芻議BIM技術(shù)在建筑幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

冀國(guó)明

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

1 BIM技術(shù)概述

1.1 BIM技術(shù)概念

BIM技術(shù)又稱建筑信息模型，它是涵蓋了建筑全生命周期中所產(chǎn)生的全部信息數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確描述建筑物構(gòu)件狀態(tài)信息和集合信息的數(shù)據(jù)化工具，具有提供信息共享傳遞、信息自動(dòng)收集與統(tǒng)計(jì)整理等使用功能。同時(shí)，BIM技術(shù)可以被視作一個(gè)采取數(shù)字化表達(dá)形式的共享知識(shí)資源庫(kù)，在建筑設(shè)計(jì)、工程建造方面發(fā)揮著提供決策支持、可視化溝通、多專業(yè)集成設(shè)計(jì)等多重作用。

1.2 BIM技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在智能化設(shè)計(jì)、可視化設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)三方面。

1.2.1 智能化設(shè)計(jì)方面

利用BIM技術(shù)的模擬性，使用Ecotect、BIM360等軟件的自帶工具將幕墻設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入軟件中，進(jìn)行模擬試驗(yàn)、熱工分析等功能性試驗(yàn)，通過(guò)三維可視化模型和動(dòng)畫演示，模擬建筑幕墻建造過(guò)程和不同環(huán)境條件下的使用工況，從而判斷建筑幕墻設(shè)計(jì)方案的可行性，展示設(shè)計(jì)效果，幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)方案缺陷和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，輔助人工完成智能對(duì)象數(shù)據(jù)交換等任務(wù)。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是利用BIM技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和自動(dòng)化程度，代替人工完成一些基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬試驗(yàn)等功能提供決策支持，約束指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作開(kāi)展。

1.2.2 可視化設(shè)計(jì)方面

基于技術(shù)可視化特征，在工程信息資料基礎(chǔ)上建立BIM數(shù)字模型，直觀、立體化地呈現(xiàn)建筑現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員無(wú)需依靠想象結(jié)構(gòu)形態(tài)與構(gòu)件之間的空間位置關(guān)系，直接在BIM模型中呈現(xiàn)幕墻設(shè)計(jì)方案效果，有助于降低設(shè)計(jì)難度、減小設(shè)計(jì)誤差。同時(shí)，使用Revit Live軟件的沉浸式虛擬體驗(yàn)功能與VR眼鏡設(shè)備，設(shè)計(jì)人員與業(yè)主都可以沉浸在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中觀察建筑幕墻的設(shè)計(jì)效果，如用肉眼觀察建筑幕墻的造型是否美觀，判斷設(shè)計(jì)效果是否符合預(yù)期要求和業(yè)主方要求，識(shí)別并提出具體的設(shè)計(jì)問(wèn)題，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1.2.3 協(xié)同設(shè)計(jì)方面

利用BIM平臺(tái)的技術(shù)協(xié)調(diào)性，將各個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)方案和信息模型中的信息數(shù)據(jù)上傳到BIM數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匯總整理，以保持各專業(yè)模型之間的連接，在任意BIM模型信息與方案內(nèi)容發(fā)生變動(dòng)時(shí)，平臺(tái)將對(duì)其他專業(yè)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，并使用軟件自帶的碰撞檢測(cè)工具檢查構(gòu)件是否存在軟硬碰撞問(wèn)題，緩解專業(yè)沖突，避免在后續(xù)設(shè)計(jì)方案整合環(huán)節(jié)產(chǎn)生過(guò)多的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。同時(shí)，BIM平臺(tái)也為各專業(yè)設(shè)計(jì)人員和工程參建單位提供了實(shí)時(shí)溝通渠道，可以直接在BIM平臺(tái)上召開(kāi)視頻會(huì)議，相互交流設(shè)計(jì)意圖、經(jīng)驗(yàn)，協(xié)同解決設(shè)計(jì)缺陷，減少后期修改。

2 BIM技術(shù)在建筑幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 幕墻系統(tǒng)建模與深度建模

建立三維可視化信息模型是保證后續(xù)建筑幕墻設(shè)計(jì)工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵，也是應(yīng)用BIM技術(shù)的前提。因此，在建筑幕墻設(shè)計(jì)期間的首要任務(wù)是根據(jù)已掌握的工程信息，使用Revit、ArchiCAD等建模軟件建立幕墻系統(tǒng)的BIM模型。幕墻系統(tǒng)建模主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

