BIM技術在建筑外立面幕墻設計中的應用研究

齊海艷

中鐵建工集團第四建設有限公司 上海 200333

建筑外立面幕墻是建筑外墻結構的重要組成部分，發(fā)揮著重要的作用，既可以支撐主體結構，也可以提升建筑工程的美觀性，有效提高工程品質(zhì)。BIM是一個可視化的建筑信息數(shù)據(jù)庫和平臺，它連接設計、施工和運維，整個建筑全生命周期，從而有效促進綠色建筑和建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。對此在BIM技術應用下可以深化建筑外立面幕墻設計，實現(xiàn)幕墻設計與施工的集成，優(yōu)化施工流程，確保施工高效率的完成。因為BIM技術的優(yōu)勢顯著，對此施工單位要加強重視，把握BIM技術的優(yōu)勢和特點，結合外立面幕墻施工要求科學應用該技術，有效提高外立面幕墻設計水平。

1 BIM技術在建筑外立面幕墻設計的應用作用

在BIM技術應用下可以優(yōu)化設計，提升設計效率，具體可以表現(xiàn)在以下三個方面：第一，通過BIM三維模型可以直接將建筑外立面幕墻主體結構直觀、清晰的呈現(xiàn)給人們，通過立體可視化的形式讓人們發(fā)現(xiàn)主體結構的組成、連接方式、材料等。有效降低設計難度、提高設計準確度，確保設計人員可以和幕墻施工人員溝通，交流，修改方案，確保業(yè)主方和施工方也可以全面監(jiān)督設計過程。第二，在BIM技術下可以更加直觀的顯示出設計過程中的材料類型、材料用量、幕墻消耗、室內(nèi)環(huán)境等，設計人員可以根據(jù)業(yè)主需求及時調(diào)整設計，便于人們對房屋建筑的環(huán)境進行評價，最終降低設計成本，提高設計效率。第三，在BIM技術下也可以進行協(xié)同設計，可以通過其中一個環(huán)節(jié)及時發(fā)現(xiàn)整體的問題[1]。在設計時人們只需要將各個板塊的數(shù)據(jù)信息輸入到模型特定位置處，后建筑施工單位和業(yè)主方、監(jiān)理方都可以瀏覽信息，自動添加和補充新信息，確保各個單位都可以參與到建設外立面設計中來，形成協(xié)同工作體系。

2 BIM技術在建筑外立面幕墻深化施工中的應用

2.1 BIM技術在建筑外立面形體分析和優(yōu)化中的應用

案例1 杭州西站外云谷大曲率拱形幕墻施工。幕墻作為一種新型的外墻結構，可以在設計下打造成為云谷空間，在設計師巧妙的設計下形成外云谷幕墻。這種幕墻有兩種結構形式：豎明橫拉桿拱形玻璃幕墻和樹杈型雙曲鋁單板幕墻，玻璃幕墻豎向為明框，豎向龍骨通過定制V型支撐鋼件與云谷主體鋼結構連接，橫梁拉桿采用了特定的不銹鋼拉桿，隱藏在玻璃膠縫之間。云谷主體鋼結構有很密集的圓管，整個外云谷玻璃幕墻沒有橫向龍骨，只有一層縱向龍骨，效果簡潔、美觀。因為其結構的復雜，整個裝飾面由外向內(nèi)共有4個層級關系，依次是：主拱封蓋完成面、拱頂玻璃完成面、次拱上表完成面、拱底板完成面，具體各層級面皮尺寸關心如下圖1所示：

圖1 外云谷鋁板、玻璃幕墻構造層次關系

圖2 單個樹杈造型

圖3 樹杈造型鋁板龍骨爆炸圖

圖4 花柱模型單元劃分

圖5 臺架及單元龍骨模型圖

因為外云谷高跨區(qū)室內(nèi)側鋁板安裝和室外玻璃幕墻均為高空作業(yè)，且為曲面結構形式，作業(yè)條件難度大、危險性高，且外云谷拱高跨區(qū)主次拱連接處樹杈部位鋁板線條較復雜、安裝精度要求高、作業(yè)難度大。對此需要施工單位掌握其關鍵技術的同時，也需要將BIM技術應用其中，充分發(fā)揮BIM技術的優(yōu)勢，降低其難度和復雜性。

2.2 BIM技術在建筑外立面模型深化設計中應用

杭州西站外云谷大曲率拱形幕墻設計，具體的設計流程優(yōu)化如下所示：

第一，在BIM技術下可以創(chuàng)建三維可視化模型，通過模型進行拱形鋁板分格研究，確保施工的合理性和安全性、有效性。通過模型分析可以確保面板塊大小符合要求，避免出現(xiàn)拼縫過多導致順滑度不足的問題，有效提升其視覺效果。在三維外立面模型下，可以推結構拱外包鋁板進行設計和細節(jié)處理，通過模型綜合分析結構拱外包鋁板設計后的視覺效果、施工周期以及施工措施等。模擬發(fā)現(xiàn)，鋁板的拼裝結構設計成小單元形式，以方便加工和吊裝。典型樹杈造型鋁板構造和分解[2]。

