BIM技術(shù)在建筑幕墻工程中的應(yīng)用
——以南水北調(diào)紀(jì)念館項(xiàng)目為例

羅國(guó)興 李 錚 孔豫棟 張利彬

幕墻由石材、玻璃、金屬板等面材以及立柱、橫梁、鋼結(jié)構(gòu)等支撐結(jié)構(gòu)體系組成，是依附于建筑主體存在的不承重的外圍護(hù)裝飾性墻體，是建筑物的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代建筑的體量越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，隨之幕墻結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。在此背景下，傳統(tǒng)的二維軟件已無(wú)法滿足建筑幕墻的設(shè)計(jì)、施工等需要，必須借助三維模型軟件進(jìn)行建筑幕墻的設(shè)計(jì)、施工以及管理。BIM 技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一項(xiàng)新的建筑數(shù)字技術(shù)，其應(yīng)用能將傳統(tǒng)的二維平面轉(zhuǎn)化成三維立體建筑模型，可以看到完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。這對(duì)建筑行業(yè)來(lái)說(shuō)可以有效避免許多設(shè)計(jì)、施工等方面的錯(cuò)誤，防止造成工程返工或者出現(xiàn)事故，并能加快工程建設(shè)進(jìn)度?；诖耍旅嬉阅纤闭{(diào)紀(jì)念館項(xiàng)目為例，探討B(tài)IM技術(shù)在建筑幕墻工程中的應(yīng)用，以期為其他類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 BIM 技術(shù)概述

建 筑 信 息 模 型（Building Information Modeling， BIM）技術(shù)被譽(yù)為繼計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CAD 之后的第二次設(shè)計(jì)革命，是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具。BIM 技術(shù)由歐特克（Autodesk）公司提出，目的是幫助相關(guān)人員將建筑設(shè)計(jì)、施工直至項(xiàng)目終結(jié)的所有信息集合在一個(gè)三維模型的信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。基于BIM 技術(shù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析和協(xié)同設(shè)計(jì)的功能，可以協(xié)助設(shè)計(jì)單位，事前最大限度地減少圖紙錯(cuò)誤?；贐IM 技術(shù)的模擬分析、可視化溝通功能，可以協(xié)助施工單位，保證重點(diǎn)施工部位的順利施工，減少返工；監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工，提高各方施工質(zhì)量；加快施工進(jìn)度，保障項(xiàng)目的工期等。

2 南水北調(diào)紀(jì)念館項(xiàng)目概況

南水北調(diào)紀(jì)念館位于河南省焦作市解放區(qū)人民路與普濟(jì)路交匯處西北側(cè)，建筑共3 層，高23.9 m，主體建筑面積為1.56 萬(wàn)m2，幕墻面積為1.40 萬(wàn)m2，項(xiàng)目總投資4.4 億元，工程造價(jià)為6 500萬(wàn)元。該紀(jì)念館的建筑外觀以水為形，以渠為意，取意“水到渠成”，陳設(shè)內(nèi)容突出南水北調(diào)精神、南水北調(diào)文化，具有宣教、紀(jì)念、展陳以及觀水等功能。建筑幕墻系統(tǒng)包括平面鋁板幕墻、豎明橫隱玻璃幕墻、鋁鎂錳板+金屬幕墻、曲面折邊鋁板幕墻、單曲鋁板幕墻、雙曲鋁板幕墻以及玻璃幕墻等，其中玻璃幕墻包含點(diǎn)支式玻璃雨棚、采光頂、隱框玻璃幕墻及開啟扇系統(tǒng)等，異形幕墻占比為85%，其屋面金屬幕墻同底層鋁鎂錳板系統(tǒng)交錯(cuò)布置，施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度較大。

