BIM技術(shù)在建筑幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張宏望

［摘 要］當(dāng)前我國(guó)高層建筑數(shù)量日益增多，在鋼結(jié)構(gòu)、幕墻建筑領(lǐng)域的實(shí)力不斷加強(qiáng)。BIM技術(shù)的革新應(yīng)用，為建筑設(shè)計(jì)施工的質(zhì)量提高建立了牢固的基礎(chǔ)，在項(xiàng)目整體的經(jīng)濟(jì)效益上有了明顯的提高。本文從高層鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻正向設(shè)計(jì)、數(shù)字化加工、信息化建造等方面切入，利用BIM技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、三維掃描技術(shù)等研究高層鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工一體化的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行修改優(yōu)化，將生產(chǎn)、施工中產(chǎn)生的誤差及時(shí)消除，確保鋼結(jié)構(gòu)與幕墻的精細(xì)化管理和高質(zhì)量施工，加強(qiáng)EPC模式下BIM技術(shù)應(yīng)用體系的管理，以及項(xiàng)目品質(zhì)工程建設(shè)質(zhì)量。

［關(guān)鍵詞］BIM技術(shù)；幕墻；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］TU7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文通過研究BIM技術(shù)在高層鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工的一體化應(yīng)用，試圖解決鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜、構(gòu)件生產(chǎn)加工不精確以及施工中測(cè)量定位等問題，以期增強(qiáng)各單位、各專業(yè)之間的工作協(xié)調(diào)能力，提高施工技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，使項(xiàng)目效益最大化。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目規(guī)劃用地面積約53.03畝，總建筑面積148 627平方米，地上總建筑面積94 827平方米，地下總建筑面積53 800平方米。主要功能為超高層寫字樓、酒店、商業(yè)綜合體，建筑地上、地下連為一體，地下設(shè)平戰(zhàn)結(jié)合人防設(shè)施。其中，168米的智慧甲級(jí)寫字樓是該市的最高建筑，未來(lái)將進(jìn)一步推動(dòng)區(qū)域的產(chǎn)業(yè)升級(jí)、商業(yè)聚集，完善配套設(shè)施，使其成為真正意義上的地標(biāo)建筑。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)分析

2.1 多曲結(jié)構(gòu)識(shí)圖難

多曲面幕墻結(jié)構(gòu)圖紙復(fù)雜，傳統(tǒng)二維圖紙無(wú)法清晰表達(dá)多曲面幕墻結(jié)構(gòu)，缺少空間狀態(tài)信息，且各專業(yè)圖紙之間缺少信息的交互，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻的位置關(guān)系不明確，無(wú)法做到精確施工。

2.2 多曲結(jié)構(gòu)測(cè)量定位難

在鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻設(shè)計(jì)、施工中，構(gòu)件的定位會(huì)受到各種因素影響。鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻的構(gòu)件測(cè)量定位，需要提高構(gòu)件安裝時(shí)的空間定位精度，避免鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻碰撞問題，所以對(duì)模型設(shè)計(jì)、測(cè)量?jī)x器和施工工藝的要求較高。

2.3 專業(yè)深化設(shè)計(jì)難

鋼結(jié)構(gòu)和多曲面幕墻在深化設(shè)計(jì)階段，需要充分考慮構(gòu)件焊接形式、焊接順序、安裝順序等，要求深化設(shè)計(jì)人員對(duì)施工工藝有熟悉的理解。各專業(yè)、各工序之間的深化設(shè)計(jì)容易存在的錯(cuò)漏碰缺問題，需要各專業(yè)在深化設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行溝通交流。

2.4 專業(yè)接口協(xié)調(diào)難

各專業(yè)之間互相影響，很難協(xié)調(diào)一致。在設(shè)計(jì)過程中，需要專業(yè)分包單位參與其中，做到邊設(shè)計(jì)邊深化，避免反復(fù)設(shè)計(jì)及深化，影響設(shè)計(jì)工期。同時(shí)，對(duì)各專業(yè)分包單位進(jìn)行界面及設(shè)計(jì)接口劃分，利用BIM模型消除土建、鋼結(jié)構(gòu)和幕墻之間的結(jié)構(gòu)沖突，為后續(xù)施工方案的可行性提供保障。

2.5 專業(yè)安裝施工難

鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻安裝對(duì)精確度要求較高，受到各工序和工況的影響較多。

在各個(gè)工序下，工序自身出現(xiàn)的誤差影響著下一道工序。土建、鋼結(jié)構(gòu)以及幕墻施工過程中會(huì)產(chǎn)生構(gòu)件空間定位信息誤差的問題，工序之間的誤差不斷地積累，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題。

在各個(gè)工況下，外部因素會(huì)對(duì)局部或者整體產(chǎn)生較大的影響。超高層建筑在遭受外界壓力（風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載等）時(shí)，會(huì)對(duì)施工中或者已完成的鋼結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)造成不可避免的影響，從而使建筑物整體質(zhì)量下降。

