BIM技術(shù)在建筑幕墻施工中的應(yīng)用研究

曾金竹

(中建中新建設(shè)工程有限公司，北京 100000)

建筑幕墻由橫梁、立柱、鋼結(jié)構(gòu)等支撐結(jié)構(gòu)體系與玻璃、石材、金屬板等面材組成，與主體結(jié)構(gòu)相比，其不發(fā)揮主體結(jié)構(gòu)的作用，屬于建筑結(jié)構(gòu)中的裝飾性結(jié)構(gòu)。幕墻行業(yè)的發(fā)展，在世界上已經(jīng)有數(shù)百年的歷史，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)建筑幕墻行業(yè)起步較晚，但好在起點(diǎn)高；通過(guò)引入國(guó)外先進(jìn)技術(shù)裝備、加大自主研發(fā)力度、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、積極優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等措施，我國(guó)幕墻技術(shù)逐漸提升至行業(yè)領(lǐng)先水平發(fā)展。1984年，隨著北京長(zhǎng)城飯店幕墻工程的落地，國(guó)內(nèi)首次真正意義上接觸到幕墻設(shè)計(jì)施工技術(shù)，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，我國(guó)的幕墻工程技術(shù)正穩(wěn)步提升?，F(xiàn)階段，由于城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高；且隨著土地面積銳減、人口日益遞增、社會(huì)產(chǎn)業(yè)多樣化的不斷發(fā)展，原有的建筑已無(wú)法滿(mǎn)足使用需求。為了滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活，建筑行業(yè)需要在固有的土地上建設(shè)更多的建筑空間供人們使用，于是高層建筑由此誕生。為確保高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、延長(zhǎng)其使用壽命、節(jié)約建設(shè)成本，現(xiàn)高層建筑多以框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)為主，高層建筑中除居住建筑外的公共建筑多使用幕墻作為其外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1975年喬治亞理工學(xué)院的張克曼教授提出了BIM概念，作為一項(xiàng)新技術(shù)，BIM技術(shù)在建設(shè)項(xiàng)目的整體生命起著重要的作用，為建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位等項(xiàng)目參與方帶來(lái)巨大的價(jià)值。它突破了專(zhuān)業(yè)、行業(yè)壁壘，意在打造協(xié)同與系統(tǒng)作業(yè)模式，促進(jìn)項(xiàng)目管理思路多樣化、管理信息集成化、管理模式系統(tǒng)化。雖然目前我國(guó)建筑行業(yè)內(nèi)，對(duì)BIM技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)及價(jià)值挖掘方面仍存在很多問(wèn)題，但是在政府政策及行業(yè)主管部門(mén)的引導(dǎo)和支持下，BIM技術(shù)正在穩(wěn)步向上發(fā)展著，并逐漸得到行業(yè)認(rèn)可與推廣。

2 基于BIM模型的深化研究

幕墻工程中，設(shè)計(jì)階段幕墻結(jié)構(gòu)配置材料的計(jì)算與施工階段加工圖的輸出尤為重要，施工單位需根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行圖紙深化，輸出加工圖、施工圖、竣工圖等工程資料。傳統(tǒng)模式下所有涉及變更的信息均需通過(guò)二維圖紙進(jìn)行表現(xiàn)，一旦發(fā)生變更，勢(shì)必會(huì)對(duì)工程周期造成影響，導(dǎo)致項(xiàng)目成本增加。

受傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)思維的制約，幕墻工程在施工過(guò)程中，會(huì)面臨諸多問(wèn)題，其中少部分是由于施工現(xiàn)場(chǎng)不可預(yù)期因素導(dǎo)致的，大部分則是設(shè)計(jì)階段遺留至施工階段的，設(shè)計(jì)階段未發(fā)現(xiàn)或未解決的問(wèn)題，輾轉(zhuǎn)至施工階段，從而增加施工難度，對(duì)項(xiàng)目整體工期造成影響。

施工階段，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況對(duì)幕墻圖紙進(jìn)行深化，使用SAP2000、Ansys等分析軟件對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次驗(yàn)算。使用Rhino軟件對(duì)斜傾、雙曲、多曲等異形幕墻工程進(jìn)行全系統(tǒng)建模，對(duì)幕墻表皮進(jìn)行分析，針對(duì)復(fù)雜空間導(dǎo)出三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)合三維掃描儀輔助現(xiàn)場(chǎng)施工放線(xiàn)；同時(shí)，在Rhino軟件中對(duì)BIM模型進(jìn)行面材編號(hào)，導(dǎo)出面材加工圖與三維數(shù)據(jù)，將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入DP中，輸出加工數(shù)據(jù)；使用Inventor軟件創(chuàng)建模具模型，輸出主材、特殊構(gòu)件、面材開(kāi)模圖；利用Revit軟件對(duì)二維圖紙未準(zhǔn)確表達(dá)的復(fù)雜工藝節(jié)點(diǎn)或施工方案進(jìn)行深化建模，通過(guò)Navisworks軟件進(jìn)行模型輕量化，輸出三維動(dòng)畫(huà)進(jìn)行可視化交底，避免因交底不到位引發(fā)施工安全質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)幕墻設(shè)計(jì)及這一系列BIM軟件的分析研究，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行應(yīng)用，在幕墻工程施工階段推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，利用BIM系列的軟件與加大對(duì)BIM技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)。對(duì)幕墻工程施工企業(yè)而言，項(xiàng)目推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠輸出一套完整全面且成系統(tǒng)的過(guò)程問(wèn)題解決方案與工程資料，對(duì)降低深化成本，提高深化及施工效率，輔助開(kāi)展項(xiàng)目竣工驗(yàn)收、結(jié)算等工作都有很大幫助。此外，施工階段BIM技術(shù)所輸出的模型及各類(lèi)數(shù)據(jù)信息除供施工階段使用外，還可導(dǎo)入建筑管理平臺(tái)留存，供建筑后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)使用。

