BIM拓展下的異形幕墻設(shè)計(jì)及施工方法分析

嚴(yán)光芒

（中建八局裝飾工程有限公司 江蘇南京 210000）

隨著建筑技術(shù)的逐步發(fā)展，其本身的形式也在不斷突破。而幕墻作為建筑外在表現(xiàn)的載體，集建筑美學(xué)與功能于一體。形式多樣的幕墻造型、復(fù)雜多變的幕墻系統(tǒng)也促進(jìn)了幕墻施工技術(shù)的進(jìn)步。而BIM技術(shù)作為一種新的工作思路，在這種背景下也逐步得到深入應(yīng)用。

本文基于項(xiàng)目的施工重難點(diǎn)，運(yùn)用BIM技術(shù)，將一體化設(shè)計(jì)、智能化施工縱深推進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作為目標(biāo)，探討打通各流程之間壁壘的一般方法，為工程實(shí)施提供標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程參考［1-2］。

1 項(xiàng)目重難點(diǎn)及對(duì)策分析

根據(jù)現(xiàn)有的幕墻工程（如杭州奧體中心三館幕墻工程、杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)幕墻工程等），總結(jié)一些幕墻項(xiàng)目存在的一般重難點(diǎn)，并針對(duì)問題進(jìn)行分析，為后期設(shè)計(jì)施工的完美履約尋求解決思路。

1.1 特點(diǎn)分析

項(xiàng)目規(guī)模大，是重點(diǎn)工程，要爭(zhēng)創(chuàng)國(guó)家級(jí)工程獎(jiǎng)項(xiàng)，工藝要求較高；占地面積大，施工專業(yè)多，同時(shí)交叉施工，施工現(xiàn)場(chǎng)管理挑戰(zhàn)大；幕墻系統(tǒng)種類多，工藝復(fù)雜，深化設(shè)計(jì)要求高；材料種類多；結(jié)構(gòu)外形為雙曲面，造型扭曲，規(guī)律難尋，施工定位難度大，施工質(zhì)量難以保證。

1.2 BIM解決措施

使用BIM技術(shù)、智能設(shè)備等數(shù)字化先進(jìn)管理手段，確保項(xiàng)目能夠提質(zhì)增效。結(jié)合整體模型進(jìn)行4D模擬，合理安排各專業(yè)施工進(jìn)度；使用協(xié)同管理平臺(tái)，各專業(yè)單位基于平臺(tái)溝通協(xié)調(diào)解決施工問題?；贐IM 模型，分解各工序，將關(guān)鍵計(jì)劃前置，以雙優(yōu)化為導(dǎo)向，簡(jiǎn)化工藝，合理深化，達(dá)到創(chuàng)造效益的目的。使用三維掃描技術(shù)進(jìn)行逆向建模，基于模型優(yōu)化曲面構(gòu)成，深化下料，使用放線機(jī)器人測(cè)量定位，提高精度與效率。

通過重難點(diǎn)及相應(yīng)對(duì)策分析，明確BIM 技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用方向與思路，由設(shè)計(jì)到施工的全流程、多層級(jí)應(yīng)用，為項(xiàng)目提質(zhì)增效創(chuàng)造基礎(chǔ)條件［3-4］。

2 BIM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

如何在完美履約的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)，這一直是施工單位思考的問題。而作為“雙優(yōu)化”之一的設(shè)計(jì)優(yōu)化，更是從源頭對(duì)項(xiàng)目的成本效益進(jìn)行把控的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)優(yōu)化所囊括的方面很多，主要在規(guī)范、效果、性能允許的情況下對(duì)幕墻從整體造型、細(xì)部構(gòu)造到物料使用等方面的優(yōu)化。

基于BIM全局的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要目標(biāo)從6個(gè)方面入手：消除結(jié)構(gòu)沉降及誤差影響、提升外立面效果、使采購(gòu)加工及安裝更加簡(jiǎn)便、處理現(xiàn)場(chǎng)變更更加便利、安裝避免交叉施工影響、質(zhì)量更加容易控制。

