BIM技術在復雜幕墻工程設計及施工中的應用

劉富民

1 工程項目概況

1.1 項目簡介

粵澳植博館是粵澳第四期工程，位于珠海市橫琴新區，是全球首家大型中醫藥主題沉浸式敘事體驗館。博物館規劃用地面積17 431.29 m2，總建筑面積約46 500 m2。地上建筑面積30 700 m2，地下建筑面積為15 800 m2，地上計容建筑面積為30 000 m2，建筑物的最大高度為39.7 m。

1.2 工程項目的設計重難點

本次幕墻工程類型為異形幕墻，主要包括屋面系統面積約10 075 m2、立面剝離系統面積約4 156 m2、立面仿UHPC系統面積約7 805 m2、兩翼葉脈系統面積約2 100 m2。整個屋面系統主要以米白色鋁單板為主，由3 mm 鋁板裝飾層、防水涂層、2 mm 鋁單板、厚度尺寸為120 mm 厚玻璃隔音棉、壓型鍍鋅鋼板支撐及主體鋼結構共同組成。為保證屋面體系的耐久性，鋁板的龍骨采用鋁合金開模型結構體系，主次龍骨之間采用螺栓連接的方式，確保整體的精度與可行性。鋁板幕墻為弧形效果，為了保證鋁板的平整度，需要確保加強筋與折邊之間連接牢固。本次幕墻項目運用Rhino軟件、Grasshopper 插件創建設計模型，運用REVIT、NAVISWORKS 等軟件來完成深化模型、施工模型、第三方檢測、碰撞檢查、成本預算及4D 施工模擬等相關內容。

2 基于BIM 技術的復雜幕墻設計

2.1 提取模型表皮參數

在具體的建模過程中，需要將建筑師提供的幕墻表皮模型的形成原則與公式作為主要的依據，明確基準點控制位置，然后采用點連線、線成面的方式組成最終的建筑外形態[1]。將已經形成的表皮外輪廓作為基礎，對外表面實施分格劃分，以此種方式確定幕墻的分格形式，接著對面板加工尺寸、翹曲值及傾斜扭轉角度等進行分析。屋面鋁板曲率如圖1所示。

圖1 屋面鋁板曲率（來源：作者自繪）

2.2 深化可視化BIM 模型

將Rhino 軟件應用在復雜幕墻工程項目中，可以更好地分割幕墻的曲面，并確保分割后的曲面基本不會受到誤差的影響。此外，使用BIM 技術來深化模型設計，具有良好的兼容效果，方便導入各類模型的信息數據，從而形成具有可視化特征的模型，方便各類工程人員直觀地分析設計方案，并及時地發現其中的問題，為后續施工提供相應的指導[2]。經過深化的BIM 模型，可幫助建筑師進行可視化研究，是把控建筑效果細節問題的重要方式。

2.2.1 優化玻璃幕墻系統

本次幕墻項目的玻璃幕墻系統以常規的橫明豎隱幕墻系統為主，將窄龍骨體系作為主要的幕墻體系。從龍骨體系可以看出，本次建筑在頭尾（1 ～3 軸，11 ～13 軸）位置設計了水平結構無遮擋形式，將鋼立柱加在玻璃幕墻豎向立柱后側。通過觀察該系統的BIM 模型可以看出，玻璃幕墻的設計比較復雜，可選擇在大堂位置（1 ～3 軸，11 ～13 軸）10 m 標高的位置處增加水平主體鋼梁，取消玻璃幕墻后側穿孔鋼龍骨，僅保留前側鋁龍骨。這種優化處理方式可以讓整個玻璃幕墻變得更加輕巧，且具有更強的通透性，大跨度位置放樣示意如圖2所示。

圖2 大跨度位置放樣示意（來源：作者自繪）

2.2.2 優化UHPC 幕墻系統

GRC 面板在防水性能及強度方面比UHPC 面板稍差，若室內幕墻部分沒有防水和受力方面的需求，則可以采用GRC面板，能夠在一定程度上起到降低建造成本的作用。此外，在室內應用GRC 面板，可以提升室內幕墻部分的美觀度。從本項目的鏤空孔部分來看，因受到結構受力截面限制及預埋螺栓套管的影響，鏤空孔的邊距要大于200 mm，并且要結合板塊分割尺寸的大小對整體布局進行適當調整。

