基于BIM參數化方法的北京陽光保險幕墻項目深化設計及施工應用研究

邵洋 紀曉鵬 王方玨 潘文濤

摘 要：當前幕墻構造及功能形式日趨復雜多樣，設計和施工難度越來越大，采用傳統施工方法，在埋件精確定位、材料下單、構件加工、運輸安裝等都難以實施。BIM技術的應用給幕墻行業帶來了變革，本文以陽光保險項目為例，用Rhino及Catia建立幕墻模型，探索幕墻深化設計及施工的BIM應用。

關鍵詞：BIM；參數化；Rhino；Catia；幕墻

中圖分類號：TU17 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0126-03

1 BIM參數化

隨著經濟發展近年來建筑設計也走向多元化發展，對功能空間和視覺藝術表達等多方面因素綜合考慮越來越嚴格。參數化設計的引入讓設計方法變得與眾不同，參數化模型中所構建的數學邏輯，使得與之相關部分的幾何形態可以關聯變動，利用數學算法得到方案的最優解法。在建筑整個建造過程中，需考慮的問題更是錯綜復雜，對于一些復雜形體的建筑，其復雜的節點設計和施工定位問題必將需要一個高效的建模工具，參數化設計正是這種高效的工作方法，同時也是一種獨特的思維模式。因此在施工階段，結合現場實際情況引入參數化設計工具進行參數化的深化設計，是實現建筑復雜形態和施工定位的必由之路。

本文通過在陽光保險金融中心項目的幕墻項目的深化設計和施工BIM應用實踐，總結了針對本項目難點的BIM參數化設計及應用方法，得到了良好的應用效果。

2 項目概況

陽光保險金融中心外立面工程（如圖1所示），位于北京CBD核心區域，占地8000m2，建筑面積13萬m2，地上44層地下5層，總高度220米。其中幕墻工程面積共5.3萬m2，主要幕墻系統為塔樓單元式幕墻系統3.8萬m2、裙樓花瓣幕墻點式玻璃幕墻系統0.3萬m2、內幕墻及塔基框架幕墻系統1.2萬m2。

3 工程難點——參數化表皮方案擬合

本工程概念方案的形態通過標準正方形基底沿220米塔樓全高逐漸到頂部變形為橢圓形平面而獲得。為保證概念方案的實施與落地，在確保維持造型與視覺感受的前提下對概念方案形體進行調整。具體問題如下[1]：

（1）各樓層存在功能與高度的變化導致各層之間在大體形態相似的前提下存在細節差異，樓層平面輪廓無一重合。（2）概念設計階段粗略的形體設計導致多處使用功能障礙。（3）形體變化導致樓層輪廓收縮面臨斜柱設計。（4）從概念形體上截取的輪廓線其曲率連續變化施工中難以定位。（5）裙樓花瓣曲面造型多變大量雙曲板塊造成加工困難。

經參數化分析發現塔身四周的直線部分很容易確定，在東南及西北角區域采用圓弧替代，通過控制其半徑與圓心的變化來控制整個塔身的收縮，所有輪廓的找尋過程在參數化的驅動下只需幾秒鐘完成。

現在形體由兩種各司其職的參數控制才能進行精確自如的形體微調，解決各種設計問題，例如由于形體收縮造成的斜柱問題、不同功能樓層轉角變形導致的使用功能障礙等，可通過貝塞爾曲線對所有樓層的轉角參數進行整體進行列表微調，貝塞爾曲線的控制數列呈連續勻稱的變化趨勢，這樣保證了相鄰樓層間始終保持平滑的過度，調整中保證全局可視化調整，不會出現各別樓層的突兀變化[2]。

輪廓確定后需要進行層間鋁板設計，通過參數化編寫兩個可變的剖面，來應對塔樓東南及西北側兩處上下錯開的玻璃（見圖2所示）。對于玻璃板塊的劃分，塔樓東南及西北角位置為折線板塊，樓層表皮逐漸往內收，每層板塊的定位點及數量按照一定的規律變化，采用折線擬合。經放樣分析，單元板塊之間的水平夾角為171°～180°變化，越往高處角度呈增大趨勢，直線板塊拱高最大值達34mm，單元板塊設計夾角可調范圍為±2°，因此該處需要設計三套立柱進行表皮的擬合，大量的非標準板塊給幕墻下單及施工帶來很大難度。

裙樓花瓣擬合：花瓣主曲面大致走向與裙樓內幕墻大致相同但其曲面造型更為自由多變，在保證造型的前提下，花瓣玻璃板塊優化尤為重要。分格完成后板塊會存在翹曲現象，利用軟件分析翹曲誤差，將誤差較小值優化為平板板塊。對于翹曲值較大板塊，經曲線分析發現其曲率變化不大，故將曲線先擬合為與其相接近的圓弧線（見圖3所示）?；ò昵嬖煨吞攸c導致其加工數據龐大，板塊加工數據的表達及準確施工定位成為該方案能否實現的關鍵[3]。