由于幕墻表面造型的特殊性，造成了構(gòu)件與構(gòu)件之間連接的特異性，三維可視化設(shè)計(jì)能夠基于模型擬合設(shè)計(jì)效果并及早發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計(jì)問題。

目前，在幕墻專業(yè)建模的基本思路多是采用Rhino+grashopper 為主，Revit 等軟件作為輔助。先從原設(shè)計(jì)院提供的建筑表皮模型入手，若無相應(yīng)表皮模型，還需依據(jù)原始圖紙和建筑師提供的幕墻表皮形成的規(guī)則算法和相應(yīng)邏輯找出控制點(diǎn)和內(nèi)在規(guī)律，進(jìn)行點(diǎn)集處理，由點(diǎn)成線，由線成面，最終處理形成表皮。再以表皮為基準(zhǔn)，進(jìn)行分割優(yōu)化形體，確立初步的幕墻分隔模型，進(jìn)行建模，建立各幕墻系統(tǒng)模型，結(jié)合立面整體效果分析。

確立最初的幕墻分格模型，通過該分格后的模型可進(jìn)行幕墻板塊特性分析，采用參數(shù)化建模方式，批量分析板塊幾何特征，包括板塊的尺寸、翹曲值、傾角、進(jìn)出位變量等特征，為方案制訂和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)下料階段，通過應(yīng)用Rhino+GH 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化聯(lián)動(dòng)，基于模塊化的程序，將幕墻構(gòu)件按照標(biāo)準(zhǔn)化編碼規(guī)則進(jìn)行分塊編號(hào)，提取基礎(chǔ)加工尺寸數(shù)據(jù)，與料單關(guān)聯(lián)，并同步出具加工圖。

幕墻深化設(shè)計(jì)從優(yōu)化到放樣，所有構(gòu)件的統(tǒng)計(jì)、編號(hào)、生成加工數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)批量化操作，在設(shè)計(jì)端就實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精度與效率的雙提升［5-6］。

2.1 基于BIM技術(shù)的深化設(shè)計(jì)方法

大部分異形幕墻深化優(yōu)化方法都有規(guī)律可循，還是需由點(diǎn)到面，從全局考慮，保證質(zhì)量的同時(shí)，綜合考慮成本與效率，以一體化設(shè)計(jì)思想為指引，從目前實(shí)踐中總結(jié)出基于BIM 技術(shù)的幕墻深化設(shè)計(jì)原則，根據(jù)具體項(xiàng)目，具體分析其適用性。

幕墻施工時(shí)本著設(shè)計(jì)先行原則，異形幕墻通過參數(shù)化分析，前期對(duì)幕墻系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析，尋找共性特征盡量單方向規(guī)律化，中心散射狀幕墻運(yùn)用好退階進(jìn)階原則，遵循片架原則、直角原則、等分化原則、單元化分隔原則，當(dāng)遇到復(fù)雜形態(tài)無法控制時(shí)，可將問題擴(kuò)大后忽略部分元素，增大自由控制度，對(duì)幕墻整體進(jìn)行合理優(yōu)化。以下就常用的幾種方法進(jìn)行介紹。

2.1.1 片架處理

有些幕墻分隔呈現(xiàn)扭曲彎曲形式，對(duì)于后期幕墻施工及質(zhì)量控制具有極大挑戰(zhàn)性。幕墻表皮分格扭曲或錯(cuò)位時(shí)造成空間立桿扭轉(zhuǎn)，為方便定位安裝，保證整體造型的同時(shí)，使分隔立桿優(yōu)化在同一平面上，形成片架成品安裝。

2.1.2 合理拆分

當(dāng)片架原則中主龍骨仍存在錯(cuò)位狀況時(shí)，可適當(dāng)拆分表皮分隔與立柱的對(duì)應(yīng)關(guān)系，多角度錯(cuò)位組合構(gòu)成龍骨，綜合考量排布增強(qiáng)安裝調(diào)節(jié)適應(yīng)性。

2.1.3 直角轉(zhuǎn)換

當(dāng)遇到散射狀扭曲幕墻分隔時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)極端尖角狀況，不利于安裝及材料加工利用，此時(shí)，散射交于合適邊緣相互作垂線，形成類矩形面板，提高材料的利用率。