3 BIM 技術(shù)在南水北調(diào)紀(jì)念館幕墻工程中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目實(shí)施重難點(diǎn)

一是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)薄弱。該項(xiàng)目中的鋁板金屬幕墻合計(jì)1.3 萬(wàn)m2，其中85%為雙曲面板，15%為平板。鋁板固定全部附著在鋼結(jié)構(gòu)表面，曲面板的下料和定位安裝困難；原大尾巴端頭結(jié)束突兀、無(wú)流線美感。二是施工環(huán)節(jié)問題突出。項(xiàng)目以水為形，整體以流線造型為主，施工措施復(fù)雜，異形幕墻下料和安裝復(fù)雜，空間定位難度大，幕墻施工效果完成度較難把控。三是生產(chǎn)管理盲區(qū)多，協(xié)調(diào)難度大。單憑傳統(tǒng)的二維平立面施工圖不能實(shí)現(xiàn)對(duì)異形幕墻項(xiàng)目的全面展現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)落復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得材料生產(chǎn)加工、施工流程控制困難。四是項(xiàng)目計(jì)量難以實(shí)現(xiàn)。異形幕墻不能通過平立面圖進(jìn)行工程計(jì)量，大量單雙曲鋁板面計(jì)量無(wú)從下手。

3.2 BIM 技術(shù)具體應(yīng)用

Rhino 7.0，又名犀牛3D 建模軟件，是一款專業(yè)、高效、實(shí)用的3D 建模工具。該軟件功能強(qiáng)大，可應(yīng)用于三維動(dòng)畫制作、機(jī)械設(shè)計(jì)，以及建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。另外，建筑工程項(xiàng)目中常用的BIM建模軟件有Revi、Bentley、ArchiCAD、Envisioneer 等。

基于此，筆者采用Rhino 7.0 進(jìn)行參數(shù)化建模，之后導(dǎo)入Navisworks、Revit中進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，最終全部數(shù)據(jù)進(jìn)入幕墻工程BIM系統(tǒng)進(jìn)行信息管理和維護(hù)[2]。下面筆者結(jié)合南水北調(diào)紀(jì)念館幕墻工程中的重難點(diǎn)問題，從設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工生產(chǎn)以及工程計(jì)量3 個(gè)方面具體介紹BIM技術(shù)在幕墻工程中的應(yīng)用。

3.2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

通過三維模型直觀地呈現(xiàn)二維圖紙錯(cuò)漏碰缺問題，對(duì)于異形幕墻設(shè)計(jì)尤為重要。該項(xiàng)目中85%的板塊為雙曲面板，具有加工時(shí)間長(zhǎng)、成本高、易變形、安裝難度大及定位復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，在節(jié)約成本、保證造型的要求下，需要優(yōu)化雙曲板。通過Rhino 7.0 的可視化編程插件對(duì)幕墻面板的曲率進(jìn)行分析，從而進(jìn)行面板優(yōu)化。其中，將所有典型的節(jié)點(diǎn)大樣通過搭建BIM 模型來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化操作，使系統(tǒng)構(gòu)件更加直觀形象。模型效果如圖1 所示。

圖1 模型效果

另外，該項(xiàng)目原大尾巴端頭結(jié)束突兀、無(wú)流線美感，如圖2（a）所示，筆者通過對(duì)該部分的實(shí)際測(cè)量，結(jié)合數(shù)據(jù)建立三維模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化效果如圖2（b）所示。

圖2 項(xiàng)目大尾巴端頭設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

3.2.2 施工優(yōu)化

弧形龍骨優(yōu)化。由于表皮及復(fù)測(cè)點(diǎn)無(wú)法大面調(diào)整，因此為保證圓弧與頂面、側(cè)面接口保持順滑，圓弧鋁板不能做成標(biāo)準(zhǔn)圓弧[3]。根據(jù)斐波那契曲線，不同曲率的兩條曲線依然可以順滑連接，因此分格時(shí)使頂面線與側(cè)面分格線保持在同一平面，并在同一平面連接兩條線做切線連接，即可保證接口處順滑，確保模型的效果。優(yōu)化后的弧形龍骨如圖3所示。