2.2.3 天窗遮陽與泛光配合設計

泛光效果的實現可以與天窗遮陽設計配合在一起，將燈具設計成隱藏樣式，既獲得較好的泛光效果，又不會外漏燈具影響美觀。此外，應用采光頂遮陽設計時，可借助電動遮陽的方式來滿足綠色建筑的相關節能要求，如圖3 所示。

圖3 泛光效果及細部構造（來源：作者自繪）

3 基于BIM 技術的復雜幕墻加工

3.1 數字化加工

對于復雜幕墻而言，使用的材料類型較為復雜，因此在加工環節容易出現各種問題。傳統的二維加工圖紙無法對復雜的幕墻構件進行準確表達，導致不少加工數據在處理的過程中都面臨著復雜且混亂的現象，不僅會增加設計師的工作量，還會在一定程度上加大后續的精度復核難度[3]。以本次項目為例，雙曲鋁板的加工屬于重難點之一，主要采用Rhino 模型+GH 軟件對整體的鋁板進行建模處理，然后逐個分解為不同的加工圖，通過軟件分析屋面大面鋁板得出彎弧數據，然后將加工數據設置為參數變量（圖4），讓最終的加工圖與同類型的構建可以實現歸類，經過一定的提取之后就可以自動地形成幕墻構件加工圖和下料單。本次鋁板兩翼兩側均為可視面，系統設計為小單元組裝形式，以保證觀感。

圖4 面板軟件分析彎弧數據（來源：作者自繪）

鋁板孔的加工主要采用數控或鐳射切割的方式，利用BIM 技術將數據信息傳輸至數控機等機器中，不僅可以提升幕墻構件加工的精度，還可以提高工作效率。

3.2 虛擬化拼裝

BIM 技術在建筑工程項目的有效應用，可以讓建筑不同單元板塊的加工與裝配信息相結合，是降低加工及裝配誤差的重要方式。簡單來說，虛擬化拼裝的主要流程為創建單元模型-對加工的零件進行提取-將數據導入數控機床-形成加工件-測量精準度[4]。

4 基于BIM 的復雜幕墻施工

4.1 多專業碰撞檢查

碰撞檢查屬于BIM技術的關鍵技術，是貫穿于整個項目的重要內容。對于復雜幕墻施工而言，傳統的二維圖紙已無法準確而全面地反映建筑信息，經常出現作業面空間不足的問題，嚴重時還會導致工程延期或返工，造成總價的成本升高。

復雜幕墻因受到自身特點的影響，在施工中經常會出現主體結構的碰撞問題，將BIM 技術應用在幕墻施工中，能夠細致觀察各分項的整體模型，并對特殊位置的剖切面和局部復雜位置的三維可視化圖像進行重點分析[5]。

4.2 4D 施工模擬

將Navisworks 軟件應用在復雜幕墻的施工中，可以讓三維模型的相關數據與實際進度產生高效的融合與連接，實現3D 結合4D 的施工模擬效果[6，7]。同時，應用BIM技術，可以實現對場地布置、物料堆放等的合理規劃。此外，借助4D施工模擬技術也能通過模擬的方式，對施工環境中的潛在風險進行有效分析和評估[8]。

4.3 三維安裝技術交底

BIM 技術的應用可以實現三維可視化溝通，節省各人員之間的溝通成本，提升技術交底的效率。將三維交底技術應用在幕墻施工中，能夠有效明確施工的關鍵節點位置，提升安裝質量[9，10]。在開展技術交底工作之前，需要對現場的施工人員進行培訓，讓每位施工人員都認識到可視化狀態下的施工情況。

4.4 施工界面的有序分割

幕墻工程與主體結構建設、鋼結構施工、機電施工等具有密切的聯系，借助BIM 技術可以將幕墻工程劃分為不同的工作界面，實現對碰撞問題以及工序錯亂等問題的有效規避，同時還能將每道工序有效銜接起來。此外，利用BIM 軟件計算各項施工數據，可提高施工效率。

5 結語

將BIM 技術應用在幕墻的設計與施工中，能夠推進建筑企業的信息化管理，是解決材料耗損、信息不對等問題的重要方法，有利于提高建筑企業的市場競爭力。復雜幕墻中的BIM 模型能夠將異形面板提前交付給廠家進行生產，在提升生產效率方面具有重要意義。