BIM 技術(shù)在建筑幕墻施工全生命周期管理中的應(yīng)用

劉偉

（1.北京建筑大學(xué)城市與經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044；2.北京中信渤海鋁幕墻裝飾工程有限公司，北京 100027）

1 引言

BIM——以建筑工程項(xiàng)目的信息數(shù)據(jù)（幾何信息和非幾何信息）為基礎(chǔ)創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)虛擬三維模型，即通過數(shù)字信息仿真技術(shù)模擬建筑物所具有的真實(shí)信息。中文名：建筑信息模型。英文名：Building Information Modeling，簡(jiǎn)稱BIM。隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)建筑外立面（幕墻）造型及功能提出了更豐富、更高的要求，從最初的關(guān)注功能和實(shí)用性的基礎(chǔ)上向節(jié)能環(huán)保和藝術(shù)審美等方向發(fā)展，同時(shí)不斷滿足人們的各種個(gè)性化的需求。BIM 對(duì)于建筑幕墻行業(yè)而言，不限于二維圖形到三維的轉(zhuǎn)換，即大家理解的設(shè)計(jì)人員運(yùn)用各種軟件利用3D繪圖，讓幕墻施工達(dá)到“所看即所得”，更多的是一種全過程管理手段或模式，即通過BIM 技術(shù)將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維護(hù)等各階段協(xié)同作業(yè)，把工程團(tuán)隊(duì)將不同階段的信息串聯(lián)起來，有效減少各階段信息轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差，達(dá)到建筑幕墻施工全生命周期的科學(xué)管理。

2 方案比選及概算確定階段

2.1 建筑外立面（幕墻）方案展示及比選

2.1.1 幕墻方案比選

依據(jù)建筑設(shè)計(jì)理念創(chuàng)建建筑外立面方案（幕墻）數(shù)字化可視模型圖。

2.1.2 動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)邏輯

將圖形與數(shù)字化進(jìn)行聯(lián)動(dòng)邏輯的參數(shù)化設(shè)計(jì)，用以在方案比選階段實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)必選分析。

2.1.3 動(dòng)態(tài)優(yōu)化平衡

幕墻設(shè)計(jì)方案比選的主要目的是選出最佳的幕墻設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而確定整體建筑設(shè)計(jì)方案，為建筑初步設(shè)計(jì)階段提供對(duì)應(yīng)的幕墻設(shè)計(jì)方案模型?；贐IM 技術(shù)的方案設(shè)計(jì)是利用BIM 的SketchUp、Revit 或Rhino 軟件，通過3D 可視化的方式直觀觀察，進(jìn)行比選，使建筑外立面（幕墻）方案的溝通、討論、決策可以更容易的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體建筑設(shè)計(jì)方案決策的直觀和高效。

2.2 方案概算的確定

運(yùn)用BIM 軟件對(duì)幕墻方案進(jìn)行精確的表皮工程量統(tǒng)計(jì)，有助于建筑設(shè)計(jì)針對(duì)比選確定的幕墻方案做出更準(zhǔn)確的方案概算，提供給建設(shè)投資方做最終的準(zhǔn)確投資決策[1，2]。

3 招投標(biāo)及合同簽訂階段

3.1 明確幕墻技術(shù)方案可實(shí)施性

招標(biāo)方通過運(yùn)用BIM 技術(shù)編制招標(biāo)文件，可以更準(zhǔn)確地確定項(xiàng)目招標(biāo)控制限價(jià)，并通過BIM 技術(shù)對(duì)投標(biāo)人進(jìn)行準(zhǔn)確、快捷的比選，最終確定中標(biāo)人并簽訂合同。投標(biāo)人針對(duì)招標(biāo)文件，運(yùn)用BIM 技術(shù)在投標(biāo)階段可以精準(zhǔn)地確定投標(biāo)策略和投標(biāo)報(bào)價(jià)，大大提高了投標(biāo)人的中標(biāo)概率，同時(shí)避免了投標(biāo)時(shí)間不足憑借經(jīng)驗(yàn)估計(jì)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 明確幕墻施工的準(zhǔn)確工期

通過運(yùn)用BIM 技術(shù)，可以響應(yīng)招標(biāo)文件對(duì)幕墻項(xiàng)目施工方案進(jìn)行3D 可視動(dòng)畫制作，模擬實(shí)際幕墻施工過程，既能做出針對(duì)性的可實(shí)施的優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，又能動(dòng)態(tài)直觀地展示幕墻施工過程，確定合理準(zhǔn)確的施工工期。同時(shí)也在投標(biāo)過程中更系統(tǒng)、更準(zhǔn)確、更直觀地展示投標(biāo)人實(shí)力，進(jìn)而更有利于中標(biāo)并簽訂合同。

