BIM技術(shù)在異形幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘要】由于異形建筑幕墻的復(fù)雜性需要承載大量的信息，傳統(tǒng)的二維技術(shù)已經(jīng)無法精準(zhǔn)高效表達(dá)這些復(fù)雜設(shè)計(jì)。因此，在異形建筑幕墻設(shè)計(jì)中BIM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，BIM技術(shù)可以高效處理異形建筑幕墻的設(shè)計(jì)、制作以及安裝等問題。文中基于BIM技術(shù)及異形幕墻相關(guān)理論知識(shí)，以某項(xiàng)目為案例，研究了BIM技術(shù)在異形建筑幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】異形建筑幕墻；BIM技術(shù)；建筑模型

【中圖分類號(hào)】TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0087-03

0 引言

建筑外觀造型越來越多變和復(fù)雜，也承載著更多信息，這給以二維圖紙為基礎(chǔ)的幕墻設(shè)計(jì)、施工等帶來巨大挑戰(zhàn)。如今自由曲面的建筑立面，幕墻設(shè)計(jì)、加工、安裝定位等都需要借助三維模型。BIM技術(shù)是一門新型的建筑技術(shù)，具有可視化、協(xié)調(diào)效率高、參數(shù)化設(shè)計(jì)等特征，能為建筑工程提供高效的協(xié)助。BIM技術(shù)在我國起步較晚，發(fā)展BIM技術(shù)使其能在大多數(shù)企業(yè)中使用尤為重要。以某幕墻項(xiàng)目為例，通過分析BIM技術(shù)在實(shí)際建筑幕墻的應(yīng)用情況，得知其在該領(lǐng)域應(yīng)用存在較大的局限性，并未發(fā)揮BIM技術(shù)的真正價(jià)值。

1 BIM技術(shù)及異形幕墻工程概述

1.1 BIM技術(shù)

BIM是一種直觀的3D模型技術(shù)，能夠在施工前通過計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)施工過程。通過這種技術(shù)，設(shè)計(jì)師、施工人員和業(yè)主可以直觀地了解待建工程的外觀效果、材料使用情況，以及項(xiàng)目中可能存在的問題。同時(shí)，BIM還可以幫助解決各專業(yè)之間的配合問題，確保項(xiàng)目順利進(jìn)行。BIM模型主要的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面。

1）具體化。待建工程通過一個(gè)具體的模型呈現(xiàn)，使項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的各階段都能清晰可見。這種可視化技術(shù)確保了每個(gè)階段的工作都在透明狀態(tài)下進(jìn)行，提高了施工的整體效率和準(zhǔn)確性。

2）一體化。BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目各專業(yè)的高度一體化，將所有專業(yè)整合到一個(gè)統(tǒng)一的模型中[1]。這種整合能夠提前識(shí)別并解決施工過程中可能出現(xiàn)的沖突，在施工前高效處理潛在問題，優(yōu)化各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)工作。

3）易調(diào)節(jié)。即參數(shù)化設(shè)計(jì)，是指建筑模型基于參數(shù)變化原理建立，類似于編程計(jì)算。通過調(diào)整模型參數(shù)，可以迅速生成不同的數(shù)據(jù)和模型信息。這種靈活性使模型能夠隨時(shí)根據(jù)需求進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而提高設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和效率。

1.2 異形幕墻工程

根據(jù)《建筑幕墻》規(guī)范，建筑幕墻由面板與支撐結(jié)構(gòu)體系（支撐裝置與支撐結(jié)構(gòu)）組成，主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力或自身有一定變形能力，不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)墻。幕墻具有自重輕，能抵抗風(fēng)荷載、地震荷載，具有保溫隔熱功能等特點(diǎn)。

建筑幕墻按照安裝方式分為框架式幕墻和單元式幕墻，按照面板材料劃分如圖1所示。

異形幕墻包含單曲面幕墻和雙曲面幕墻。單曲面如圓錐形、圓柱形。雙曲面一般是各個(gè)維度無規(guī)律的、復(fù)雜的、需要三維表示和空間定位才能表達(dá)的幕墻。例如上海中心、望京SOHO、國家體育館鳥巢等，這些建筑體現(xiàn)了現(xiàn)代建筑師極高的審美價(jià)值。以自由多曲的建筑形體創(chuàng)造建筑藝術(shù)，同時(shí)也蘊(yùn)含了豐厚的中國傳統(tǒng)文化韻味，使中國建筑幕墻在全球發(fā)展中占據(jù)重要地位。

