上海海华幕墙建筑装饰工程有限公司 上海 201615
摘要：随着我国经济快速发展，各类异形建筑不断涌现，幕墙工程更是呈现出对建筑美感和造型前所未有的追求，从传统的平直外立面向单曲、双曲等复杂造型跨越，空间异形幕墙的造型也给幕墙深化设计和施工带来一定的挑战。因此，BIM技术在曲面异形建筑幕墙中的应用变得越来越重要。本文结合BIM优化性、协同性、可视化、模拟性等特点，针对义乌陆港1-27#地块商业幕墙项目实例，建立了三维可视化模型，介绍了在幕墙深化设计、加工及施工阶段BIM技术应用，解决了曲面异形幕墙深化设计难度大、加工精度要求高、施工安装定位难的工程难点，为同类工程提供参考。
关键词：BIM；曲面异形；幕墙；深化设计
1、工程概况
义乌陆港1-27#地块项目工程，项目总建设用地面积 81670.5 ㎡，总建筑面积 211692.23 ㎡。其中，商业购物中心建筑高度为23m，地上3层，钢筋混凝土框架结构，屋面5个采光顶为钢结构玻璃采光顶，建筑外立面主要为曲面异形铝板和玻璃幕墙，幕墙面积23000㎡。本商业购物中心幕墙系统主要有曲面异形铝板幕墙、铝板飘带、玻璃幕墙、玻璃采光顶、百叶、雨篷等，多幕墙系统交接收口节点复杂。效果图如图1所示。
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图1 商业购物中心工程效果图
2、项目难点
业主及建筑师对本工程的品质要求较高，希望将该工程打造为整个片区开发的精品商业项目。本工程外立面造型独特，外立面主要由曲面异形铝板幕墙和玻璃幕墙组成，其中双曲面铝板占比超过20%，由几千块规格尺寸均不相同的铝板组成，这加大了铝板面板加工难度。
本工程在铝板幕墙表皮上及内侧布置有很多的窗洞，铝板幕墙及窗洞玻璃幕墙的龙骨布置、定位及窗洞边缘的防水设计与施工也是本工程的难点之一。
本工程铝板表皮与结构之间的距离和方向不断变化，为保证建筑整体的外观效果，外立面钢立柱存在空间定位困难，精度要求高，安装精度控制难是施工中的难点。
3、BIM技术
3.1 工程BIM软件应用
义乌陆港1-27#地块项目工程在项目投标阶段成立BIM应用小组，利用设计院提供的原始模型，开展BIM技术应用。在项目实践过程中，BIM技术小组应用的工作软件主要选择Rhino+Grasshopper的软件构架体系，利用其强大的参数化与数据统计为空间异形结构的建立提供了便利，使异形构件的空间定位、加工数据的提取成为可能。并采用自顶向下的参数化建模手段进行幕墙全系统模型的创建，自顶向下的BIM设计首先在设计的顶层构筑一个顶层基本骨架，随后的设计过程基本在该顶层基本骨架的基础上进行修改、细化、最终完成整个深化过程。
3.2 BIM技术应用
本工程BIM主要应用于深化设计阶段、加工阶段、施工阶段。
3.2.1深化设计阶段
深化设计阶段BIM应用主要包括：施工安装定位、多专业协调、下料优化等。
1）施工安装定位
深化设计时充分考虑幕墙施工过程的定位控制点，异形曲面铝板幕墙系统，钢龙骨必须按照外覆盖铝板幕墙的曲面结构进行布置，钢龙骨定位的精准度直接影响后续铝板的安装质量。因此，本项目在深化设计的过程中充分考虑了幕墙系统施工过程中的定位控制点，并针对各定位控制点提供坐标定位及空间编号图指导现场施工（如图3，图4所示）。基于模型提取定位数据，能确保现场施工和模型的一致性，现场反馈定位数据到模型中对比又能控制施工安装质量。
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图3 幕墙龙骨定位坐标
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图4 幕墙龙骨定位编号图
2）多专业协调
BIM的工作模式是将众多的设计数据集成于一个模型中，按项目节点定义版本、更新模型数据，其本质应该是一个动态构件模型/数据库的过程。专业协调是BIM的基础应用和核心功能，从软件的操作上可以简单地理解为将各专业模型汇总后做碰撞测试。建筑工程的建设周期是一个复杂的过程，中间发生大量的设计协调以及由此产生的过程数据，可视化的方式让项目管理者对设计问题一览无余。
幕墙工程的工序是在具备完整的主体结构后开始施工，可与机电工程并行施工。幕墙与其它各专业在空间占位上联系紧密。曲面异形幕墙系统通过BIM加强了如下空间占位管理。
①幕墙通过土建梁板将荷载传递到主体，BIM可以检查结构边梁尺寸及幕墙预埋件位置，避免后期幕墙安装时与主体结构发生碰撞。
②BIM能处理好幕墙与精装修的空间定位关系问题，如二次隔墙与幕墙龙骨的对位关系、幕墙开启扇与房间的位置关系等。