2.1.1 建立材料族與生成嵌套族

在軟件中直接創(chuàng)建常規(guī)族文件或是在線、面基礎(chǔ)上創(chuàng)建常規(guī)族文件，在軟件中導(dǎo)入單元節(jié)點(diǎn)圖，調(diào)整尺寸，處理所需運(yùn)用的材料模因，依次設(shè)置拉伸、融合、旋轉(zhuǎn)處理，設(shè)定幕墻構(gòu)件的?？臻g、材質(zhì)、尺寸等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并在常規(guī)族中鑲嵌另一個(gè)族，使各常規(guī)族保持相互鑲嵌與聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，向嵌套族內(nèi)導(dǎo)入建筑幕墻的立面圖、剖面圖、CAD版軸網(wǎng)和材料模型，進(jìn)行圖件定位處理，將輪廓線轉(zhuǎn)為多段線后導(dǎo)入Revit軟件中，采取放樣的方法獲取幕墻框架，使各段折線生成為獨(dú)立板塊，單獨(dú)調(diào)節(jié)各處建筑幕墻板塊的數(shù)值，以提高模型的真實(shí)度。

2.1.2 在模型中優(yōu)化處理幕墻板塊及明細(xì)表

使用軟件雙向關(guān)聯(lián)功能提高優(yōu)化效率與模板數(shù)據(jù)的精確度，統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目所用機(jī)具設(shè)備與材料信息，以獲取設(shè)備材料明細(xì)表，根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整明細(xì)表內(nèi)容，補(bǔ)充材料材質(zhì)、品種型號(hào)、尺寸等信息。

2.1.3 使用軟件自帶工具進(jìn)行模型沖突檢測(cè)作業(yè)

檢查是否存在單元板塊不規(guī)則、異形幕墻、幕墻與建筑主體結(jié)構(gòu)碰撞等問(wèn)題，掌握各單元板塊之間的干涉情況，對(duì)干涉部位進(jìn)行修正處理。

2.1.4 在模型中進(jìn)行加工組裝作業(yè)

將所創(chuàng)建的模擬板塊和建構(gòu)加工圖進(jìn)行組裝處理，呈現(xiàn)出模擬組裝操作過(guò)程，組裝完成后完成建筑幕墻BIM建模任務(wù)。

2.2 幕墻方案設(shè)計(jì)

2.2.1 制定幕墻板塊劃分方案

設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)際情況制定幕墻板塊劃分方案，需要綜合分析幕墻外立面效果、建筑室內(nèi)使用功能需求、幕墻系統(tǒng)基本構(gòu)造、施工與使用成本、材料性能和尺寸參數(shù)等因素。例如，從追求幕墻外立面效果角度來(lái)看，根據(jù)BIM模型呈現(xiàn)內(nèi)容，幫助設(shè)計(jì)人員掌握不同幕墻板塊劃分方案下線條形成情況是否符合設(shè)計(jì)意圖、滿足幕墻力學(xué)性能和節(jié)能要求。從滿足建筑室內(nèi)功能需求的角度出發(fā)，利用BIM模型檢查幕墻板塊劃分方案是否會(huì)導(dǎo)致單塊玻璃板材跨越多個(gè)房間和兩個(gè)以上防火分區(qū)，并對(duì)幕墻板塊劃分方案加以調(diào)整，避免因此造成建筑防火分區(qū)失效。

2.2.2 修正建筑幕墻外立面效果

利用BIM模型對(duì)建筑幕墻外立面效果進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)人員觀察不同幕墻板塊分格方式的視覺(jué)效果，設(shè)計(jì)單位與建設(shè)單位在BIM平臺(tái)可視化狀態(tài)下進(jìn)行溝通協(xié)商，根據(jù)建設(shè)單位的反饋意見(jiàn)調(diào)整，直至達(dá)到理想建筑幕墻外立面視覺(jué)效果，必要時(shí)可切換幕墻形式，如切換為全明框、全隱框、橫明豎隱、豎明橫隱的幕墻形式。同時(shí)，根據(jù)美國(guó)建筑師學(xué)會(huì)提出的BIM模型LOD分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，要求BIM模型在幕墻初步方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的精度必須達(dá)到LOD100級(jí)別。

2.2.3 進(jìn)行功能性模擬試驗(yàn)

