形態(tài)之美，建筑藝術(shù)是建筑師賦予建筑物的一種表現(xiàn)形式即建筑靈魂。然而，人類總喜歡打破常規(guī)，創(chuàng)造新奇?，F(xiàn)代建筑物中異形優(yōu)秀的藝術(shù)作品不斷涌現(xiàn)，如澳大利亞的悉尼歌劇院、法國(guó)埃菲爾鐵塔、加拿大夢(mèng)露大廈、德國(guó)寶馬世界和中國(guó)的國(guó)家體育館鳥巢等，這些建筑都給人類留下了極高的文化價(jià)值和審美價(jià)值。建筑藝術(shù)按照形態(tài)美的規(guī)律，運(yùn)用其獨(dú)特的藝術(shù)語(yǔ)言來(lái)使建筑物具有文化價(jià)值和審美價(jià)值，它是通過(guò)建筑形象而表現(xiàn)出來(lái)的。怪異的造型和幕墻設(shè)計(jì)，使得建筑風(fēng)格發(fā)生了顛覆性的變化，也給人們腦海里留下了深深的烙印并成為一種認(rèn)知。

近年來(lái)，在傳統(tǒng)平面幕墻的基礎(chǔ)之上，異形建筑幕墻日益增加。異形建筑幕墻顧名思義即特殊形狀的建筑幕墻，主要指建筑幕墻表面整體的形態(tài)呈曲面而呈現(xiàn)出較為特殊的立面及空間效果。異形建筑幕墻根據(jù)其曲面的形狀可分為回轉(zhuǎn)曲面幕墻和非回轉(zhuǎn)曲面幕墻。異形建筑幕墻以其極強(qiáng)的藝術(shù)表現(xiàn)力來(lái)營(yíng)造富有個(gè)性的藝術(shù)空間，增強(qiáng)建筑的視覺(jué)沖擊力和感染力。例如，國(guó)家大劇院主體結(jié)構(gòu)采用了橢圓穹形結(jié)構(gòu)、北京天文館新館運(yùn)用雙曲面中空玻璃幕墻、上海中心大廈的內(nèi)外雙層幕墻系統(tǒng)、天津博物館似“天鵝”破殼而出的仿生建筑等成為了異形幕墻建筑的代表作品。雖然異形建筑幕墻以其自身獨(dú)特的形態(tài)構(gòu)造和特點(diǎn)被大眾所喜愛(ài)，但是由于異形建筑表面的形態(tài)異樣而使幕墻設(shè)計(jì)、制作及加工難度加大，材料儲(chǔ)存運(yùn)輸要求相應(yīng)提高，其空間造型特殊使工程施工難度加大。并且異形建筑幕墻的造型越來(lái)越復(fù)雜，隨之承載的信息也越來(lái)越多，傳統(tǒng)的二維軟件無(wú)法滿足異形幕墻在設(shè)計(jì)、制作和安裝工作中的要求，需要建立三維模型去完成，而BIM 技術(shù)剛好可以實(shí)現(xiàn)異形建筑幕墻在建筑中所遇到的難題。

2 BIM 技術(shù)在異形建筑幕墻中的應(yīng)用

2.1 BIM（建筑信息模型）概述 BIM 起源于20 世紀(jì)70年 代，之 后 Charles Eastman[1]、Jerry Laiserin[2]及McGraw-Hill 建筑信息公司[3]等對(duì)BIM 的概念進(jìn)行了定義：“BIM 是設(shè)施物理和功能特性的數(shù)字表達(dá)；BIM 是一個(gè)共享的知識(shí)資源，是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)設(shè)施的信息，為該設(shè)施從概念到拆除的全壽命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程；在項(xiàng)目不同階段，不同利益相關(guān)方通過(guò)在BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自職責(zé)的協(xié)同工作”[5]。BIM 建立模型時(shí)賦予模型建筑信息的屬性（如構(gòu)件的材料、尺寸、配筋和鋼號(hào)，設(shè)備的廠家、型號(hào)和功率等）。所以說(shuō)，BIM 的參數(shù)模型不只是局限于建筑構(gòu)件的物理屬性，也包含整個(gè)項(xiàng)目生命周期所有的動(dòng)態(tài)信息[6]。BIM 的運(yùn)用無(wú)疑是建筑界的工業(yè)改革。

