芻議BIM技術在建筑幕墻設計中的應用

冀國明

（山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

1 BIM技術概述

1.1 BIM技術概念

BIM技術又稱建筑信息模型，它是涵蓋了建筑全生命周期中所產生的全部信息數據、準確描述建筑物構件狀態信息和集合信息的數據化工具，具有提供信息共享傳遞、信息自動收集與統計整理等使用功能。同時，BIM技術可以被視作一個采取數字化表達形式的共享知識資源庫，在建筑設計、工程建造方面發揮著提供決策支持、可視化溝通、多專業集成設計等多重作用。

1.2 BIM技術應用優勢

BIM技術的應用優勢主要體現在智能化設計、可視化設計、協同設計三方面。

1.2.1 智能化設計方面

利用BIM技術的模擬性，使用Ecotect、BIM360等軟件的自帶工具將幕墻設計方案導入軟件中，進行模擬試驗、熱工分析等功能性試驗，通過三維可視化模型和動畫演示，模擬建筑幕墻建造過程和不同環境條件下的使用工況，從而判斷建筑幕墻設計方案的可行性，展示設計效果，幫助設計人員發現方案缺陷和設計錯誤，輔助人工完成智能對象數據交換等任務。簡單來講，就是利用BIM技術強大的數據處理能力和自動化程度，代替人工完成一些基礎設計，通過模擬試驗等功能提供決策支持，約束指導設計工作開展。

1.2.2 可視化設計方面

基于技術可視化特征，在工程信息資料基礎上建立BIM數字模型，直觀、立體化地呈現建筑現場環境、建筑結構和幕墻結構。設計人員無需依靠想象結構形態與構件之間的空間位置關系，直接在BIM模型中呈現幕墻設計方案效果，有助于降低設計難度、減小設計誤差。同時，使用Revit Live軟件的沉浸式虛擬體驗功能與VR眼鏡設備，設計人員與業主都可以沉浸在虛擬現實環境中觀察建筑幕墻的設計效果，如用肉眼觀察建筑幕墻的造型是否美觀，判斷設計效果是否符合預期要求和業主方要求，識別并提出具體的設計問題，為后續優化設計提供指導。

1.2.3 協同設計方面

利用BIM平臺的技術協調性，將各個專業的設計方案和信息模型中的信息數據上傳到BIM數據庫進行匯總整理，以保持各專業模型之間的連接，在任意BIM模型信息與方案內容發生變動時，平臺將對其他專業模型進行實時更新，并使用軟件自帶的碰撞檢測工具檢查構件是否存在軟硬碰撞問題，緩解專業沖突，避免在后續設計方案整合環節產生過多的設計錯誤。同時，BIM平臺也為各專業設計人員和工程參建單位提供了實時溝通渠道，可以直接在BIM平臺上召開視頻會議，相互交流設計意圖、經驗，協同解決設計缺陷，減少后期修改。

2 BIM技術在建筑幕墻設計中的應用

2.1 幕墻系統建模與深度建模

建立三維可視化信息模型是保證后續建筑幕墻設計工作順利進行的關鍵，也是應用BIM技術的前提。因此，在建筑幕墻設計期間的首要任務是根據已掌握的工程信息，使用Revit、ArchiCAD等建模軟件建立幕墻系統的BIM模型。幕墻系統建模主要包括以下幾個環節：

2.1.1 建立材料族與生成嵌套族

在軟件中直接創建常規族文件或是在線、面基礎上創建常規族文件，在軟件中導入單元節點圖，調整尺寸，處理所需運用的材料模因，依次設置拉伸、融合、旋轉處理，設定幕墻構件的模空間、材質、尺寸等基礎數據，并在常規族中鑲嵌另一個族，使各常規族保持相互鑲嵌與聯動狀態，向嵌套族內導入建筑幕墻的立面圖、剖面圖、CAD版軸網和材料模型，進行圖件定位處理，將輪廓線轉為多段線后導入Revit軟件中，采取放樣的方法獲取幕墻框架，使各段折線生成為獨立板塊，單獨調節各處建筑幕墻板塊的數值，以提高模型的真實度。

2.1.2 在模型中優化處理幕墻板塊及明細表

使用軟件雙向關聯功能提高優化效率與模板數據的精確度，統計項目所用機具設備與材料信息，以獲取設備材料明細表，根據設計要求調整明細表內容，補充材料材質、品種型號、尺寸等信息。