3 幕墻三維設(shè)計(jì)分析

在傳統(tǒng)的工程方案設(shè)計(jì)中，建筑主體結(jié)構(gòu)圖紙繪制完成后，才可進(jìn)入機(jī)電、給排水、幕墻裝飾等專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，過(guò)程中需面對(duì)面進(jìn)行溝通的內(nèi)容較多、專(zhuān)業(yè)涉及范圍廣、易存在溝通不及時(shí)表達(dá)不準(zhǔn)確等問(wèn)題。隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作運(yùn)行速度深度均已無(wú)法滿(mǎn)足項(xiàng)目需求，在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段推廣使用BIM技術(shù)，刻不容緩。利用BIM模型，將設(shè)計(jì)階段中的各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)信息和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行匯總，最大限度的將設(shè)計(jì)信息傳遞至施工階段，以三維信息模型的方式移交至施工階段，由施工單位結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上開(kāi)展施工階段的深化設(shè)計(jì)工作。隨著現(xiàn)場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)的進(jìn)度，在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量數(shù)據(jù)，在正式施工之前，在BIM模型上開(kāi)展幕墻深化設(shè)計(jì)工作。隨著現(xiàn)場(chǎng)土建結(jié)構(gòu)的進(jìn)度，在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)量數(shù)據(jù)，在正式施工之前，在BIM模型上開(kāi)展幕墻深化設(shè)計(jì)工作，在BIM模型中進(jìn)行施工演示、預(yù)施工及施工模擬。前期與土建結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)，進(jìn)行前期埋板預(yù)埋工作。

4 BIM在幕墻施工階段的應(yīng)用——以東方市文化廣場(chǎng)為例

施工質(zhì)量是對(duì)設(shè)計(jì)方案和深化設(shè)計(jì)工作的檢測(cè)，東方市文化廣場(chǎng)項(xiàng)目幕墻工程，在深化初期，面臨最大的問(wèn)題就是工期緊張、深化范圍大、深化任務(wù)繁重。

本項(xiàng)目由一座綜合館和一座劇院兩座場(chǎng)館組成，整體造型取“日月同輝”之意，其中綜合館為月牙造型，大部為單元幕墻。劇院場(chǎng)館造型尤為復(fù)雜：頂部為雙曲多圓心半橢圓造型，底部為上斜下傾、腰部標(biāo)高不等高大斜傾造型，且幕墻外部被一圈鋼結(jié)構(gòu)框架包圍，鋼結(jié)構(gòu)與幕墻安裝完成面最窄處僅有1.1m可操作空間。幕墻專(zhuān)業(yè)施工面臨交叉施工嚴(yán)重、工人夜間搶工作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)大、幕墻面板水平垂直運(yùn)輸困難等問(wèn)題。

如何在不改變項(xiàng)目整體造型的基礎(chǔ)上，確保幕墻施工的安全與施工質(zhì)量不受影響成了深化設(shè)計(jì)工作的重中之重。在此背景下，幕墻專(zhuān)業(yè)經(jīng)過(guò)與業(yè)主、設(shè)計(jì)單位開(kāi)展多次討論分析，最終幕墻專(zhuān)業(yè)在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，利用BIM模型開(kāi)展設(shè)計(jì)深化論證、設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，最終輸出了一套完整的方案。在保證項(xiàng)目造型不發(fā)生改變的基礎(chǔ)上，對(duì)幕墻局部設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，頂部雙曲造型優(yōu)化為單曲造型、腰部斜傾標(biāo)高調(diào)整為同一標(biāo)高，經(jīng)BIM技術(shù)輔助深化設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)優(yōu)化后的幕墻方案與原方案相比，主材模具由原方案中的80種優(yōu)化為不足60種，縮短有效工期107d，優(yōu)化后的面材規(guī)格減少至20種，出材率提高了80%，安裝效率提升30%，工程量降低25%。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家政策的鼓勵(lì)與施工單位自我要求的提升，越來(lái)越多的工程推廣應(yīng)用BIM技術(shù)，且隨著成品化和裝配式的發(fā)展，裝飾幕墻專(zhuān)業(yè)的BIM技術(shù)應(yīng)用水平也在逐步提高中。但就現(xiàn)階段BIM技術(shù)的應(yīng)用成果而言，不難看出，建筑全生命周期內(nèi)各階段的工作、專(zhuān)業(yè)間的銜接配合、BIM軟件間的數(shù)據(jù)交互與BIM管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)讀取等都存在著諸多待解決的問(wèn)題，BIM技術(shù)價(jià)值中的“協(xié)同”“信息”等價(jià)值仍未得到最佳利用。BIM技術(shù)在建筑行業(yè)、施工階段、建筑施工相關(guān)專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用都仍處于入門(mén)狀態(tài)，仍存在諸多技術(shù)難點(diǎn)待實(shí)踐解決，每一個(gè)與建筑相關(guān)的從業(yè)者，都有責(zé)任和義務(wù)去解決應(yīng)用過(guò)程中的難點(diǎn)、挖掘BIM技術(shù)的價(jià)值，推動(dòng)建筑行業(yè)走向CAD之后的又一次大變革。