BIM拓展下的異形幕墻設計及施工方法分析

嚴光芒

（中建八局裝飾工程有限公司 江蘇南京 210000）

隨著建筑技術的逐步發展，其本身的形式也在不斷突破。而幕墻作為建筑外在表現的載體，集建筑美學與功能于一體。形式多樣的幕墻造型、復雜多變的幕墻系統也促進了幕墻施工技術的進步。而BIM技術作為一種新的工作思路，在這種背景下也逐步得到深入應用。

本文基于項目的施工重難點，運用BIM技術，將一體化設計、智能化施工縱深推進，以實現協同工作為目標，探討打通各流程之間壁壘的一般方法，為工程實施提供標準化作業流程參考［1-2］。

1 項目重難點及對策分析

根據現有的幕墻工程（如杭州奧體中心三館幕墻工程、杭州蕭山國際機場幕墻工程等），總結一些幕墻項目存在的一般重難點，并針對問題進行分析，為后期設計施工的完美履約尋求解決思路。

1.1 特點分析

項目規模大，是重點工程，要爭創國家級工程獎項，工藝要求較高；占地面積大，施工專業多，同時交叉施工，施工現場管理挑戰大；幕墻系統種類多，工藝復雜，深化設計要求高；材料種類多；結構外形為雙曲面，造型扭曲，規律難尋，施工定位難度大，施工質量難以保證。

1.2 BIM解決措施

使用BIM技術、智能設備等數字化先進管理手段，確保項目能夠提質增效。結合整體模型進行4D模擬，合理安排各專業施工進度；使用協同管理平臺，各專業單位基于平臺溝通協調解決施工問題。基于BIM 模型，分解各工序，將關鍵計劃前置，以雙優化為導向，簡化工藝，合理深化，達到創造效益的目的。使用三維掃描技術進行逆向建模，基于模型優化曲面構成，深化下料，使用放線機器人測量定位，提高精度與效率。

通過重難點及相應對策分析，明確BIM 技術在項目中的應用方向與思路，由設計到施工的全流程、多層級應用，為項目提質增效創造基礎條件［3-4］。

2 BIM技術在設計中的應用

如何在完美履約的同時，實現降本增效的目標，這一直是施工單位思考的問題。而作為“雙優化”之一的設計優化，更是從源頭對項目的成本效益進行把控的關鍵。設計優化所囊括的方面很多，主要在規范、效果、性能允許的情況下對幕墻從整體造型、細部構造到物料使用等方面的優化。

基于BIM全局的設計優化主要目標從6個方面入手：消除結構沉降及誤差影響、提升外立面效果、使采購加工及安裝更加簡便、處理現場變更更加便利、安裝避免交叉施工影響、質量更加容易控制。

由于幕墻表面造型的特殊性，造成了構件與構件之間連接的特異性，三維可視化設計能夠基于模型擬合設計效果并及早發現存在的設計問題。

目前，在幕墻專業建模的基本思路多是采用Rhino+grashopper 為主，Revit 等軟件作為輔助。先從原設計院提供的建筑表皮模型入手，若無相應表皮模型，還需依據原始圖紙和建筑師提供的幕墻表皮形成的規則算法和相應邏輯找出控制點和內在規律，進行點集處理，由點成線，由線成面，最終處理形成表皮。再以表皮為基準，進行分割優化形體，確立初步的幕墻分隔模型，進行建模，建立各幕墻系統模型，結合立面整體效果分析。

確立最初的幕墻分格模型，通過該分格后的模型可進行幕墻板塊特性分析，采用參數化建模方式，批量分析板塊幾何特征，包括板塊的尺寸、翹曲值、傾角、進出位變量等特征，為方案制訂和優化提供理論依據。在設計下料階段，通過應用Rhino+GH 實現參數化聯動，基于模塊化的程序，將幕墻構件按照標準化編碼規則進行分塊編號，提取基礎加工尺寸數據，與料單關聯，并同步出具加工圖。

幕墻深化設計從優化到放樣，所有構件的統計、編號、生成加工數據實現批量化操作，在設計端就實現數據的自動流轉，實現精度與效率的雙提升［5-6］。

2.1 基于BIM技術的深化設計方法

大部分異形幕墻深化優化方法都有規律可循，還是需由點到面，從全局考慮，保證質量的同時，綜合考慮成本與效率，以一體化設計思想為指引，從目前實踐中總結出基于BIM 技術的幕墻深化設計原則，根據具體項目，具體分析其適用性。

幕墻施工時本著設計先行原則，異形幕墻通過參數化分析，前期對幕墻系統構成進行分析，尋找共性特征盡量單方向規律化，中心散射狀幕墻運用好退階進階原則，遵循片架原則、直角原則、等分化原則、單元化分隔原則，當遇到復雜形態無法控制時，可將問題擴大后忽略部分元素，增大自由控制度，對幕墻整體進行合理優化。以下就常用的幾種方法進行介紹。

