BIM技術(shù)在建筑幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

范凱興

（西安航天神舟建筑設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075）

1 建筑幕墻設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及BIM技術(shù)介紹

1.1 建筑幕墻設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

為使建筑外墻具備節(jié)能、安全、美觀等多個(gè)功能，現(xiàn)代大空間、大跨度和高層建筑的設(shè)計(jì)常采用帶有裝飾效果的輕質(zhì)幕墻作為建筑物的表面墻體。幕墻一般由結(jié)構(gòu)框架（支撐裝置和系統(tǒng)）和鑲嵌版材組成，對(duì)主體具有一定的位移能力和形變能力，具有強(qiáng)勁、輕盈、美觀、安全、吸聲、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。幕墻范圍主要包括建筑的外墻、采光頂和棚頂及室內(nèi)裝飾墻，支撐結(jié)構(gòu)現(xiàn)在廣泛使用鋼結(jié)構(gòu)，面板按材質(zhì)一般分為玻璃、金屬板、石材板等。

建筑幕墻作為建筑的“面子”，建筑設(shè)計(jì)師和業(yè)主越來(lái)越重視提高建筑的使用及觀賞價(jià)值。形狀不規(guī)則新奇的外墻一般稱為異形幕墻，其材料復(fù)雜、有凹有凸、有曲有折。建筑造型新穎多變、標(biāo)新立異、環(huán)境色彩鮮艷明快，為現(xiàn)代化城市面貌增加了藝術(shù)效果。

但是在異形幕墻的設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)軟件其二維表現(xiàn)方式已難以滿足當(dāng)前復(fù)雜、多樣的造型設(shè)計(jì)要求，不能清晰簡(jiǎn)潔地呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)意圖和創(chuàng)意。對(duì)于某些沒(méi)有重復(fù)模塊的異型建筑，由于每個(gè)構(gòu)件的編號(hào)必須保證唯一性才能保證現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確安裝施工，而傳統(tǒng)的紙質(zhì)記錄保存混亂無(wú)序很容易導(dǎo)致失誤和返工，因此二維的設(shè)計(jì)顯然完全無(wú)法滿足現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)需求。

1.2 BIM技術(shù)介紹

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息化模型，是一種廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)和施工全生命周期中用于工程設(shè)計(jì)和建造管理的技術(shù)工具，利用建筑物的各種設(shè)計(jì)元素、組件信息、協(xié)作工序等信息搭建三維模型完成建筑對(duì)象數(shù)據(jù)化3D展示。BIM能可視化立體化地顯示幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，也能實(shí)現(xiàn)幕墻與其他專業(yè)設(shè)計(jì)施工之間的協(xié)調(diào)配套，從而能夠保障幕墻系統(tǒng)的材料采購(gòu)，利用建筑物數(shù)據(jù)不斷地完善、豐富、理順設(shè)計(jì)方案和施工時(shí)序，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性和關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)。在復(fù)雜建筑幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)，為尺寸精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、材料采購(gòu)、組件構(gòu)件加工、質(zhì)量控制、降低成本、方便施工裝配和后期維護(hù)等提供了有效保障。

基于BIM技術(shù)開發(fā)的軟件較多，通常工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)建筑設(shè)計(jì)公司使用Bentley的Architecture系列較多，建筑單專業(yè)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)常使用Graphisoft的Archi-CADBentley和Autodestk的Revit Architecture等，民用建筑常選用Autodestk的Revit系列，建筑物復(fù)雜、異形程度較高的設(shè)計(jì)可選用Gehry Technologies的Digital project等軟件。此類基于BIM技術(shù)的軟件可以支撐建筑設(shè)計(jì)及使用運(yùn)維全生命周期，構(gòu)建3D數(shù)字模型、可視化繪制仿真建筑物的每一處設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，能夠有效滿足二維設(shè)計(jì)工具的不足。BIM系統(tǒng)能使設(shè)計(jì)對(duì)象中各類管道、門窗、墻柱、內(nèi)部構(gòu)造、裝飾物等參數(shù)化和圖形化，從而達(dá)到材料、規(guī)格、外觀、構(gòu)造等精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，減少返工誤時(shí)成本提高等不必要的損失，是當(dāng)今設(shè)計(jì)師高效、低碳設(shè)計(jì)的最佳工具之一。

