BIM在雄安商服中心幕墻工程中的設計與施工應用

邱繼衠 楊 英

(中建深圳裝飾有限公司，深圳 518035)

引言

住建部等九部門日前聯合發布《關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》(以下簡稱《意見》)，提出以新型建筑工業化帶動建筑業全面轉型升級。其中，裝配式建筑被頻繁提及[1]。

裝配式建筑是我國建筑業推進建筑工業化進程的一個很明確的方向，它的特點是建筑材料更多地采用工廠加工拼裝成型的建筑單元模塊，在施工中以建筑單元的形式進行規模化的安裝，省卻了繁雜的現場工序開展環節，對施工工作面的需求也較常規方式更低，是一種行之有效的提升施工效率的手段。

1 BIM技術與裝配式技術在幕墻工程領域的發展現狀

在裝配式建筑的施工階段應用BIM技術能夠很好地將施工全過程模擬出來，逐一演示施工中可能出現的各類問題，提前制定好解決這些問題的有效對策，及時地改進并完善現有的施工方案，最大限度地降低施工中出現事故的概率，同時也很好地控制了資源的消耗情況[2]。

對于幕墻工程而言，其裝配式施工的實施往往采用幕墻面板和幕墻龍骨提前組裝的形式形成單元板塊。目前單元式玻璃幕墻的應用技術已經非常成熟，多見于各大超高層玻璃幕墻寫字樓的工程。隨著工程技術的不斷發展和工程經驗的反復積累，目前的裝配式技術已經能在更廣泛的場景下發揮作用。

在當前的幕墻工程領域中，BIM應用有兩個主流平臺——Revit和Rhino。二者各有特色，Revit的特點在于全專業的管理和整合，Rhino的特點在于分析、表現、參數化能力強大，自由度高。

目前國內的異形幕墻工程對Rhino的使用日益廣泛，其強大的功能適合于幕墻的精準建模，用以為建筑的加工和施工環節提供充分可靠的數據參數，經過大量工程實踐，這種BIM應用已經非常成熟。

對于本項目雄安商服中心項目會展樓幕墻工程，幕墻施工的重難點是檐口雙曲面格柵造型鋁板的裝配式施工實現，在此過程中BIM技術發揮了重要的作用，為設計和施工的推進起到了關鍵的助力作用。

相比一些發達國家，例如法國、德國、日本等，我國在研究裝配式方面還處于起步階段，技術體系有待完善并且應用范圍也不夠廣泛[3]。 國內對于雙曲面檐口的設計施工較多采用框架式做法，采取裝配式施工的工程實踐在近幾年中逐漸增多，對于裝配式施工在實際工程中的占比也有提高的趨勢。筆者曾服務的襄陽東站項目，檐口東西面采用框架式施工，南北面采用裝配式施工。而本文的雄安商務服務中心項目則采用全檐口的裝配式設計與施工。

武漢東西湖體育中心項目中對檐口也有單元式施工的實踐，其實施思路為：為保證工期節點，將三維建模應用至地面單元體拼裝，先在檐口模型中將檐口每榀龍骨的進出尺寸、相對標高高差及軸線點位尺寸放出，然后根據數據在地面進行組裝，最后以單元式龍骨整體吊裝的施工工藝進行施工，保證地面焊接龍骨與鋼結構完美對接，且地面焊接、整體吊裝的方式安全可靠，同時費用降低、雨季適用，節省了大量工期[4]。

2 雄安商服中心的項目概況

雄安商務服務中心項目(會展中心樓)位于河北省保定市容城縣。該工程建筑基底面積8 962.43m2，總建筑面積89 842.69m2。建筑層數(地下/地上)：2/3層(局部有夾層)。幕墻形式包括：鋁型材框架系統、單元幕墻系統、主入口大雨棚系統、鋁板造型系統、屋頂采光頂、屋頂格柵、屋頂陶瓦、防火幕墻、石材幕墻、觀光電梯等。整體效果如圖1所示。