4 幕墻現(xiàn)場(chǎng)施工階段

北京2022 年冬季奧運(yùn)會(huì)配套項(xiàng)目崇禮太子城冰雪小鎮(zhèn)幕墻及屋面工程，項(xiàng)目總占地面積2.89 km2，總建設(shè)規(guī)模達(dá)到1.34×106m2，包括2022 年冬奧會(huì)頒獎(jiǎng)廣場(chǎng)、景觀湖、國際會(huì)議中心、度假休閑酒店群等開發(fā)建設(shè)內(nèi)容。2022 年冬奧會(huì)期間有51 枚金牌在奧林匹克頒獎(jiǎng)廣場(chǎng)頒發(fā)，同時(shí)提供冬奧會(huì)貴賓接待、交通換乘、休閑娛樂等功能服務(wù)。項(xiàng)目工期緊、任務(wù)重，挑戰(zhàn)極大，常規(guī)的施工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。北京中信渤海鋁幕墻裝飾工程有限公司運(yùn)用BIM 技術(shù)，將施工難度極大且造型復(fù)雜多樣、豐富多彩的建筑裝飾效果完美實(shí)現(xiàn)，并全過程貫穿著“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”的理念。

4.1 施工測(cè)量

運(yùn)用3D 掃描現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM 建模，建立幕墻施工空間坐標(biāo)和控制點(diǎn)體系，確保幕墻施工可控。

4.2 施工圖優(yōu)化

運(yùn)用3D 施工測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建立BIM 幕墻體系模型，對(duì)比原始建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖及幕墻方案圖，進(jìn)行碰撞測(cè)試，并最大化運(yùn)用BIM 以單曲擬合雙曲構(gòu)造，優(yōu)化幕墻施工圖和施工組織方案，完美地完成整個(gè)幕墻施工過程。

在“十二五”期間，我國政府部門根據(jù)我國的國情提出了能源審計(jì)計(jì)劃以及節(jié)能規(guī)劃方案。而在“十三五”期間，我國政府部門建立起完善的能源管理機(jī)構(gòu)。在實(shí)際推進(jìn)節(jié)能降耗戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施的過程中，節(jié)能政策制度的制定對(duì)該計(jì)劃的落實(shí)有重要的意義，同時(shí)，政府部門要發(fā)揮應(yīng)有的主導(dǎo)作用，綜合分析產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，并通過能源計(jì)量工作權(quán)衡社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，從而優(yōu)化能源配置。

崇禮太子城冰雪小鎮(zhèn)屋面采用鋁鎂錳板直立鎖邊系統(tǒng)，“直立鎖邊”這一名稱體現(xiàn)了典型的縱向接口特點(diǎn)，采用特有的鋁合金T 形固定支座，鋁鎂錳板咬合在支座上，咬合邊與支座形成的連接形式有效地解決了因熱脹冷縮產(chǎn)生的板塊應(yīng)力，縱向板之間沒有搭接縫，充分保證了防水性能。但項(xiàng)目位于嚴(yán)寒區(qū)，四季溫差、晝夜溫差較大，基層受溫度影響，變形較大。所以，設(shè)計(jì)方案的確定要充分考慮上述特點(diǎn)，采用柔性防水，而不是剛性防水。

設(shè)計(jì)師充分重視屋面的細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)于變形縫、女兒墻根部、排水溝、落水口、泛水等滲漏的部位，運(yùn)用BIM 技術(shù)充分考慮了建筑的結(jié)構(gòu)變形、收縮變形、溫度變化引起的變形等因素，采取適當(dāng)?shù)拇胧┙鉀Q變形較大引起的滲漏問題。將初設(shè)扇形板方案，經(jīng)過多輪BIM 排版比選，通過在屋面板拼接部位設(shè)置天溝，將屋面板斷開從而釋放位移，采用標(biāo)準(zhǔn)板實(shí)現(xiàn)了異形屋面的施工，既保證了建筑的功能也滿足了建筑的美觀性。

4.3 施工前項(xiàng)目各專業(yè)溝通和配合

將幕墻BIM 模型與建筑整體BIM 模型進(jìn)行套合，與土建結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、給排水、通風(fēng)、景觀等相關(guān)專業(yè)進(jìn)行溝通和配合，查找干涉和不利于施工位置，并報(bào)建筑設(shè)計(jì)方和建設(shè)方，以做出最優(yōu)的調(diào)整方案。

4.4 材料采購和加工

按照現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)即將實(shí)施的單體建筑幕墻利用Rhino 精準(zhǔn)建模，再通過Grasshopper 進(jìn)行參數(shù)化處理提取各種龍骨、面材的材料數(shù)據(jù)。Grasshopper 可以自動(dòng)對(duì)鋼材、鋁材、玻璃、石材等材料準(zhǔn)確且清晰地編號(hào)，并標(biāo)注尺寸、角度等數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而快速又準(zhǔn)確地進(jìn)行材料下單采購，避免了人為重復(fù)編號(hào)和錄入工作所帶來的低級(jí)錯(cuò)誤隱患。而且當(dāng)幕墻體系有局部變更和修改時(shí)，可快捷便利地做出相應(yīng)的調(diào)整材料表?；贐IM 技術(shù)生成的三維模型及數(shù)據(jù)材料單，加工廠將其導(dǎo)入計(jì)算機(jī)數(shù)控等設(shè)備，進(jìn)行加工階段的BIM 數(shù)據(jù)3D 編程，將材料單與加工機(jī)械實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工，將復(fù)雜、抽象、立體的材料單變?yōu)轫?xiàng)目所需的精準(zhǔn)安裝材料組件。