2 建筑幕墻設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)及BIM工具應(yīng)用案例

2.1 建筑幕墻設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

（1）合理的建筑表皮分格。由于對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)、板材大小不熟悉，因此通常建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提供的模型對(duì)建筑表皮是不進(jìn)行分格的。在異形幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，為了精準(zhǔn)展示出建筑物造型外觀，需要由專業(yè)幕墻設(shè)計(jì)師根據(jù)幕墻板材實(shí)際的大小對(duì)建筑模型的表皮進(jìn)行合理精確的劃分、定分和深化設(shè)計(jì)，并以此優(yōu)化形狀規(guī)格，減少非標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則化面板、構(gòu)件、卡扣的返工，提高弧形幕墻板材的利用率，達(dá)到降低工程造價(jià)的目標(biāo)。

（2）避免設(shè)計(jì)沖突和交叉。由于主體為鋼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)，通常涉及的專業(yè)多、綜合程度高、時(shí)間要求緊，因此專業(yè)間的配合不會(huì)太通暢。會(huì)存在幕墻表面對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的尺寸不匹配、龍骨和結(jié)構(gòu)之間有干涉、表面排水溝和主體桁架存在干涉等沖突交叉情況，需要設(shè)計(jì)師對(duì)幕墻和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞分析，避免主體工程完成時(shí)再次對(duì)幕墻面板或支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。提高專業(yè)間的配合緊密度，有助于保證施工效率和質(zhì)量。

2.2 幕墻設(shè)計(jì)及優(yōu)化的實(shí)踐案例

圖1 某A建筑物異形幕墻表皮分格設(shè)計(jì)效果

以某高層A建筑物的幕墻設(shè)計(jì)為例，該建筑物造型獨(dú)特新穎，建筑物外部幕墻主要使用異形的玻璃幕墻。幕墻設(shè)計(jì)過(guò)程為使用Autodestk公司的Revit專業(yè)BIM軟件搭建該建筑物的公用軸網(wǎng)、標(biāo)高等作為建筑結(jié)構(gòu)三維模型，制作幕墻平面圖紙并據(jù)此創(chuàng)建玻璃幕墻體量，利用幕墻設(shè)計(jì)圖紙使用Rhino犀牛軟件借助Grasshopper插件創(chuàng)建玻璃幕墻表皮（見(jiàn)圖1），將玻璃幕墻表皮導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)三維模型中，可以直觀地看出關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的碰撞交叉問(wèn)題，找出設(shè)計(jì)缺陷。幕墻設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程：將曲面玻璃墻面板優(yōu)化為平面，各類空間坐標(biāo)為可自動(dòng)更新，在Revit軟件中添加玻璃面板尺寸；在Rhino中進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和表皮優(yōu)化，將玻璃幕墻表皮優(yōu)化成加工生產(chǎn)方便的平面玻璃面板，較大面積的玻璃面板可使用插件進(jìn)行分割設(shè)計(jì)以便于生產(chǎn)和安裝，重新生成新的建筑物三維模型和玻璃幕墻模型，優(yōu)化之后再次檢查設(shè)計(jì)交叉碰撞問(wèn)題，確認(rèn)無(wú)誤后在圖紙上標(biāo)注各個(gè)立面。施工人員可以根據(jù)圖紙進(jìn)行放線，生產(chǎn)廠家可以根據(jù)幕墻面板清單進(jìn)行生產(chǎn)，以此提高工作效率，降低設(shè)計(jì)和施工成本，確保A建筑物的幕墻設(shè)計(jì)效果達(dá)到要求。同時(shí)Revit可以導(dǎo)入其他協(xié)同軟件如3DMAX等獲取更高品質(zhì)的渲染圖，精美直觀地向業(yè)主方演示幕墻設(shè)計(jì)的效果和施工步驟。

3 BIM技術(shù)在建筑幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果

3.1 精準(zhǔn)的下料預(yù)加工

在幕墻面板及支撐架構(gòu)下料階段，利用基于RIM技術(shù)的軟件提供的物料清單，可以快速生產(chǎn)玻璃、鋁材、鋼材、石材等的詳細(xì)下料清單，提高下料和預(yù)加工的準(zhǔn)確度，為復(fù)雜材料和規(guī)格的板面加工爭(zhēng)取時(shí)間、提供精準(zhǔn)的加工生產(chǎn)數(shù)據(jù)依據(jù)，提高人力、物料、時(shí)間的有效協(xié)同配置，減少誤差大的廢料、圖紙重復(fù)修改和加工周期不足引起的建設(shè)成本增加。