圖3 弧形龍骨優(yōu)化效果

龍骨整榀吊裝。根據(jù)節(jié)點(diǎn)圖在模型中建立好如圖4 所示的龍骨模型，出具龍骨CAD 圖紙，提取出整榀龍骨的控制點(diǎn)坐標(biāo)。在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)龍骨加工圖，按尺寸切割好鋼龍骨并進(jìn)行焊接，依據(jù)從模型中提取的控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)整榀龍骨進(jìn)行吊裝。將骨架成整榀出圖，按照加工圖進(jìn)行預(yù)拼焊，可以在地面根據(jù)圖紙上的控制點(diǎn)檢查骨架的精準(zhǔn)程度，方便施工和精準(zhǔn)度復(fù)查，減少焊接誤差。根據(jù)每榀骨架的編號(hào)，測(cè)量員配合空間坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)快速吊裝，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)間，提高效率。

圖4 龍骨模型

B 軸大曲面鋁板安裝。因該處鋼結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境空間復(fù)雜，不適宜外部測(cè)量打點(diǎn)施工作業(yè)，而鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間大、視野好、地面平整，所以采用室內(nèi)投影的方法定位槽鋼連接件，可以實(shí)現(xiàn)骨架的集中加工和快速吊裝作業(yè)。采用室內(nèi)投影的方法定位槽鋼連接件的具體步驟如下：首先建立槽鋼及龍骨模型；其次取出槽鋼控制點(diǎn)，投影至地面；最后將兩個(gè)控制點(diǎn)連線延長(zhǎng)2 000 mm+1 000 mm，得到的兩個(gè)點(diǎn)投影至地面[4]。

3.2.3 工程計(jì)量

幕墻工程計(jì)量借助三維模型進(jìn)行計(jì)算更加直觀和精準(zhǔn)[5]。該項(xiàng)目幕墻的面材、龍骨、主材通過模型參數(shù)化提取，將同廠家下單的不同批次鋁板在模型中用不同顏色進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，通過模型顏色，選中所要批次即可獲知該批次面積（圖5）。這便于向甲方報(bào)每月工程量，且該項(xiàng)目鋁板由兩家材料商進(jìn)行供貨，由兩家勞務(wù)隊(duì)進(jìn)行不同部位施工，相同材料商及勞務(wù)商辦理結(jié)算時(shí)，不同批次數(shù)據(jù)可搭配使用。另外，現(xiàn)場(chǎng)管理人員通過該模型可迅速得知來(lái)料部位，規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)材料碼放位置。

圖5 模型顏色選擇顯示效果

3.3 BIM 技術(shù)應(yīng)用效果

BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用。大大優(yōu)化了鋁板曲面，從而降低了現(xiàn)場(chǎng)勞務(wù)挑選板材的時(shí)間，而且在板塊大小合理的優(yōu)化范圍內(nèi)減少了龍骨的下料尺寸，降低了成本投入等。

BIM 技術(shù)在施工優(yōu)化中的應(yīng)用。通過批量?jī)?yōu)化圓弧龍骨并出圖，加快了加工效率，且現(xiàn)場(chǎng)易于安裝，同時(shí)便于龍骨架施工和精準(zhǔn)度復(fù)查，減少焊接誤差，可以實(shí)現(xiàn)快速吊裝等。

BIM 技術(shù)在工程計(jì)量中的應(yīng)用。為商務(wù)和物資人員節(jié)約了大量的統(tǒng)計(jì)工時(shí)，并且數(shù)據(jù)隨設(shè)計(jì)和技術(shù)方案的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和前后方案各種數(shù)據(jù)的有效比對(duì)。

4 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)紀(jì)念館的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自成語(yǔ)“水到渠成”，目的是打造一個(gè)集展示、教育、記錄以及體驗(yàn)于一體的綜合性紀(jì)念館。BIM 技術(shù)提供的精準(zhǔn)信息有助于相關(guān)人員高質(zhì)量完成建筑設(shè)計(jì)、施工、管理工作并節(jié)約成本。該工程通過應(yīng)用BIM 技術(shù)，有效提高了施工質(zhì)量及效率，節(jié)約了成本投入、縮短了施工工期。