③幕墙与机电专业的协调，外立面泛光照明系统，其线路与灯具的布局就需要与幕墙在深化设计时进行沟通协调，确保泛光照明系统管线及固定支座与幕墙不冲突，达到预期效果。
3）下料优化
①异形双曲面铝板下料优化：
本工程女儿墙顶及广告位部位存在大量的异形双曲面铝板，异形双曲面面板加工成本较平板高，甚至高出单曲面的铝板价格一倍以上，因此异形双曲面面板的优化将直接影响整个项目的成本。故本项目提取犀牛双曲面到Grasshopper中，通过Grasshopper插件进行遗传算法分析，在施工误差范围内力求最优算法，在整体外观满足要求的前提下，尽量采用平板、单曲面板来替代双曲面板块，从而降低了面板成本支出（如图5，图6，图7所示）。
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图5 优化双曲铝板运算
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图6 优化前双曲铝板
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图7 优化后单曲铝板
② 龙骨下料优化
本工程南北两端及飘带铝板系统背后龙骨为异形钢龙骨体系，钢龙骨的加工精度对幕墙安装有着至关重要的作用，同时钢龙骨吸收了由于主体钢结构安装偏差带来的影响，因此，对于钢龙骨的加工偏差进行了严格控制，对每一根龙骨都进行编号，在实体模型中进行放样，同时出厂时做好100%的检测。
3.2.2 加工阶段
本工程存在大量的异形及非标准幕墙，其背后隐藏着庞大的数据需求，传统CAD方式已经无法提供各种异形构件尺寸、参数、工程量等。故本工程在BIM模型创建过程中对所有的非常规构件进行分类并赋予唯一的编码，后续基于BIM模型通过参数化的编辑手段自动生成成千上万的非标准的加工订单及加工图（如图8，图9，图10所示），包括面板、龙骨及连接件等，后续加工数据通过插件直接对接CNC进行数控加工。真正实现BIM模型与加工数据联动，从而节约时间成本。
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图8 铝板加工编号
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图9 铝板数据导出
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图10 铝板订单数据
3.2.3 施工阶段
1）钢龙骨定位安装
异形曲面幕墙工程对精度的要求极高，主体结构的施工精度将直接影响后续的幕墙深化及现场施工，且异形建筑的主体结构偏差往往很大。传统的测量放线对主体结构误差的校核不能满足本项目的需求。为此，在施工过程中，充分利用BIM技术优势，对已经合成的BIM模型，提取各类构件相关尺寸、安装定位坐标信息，通过编辑后，输入激光全站仪，把各个异形构件在模型中定位信息，真实反映到施工现场的空间位置，准确地定位、安装、施工出异形曲面龙骨造型，解决了钢龙骨结构安装的施工难点。
2）造价管理
本工程造型复杂，存在大量的异形板块，传统的CAD里测量长度乘以高度的计算方法已不适用。故基于BIM模型通过几何规则编写相应的程序，自动识别平板、单曲、双曲面板块，然后对这些板块进行归类，针对曲面板块自动将其展开后表面积，最后通过计算机程序自动将各类数据汇总。从而实现对项目造价的精细化管控。
3）可视化建造
由于本工程幕墙节点构造层次非常复杂，传统CAD的设计方式无法准确、全面的绘制、表达出该建筑的全貌，故本工程采用基于BIM技术的三维虚拟设计环境将设计信息、模拟信息快速传递给下游的施工人员。幕墙BIM对可视化的需求主要是节点模拟和施工工序模拟，几乎所有的设计意图都可以通过三维模拟进行协调，施工过程可以通过仿真模拟工序，提前发现工程中的隐藏问题，降低技术风险，减少了设计返工带来的经济损失。
4、结语
本工程以BIM技术为桥梁，采用多种信息化手段全方位、多层次综合应用于幕墙深化设计、加工、施工阶段。BIM技术在本项目的应用颠覆了传统幕墙行业的思维，提高了深化设计乃至整个工程的质量、效率，降低了工程成本，带来了巨大的效益，为类似工程提供了有益的参考和借鉴。
参考文献：
[1]王斌 复杂幕墙系统的BIM实践 建筑技艺，2014（5）：32-43
[2]伍俊峰 基于BIM的双曲铝单板幕墙施工技术 广州建筑，2019（2），46-48
[3]谭春梅 浅谈BIM技术在建筑工程项目管理中的应用，中华建设科技 2019（3）
[4]蔡晓驰 双曲金属幕墙设计及施工探讨 基层建设 2016（18）