2.1.1 片架處理

有些幕墻分隔呈現扭曲彎曲形式，對于后期幕墻施工及質量控制具有極大挑戰性。幕墻表皮分格扭曲或錯位時造成空間立桿扭轉，為方便定位安裝，保證整體造型的同時，使分隔立桿優化在同一平面上，形成片架成品安裝。

2.1.2 合理拆分

當片架原則中主龍骨仍存在錯位狀況時，可適當拆分表皮分隔與立柱的對應關系，多角度錯位組合構成龍骨，綜合考量排布增強安裝調節適應性。

2.1.3 直角轉換

當遇到散射狀扭曲幕墻分隔時，有時會出現極端尖角狀況，不利于安裝及材料加工利用，此時，散射交于合適邊緣相互作垂線，形成類矩形面板，提高材料的利用率。

2.1.4 曲率優化

對于一些雙曲面表皮幕墻，優化分縫后，可通過程序計算每一塊面板的拱高，判定拱高小于一定程度時，可做平板處理，減少雙曲板規格數量。例如，在項目中遇到曲率問題，可嘗試應用如下擬合方案：（1）若兩條曲線的拱高均小于10mm，則將此板塊平板處理；（2）若兩條曲線任意一條的拱高大于10mm，則將此板塊做單曲板處理；（3）若兩條曲線的拱高均大于10mm，則將此板塊作為雙曲板處理。

2.1.5 共性互換

在優化表皮龍骨構造時，需盡可能考慮到構件材料的通用性，在不同情形下能夠實現互換，有利于減少廢料，及時替補。

2.1.6 單向規律化

當原表皮分格形式多樣時，可能造成構件模數較多，此時，可考慮將分隔在單方向進行規律等分，從而降低構件的差異化程度。

2.1.7 單元拼裝

對于分格較多、板材較小、有規律可循的幕墻，可從整體到局部，尋找規律，進行單元化處理，最終實現地面加工，成榀吊裝，減少高空作業量，提高安裝速率，增加施工精度與質量。

此外，若遇到一些普遍存在的問題，如防水封堵、背襯板等收邊收口問題，可嘗試將問題擴大，忽略部分元素、增大自由控制度等來減少變量，實現對于整體施工速率的把控。

異形幕墻深化設計的主要重難點就是如何將無序扭曲變為有序的問題、功能性問題、加工、廢料套料問題。這些都可以通過模型進行優化分析，并基于Rhino+grashopper編寫相應算法程序，分析其中的邏輯來尋求解決方法。

2.2 BIM技術在施工中的應用

為將問題前置、減少施工中常見錯誤、提高技術質量交底效率，前期通過Navisworks 整合各土建結構等專業模型，進行碰撞檢查，結合深化設計方法，對模型進行整體優化調整。施工前，對復雜工藝模擬及施工措施分析等也是必不可少的流程。利用BIM技術對施工過程進行拆解，將工序前置，通過BIM三維可視化溝通，能夠直觀地展示建筑的形態和構造，所見即所得，能夠有效地縮短溝通時間，使設計圖紙具體化，指導現場施工。利用BIM 輔助進度模擬，將實際工期與計劃工期進行對比，發現滯后工序，及時糾偏。基于BIM4D虛實結合的工期展示，為大規模、多工作面、多專業協調的計劃論證帶來了極大的便利。

在保證精度的基礎上，將材料的下料、生產提前進行，縮短工期，提前發現結構偏差，消除結構沉降及誤差影響。可視化交底形象、直觀，使被交底人更容易理解設計意圖和施工重難點。提前發現瑕疵，有助于外立面效果、性能的提升，使質量更加容易控制。

通過設計優化等環節解決各類基礎設計問題之后，現場能否按圖模施工還需經過測量放線檢驗。根據現場情況，結合模型數據分析，在此階段數據大概分為以下3種狀態。

第一，已知點：有標記，并且有坐標的點，也可稱為參照控制點。

第二，放樣：有坐標，但無標記的點，需要按設計坐標在實地標記出來，通常稱為放線。

第三，測量（數據采集）：有標記，但無坐標，需要用測量的方法將坐標測出，也可稱為返尺。

在測量放線采集數據階段，依據項目情況分析，主要運用如下3 種方法：（1）幾何關系法：通過幾何位置轉換，運用輔助線進行定位；（2）空間坐標法：提取圖紙所需坐標點，運用全站儀打點定位；（3）信息數據法：運用三維掃描儀進行點云數據分析對比。