3.2 可視化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

能夠深度全面完整地展示幕墻信息，包括基本的形狀、尺寸、材質(zhì)、幕墻的熱傳系數(shù)、防水性能、抗風(fēng)壓強(qiáng)度、施工工藝等多種信息，有助于幕墻板塊、構(gòu)件的無(wú)紙化工廠下料預(yù)加工。能夠全方位呈現(xiàn)出復(fù)雜的施工節(jié)點(diǎn)、卡扣方案、更換維護(hù)工藝等，從而可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，及時(shí)對(duì)關(guān)聯(lián)專業(yè)設(shè)計(jì)中存在的交叉工序、施工施工等位進(jìn)行糾偏，具有精確、直觀、清晰的特點(diǎn)。

3.3 參數(shù)化虛擬建造

使用物料造價(jià)、重量、材質(zhì)、熱共性、編號(hào)等真實(shí)非幾何屬性參數(shù)，快速仿真并模擬計(jì)算幕墻的造型、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、疏散、安全等重要指標(biāo)，仿真施工進(jìn)度、系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作等，便于及時(shí)優(yōu)化關(guān)聯(lián)指標(biāo)采取最合適的設(shè)計(jì)方案，并提高設(shè)計(jì)和施工協(xié)同工作的效率和質(zhì)量，提前確認(rèn)位置關(guān)系減少技術(shù)干擾沖突，為幕墻實(shí)際安裝施工提供良好的作業(yè)環(huán)境。

3.4 相關(guān)專業(yè)一體化

幫助幕墻設(shè)計(jì)師在相關(guān)設(shè)計(jì)工作中信息共享，促進(jìn)了墻面造型、外部空間、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物料材質(zhì)等多專業(yè)參與方之間順暢溝通和高度契合，借助BIM系統(tǒng)能夠有效解決多專業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的融合糾錯(cuò)、板塊優(yōu)化設(shè)計(jì)、算量型材、參數(shù)調(diào)整等交叉問(wèn)題，為促進(jìn)幕墻系統(tǒng)精細(xì)化施工和確保相關(guān)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

3.5 全方位出圖自動(dòng)化更新

BIM能夠自動(dòng)生成幕墻設(shè)計(jì)成果中的多角度平面圖、俯視圖、剖面圖、軸側(cè)圖等，當(dāng)幕墻龍骨或某構(gòu)件或建筑架構(gòu)參數(shù)修改時(shí)，相關(guān)聯(lián)的所有成果圖將自動(dòng)可視化修正，提高了幕墻設(shè)計(jì)工作效率，避免了傳統(tǒng)方式下的漏改、改錯(cuò)等設(shè)計(jì)疏忽。數(shù)字化、可視化的設(shè)計(jì)深化內(nèi)容可以指導(dǎo)施工，確保施工人員掌握要點(diǎn)，利用坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以控制安裝精度和允許偏差可控，提高施工作業(yè)效率、確保可靠性和工期可控。

4 結(jié)束語(yǔ)

在建筑幕墻設(shè)計(jì)方面，建造綠色建筑是每位業(yè)主、設(shè)計(jì)、物資、施工的共同目標(biāo)，BIM三維虛擬建模技術(shù)的發(fā)展，有效促進(jìn)了設(shè)計(jì)工作模式和建筑質(zhì)量的技術(shù)改革，基于BIM技術(shù)開發(fā)的軟件成為建筑行業(yè)的主流設(shè)計(jì)軟件將會(huì)是必然發(fā)展方向。BIM技術(shù)應(yīng)用在幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了技術(shù)管理的合理性、精準(zhǔn)性和科學(xué)性，能夠有效解決異形復(fù)雜幕墻工程設(shè)計(jì)深化不足、施工材料損耗高、信息化程度不夠等實(shí)際問(wèn)題。BIM技術(shù)在高層復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、供貨等綜合性管理目標(biāo)提供了技術(shù)平臺(tái)和解決工具。設(shè)計(jì)公司、業(yè)主單位和政府單位應(yīng)共同深入把握和引領(lǐng)BIM技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，重視BIM技術(shù)在幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工安裝和后期維護(hù)中的重要意義，推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)信息化、綠色化、科技化健康平穩(wěn)發(fā)展。