4 BIM參數化深化設計應用

4.1 BIM參數化深化

方案設計階段在軟件中輸入設計邏輯、建立數理算法、設定條件約束等參數化方式生成幕墻表皮。根據對比幾款常用的建模軟件，陽光保險項目采用Rhino軟件進行方案階段三維建模，完成從概念方案到可建造方案的第一步轉變。在深化設計階段，鑒于塔樓及裙樓花瓣等龐大的設計數據及建造數據表達，決定選用達索公司的CATIA軟件作為深化平臺，其自上而下（TopDown）的思想方便數據的管理及提取，同時CATIA作為工業軟件擁有多種數據接口，可與其它BIM軟件進行數據轉換。

CATIA軟件參數化程度較高，用戶可定義特征、公式、規則、檢查，產生參數、設計表、方程、檢查、規則等可重復利用的知識工程對象[3]。利用這些工具對單元板塊進行參數化設計，根據設計規范及深化標準對板塊進行自動化檢查，使得設計標準及三維模型實現高度自主統一。利用知識工程模塊，將編寫好的單元板塊模板實例化為各層板塊，之后利用裝配模塊將各板塊裝配為一個整體。裝配設計模塊可定義兩件之間的約束關系，實現零件自動定位并檢查零件間的一致性（見圖4所示）。最后使用工程圖模塊自動生成與傳統二維設計一樣的工程圖，并導出DWG文件。

4.2 BIM工業化數據

CATIA軟件平臺采用“自上而下”（TopDown）的數據管理思想，軟件邏輯通過先建立“產品”（Product）之后嵌套進“零件”（Part）的關系來實現，零件和零件之間的數據傳遞是通過“發布參數”功能來實現的[4]。“產品”和“零件”都是用戶自定義創建，模型建立之初必須建立好管理細則，方便于之后的數據規劃及提取。清晰的數據路徑及標識是管理項目信息的基礎，為使數據能夠被快速的檢測及提取需建立一套適合項目的命名標準。

在建立模板文件之初，將單元板塊中的面板信息、框架信息、非常規型材等數據進行單獨編碼，軟件按照設計依據自動識別輸入參數，完成整體建筑模型裝配，而后通過編寫程序讀取加工參數生成物料清單，料單中對不同構件進行特殊編碼，通過物料編號下放加工參數實現單元板塊快速拼裝。利用BIM快速導出精確數據的優勢可以很方便的解決施工中的幕墻埋件定位難題，各層埋件單獨編碼每一個埋件都會有自己的編號及對應位置，在保證各埋件位置準確的同時大大提高工作效率。

4.3 基于BIM的施工與維護

對于施工階段材料的進場、板塊吊裝、材料堆放也是常見難題，利用BIM模型制作施工模擬動畫直觀高效的展示施工方案，模擬真實施工現場確保方案的可行性，在設計階段解決施工問題。在運維階段，由于建筑幕墻使用年限較長，使用過程中板塊損壞現象在所難免，在幕墻設計階段必須要考慮到后續的幕墻維護問題，陽光保險項目板塊種類繁多且大多工藝復雜，一旦出現損壞情況更換難度較大，通過BIM手段，建筑模型都存儲于BIM模型中。系統交付之后，業主可對每個部分進行的信息查詢，如：單元號，玻璃編號，層號，類型，安裝日期，以及相關信息。如果業主由于需要進行二次裝修或者損壞，可以快速查詢到相關規格、尺寸、性能等參數，方便維修，減少浪費[5]。

4.4 BIM參數化應用效果

在陽光保險項目開展以來施工方便成立了由三人組成的BIM核心團隊，利用BIM的多專業協同優勢提前解決碰撞問題。團隊一直在追蹤由于圖紙出錯或缺乏協調導致的返工情況，至今項目在幕墻方面的被動變更費用在總變更費用中占比極小，利用BIM的參數化設計優勢，項目幕墻深化設計人員僅有4人，這比其它同規模項目所需的深化設計團隊人數要少得多，同時在應用BIM的情況下，項目施工工期縮短將近20%。

5 結語

參數化設計可輔助設計方案的實現，也可作為主體的設計構思方式，如今更多的人愿意接受參數化設計帶來的更多設計可能。從設計方面，參數化設計為建筑設計打開了新的窗口，幫助建筑師依據其它專業的模型創造新的設計手法，另一方面參數化工具使得復雜建筑形體的實現成為可能，還幫助施工方完成復雜加工、參數輸出、及構件定位及生產過程中的優化。同時，參數化設計也會為推動建筑構件通用性進程，設計過程中采用全參數化構件設計，就會建立一個通用的構件庫，從而減少許多訂制設計。但以上參數化的這些優勢，需要參數化設計工具被納入常用設計工具才更具有現實意義。

參考文獻

[1]林彬，梁梁.淺談“BIM”技術在幕墻工程中的應用[J].門窗，2015，（1）：6-7.

[2]樊波.BIM技術在建筑幕墻上的應用[J].門窗，2018，（2）：3.

[3]李學志，李若松.Catia實用教程[M].清華大學出版社，2005.

[4]梁少寧.BIM在幕墻設計中的應用探索[D].華南理工大學，2015.

[5]史英麟.參數化設計理念在幕墻設計及成本核算中的應用[J].門窗，2012，（7）：6-7.