使用Revit等BIM軟件自帶功能進(jìn)行日照模擬、熱能傳導(dǎo)模擬、節(jié)能性能模擬等功能性模擬試驗(yàn)，以測(cè)試建筑幕墻結(jié)構(gòu)的保溫隔熱等性能是否達(dá)到工程要求和規(guī)范要求，并開(kāi)展4D模擬和5D模擬試驗(yàn)，預(yù)測(cè)建筑幕墻工程的工期、造價(jià)和精確統(tǒng)計(jì)工程量。這樣可幫助設(shè)計(jì)人員量化評(píng)價(jià)各套建筑幕墻設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效果和綜合分值，綜合考慮其使用性能、造價(jià)成本、工期等，從中選擇最佳方案作為建筑幕墻初步設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)深化設(shè)計(jì)提供思路，如加強(qiáng)建筑幕墻結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和控制光污染指數(shù)。

3 幕墻深化設(shè)計(jì)

建筑幕墻初步設(shè)計(jì)方案在細(xì)節(jié)程度上存在不足，如果直接進(jìn)行后續(xù)建筑幕墻施工活動(dòng)，容易造成施工誤差，且幕墻結(jié)構(gòu)的使用性能與工程要求存在差異。因此，需要在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行幕墻深化設(shè)計(jì)。根據(jù)工程實(shí)際情況，綜合考慮在重力荷載、環(huán)境溫度、建筑主體結(jié)構(gòu)位移等因素影響下幕墻結(jié)構(gòu)的使用情況，并對(duì)建筑幕墻細(xì)部進(jìn)行深化設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)整。傳統(tǒng)建筑幕墻設(shè)計(jì)體系需要借助AutoCAD、SktchUp、SAP2000等多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行圖紙繪制、建模效果圖生成、模型有限元分析等工作，但建筑幕墻深化設(shè)計(jì)工作量過(guò)大，設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度有待提高，圖件信息跨平臺(tái)轉(zhuǎn)換過(guò)程中容易出現(xiàn)信息失真、損毀等問(wèn)題。BIM技術(shù)的應(yīng)用可以在同一平臺(tái)完成建筑幕墻深化設(shè)計(jì)工作，在BIM軟件中建立幕墻模型、生成三維效果圖和二維平面圖紙，由于BIM模型包含了構(gòu)件線密度、慣性矩等物理信息，具有直接進(jìn)行力學(xué)計(jì)算、熱工計(jì)算、有限元分析等技術(shù)條件，設(shè)計(jì)人員無(wú)需重復(fù)建模等工作，使得建筑幕墻深化設(shè)計(jì)難度和實(shí)際工作量均得到明顯降低。例如，在某建筑幕墻工程中，設(shè)計(jì)人員采用BIM技術(shù)對(duì)建筑幕墻進(jìn)行防水保溫和檁托防水穿越點(diǎn)的深化設(shè)計(jì)。在防水保溫深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，在模型內(nèi)將防水保溫體系拆分為主鋼結(jié)構(gòu)、防水隔汽膜、鍍鋅拆件、2mm柔性防水層、防水層主次檁條、80mm保溫巖棉等部分，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和受力分析，根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果確定主次檁條材質(zhì)和布置間距，最終采用柔性防水層和硬性防水層。在檁托防水穿越點(diǎn)深化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)考慮檁托是否會(huì)因不均勻沉降等因素影響而與防水系統(tǒng)脫開(kāi)，重新調(diào)整檁托的連接做法，采用柔性防水材料搭配泡沫條的全新構(gòu)造做法。

4 幕墻施工圖設(shè)計(jì)

在幕墻施工圖設(shè)計(jì)期間，BIM技術(shù)主要用于處理異形幕墻問(wèn)題、提供技術(shù)驗(yàn)證與三維繪圖。其中，針對(duì)異形幕墻問(wèn)題，利用BIM技術(shù)的三維模擬環(huán)境進(jìn)行建筑幕墻基礎(chǔ)建設(shè)，重新劃分建筑模型表皮和優(yōu)化形狀規(guī)格，解決設(shè)計(jì)圖與BIM模型中存在的非標(biāo)準(zhǔn)性面板，避免后續(xù)出現(xiàn)卡扣、返工等問(wèn)題。在提供技術(shù)驗(yàn)證方面，由于建筑幕墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及專業(yè)眾多、容易產(chǎn)生專業(yè)矛盾，可利用BIM碰撞檢測(cè)功能進(jìn)行幕墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部、幕墻與建筑主體結(jié)構(gòu)間的碰撞分析試驗(yàn)。例如，檢查表面排水溝與主體桁架之間是否沖突碰撞或存在干涉問(wèn)題，或是出現(xiàn)幕墻與暖通、機(jī)電等專業(yè)的碰撞問(wèn)題，生成碰撞檢查報(bào)告，提供協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在三維繪圖方面，使用Revit三維制圖軟件，利用BIM模型可以快速生成二維平面圖紙和三維可視化圖紙，在后續(xù)施工期間出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更問(wèn)題時(shí)，通過(guò)軟件模型聯(lián)動(dòng)功能，可以自動(dòng)變更調(diào)整BIM模型和三維圖紙內(nèi)容。