圖1 雄安商務服務中心項目整體效果圖

3 裝配式施工的應用背景

本項目是雄安新區成立以來建立的第一個會展項目，工期要求緊，工程量大，檐口設計難度高。管理團隊與設計團隊進行了周密的考慮，最終決定采用對整個檐口進行裝配式吊裝的方式來施工，來保證國家新區建筑新成員盡早亮相。相比于傳統建筑方式，裝配式建筑在建設前期所需成本相對較高，建設相關工作量較大[5]。

作者在BIM服務于大型場站項目的檐口設計已有經驗，曾在襄陽東站幕墻工程中進行過工程實踐，技術儲備已經充足，完成此BIM應用的關鍵就是對檐口區域的整體設計下單任務提供效率和精確性的支撐。

檐口整體造型效果如圖2，檐口采用鋁版折彎成格柵造型的方式，檐口板跨越三個大折面，三個折面在走勢上均為雙曲面。在北凹槽區位與立面存在大量異形收口。出于工期和設計難度方面的雙重考慮，本項目檐口部分宜采用BIM建模+參數化下單的方式完成。

圖2 檐口造型效果

4 BIM結合裝配式的具體應用

由于檐口全區均采用裝配式施工做法，不留收邊收口，施工過程需要一次成活。這使得在實際施工之前，就應對整個檐口范圍進行考慮，解決轉角部位的裝配實現問題，標準設計分格模數應用于各區域后是否能夠良好銜接，轉角與標準單元、標準與凹槽單元、凹槽單元內部等各個裝配之間實現嚴絲合縫、互不干涉的準確鄰接關系，格柵造型的流暢性等問題均需要在BIM運用的過程中發現問題并解決問題。

4.1 全區域裝配式單元的BIM實施

經過BIM放樣，最終施工的單元裝配分區如圖3，實現了檐口全部板塊均采用裝配式整體吊裝的形式施工，一次成活。

圖3 檐口裝配式單元分布

優先考慮轉角裝配單元的實現，之后以標準裝配的方式沿著轉角單元向中部進行排布，在南北面因為凹槽造型的存在，依據實際設計規格增減單元的模數，并盡量避免異形單元，同時盡量避免出現過大的單元，對于非標準規格的單元向設計方進行二次提資，經反饋后采用定制化的結構布置方式。

4.2 各裝配的單元化

標準化裝配式單元，在檐口的轉角、凹槽之外的大面區域采用，這也是BIM設計的重點。如圖4所示，一個含百葉的鋁板裝配單元及其龍骨布置方式。

圖4 標準裝配單元的構成

這里利用了點集流的方式，點集工作流的方式不需要改變模型再重新拆模、排序、下料，采用點集的路徑篩選，直接改變受影響的下料板塊。由于拓撲關系得以保持，下料模型、圖紙、數據實現了按修改同步更新，極大提升了下料效率[6]。