在傳統施工方法中，測量放線階段較為常見的是運用結合關系法。幾何關系測量法種類較多，有立體三維測量放線、弦高法尺寸定位測量放線等，這些都是之前現場常用的測量方法，原理較為簡單。而對于異型輪廓、復雜曲面，通過造型邏輯關系、幾何關系、數學解析函數等途徑確定相應關鍵點，可采用普通全站儀+水準儀完成測量工作。

在施工現場，一些異形項目的測量、放樣、定位等工序都有以下特點：（1）定位點對施工質量控制特別重要，但提點及統計點比較復雜；（2）施工質量依靠班組水平，并且水平參差不齊；（3）前期一旦出現定位偏差并沒有核查出來，將導致材料浪費需重新下單，觀感質量下降，返工影響工期；（4）安裝效率低下，搶工期人多也不出工作量。

從之前異形幕墻施工的案例來看，BIM模型解決了施工圖紙的碰撞及材料下單問題，三維掃描解決了異形結構龍骨返尺及逆向建模問題，而后期裝飾構件到位后，施工參照依據還是“傳統圖紙+三維模型”的視覺參考、手工拉尺、坐標點輸入測量等工序，從而不能保證現場與BIM模型一致。即是數據的自動流轉在定位安裝環節出現了斷層，增加了很多不確定性，所以，空間定位的精度及速度還一直是掣肘施工質量的難題。

在此基礎上，結合同類項目應用經驗，引入“三維激光掃描儀+BIM放線機器人”。三維激光掃描技術是一種實景復制技術，它能夠突破傳統的單點測量方法，提升測量速率。三維掃描技術運用步驟分為現場勘查、標靶布設、現場掃描、數據拼接、逆向建模等，主要是實體數據的虛擬應用。而BIM放線機器人是將BIM技術和智能全站儀結合起來，能夠實現根據需求自動搜索、跟蹤、辨識和精確照準目標，并獲取角度、距離、三維坐標及影像等信息的智能型全自動電子全站儀。在項目使用中，將深化好的BIM 設計模型直接導入機器人的放樣手持設備上，并通過在設備上點擊捕捉模型的方式創建點目標，然后只要點擊該點目標，儀器將自動旋轉，直接照準該點，這樣就可以將目標點放樣到實地，省略了人工計算、手動輸入的環節。目前，天寶和波士頓合作研究的測量機器狗能夠自主測量定位，是由傳統走向智能化的一種嘗試。

三維掃描儀與BIM放線機器人的結合使用不僅促使了BIM 技術能夠與施工現場緊密結合，并且簡化了作業流程，提高了作業效率。由于人工干預少，避免了計算錯誤和輸入錯誤，保證了放樣結果的正確性，從而實現數據信息的自動流轉。

2.3 BIM技術在施工中的信息化協同管理

項目管理各體系、各層級間缺乏快捷、有效的信息共享與交流渠道。對于施工單位來講，各個專業存在著“信息孤島”，相互之間信息的有效準確傳遞和交流存在一定的困難，不穩定的信息數據接口也導致項目管理效率得不到保證。

為保證各專業、各流程之間的數據傳輸的整體性，建立統一的整合作業環境，減少各專業接口沖突，達到提升工程質量的整體目標。在項目中使用了C8BIM協同管理平臺，按職責建立架構信息及設置相應使用權限，BIM 設計師上傳模型，經過輕量化處理后，能夠通過移動端等3個端口進行可視化交底。現場若發現問題，可拍照，基于平臺模型綁定構件及位置上傳相關問題，各體系人員可根據問題進行回復處理意見，問題處理結果一目了然。此平臺還能夠按照工藝安裝順序對構件工序進行拆解，根據既定工期，綁定構件批次，實現構件安裝的4D 模擬，檢驗工序及工期安排是否合理，讓施工中的每個工序質量確保在可控制范圍內，能夠真正做到事前預控、事中可控，為幕墻工程的質量提供可靠保障。該類平臺還可與RFID 等一批智能硬件結合，通過射頻技術與生產管理的有機統一，追蹤構件動態，實現構件物料生產狀態的可視化管理。除此之外，還可上傳項目各類資料信息，能夠加以整合分類、儲存及供項目團隊分享，大幅提升工作效率。平臺的有效使用能夠在信息爆炸時代精準把握關鍵信息，降低信息的不穩定性，降低隨機事件的發生率。

3 結語

從遠景來看，BIM 技術在幕墻工程全生命周期中的應用可通過硬件設備與物聯網平臺深度融合，將方法模型化、模型算法化、算法軟件化，用軟件優化物理空間，利用低代碼技術形成大眾化的平臺，降低使用門檻，打破專業壁壘，加快數據的流動效率，促進建筑產業數字化轉型。