2 BIM技術(shù)在異形幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 異形幕墻初步設(shè)計(jì)階段

異形建筑表面是建筑師通過三維建模軟件采用數(shù)學(xué)運(yùn)算產(chǎn)生的復(fù)雜空間模型。建筑師通過三維技術(shù)把變量數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成參數(shù)模型進(jìn)行擬合建筑表皮，建筑表皮材料采用參數(shù)化借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行表達(dá)，以實(shí)現(xiàn)建筑師對(duì)外觀效果的要求。但初步模型通常精度較低，只反映建筑形狀、大小和輪廓等信息，會(huì)存在扭曲的板塊和非標(biāo)準(zhǔn)板塊。所以幕墻初步設(shè)計(jì)須對(duì)建筑模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，把模型的板塊規(guī)整設(shè)計(jì)，以達(dá)到項(xiàng)目的可實(shí)施性。在初步設(shè)計(jì)階段主要分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

1）建筑模型表皮參數(shù)化設(shè)計(jì)。幕墻設(shè)計(jì)師通過BIM技術(shù)分析異形建筑幕墻雙曲造型的外表皮，采用參數(shù)化建模，借助Rhino和Grasshopper結(jié)合的方式。根據(jù)建筑師提供的初步模型，遵循建筑師設(shè)計(jì)理念的原則，首先明確基準(zhǔn)控制點(diǎn)，由點(diǎn)連成線，線向面的方向擴(kuò)展，最終組成建筑外形態(tài)[2]。然后確定表皮分格方式，確定分格后進(jìn)行板塊分析，精確分析各板塊的幾何特征，包括面板的尺寸、翹曲高度、扭曲角度等信息，為下一步設(shè)計(jì)提供有用的理論數(shù)據(jù)。

2）建筑表皮優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑表皮優(yōu)化設(shè)計(jì)側(cè)重于從板塊的可加工性和可安裝性角度進(jìn)行全面考量。在滿足建筑外觀效果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)師將板塊進(jìn)行合理劃分，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種方法有助于顯著降低項(xiàng)目成本。通過深入分析板塊的屬性特征，設(shè)計(jì)師可以最大限度地利用平板材料來擬合曲面，并采用單曲面來擬合雙曲面。這樣不僅能夠滿足建筑師對(duì)外觀效果的要求，還能有效降低施工難度和材料成本，實(shí)現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案[3]。

3）確定幕墻系統(tǒng)。綜合考慮甲方的成本要求以及建筑師的外觀需求，來決定采用單元式還是框架式幕墻系統(tǒng)。通過詳細(xì)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，可以明確幕墻龍骨的截面尺寸和大小，從而精準(zhǔn)確定主體結(jié)構(gòu)與建筑外表面之間的空間關(guān)系。

2.2 異形幕墻深化設(shè)計(jì)階段

因異形幕墻自由多曲，可能存在建筑表皮與主體及其他專業(yè)碰撞的情況，而二維圖紙無法準(zhǔn)確判斷出各位置是否存在碰撞的問題。幕墻深化階段需使用BIM通過軟件快速識(shí)別土建和幕墻專業(yè)是否存在碰撞導(dǎo)致幕墻無法安裝的情況。在土建施工之前將該問題進(jìn)行調(diào)整，最大限度地減少因?qū)I(yè)間不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的后期返工問題[4]。

把建筑外表皮各個(gè)板塊賦予相應(yīng)的屬性特征，如面板材料、板塊尺寸、板塊弧度、龍骨材質(zhì)及截面等。在模型中可以清晰地整理每個(gè)交接點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)處理方法，這就避免了在CAD繪圖時(shí)可能遺漏一些重要的交接處做法，導(dǎo)致影響后期施工，嚴(yán)重時(shí)可能造成主體結(jié)構(gòu)返工的情況。