2.1.4 曲率優(yōu)化

對(duì)于一些雙曲面表皮幕墻，優(yōu)化分縫后，可通過程序計(jì)算每一塊面板的拱高，判定拱高小于一定程度時(shí)，可做平板處理，減少雙曲板規(guī)格數(shù)量。例如，在項(xiàng)目中遇到曲率問題，可嘗試應(yīng)用如下擬合方案：（1）若兩條曲線的拱高均小于10mm，則將此板塊平板處理；（2）若兩條曲線任意一條的拱高大于10mm，則將此板塊做單曲板處理；（3）若兩條曲線的拱高均大于10mm，則將此板塊作為雙曲板處理。

2.1.5 共性互換

在優(yōu)化表皮龍骨構(gòu)造時(shí)，需盡可能考慮到構(gòu)件材料的通用性，在不同情形下能夠?qū)崿F(xiàn)互換，有利于減少?gòu)U料，及時(shí)替補(bǔ)。

2.1.6 單向規(guī)律化

當(dāng)原表皮分格形式多樣時(shí)，可能造成構(gòu)件模數(shù)較多，此時(shí)，可考慮將分隔在單方向進(jìn)行規(guī)律等分，從而降低構(gòu)件的差異化程度。

2.1.7 單元拼裝

對(duì)于分格較多、板材較小、有規(guī)律可循的幕墻，可從整體到局部，尋找規(guī)律，進(jìn)行單元化處理，最終實(shí)現(xiàn)地面加工，成榀吊裝，減少高空作業(yè)量，提高安裝速率，增加施工精度與質(zhì)量。

此外，若遇到一些普遍存在的問題，如防水封堵、背襯板等收邊收口問題，可嘗試將問題擴(kuò)大，忽略部分元素、增大自由控制度等來減少變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于整體施工速率的把控。

異形幕墻深化設(shè)計(jì)的主要重難點(diǎn)就是如何將無序扭曲變?yōu)橛行虻膯栴}、功能性問題、加工、廢料套料問題。這些都可以通過模型進(jìn)行優(yōu)化分析，并基于Rhino+grashopper編寫相應(yīng)算法程序，分析其中的邏輯來尋求解決方法。

2.2 BIM技術(shù)在施工中的應(yīng)用

為將問題前置、減少施工中常見錯(cuò)誤、提高技術(shù)質(zhì)量交底效率，前期通過Navisworks 整合各土建結(jié)構(gòu)等專業(yè)模型，進(jìn)行碰撞檢查，結(jié)合深化設(shè)計(jì)方法，對(duì)模型進(jìn)行整體優(yōu)化調(diào)整。施工前，對(duì)復(fù)雜工藝模擬及施工措施分析等也是必不可少的流程。利用BIM技術(shù)對(duì)施工過程進(jìn)行拆解，將工序前置，通過BIM三維可視化溝通，能夠直觀地展示建筑的形態(tài)和構(gòu)造，所見即所得，能夠有效地縮短溝通時(shí)間，使設(shè)計(jì)圖紙具體化，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。利用BIM 輔助進(jìn)度模擬，將實(shí)際工期與計(jì)劃工期進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)滯后工序，及時(shí)糾偏?；贐IM4D虛實(shí)結(jié)合的工期展示，為大規(guī)模、多工作面、多專業(yè)協(xié)調(diào)的計(jì)劃論證帶來了極大的便利。

在保證精度的基礎(chǔ)上，將材料的下料、生產(chǎn)提前進(jìn)行，縮短工期，提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)偏差，消除結(jié)構(gòu)沉降及誤差影響。可視化交底形象、直觀，使被交底人更容易理解設(shè)計(jì)意圖和施工重難點(diǎn)。提前發(fā)現(xiàn)瑕疵，有助于外立面效果、性能的提升，使質(zhì)量更加容易控制。

通過設(shè)計(jì)優(yōu)化等環(huán)節(jié)解決各類基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題之后，現(xiàn)場(chǎng)能否按圖模施工還需經(jīng)過測(cè)量放線檢驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合模型數(shù)據(jù)分析，在此階段數(shù)據(jù)大概分為以下3種狀態(tài)。