將40個點視為一個標準裝配單元的約束點集，如圖5。

圖5 40個點構成的裝配單元

圖6 含百葉裝配單元的設計范圍

設計算法可以求解出面板的邊線位置進而生成面板模型，以及內部的幕墻龍骨。這個算法同時運用于42個標準裝配單元，只需生成42×40個點集即可。

這樣做的最大優點是將幕墻位置數據和幕墻組裝邏輯分開存儲，將二者連結為一個可以實時變化的生成系統，便于過程版的調試和最終版的快速生成、也便于后期加工信息輸出。

算法邏輯的逆推理的過程如下：

1)求出百葉的四個約束頂點，如圖7；

圖7 百葉生成的約束頂點

2)實現從四點生成百葉模型的單元算法，如圖8；

圖8 四點百葉單元算法

3)以立面圖中的控制位置、四點成矩形關系，鋁板寬度模數，百葉高度約束等信息，編制程序求解精確的四個控制點，如圖9。

圖9 求解四點的約束關系

轉角單元的設計更為復雜，圖10-11分別為其外側和內側的構造設計情況。

圖10 外完成面鋁板設計

圖11 內部構造設計

對于此類特殊區域建模，以邊發現問題邊解決問題的方式完成正向設計。

需要考慮的重難點如下：

1)以結構計算通過的龍骨理論布置方法，套用于此部位，迭代至可行；

2)豎向龍骨在大曲率位置的定位，如何滿足施工便利性；

3)兩個立面龍骨與斜向格柵龍骨的連接方式；

4)鋁板在靠近斜向格柵端部的避縫問題。

凹槽區域的單元設計范圍，如圖12所示位于南北兩側，凹槽單元的拼接關系如圖12色塊顯示。

圖12 凹槽區域的分布位置

銜接關系是此類多收口區域裝配式做法的關鍵，確保相鄰單元的收邊龍骨互不干涉，又充分滿足后續收邊板的安裝需求，是此過程的重點，最終的布置如圖13，此種單元分區方式充分利用了標準單元的9分格做法，在特殊轉角處特殊處理，最大限度地利用了標準裝配方案。

圖13 北凹槽局部裝配關系

4.3 數字化鋁板下單

檐口鋁板中，采用裝配式吊裝的鋁板有4 326塊，與頂部屋面收口的2 924塊，與三層立面幕墻收口的593塊，共計7 043塊，所有鋁板均為帶有多個折面的異形板，涉及加工的邊長、角度參數非常多，大量涉及加工的數據量，使得下料難度高。以如圖14所示的典型鋁板為例，單塊鋁板的造型折面有8個，同時擁有大量特殊角度，最終實際鋁板的加工參數有23個邊長和12個角度之多。

圖14 典型鋁板的造型示意

解決辦法是定制一張具有編號、加工圖號、35個加工參數的加工信息表，如圖15所示，邊長控制板塊大小，二面角控制格柵朝向，平面角控制各面銜接妥當，充足的參數保證了板塊尺寸的精準定制。

圖15 典型鋁板的加工信息表

4.4 可視化校核鋁板尺寸、查找物料

為了便于設計對加工參數正確性的檢驗，在三維模型上使用空間標注的形式對數據和編號的對應關系進行可視化顯示，可以讓檢查校核工作也更加直觀，如圖16所示，邊長、二面角、平面角的參數編號與數值均直觀展示在三維模型上，設計校對只需將Exel數據表對應板塊信息在模型對應位置查看即可，無需二次手動量取數據，尤其是二面角的數據不易量取，此種方法節省了很多校對時間。

圖16 尺寸參數的編號和數值直接展示的可視化分析

鋁板下單的重點是加工圖號對應了不同的角碼布置方式，鋁板編號對應了裝配式定位的組裝依據。同樣使用Rhino的dottext對象來進行可視化的編排，用于指導設計檢查工作和項目組裝裝配單元時的重要依據，如圖17所示每個板塊所用的加工圖類型和編號高亮顯示之后，可以輕易看出每種板塊所用加工圖角碼連接方式是否正確。

圖17 加工圖與編號對照可視化分析

4.5 裝配式龍骨的提料、裁切與定位

建好的裝配式模型中，要輸出工程組裝需要的數據來進行龍骨組裝，以剖面圖來對龍骨的尺寸和定位關系進行準確的表達，總計640個剖面圖全部藉由參數化程序實現生成，如圖18。以所有龍骨所在的工作平面，定位圖元到平面上一字排開的方式，出圖效率遠高于手動從模型上量取繪制。

圖18 批量生成的裝配龍骨剖面圖集

在此基礎上，為了符合現場組裝單元的便捷性，將單元按照大斜面為基底進行放置，以此輸出CAD圖紙，如圖19。這種更符合現場操作直覺的方式對于施工的效率帶來了很大的便利性，這還便于對場地的利用，直接在三層吊裝檐口下方進行組裝，減少運輸距離，即裝即吊，工作面得到有效利用，如圖20為現場組裝與吊裝的作業情況。