目前，建筑幕墻工程信息將對(duì)整個(gè)建筑工程周期乃至整個(gè)建筑物生命周期都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。對(duì)這些信息利用并且處理得好，就能夠節(jié)省工程的開(kāi)支，縮短工期，也可惠及工程后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)。鑒于此，BIM 技術(shù)應(yīng)在建筑幕墻行業(yè)大力推廣。而BIM—建筑信息模型，從二維圖紙到三維設(shè)計(jì)的革命，是一次真正的信息革命。

BIM 以其參數(shù)化、可視化、協(xié)同效率高以及對(duì)項(xiàng)目全生命周期的影響得到了建筑行業(yè)市場(chǎng)的極力認(rèn)可，在美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一定的水平。但是，在我國(guó)建筑幕墻的應(yīng)用還處于起步階段。雖然由于客觀條件的限制，BIM 技術(shù)在632m 的上海中心大廈雙層幕墻設(shè)計(jì)施工過(guò)程中只是扮演了輔助的角色，但是其在深化設(shè)計(jì)、解決現(xiàn)場(chǎng)施工碰撞方案、施工協(xié)調(diào)、施工預(yù)算和節(jié)能日照計(jì)算等方面的出色表現(xiàn)已經(jīng)展示出了它的潛質(zhì)，在信息化程度越來(lái)越高的異形建筑幕墻行業(yè)，BIM 的發(fā)展和應(yīng)用的前景不可限量。BIM 的發(fā)展離不開(kāi)軟件的支持。當(dāng)前，Graphisoft 公司的ArchiCAD、Bentley 公司的Tri-Forma 以及Autodesk 公司的Revit Architecture 等建筑設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，都是應(yīng)用了BIM 技術(shù)開(kāi)發(fā)的，可以支持建筑工程整個(gè)生命周期的集成管理環(huán)境。

2.2 BIM 技術(shù)對(duì)異形幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，建筑業(yè)已經(jīng)步入了異形空間、異形表皮的設(shè)計(jì)階段，三維曲面的幕墻設(shè)計(jì)已比比皆是，但受限于三維曲面幕墻成本高昂的限制，總是需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如BIM 可以通過(guò)調(diào)整邏輯公示及其參數(shù)可以盡量使曲面有理化，使組合單元盡量的標(biāo)準(zhǔn)化，既能保證最終效果的順暢自然又能降低建造成本及施工難度。下面以漢街萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)為例來(lái)說(shuō)明BIM 在異形幕墻中的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

武漢漢街萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)是萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)的全國(guó)一號(hào)旗艦店，是萬(wàn)達(dá)集團(tuán)創(chuàng)新產(chǎn)品模式的輝煌代表作品。建筑設(shè)計(jì)新奇絢麗，內(nèi)部裝修極為奢華。項(xiàng)目總建筑面積15 萬(wàn)平方米，其中包括全國(guó)最大的萬(wàn)千百貨店；將引進(jìn)超過(guò)60 個(gè)奢侈品品牌，成為奢侈品品牌在中國(guó)的大集合。數(shù)據(jù)顯示，武漢萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)總投資400 億元，武漢將成為萬(wàn)達(dá)在全國(guó)投資規(guī)模最大的城市。購(gòu)物中心總建筑面積達(dá)9.3 萬(wàn)平方米。其中五星級(jí)酒店和超高層寫字樓面積15 萬(wàn)平方米。萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)是歷史上首個(gè)采用單元式幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，9 個(gè)球形成一個(gè)單元，采用外墻模塊化生產(chǎn)。并且它是中國(guó)商業(yè)建筑史上第一個(gè)采用了外立面和泛光一體化的設(shè)計(jì)，是中國(guó)真正意義上的“媒體幕墻”商業(yè)建筑。