4.5 現(xiàn)場(chǎng)安裝

利用Rhino 建立的模型，通過Grasshopper 進(jìn)行參數(shù)化處理提取定位坐標(biāo)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)利用全站儀，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣，確定龍骨安裝定位點(diǎn)，依此準(zhǔn)確無誤的安裝埋件、連接件、龍骨及面材等。

項(xiàng)目測(cè)繪人員主要采用全站儀，根據(jù)從模型上提取的控制點(diǎn)坐標(biāo)來測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)已完成的鋼結(jié)構(gòu)骨架，BIM 設(shè)計(jì)師根據(jù)反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整已建模型，檢查碰撞，優(yōu)先解決沖突位置，避免二次返工，造成成本和工期的損失。

設(shè)計(jì)師根據(jù)已建好的BIM 模型進(jìn)行龍骨備料及鋁板深化，雙曲面鋁板分縫優(yōu)化擬合差異尺寸，降低加工難度和施工難度。鋁板廠根據(jù)設(shè)計(jì)師提供的鋁板深化BIM 模型，直接進(jìn)行生產(chǎn)，省下二次深化的時(shí)間，減少二次深化的錯(cuò)誤率，做到設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—施工數(shù)據(jù)統(tǒng)一協(xié)同共享。在BIM 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、統(tǒng)一的流程框架下進(jìn)行作業(yè)，才能高效協(xié)同。實(shí)際施工證明，難度極大的龍橋通過也只有通過全程采用BIM 技術(shù)，才能圓滿地實(shí)現(xiàn)最初的建筑設(shè)想和項(xiàng)目整體的各項(xiàng)高標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過模型提取龍骨定位點(diǎn)，從而確定龍骨位置及放線方案，并進(jìn)行龍骨施工。該工程采用Rhino+Grasshopper 提料與加工，同時(shí)與材料廠家、施工隊(duì)伍進(jìn)行全過程BIM 信息共享，大大降低了相關(guān)單位的工作量，縮短了中間環(huán)節(jié)時(shí)間，提高了加工安裝精度。

現(xiàn)場(chǎng)安裝管理通過BIM 技術(shù)的全過程運(yùn)用，將建筑設(shè)計(jì)理念得以完美的實(shí)現(xiàn)。2022 年，伴隨著飄飄灑灑的雪花，崇禮太子城冰雪小鎮(zhèn)在冬季奧運(yùn)會(huì)中綻放光彩（見圖3）。

圖3 項(xiàng)目完成后整體實(shí)景照片

5 幕墻移交和維保階段

將施工階段調(diào)整并修正的幕墻BIM 模型數(shù)據(jù)移交給后續(xù)管理和使用方，將極有利于物業(yè)管理和業(yè)主的使用，后期一旦有維修更換，也將迅速便捷地查找出位置、分析相關(guān)條件并給出解決方案。

5.1 建筑幕墻開啟扇、亮化等設(shè)備遠(yuǎn)程控制

把原來建筑內(nèi)部中獨(dú)立運(yùn)行并操作的各設(shè)備，通過RFID等技術(shù)匯總到統(tǒng)一的平臺(tái)上進(jìn)行管理和控制。一方面了解設(shè)備的運(yùn)行狀況，另一方面進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

5.2 幕墻材料、設(shè)備編號(hào)并空間定位

給予各幕墻系統(tǒng)各設(shè)備空間位置信息，把原來編號(hào)或者文字表示變成三維圖形位置，這樣一方面便于查找，另一方面參看也更直觀更形象。

5.3 幕墻構(gòu)成的內(nèi)部空間可視化

現(xiàn)代建筑業(yè)發(fā)端以來，信息都存在于二維圖紙和各種機(jī)電設(shè)備的操作手冊(cè)上，需要使用的時(shí)候由專業(yè)人員自己去查找信息、理解信息，然后據(jù)此決策對(duì)建筑物進(jìn)行建設(shè)。利用BIM 技術(shù)建立一個(gè)可視三維模型，所有數(shù)據(jù)和信息可以從模型里面調(diào)用。

5.4 幕墻運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)累積與分析

運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)的積累，對(duì)于管理來說具有很大的價(jià)值?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)來分析目前存在的問題和隱患，也可以通過數(shù)據(jù)來優(yōu)化和完善現(xiàn)行管理。

6 結(jié)語

建筑幕墻的施工已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了高科技、高度信息化、高度透明化，同時(shí)要求經(jīng)濟(jì)化、綠色環(huán)?；⒅悄芑?，因此，BIM技術(shù)在建筑幕墻中的應(yīng)用是必然的趨勢(shì)。在建筑幕墻施工全生命周期管理中應(yīng)用BIM 技術(shù)，也將是項(xiàng)目管理現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的必然。