5 BIM工具應(yīng)用

5.1 建筑幕墻設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

5.1.1 建筑表皮合理分格

在建筑幕墻設(shè)計(jì)中，一般都是采用構(gòu)件不分格的建筑幕墻模型，但在異形幕墻設(shè)計(jì)中為了保證各個(gè)結(jié)構(gòu)、板材細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑物造型外觀精準(zhǔn)地展示和設(shè)計(jì)優(yōu)化，需要在專業(yè)幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，以幕墻板材的實(shí)際大小情況合理劃分、定分、設(shè)計(jì)建筑模型表皮，并且加強(qiáng)形狀規(guī)格優(yōu)化，有效減少非標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則化面板、卡口返工等不良問(wèn)題，提高異形幕墻板材的利用率，控制工程造價(jià)。

5.1.2 有效避免設(shè)計(jì)沖突和交叉問(wèn)題

很多復(fù)雜建筑采用鋼結(jié)構(gòu)主體，對(duì)工期和專業(yè)技術(shù)要求都有很高的標(biāo)準(zhǔn)，如果不能保證各個(gè)專業(yè)與部門之間的有效溝通協(xié)調(diào)，很容易在后期施工階段無(wú)法充分落實(shí)技術(shù)方案，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸不匹配、龍骨和結(jié)構(gòu)安裝不合理、主體桁架交叉沖突等問(wèn)題。而設(shè)計(jì)時(shí)利用BIM技術(shù)能夠發(fā)揮其碰撞分析功能，明確幕墻與主體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，提前調(diào)整幕墻面板或支撐結(jié)構(gòu)，避免與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突，從而提高專業(yè)配合緊密度及后期的施工效率和質(zhì)量。

5.2 幕墻設(shè)計(jì)案例

某高層建筑造型別致，外部以異形玻璃幕墻作為外部幕墻。在建筑幕墻的設(shè)計(jì)中，構(gòu)建的建筑結(jié)構(gòu)三維模型主要采用BIM軟件搭建公用軸網(wǎng)、標(biāo)高等，完成幕墻平面圖紙的制作，并建立玻璃幕墻的規(guī)格。如圖1所示，利用Rhino犀牛軟件和Grasshopper插件制作幕墻表皮設(shè)計(jì)圖紙。在建筑結(jié)構(gòu)三維模型中導(dǎo)入玻璃幕墻表皮，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)碰撞檢查直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的缺陷。在優(yōu)化異形玻璃幕墻設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員首先將玻璃幕墻面板轉(zhuǎn)換為平面，系統(tǒng)能夠自動(dòng)更新各類空間坐標(biāo)，將玻璃面板尺寸添加到Revit軟件中。然后優(yōu)化Rhino中的參數(shù)和表皮，優(yōu)化玻璃幕墻表皮，將其加工成平面玻璃面板，以便加工。有的玻璃面板尺寸較大，為了方便生產(chǎn)和安裝，可利用插件進(jìn)行分割設(shè)計(jì)，建立新的建筑物三維模型和幕墻模型，并再次就設(shè)計(jì)交叉碰撞問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化和檢查，確認(rèn)無(wú)誤后，可將各個(gè)立面的具體參數(shù)標(biāo)注在圖紙上。施工人員按照?qǐng)D紙進(jìn)行放線，生產(chǎn)廠家按設(shè)計(jì)單位提供的清單生產(chǎn)玻璃幕墻面板，這樣既能有效降低設(shè)計(jì)和施工成本，又能提高施工效率，滿足建筑幕墻設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員利用Revit和3DMAX等協(xié)同軟件綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)圖紙的渲染，生成效果圖，使業(yè)主方能夠直觀地看到工程設(shè)計(jì)效果圖。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，BIM技術(shù)應(yīng)用于建筑幕墻工程，有利于提高總體設(shè)計(jì)水平和工程建設(shè)質(zhì)量，對(duì)推動(dòng)幕墻工程跨越發(fā)展具有重要意義。建筑企業(yè)與設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)研究BIM技術(shù)，建立以BIM技術(shù)為核心的現(xiàn)代化建筑幕墻設(shè)計(jì)體系，提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和實(shí)用性，充分發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。