很多異形建筑都要尋找規(guī)律，找到一個(gè)可以定義的體量，用一段弧線生成好的邊界，再由邊界生成面，通過(guò)基于BIM 平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠精準(zhǔn)的劃分曲面幕墻表皮，計(jì)算出最合理的方案。然而，對(duì)于異形建筑項(xiàng)目的難點(diǎn)，例如采光頂部分，BIM 能對(duì)整個(gè)采光頂進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。由于圓中庭和橢圓中庭的尺度差異較大，被鋼結(jié)構(gòu)分隔成的玻璃大小各異，在后期施工時(shí)將耗費(fèi)巨大的成本。使用BIM技術(shù)可以使采光頂曲面每塊玻璃盡量標(biāo)準(zhǔn)化，異型玻璃數(shù)量減少，可以大大節(jié)約成本，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2.3 BIM 技術(shù)對(duì)異形幕墻的預(yù)制裝配應(yīng)用 在傳統(tǒng)異形幕墻制作中未對(duì)模型深化進(jìn)行加工，而是將模型展開(kāi)成平面進(jìn)行下料，然后利用鋼化爐自動(dòng)拱起一個(gè)適合的弧度。這種方法在用到雙曲面幕墻時(shí)，加工難度大，容易造成幕墻滲漏等問(wèn)題而經(jīng)常返工。然而，BIM 介入預(yù)制異形幕墻，能夠保證項(xiàng)目全生命周期的順利完成。BIM 通過(guò)參數(shù)化建模極大地提高工作效率，又能精細(xì)到曲面幕墻表皮的劃分，還可以減少預(yù)制幕墻的出錯(cuò)率。

在國(guó)內(nèi)，大家對(duì)于預(yù)制構(gòu)建有很多不同的看法，追溯其因，主要是在做之前，不能進(jìn)行預(yù)先分析，無(wú)法預(yù)測(cè)完成后是怎樣的效果，這才是我們需要正視的問(wèn)題。然而，值得一提的是，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始了這方面的嘗試。比如，BIM 項(xiàng)目的典范——上海中心的每一塊幕墻不光是預(yù)制的，而且是預(yù)裝配的。1000 多塊幕墻，每塊幕墻的形狀都是不一樣的。為解決這一問(wèn)題，項(xiàng)目采用了BIM 預(yù)制和預(yù)裝配。在工廠里，將準(zhǔn)確的幕墻屬性信息（無(wú)論是裁制的尺寸，還是曲變的彎度）輸入到機(jī)械制造的生產(chǎn)軟件當(dāng)中去，生產(chǎn)這樣的幕墻，然后按照BIM 模型的指導(dǎo)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)拼裝。這些裝配好的幕墻運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)之后，無(wú)論是運(yùn)輸成本，還是返工成本都急劇的下降了。因此，用BIM 做預(yù)制，使所有的構(gòu)件都能夠做到能量化、能準(zhǔn)確預(yù)估，那么將會(huì)給我們帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的效益，也能保證最基本的施工安全問(wèn)題。

2.4 BIM 技術(shù)對(duì)異形幕墻施工安裝階段的應(yīng)用 在施工階段，為了降低建造中的誤差，就需要運(yùn)用BIM 技術(shù)自動(dòng)完成異形建筑幕墻構(gòu)件的加工，這樣既提高施工效率，又能滿足項(xiàng)目的集成管理和全生命周期管理要求[7]。

BIM 技術(shù)能夠合理的安排異形幕墻施工計(jì)劃以及優(yōu)化任務(wù)和安裝工作順序。避免了在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，板塊安裝尺寸誤差的不嚴(yán)格控制以及龍骨框架不精確的調(diào)整，減少了累積誤差較大現(xiàn)象的發(fā)生。我們還可以利用BIM技術(shù)合理制定維護(hù)計(jì)劃，從而提高運(yùn)營(yíng)與維護(hù)階段管理的效率并且降低維護(hù)成本。

3 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)對(duì)異形建筑幕墻的應(yīng)用能夠保證每一步工作的前進(jìn)都是合理的、可控的，同時(shí)下一步的工作依照前一步的足跡走下去，真正做到了“事前預(yù)控與事中調(diào)控”，為保證最終異形幕墻的質(zhì)量提供了可靠的依據(jù)。現(xiàn)如今，BIM 已經(jīng)超越設(shè)計(jì)和施工階段，涵蓋了整個(gè)項(xiàng)目的生命周期。隨著我國(guó)幕墻行業(yè)的日趨成熟和發(fā)展，使得人們對(duì)建筑美學(xué)有著更高的追求，而BIM 技術(shù)應(yīng)用于異形建筑幕墻將會(huì)成未來(lái)幕墻行業(yè)的主流，前景無(wú)可限量。由此看來(lái)，BIM 的運(yùn)用猶如勢(shì)不可擋的時(shí)代潮流滾滾而來(lái)，這無(wú)疑將是建筑界一場(chǎng)值得慶祝的盛大革命!

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