2.1.3 使用軟件自帶工具進行模型沖突檢測作業

檢查是否存在單元板塊不規則、異形幕墻、幕墻與建筑主體結構碰撞等問題，掌握各單元板塊之間的干涉情況，對干涉部位進行修正處理。

2.1.4 在模型中進行加工組裝作業

將所創建的模擬板塊和建構加工圖進行組裝處理，呈現出模擬組裝操作過程，組裝完成后完成建筑幕墻BIM建模任務。

2.2 幕墻方案設計

2.2.1 制定幕墻板塊劃分方案

設計人員根據工程實際情況制定幕墻板塊劃分方案，需要綜合分析幕墻外立面效果、建筑室內使用功能需求、幕墻系統基本構造、施工與使用成本、材料性能和尺寸參數等因素。例如，從追求幕墻外立面效果角度來看，根據BIM模型呈現內容，幫助設計人員掌握不同幕墻板塊劃分方案下線條形成情況是否符合設計意圖、滿足幕墻力學性能和節能要求。從滿足建筑室內功能需求的角度出發，利用BIM模型檢查幕墻板塊劃分方案是否會導致單塊玻璃板材跨越多個房間和兩個以上防火分區，并對幕墻板塊劃分方案加以調整，避免因此造成建筑防火分區失效。

2.2.2 修正建筑幕墻外立面效果

利用BIM模型對建筑幕墻外立面效果進行修正，設計人員觀察不同幕墻板塊分格方式的視覺效果，設計單位與建設單位在BIM平臺可視化狀態下進行溝通協商，根據建設單位的反饋意見調整，直至達到理想建筑幕墻外立面視覺效果，必要時可切換幕墻形式，如切換為全明框、全隱框、橫明豎隱、豎明橫隱的幕墻形式。同時，根據美國建筑師學會提出的BIM模型LOD分級標準，要求BIM模型在幕墻初步方案設計環節的精度必須達到LOD100級別。

2.2.3 進行功能性模擬試驗

使用Revit等BIM軟件自帶功能進行日照模擬、熱能傳導模擬、節能性能模擬等功能性模擬試驗，以測試建筑幕墻結構的保溫隔熱等性能是否達到工程要求和規范要求，并開展4D模擬和5D模擬試驗，預測建筑幕墻工程的工期、造價和精確統計工程量。這樣可幫助設計人員量化評價各套建筑幕墻設計方案的實施效果和綜合分值，綜合考慮其使用性能、造價成本、工期等，從中選擇最佳方案作為建筑幕墻初步設計方案，為后續深化設計提供思路，如加強建筑幕墻結構的保溫隔熱性能和控制光污染指數。

3 幕墻深化設計

建筑幕墻初步設計方案在細節程度上存在不足，如果直接進行后續建筑幕墻施工活動，容易造成施工誤差，且幕墻結構的使用性能與工程要求存在差異。因此，需要在初步設計方案的基礎上進行幕墻深化設計。根據工程實際情況，綜合考慮在重力荷載、環境溫度、建筑主體結構位移等因素影響下幕墻結構的使用情況，并對建筑幕墻細部進行深化設計、優化調整。傳統建筑幕墻設計體系需要借助AutoCAD、SktchUp、SAP2000等多個平臺進行圖紙繪制、建模效果圖生成、模型有限元分析等工作，但建筑幕墻深化設計工作量過大，設計效率和設計精度有待提高，圖件信息跨平臺轉換過程中容易出現信息失真、損毀等問題。BIM技術的應用可以在同一平臺完成建筑幕墻深化設計工作，在BIM軟件中建立幕墻模型、生成三維效果圖和二維平面圖紙，由于BIM模型包含了構件線密度、慣性矩等物理信息，具有直接進行力學計算、熱工計算、有限元分析等技術條件，設計人員無需重復建模等工作，使得建筑幕墻深化設計難度和實際工作量均得到明顯降低。例如，在某建筑幕墻工程中，設計人員采用BIM技術對建筑幕墻進行防水保溫和檁托防水穿越點的深化設計。在防水保溫深化設計環節中，在模型內將防水保溫體系拆分為主鋼結構、防水隔汽膜、鍍鋅拆件、2mm柔性防水層、防水層主次檁條、80mm保溫巖棉等部分，進行結構計算和受力分析，根據分析計算結果確定主次檁條材質和布置間距，最終采用柔性防水層和硬性防水層。在檁托防水穿越點深化設計環節中，重點考慮檁托是否會因不均勻沉降等因素影響而與防水系統脫開，重新調整檁托的連接做法，采用柔性防水材料搭配泡沫條的全新構造做法。