建筑模型完成后，可以直接通過BIM軟件輸出二維圖紙，包括平面圖、立面圖、剖面圖等各方位圖紙，這些圖紙可以根據(jù)實(shí)際需求靈活導(dǎo)出。BIM軟件與大多數(shù)設(shè)計(jì)軟件兼容，使結(jié)構(gòu)計(jì)算可以直接基于BIM進(jìn)行，不僅避免了在計(jì)算結(jié)構(gòu)受力時(shí)重復(fù)建模，還顯著提高了工作效率，節(jié)省了時(shí)間和資源。

2.3 異形幕墻施工圖設(shè)計(jì)階段

幕墻施工圖需要完整地表達(dá)各細(xì)節(jié)的處理方法，各類材料的交接做法，幕墻與地面交接節(jié)點(diǎn)、防火封堵節(jié)點(diǎn)等細(xì)節(jié)處理的表達(dá)須全面和仔細(xì)。在初步設(shè)計(jì)和深化設(shè)計(jì)階段的模型中增加幕墻支撐結(jié)構(gòu)、連接件等附件，按照實(shí)際施工的方式布置，完善表達(dá)所有交接節(jié)點(diǎn)，完成模型深化后導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)二維和三維圖紙，同時(shí)導(dǎo)出幕墻支撐結(jié)構(gòu)和幕墻面板相對(duì)于建筑物原點(diǎn)的三維定位點(diǎn)[5]。異形幕墻施工必須以三維定位點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)出三維定位點(diǎn)的工作主要借助BIM技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

3 案例應(yīng)用分析

3.1 項(xiàng)目概況

廣州市黃埔區(qū)某單體項(xiàng)目以當(dāng)代航空輪胎為設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，深入挖掘航空輪胎的科技元素。以一平躺輪胎與一豎向輪胎的造型意向，契合大裝置工藝的12 m凈高與24 m凈高要求。立面采用鋁板+玻璃的材料，整體墻面與屋頂渾然一體，富含科技感。另一個(gè)單體為輪胎博物館，以輪胎的剖切體為設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，建筑的外造型直觀地向市民展現(xiàn)輪胎的構(gòu)造。整個(gè)展館既有輪胎科普展館的風(fēng)范，又為吸引全球科技人才、洽談合作業(yè)務(wù)提供了平臺(tái)。

本項(xiàng)目大科學(xué)裝置和航空輪胎博物館仿生態(tài)（航空輪胎造型）的建筑形態(tài)，在實(shí)際建造過程中，由于投資有限，需要考慮成本優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了獲得更佳的外觀效果，又盡可能降低建造成本，提高施工效率和施工品質(zhì)，致使項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有一定的難度。包含以下幾點(diǎn)。

1）主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，幕墻如何消化過大的施工偏差。

2）為了節(jié)約成本，如何減少雙曲蜂窩面板的使用而較小地影響外立面效果。

3）開放式曲面蜂窩板下的鋁鎂錳金屬屋面防水保溫一體化系統(tǒng)，如何排布分格才能達(dá)到最佳的防排水效果，又能為曲面蜂窩板提供簡(jiǎn)潔的支撐固定點(diǎn)。

4）如果降低累計(jì)誤差對(duì)效果和安裝的影響，需要借助BIM技術(shù)才能高效地完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與建造。

3.2 BIM技術(shù)在案例項(xiàng)目幕墻工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1）在方案設(shè)計(jì)階段，首先使用Rhino對(duì)項(xiàng)目的外表皮進(jìn)行詳細(xì)的分格分析。此過程涉及對(duì)外立面上蜂窩鋁板、玻璃采光帶以及其他裝飾元素（如百葉的分格）進(jìn)行研究。通過模型分析，設(shè)計(jì)師能夠評(píng)估這些分格是否具有良好的延續(xù)性和一致性，確保設(shè)計(jì)元素之間的協(xié)調(diào)性和視覺統(tǒng)一性。

2）初步分格確定后，分析單個(gè)板塊的曲率以確定是否能采用單曲板擬合雙曲板，是否可以采用折面代替曲面。一般用小板塊擬合曲面會(huì)更順滑，但設(shè)計(jì)的初衷不希望分格過小，小分格會(huì)讓立面的分縫增多變碎，影響立面效果的完整性。最終選取1 500 mm×3 500 mm（最大不超過4 200 mm）作為標(biāo)準(zhǔn)分格尺寸。借助BIM技術(shù)對(duì)分縫大小進(jìn)行建模分析，最終在滿足對(duì)曲面蜂窩鋁板固定構(gòu)造需要的基礎(chǔ)上選取了12 mm的分格拼縫，比常規(guī)的15 mm的縫隙整體效果更加完整，順滑感更好。