圖19 將單元板塊躺平放置出圖，便于現場量取

圖20 現場組裝與吊裝的作業情況

4.6 預焊龍骨的BIM設計

當需要控制整體輪廓時，若施工人員沒有做好屋面施工與鋼結構的協作工作，則無法保證鋼結構模型、屋面構造模型以及概念模型的有效結合[7]。非裝配式的主龍骨也采用BIM預演。將鋼結構的施工模型載入Rhino后獲得其網格模型。為了便于現場的施工，將“H”形狀的龍骨焊接定位，與鋼結構工字鋼進行頂底對齊的模擬，找到最合理的布置方式，既能滿足頂面水溝的布置空間，又不與鋁板下傾完成面發生干涉。通過對Mesh與Plane的多重運算，求解出最便于現場施工的H型主龍骨吊裝位置，并與裝配式的鋁板及龍骨進行干涉檢查調優，最終因地制宜地定出焊接位置，如圖21。

圖21 預焊龍骨的BIM定位模型

同樣以導出剖面圖的方式提供H型主龍骨的加工尺寸信息，并在平面內表達出排布位置，如圖22。

圖22 導出預焊龍骨的平面定位圖

4.7 掛接點的定位指導

在三維模型中直接根據設計規則，對裝配式龍骨的掛接點進行圖示，輸出為平面圖紙，便于現場施工安裝時查閱，如圖23。解決了雙曲屋面測量定位體系復雜、屋面各點標高難以控制及各類材料用量計算難度大精度低等施工技術難點，使整個建造過程更加高效精準[8]。

圖23 導出掛接點定位圖

4.8 BIM應用于裝配式施工的經驗總結

本項目的BIM應用，對于整個檐口區域的所有鋁板和龍骨施工都進行了有效指導，鋁板面材面積達到了10 000m2以上，是一次大規模的異形曲面鋁板幕墻的裝配式施工實踐，對全局的應用都發揮了重要作用，為裝配式建筑精益建造取得實效提供了有力的信息保障[9]。 圖24為實際施工質量控制的照片。

圖24 吊裝單元的工程質量控制

BIM技術在本項目的實踐，證明了BIM的參數化設計能力在裝配式施工中的發力點：

(1)精確性。借助完成的BIM模型可以對項目的重點或難點部分進行可建性模擬[10]。在建構邏輯上相似，空間幾何上差異化的幕墻裝配單元，無論其面材造型形式有多復雜，無論其龍骨組織形式如何多樣，都可以從理論上找到一種基于關鍵點約束的生成邏輯，算法從過程上實現標準化，數據參數從成果上輸出差異化與定制化，借助點圖元的幾何特性實現幕墻產品細節的精確性，創造高質量幕墻施工的競爭優勢。

(2)高效性。裝配式設計的特點，需要裝配單元的各種類型加工材料提前在工廠加工完畢，并同時到達現場進行最終組裝，這樣提升了施工效率，減少了施工措施成本。但同時也將大量設計工作前置，尤其是裝配單元內部的大量加工件的精細化加工數據必須在很短的時間內完成出具，這對于效率有非常高的需求，參數化的能力為批量生成提供了技術支撐，把盡可能多的工作交給計算機完成，來為設計進度保駕護航。

(3)延展性。本項目的BIM實施過程，是轉角→標準→凹槽→下收口→上收口的順序來進行的，非標準單元與標準單元穿插進行，對與參數化的程序管理帶來一定難度。但先難后易的做法，也有利于摸清邏輯，為標準化單元算法從邏輯上有個預演，也是為一種不錯的工作流程。BIM作為新興技術，其能力還并未完全發揮出來，只有BIM技術在裝配式工程中能有更廣泛的應用，項目施工人員能對BIM有更多的了解，更有助于施工與BIM技術的同步提升，發掘更多管理中可優化的點，讓裝配式施工技術少走彎路，朝著工業化、智能定制化的方向不斷發展。