第一，已知點(diǎn)：有標(biāo)記，并且有坐標(biāo)的點(diǎn)，也可稱為參照控制點(diǎn)。

第二，放樣：有坐標(biāo)，但無標(biāo)記的點(diǎn)，需要按設(shè)計(jì)坐標(biāo)在實(shí)地標(biāo)記出來，通常稱為放線。

第三，測(cè)量（數(shù)據(jù)采集）：有標(biāo)記，但無坐標(biāo)，需要用測(cè)量的方法將坐標(biāo)測(cè)出，也可稱為返尺。

在測(cè)量放線采集數(shù)據(jù)階段，依據(jù)項(xiàng)目情況分析，主要運(yùn)用如下3 種方法：（1）幾何關(guān)系法：通過幾何位置轉(zhuǎn)換，運(yùn)用輔助線進(jìn)行定位；（2）空間坐標(biāo)法：提取圖紙所需坐標(biāo)點(diǎn)，運(yùn)用全站儀打點(diǎn)定位；（3）信息數(shù)據(jù)法：運(yùn)用三維掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析對(duì)比。

在傳統(tǒng)施工方法中，測(cè)量放線階段較為常見的是運(yùn)用結(jié)合關(guān)系法。幾何關(guān)系測(cè)量法種類較多，有立體三維測(cè)量放線、弦高法尺寸定位測(cè)量放線等，這些都是之前現(xiàn)場(chǎng)常用的測(cè)量方法，原理較為簡(jiǎn)單。而對(duì)于異型輪廓、復(fù)雜曲面，通過造型邏輯關(guān)系、幾何關(guān)系、數(shù)學(xué)解析函數(shù)等途徑確定相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)，可采用普通全站儀+水準(zhǔn)儀完成測(cè)量工作。

在施工現(xiàn)場(chǎng)，一些異形項(xiàng)目的測(cè)量、放樣、定位等工序都有以下特點(diǎn)：（1）定位點(diǎn)對(duì)施工質(zhì)量控制特別重要，但提點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)點(diǎn)比較復(fù)雜；（2）施工質(zhì)量依靠班組水平，并且水平參差不齊；（3）前期一旦出現(xiàn)定位偏差并沒有核查出來，將導(dǎo)致材料浪費(fèi)需重新下單，觀感質(zhì)量下降，返工影響工期；（4）安裝效率低下，搶工期人多也不出工作量。

從之前異形幕墻施工的案例來看，BIM模型解決了施工圖紙的碰撞及材料下單問題，三維掃描解決了異形結(jié)構(gòu)龍骨返尺及逆向建模問題，而后期裝飾構(gòu)件到位后，施工參照依據(jù)還是“傳統(tǒng)圖紙+三維模型”的視覺參考、手工拉尺、坐標(biāo)點(diǎn)輸入測(cè)量等工序，從而不能保證現(xiàn)場(chǎng)與BIM模型一致。即是數(shù)據(jù)的自動(dòng)流轉(zhuǎn)在定位安裝環(huán)節(jié)出現(xiàn)了斷層，增加了很多不確定性，所以，空間定位的精度及速度還一直是掣肘施工質(zhì)量的難題。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合同類項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，引入“三維激光掃描儀+BIM放線機(jī)器人”。三維激光掃描技術(shù)是一種實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它能夠突破傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，提升測(cè)量速率。三維掃描技術(shù)運(yùn)用步驟分為現(xiàn)場(chǎng)勘查、標(biāo)靶布設(shè)、現(xiàn)場(chǎng)掃描、數(shù)據(jù)拼接、逆向建模等，主要是實(shí)體數(shù)據(jù)的虛擬應(yīng)用。而BIM放線機(jī)器人是將BIM技術(shù)和智能全站儀結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)需求自動(dòng)搜索、跟蹤、辨識(shí)和精確照準(zhǔn)目標(biāo)，并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)及影像等信息的智能型全自動(dòng)電子全站儀。在項(xiàng)目使用中，將深化好的BIM 設(shè)計(jì)模型直接導(dǎo)入機(jī)器人的放樣手持設(shè)備上，并通過在設(shè)備上點(diǎn)擊捕捉模型的方式創(chuàng)建點(diǎn)目標(biāo)，然后只要點(diǎn)擊該點(diǎn)目標(biāo)，儀器將自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，直接照準(zhǔn)該點(diǎn)，這樣就可以將目標(biāo)點(diǎn)放樣到實(shí)地，省略了人工計(jì)算、手動(dòng)輸入的環(huán)節(jié)。目前，天寶和波士頓合作研究的測(cè)量機(jī)器狗能夠自主測(cè)量定位，是由傳統(tǒng)走向智能化的一種嘗試。