3）為了節(jié)省成本，運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行曲面以折代曲放樣模擬，在橫向輪胎和豎向輪胎最大半徑的胎面和胎側(cè)面利用單曲替換雙曲后，以平板代替單曲的效果基本可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的立面效果，此項(xiàng)工作如果沒有運(yùn)用BIM技術(shù)，需要通過實(shí)物樣板才能判斷是否具有可行性。

4）運(yùn)用BIM對(duì)裝飾面板以下的防水保溫系統(tǒng)——鋁鎂錳金屬屋面系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)排版，以獲得更佳的防排水效果。讓鋁鎂錳板更加便于施工安裝，減少接口且節(jié)省成本，顯著提高防水保溫系統(tǒng)性能的同時(shí)，還能確保施工的高效性和經(jīng)濟(jì)性。

3.3 BIM技術(shù)在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中存在的問題及優(yōu)化對(duì)策

BIM技術(shù)在異形幕墻項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為提升項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的準(zhǔn)確性，減輕工程技術(shù)人員的工作量，預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)以及提高建造速度和項(xiàng)目品質(zhì)等方面帶來了顯著效益。然而，盡管BIM技術(shù)在三維建模和數(shù)據(jù)集成方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際的異形幕墻加工過程中，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

首先，異形幕墻的曲面面板材料在加工過程中，受限于終端加工設(shè)備的數(shù)字自動(dòng)化程度。當(dāng)前，盡管許多先進(jìn)的加工設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一定程度的智能化，但部分工序仍然依賴于人工操作[6]。這種依賴性在處理扭曲較為復(fù)雜的項(xiàng)目時(shí)尤為明顯，因?yàn)檫@些項(xiàng)目對(duì)加工精度的要求極高，而現(xiàn)有的自動(dòng)化設(shè)備往往難以完全滿足這些要求。

其次，BIM自身的精度在展開后可能出現(xiàn)較大偏差，這也是一個(gè)不容忽視的問題。在異形幕墻的設(shè)計(jì)和加工過程中，模型的精確性直接關(guān)系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。當(dāng)遇到扭曲較為復(fù)雜的項(xiàng)目時(shí)，BIM的精度在展開后可能會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致曲面加工出錯(cuò)。這種偏差不僅會(huì)影響幕墻的美觀度，更可能對(duì)建筑的整體結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅。

為解決這一問題，往往需要借助更加專業(yè)的二次開發(fā)程序。這些程序能對(duì)BIM進(jìn)行更加精細(xì)的調(diào)整和優(yōu)化，從而提高模型的精度，確保其在展開后能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際的加工需求。通過這種方式，不僅可以有效避免因模型精度不足而導(dǎo)致的加工錯(cuò)誤，還能進(jìn)一步提升異形幕墻項(xiàng)目的整體品質(zhì)和建造速度。

4 結(jié)語

通過本研究可知，如今BIM技術(shù)還在初級(jí)階段，但在建筑領(lǐng)域應(yīng)用BIM技術(shù)是一大趨勢(shì)，BIM技術(shù)在幕墻中的應(yīng)用將有很大的發(fā)展[7]。而現(xiàn)實(shí)中BIM技術(shù)人員稀缺，為了更好地發(fā)揮BIM技術(shù)的優(yōu)越性，須加強(qiáng)建筑行業(yè)人員對(duì)BIM的培訓(xùn)，提高相關(guān)人員對(duì)BIM技術(shù)的認(rèn)識(shí)，讓其二維的思維向三維思維轉(zhuǎn)變。特別是工程管理人員須學(xué)會(huì)應(yīng)用BIM技術(shù)，推進(jìn)信息化管理，在動(dòng)態(tài)控制中減少施工錯(cuò)誤，規(guī)避后期可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低項(xiàng)目成本。

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[作者簡(jiǎn)介]周苑云（1990—），女，廣東惠州人，?？?，助理工程師，研究方向：異形幕墻材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。