4 幕墻施工圖設計

在幕墻施工圖設計期間，BIM技術主要用于處理異形幕墻問題、提供技術驗證與三維繪圖。其中，針對異形幕墻問題，利用BIM技術的三維模擬環境進行建筑幕墻基礎建設，重新劃分建筑模型表皮和優化形狀規格，解決設計圖與BIM模型中存在的非標準性面板，避免后續出現卡扣、返工等問題。在提供技術驗證方面，由于建筑幕墻結構復雜、涉及專業眾多、容易產生專業矛盾，可利用BIM碰撞檢測功能進行幕墻結構內部、幕墻與建筑主體結構間的碰撞分析試驗。例如，檢查表面排水溝與主體桁架之間是否沖突碰撞或存在干涉問題，或是出現幕墻與暖通、機電等專業的碰撞問題，生成碰撞檢查報告，提供協調設計數據。在三維繪圖方面，使用Revit三維制圖軟件，利用BIM模型可以快速生成二維平面圖紙和三維可視化圖紙，在后續施工期間出現設計變更問題時，通過軟件模型聯動功能，可以自動變更調整BIM模型和三維圖紙內容。

5 BIM工具應用

5.1 建筑幕墻設計施工要點

5.1.1 建筑表皮合理分格

在建筑幕墻設計中，一般都是采用構件不分格的建筑幕墻模型，但在異形幕墻設計中為了保證各個結構、板材細化設計，實現建筑物造型外觀精準地展示和設計優化，需要在專業幕墻設計時，以幕墻板材的實際大小情況合理劃分、定分、設計建筑模型表皮，并且加強形狀規格優化，有效減少非標準、規則化面板、卡口返工等不良問題，提高異形幕墻板材的利用率，控制工程造價。

5.1.2 有效避免設計沖突和交叉問題

很多復雜建筑采用鋼結構主體，對工期和專業技術要求都有很高的標準，如果不能保證各個專業與部門之間的有效溝通協調，很容易在后期施工階段無法充分落實技術方案，導致結構尺寸不匹配、龍骨和結構安裝不合理、主體桁架交叉沖突等問題。而設計時利用BIM技術能夠發揮其碰撞分析功能，明確幕墻與主體結構之間的關系，提前調整幕墻面板或支撐結構，避免與主體結構發生沖突，從而提高專業配合緊密度及后期的施工效率和質量。

5.2 幕墻設計案例

某高層建筑造型別致，外部以異形玻璃幕墻作為外部幕墻。在建筑幕墻的設計中，構建的建筑結構三維模型主要采用BIM軟件搭建公用軸網、標高等，完成幕墻平面圖紙的制作，并建立玻璃幕墻的規格。如圖1所示，利用Rhino犀牛軟件和Grasshopper插件制作幕墻表皮設計圖紙。在建筑結構三維模型中導入玻璃幕墻表皮，設計人員可以通過碰撞檢查直觀地發現設計方案中存在的缺陷。在優化異形玻璃幕墻設計中，設計人員首先將玻璃幕墻面板轉換為平面，系統能夠自動更新各類空間坐標，將玻璃面板尺寸添加到Revit軟件中。然后優化Rhino中的參數和表皮，優化玻璃幕墻表皮，將其加工成平面玻璃面板，以便加工。有的玻璃面板尺寸較大，為了方便生產和安裝，可利用插件進行分割設計，建立新的建筑物三維模型和幕墻模型，并再次就設計交叉碰撞問題進行優化和檢查，確認無誤后，可將各個立面的具體參數標注在圖紙上。施工人員按照圖紙進行放線，生產廠家按設計單位提供的清單生產玻璃幕墻面板，這樣既能有效降低設計和施工成本，又能提高施工效率，滿足建筑幕墻設計要求。同時，設計人員利用Revit和3DMAX等協同軟件綜合進行設計圖紙的渲染，生成效果圖，使業主方能夠直觀地看到工程設計效果圖。

6 結語

綜上所述，BIM技術應用于建筑幕墻工程，有利于提高總體設計水平和工程建設質量，對推動幕墻工程跨越發展具有重要意義。建筑企業與設計人員應重點研究BIM技術，建立以BIM技術為核心的現代化建筑幕墻設計體系，提高設計方案的科學性和實用性，充分發揮BIM技術的優勢。