三維掃描儀與BIM放線機(jī)器人的結(jié)合使用不僅促使了BIM 技術(shù)能夠與施工現(xiàn)場(chǎng)緊密結(jié)合，并且簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，提高了作業(yè)效率。由于人工干預(yù)少，避免了計(jì)算錯(cuò)誤和輸入錯(cuò)誤，保證了放樣結(jié)果的正確性，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)流轉(zhuǎn)。

2.3 BIM技術(shù)在施工中的信息化協(xié)同管理

項(xiàng)目管理各體系、各層級(jí)間缺乏快捷、有效的信息共享與交流渠道。對(duì)于施工單位來講，各個(gè)專業(yè)存在著“信息孤島”，相互之間信息的有效準(zhǔn)確傳遞和交流存在一定的困難，不穩(wěn)定的信息數(shù)據(jù)接口也導(dǎo)致項(xiàng)目管理效率得不到保證。

為保證各專業(yè)、各流程之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w性，建立統(tǒng)一的整合作業(yè)環(huán)境，減少各專業(yè)接口沖突，達(dá)到提升工程質(zhì)量的整體目標(biāo)。在項(xiàng)目中使用了C8BIM協(xié)同管理平臺(tái)，按職責(zé)建立架構(gòu)信息及設(shè)置相應(yīng)使用權(quán)限，BIM 設(shè)計(jì)師上傳模型，經(jīng)過輕量化處理后，能夠通過移動(dòng)端等3個(gè)端口進(jìn)行可視化交底?，F(xiàn)場(chǎng)若發(fā)現(xiàn)問題，可拍照，基于平臺(tái)模型綁定構(gòu)件及位置上傳相關(guān)問題，各體系人員可根據(jù)問題進(jìn)行回復(fù)處理意見，問題處理結(jié)果一目了然。此平臺(tái)還能夠按照工藝安裝順序?qū)?gòu)件工序進(jìn)行拆解，根據(jù)既定工期，綁定構(gòu)件批次，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件安裝的4D 模擬，檢驗(yàn)工序及工期安排是否合理，讓施工中的每個(gè)工序質(zhì)量確保在可控制范圍內(nèi)，能夠真正做到事前預(yù)控、事中可控，為幕墻工程的質(zhì)量提供可靠保障。該類平臺(tái)還可與RFID 等一批智能硬件結(jié)合，通過射頻技術(shù)與生產(chǎn)管理的有機(jī)統(tǒng)一，追蹤構(gòu)件動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件物料生產(chǎn)狀態(tài)的可視化管理。除此之外，還可上傳項(xiàng)目各類資料信息，能夠加以整合分類、儲(chǔ)存及供項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分享，大幅提升工作效率。平臺(tái)的有效使用能夠在信息爆炸時(shí)代精準(zhǔn)把握關(guān)鍵信息，降低信息的不穩(wěn)定性，降低隨機(jī)事件的發(fā)生率。

3 結(jié)語

從遠(yuǎn)景來看，BIM 技術(shù)在幕墻工程全生命周期中的應(yīng)用可通過硬件設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)深度融合，將方法模型化、模型算法化、算法軟件化，用軟件優(yōu)化物理空間，利用低代碼技術(shù)形成大眾化的平臺(tái)，降低使用門檻，打破專業(yè)壁壘，加快數(shù)據(jù)的流動(dòng)效率，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。