3 BIM技術(shù)在建筑幕墻項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 正向設(shè)計(jì)

3.1.1 模型創(chuàng)建

設(shè)計(jì)人員根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件，采用Revit軟件進(jìn)行三維模型的建立，如圖1所示。利用三維模型可視化的特點(diǎn)，直觀反映設(shè)計(jì)文件所表達(dá)的建筑的最終形態(tài)。通過軟件直接進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換，采用其他軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算、抗震分析、火災(zāi)人員疏散分析等。相比傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)流程，減少由二維圖紙到三維模型轉(zhuǎn)換的步驟，避免了因多次轉(zhuǎn)換而出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題。

3.1.2 協(xié)同設(shè)計(jì)

在BIM正向設(shè)計(jì)過程中，建立設(shè)計(jì)單位與總包單位的協(xié)同平臺(tái)，用于雙方的信息交流［1］。運(yùn)用BIM技術(shù)協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，使各單位、各專業(yè)間能夠得到及時(shí)有效的溝通，把建筑中的設(shè)計(jì)不合理、結(jié)構(gòu)碰撞等問題解決在設(shè)計(jì)階段，減少后期的工程變更。

充分利用EPC項(xiàng)目管理的特點(diǎn)，形成設(shè)計(jì)與施工相互協(xié)調(diào)的工作流程。總包單位配備各專業(yè)的設(shè)計(jì)與技術(shù)管理人員，負(fù)責(zé)對(duì)接各專業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，同時(shí)與設(shè)計(jì)單位保持有效的交流，提供項(xiàng)目施工方案或者施工現(xiàn)場(chǎng)最新的設(shè)計(jì)需求，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

總包單位在收到設(shè)計(jì)模型后，組織項(xiàng)目BIM工作小組和專業(yè)分包對(duì)設(shè)計(jì)模型會(huì)審。通過Revit軟件對(duì)各專業(yè)模塊進(jìn)行集成，使用Navisworks軟件對(duì)各專業(yè)進(jìn)行碰撞測(cè)試。與傳統(tǒng)的圖紙會(huì)審有所不同，項(xiàng)目管理人員利用BIM模型可視化的優(yōu)勢(shì)，使用設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)模型與施工圖進(jìn)行疊合審查，對(duì)多專業(yè)圖紙之間協(xié)調(diào)進(jìn)行把關(guān)，從而提高項(xiàng)目管理人員對(duì)各專業(yè)圖紙檢查的準(zhǔn)確性［2］。

3.2 數(shù)字加工

3.2.1 模型數(shù)字化

集成BIM技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的深化應(yīng)用，建立數(shù)字化模型。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和幕墻的模型進(jìn)行數(shù)字化的深入設(shè)計(jì)，如圖2所示，賦予加工所必要的信息。隨后將模型信息傳送給廠商進(jìn)行構(gòu)件的加工，通過數(shù)字化模型直接傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)使用數(shù)字化模型生成二維加工詳圖和材料清單。由于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和不遺漏性，BIM模型的應(yīng)用能夠有效解決信息創(chuàng)建、管理與傳遞的問題。

3.2.1.1 鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)

確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間參數(shù)，對(duì)鋼構(gòu)件位置進(jìn)行三維校核，消除施工圖設(shè)計(jì)和加工工藝的誤差。通過BIM設(shè)計(jì)的三維可視化特性，展示出鋼結(jié)構(gòu)與幕墻的空間構(gòu)造關(guān)系，對(duì)構(gòu)造關(guān)系明顯有問題的位置，由專業(yè)分包提出解決意見，由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行審核，審核完成后進(jìn)行模型的修改優(yōu)化，從而提升出圖質(zhì)量［3］。

3.2.1.2 幕墻專業(yè)

幕墻與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。接口處理，規(guī)定預(yù)留在鋼構(gòu)件上固定連接節(jié)點(diǎn)屬于幕墻專業(yè)深化范疇。幕墻與鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)接件，由幕墻專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)、深化、制作、安裝。在施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)在安裝過程中產(chǎn)生的位置偏差，需要幕墻專業(yè)分包對(duì)轉(zhuǎn)接件的調(diào)整，消除由鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的誤差。

3.2.2 構(gòu)件制造

通過數(shù)字化技術(shù)的研究與應(yīng)用，對(duì)構(gòu)件數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入，在信息化建造管理平臺(tái)中形成模型管理的數(shù)據(jù)庫(kù)，通過數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)構(gòu)件加工制造進(jìn)行數(shù)字化管理。

鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻使用三維掃描技術(shù)，通過測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，以解決構(gòu)件與現(xiàn)場(chǎng)施工不匹配的問題。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中利用三維掃描技術(shù)提取數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，利用BIM技術(shù)分析和優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)和多曲面幕墻設(shè)計(jì)，確定建筑控制基準(zhǔn)點(diǎn)，采用參數(shù)化建模公式，根據(jù)構(gòu)件成型原則和公式，消除施工過程中的誤差，并以該模型為基準(zhǔn)確定鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型、幕墻分格模型、加工板塊模型等，以及出具加工下料表，最終完成對(duì)鋼結(jié)構(gòu)與幕墻構(gòu)件的加工。

在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工的同時(shí)，有效解決鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)之間的“信息孤島”問題，實(shí)現(xiàn)工程信息共享與集成管理。

3.3 智能建造

3.3.1 材料管理

以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，提取所有構(gòu)件的編號(hào)信息，并通過二維碼平臺(tái)所生成的二維碼進(jìn)行一一綁定［4］。二維碼內(nèi)包括構(gòu)件的基本信息、定位信息、運(yùn)輸信息、施工驗(yàn)收信息等。將構(gòu)件二維碼與工作人員、運(yùn)輸車輛信息進(jìn)行綁定，記錄構(gòu)件生產(chǎn)加工至安裝驗(yàn)收每個(gè)階段的相關(guān)信息。

首先，構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)前，生產(chǎn)廠家將二維碼與構(gòu)件進(jìn)行匹配粘貼，通過二維碼上傳構(gòu)件的合格證明、質(zhì)量證明等文件。總包單位通過信息化建造管理平臺(tái)和掃描二維碼，即可快速查看構(gòu)件生產(chǎn)相關(guān)的信息。

其次，構(gòu)件進(jìn)場(chǎng)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工人掃描運(yùn)輸車輛或者構(gòu)件二維碼確認(rèn)構(gòu)件的基本信息、運(yùn)輸信息等，材料工程師進(jìn)行材料進(jìn)場(chǎng)信息驗(yàn)收，查看材料堆放的注意事項(xiàng)，完成材料驗(yàn)收流程。現(xiàn)場(chǎng)施工人員通過掃描二維碼，直接將構(gòu)件運(yùn)輸至施工場(chǎng)地附近的材料堆場(chǎng)，避免出現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件丟失的問題。

最后，構(gòu)件入場(chǎng)后，項(xiàng)目管理人員掃描二維碼，上傳施工方案、施工動(dòng)畫模擬等技術(shù)指導(dǎo)性文件，完善施工所需要的信息。而施工人員通過二維碼可以查看構(gòu)件的定位信息、安裝信息等，了解施工工藝、施工質(zhì)量要求信息等，使施工時(shí)的質(zhì)量提前得到保障。

3.3.2 可視化管理

在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程施工中，利用信息化建造管理平臺(tái)進(jìn)行輔助管理，綁定施工人員、工程材料、機(jī)械設(shè)備等信息，對(duì)施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。通過BIM技術(shù)管理手段，對(duì)這些信息進(jìn)行時(shí)間管控，從中可以發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在施工時(shí)所存在的問題。

3.3.3 鋼結(jié)構(gòu)與幕墻定位

鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻定位測(cè)量施工需要精確控制，以保證結(jié)構(gòu)施工與BIM模型保持一致。項(xiàng)目通過鋼結(jié)構(gòu)與幕墻的數(shù)字化模型，導(dǎo)出構(gòu)件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時(shí)在模型上對(duì)定位點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示。施工時(shí)可以根據(jù)構(gòu)件坐標(biāo)數(shù)據(jù)表和幕墻定位模型信息對(duì)比，確保安裝數(shù)據(jù)無(wú)誤［5］。

在施工中及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)已調(diào)整的主體與鋼結(jié)構(gòu)模型，掃描施工現(xiàn)場(chǎng)已完成主體與鋼結(jié)構(gòu)得到點(diǎn)云模型，通過模型提取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用于施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)構(gòu)件定位的數(shù)據(jù)調(diào)整。在此模型基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行分析調(diào)整，及時(shí)消除現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件安裝產(chǎn)生的誤差。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目將BIM技術(shù)應(yīng)用貫穿幕墻工程設(shè)計(jì)施工全生命周期，詳細(xì)闡述了高層鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻設(shè)計(jì)施工一體化中BIM技術(shù)在項(xiàng)目的正向設(shè)計(jì)、模型深化、施工模擬、專業(yè)模型深化、構(gòu)件加工等方面的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)管理、協(xié)同管理、質(zhì)量管理和技術(shù)管理中，基于傳統(tǒng)管理、技術(shù)應(yīng)用中存在的問題和不足，通過對(duì)EPC管理模式下高層鋼結(jié)構(gòu)與多曲面幕墻的BIM技術(shù)的研究與應(yīng)用，可以強(qiáng)化設(shè)計(jì)采購(gòu)施工之間的協(xié)調(diào)工作能力，形成可參考的BIM技術(shù)應(yīng)用管理體系，提高項(xiàng)目整體的管理能力。

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