第二，在BIM技術應用下可以對云谷鋁板的造型進行分析，該造型可以分為三個方面：以樹杈造型作為一個界限，樹杈造型以下為平直段鋁板，樹杈造型以上為拱形鋁板，樹杈造型為連接部位，通過模型分析發(fā)現(xiàn)，單側樹杈形鋁板造型依次漸變，每塊鋁板的長寬尺寸及扭曲方向均不相同。考慮到鋁板設計為單元板塊，同時鋁板采用側向固定，鋼龍骨骨架焊接好后，再將鋁板及單元內(nèi)的三元乙丙膠條統(tǒng)統(tǒng)安裝到位，所有的工序流程均在地面操作，減少了高空作業(yè)的工序數(shù)量和難度。鋁板采用側向固定，鋁板的角碼與龍骨之間距離可以有一定的偏差，故在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的弧形鋼龍骨優(yōu)化為直龍骨，優(yōu)化拉彎鋼材的數(shù)量，降低工序數(shù)量和難度，縮短龍骨鋼架加工和制作周期。

第三，在BIM技術應用下可以對鋁板安裝整體設計，在BIM技術下的動態(tài)模擬下可以采用側面平推的方式調(diào)整東西向的位置，按照模型中的位置調(diào)整鋼制底座的長度以調(diào)節(jié)南北向的位置，在鋼制底座上設置豎向鑰匙孔微調(diào)單元板塊上下的位置，以確保鋁板單元能夠具備一定的微調(diào)功能。鋁板的定位則通過BIM技術生成四個定位角點的三維坐標，結合現(xiàn)場全站儀的三維測量定位能力，將鋁板單元安裝到對應位置，只有將每個單元都安裝完才能得到流暢的整體弧形造型和均勻一致的拼縫。

第四，在BIM技術應用下可以對玻璃幕墻龍骨與鋼結構外露桿件效果優(yōu)化，在樣板設計階段，施工人員按照原施工圖的橫、豎向均為明框的玻璃幕墻做了一部分，現(xiàn)場看樣發(fā)現(xiàn)效果不理想。對此用BIM技術來優(yōu)化設計流程，調(diào)整樣板的設置，在樣板后增加，橫向隱藏不銹鋼拉桿，減少幕墻橫向龍骨，確保在整個玻璃幕墻的受力體系中，橫向隱藏不銹鋼拉桿也作為最主要的受力桿件，最終通過以上方案的優(yōu)化和調(diào)整到隱藏橫梁的效果 。

2.3 BIM技術在幕墻系統(tǒng)優(yōu)化中的應用

在建筑外立面幕墻設計中需要構建幕墻系統(tǒng)結構，確保各個結構之間銜接到位、緊密配合，減少沖突和矛盾，在傳統(tǒng)的設計下主要人工操作進行，效率低下，問題多，矛盾分歧多，對此就需要利用BIM技術創(chuàng)建幕墻系統(tǒng)三維模型，通過系統(tǒng)建模可以根據(jù)設計圖紙搭建模型。便于人們直觀、清晰地看到外立面幕墻實體的狀態(tài)，便于人們發(fā)現(xiàn)問題，及時優(yōu)化改進。在應用BIM技術時也可以和其他技術進行結合，可以對建筑的鋼結構、砼基礎等進行建模，及時調(diào)整和變動位置，做好系統(tǒng)化的檢測，確保系統(tǒng)結構更加安全、穩(wěn)固。另外，在創(chuàng)建幕墻系統(tǒng)結構后可以通過BIM技術進行碰撞檢查，做好各個節(jié)點、銜接處、曲面和橫面矛盾點的處理，確保搭接的安全和穩(wěn)固，為后期施工奠定基礎 。

2.4 在深度建模和信息模型創(chuàng)建中的應用

想要確保建筑外立面幕墻設計走向成功，提高設計水平，就需要在前期做好深度建模，考慮到外立面結構的復雜，幕墻設計的高難度性，不同建筑類型的幕墻設計需求和要求不同，對此就需要做好深度建模設計。而BIM技術的應用可以有效解決這一問題，在BIM技術下可以構建三維立體模型，將整個模型的全部信息都呈現(xiàn)出來，設計人員可以根據(jù)關鍵信息繪制節(jié)點圖，更好地為后期施工提供精準、全面的信息，做好設計驗證工作。在設計結束后，幕墻廠家可以根據(jù)深度建模圖紙和節(jié)點圖來生產(chǎn)幕墻，并做好現(xiàn)場的安裝，在安裝時要加強重視，充分解讀方案內(nèi)容和細節(jié)信息，確保滿足建筑外立面幕墻設計要求。另外，在BIM技術下也可以創(chuàng)建信息模型，設計人員可以通過網(wǎng)絡信息平臺搜集信息，并將創(chuàng)建后的模型和信息技術進行融合，確保人們可以直接通過智能移動終端觀看模型的動態(tài)演示過程，可以實時把握具體的信息，對建筑外立面設計圖紙有一個全面的了解。具體的設計流程如下所示：第一，創(chuàng)建族群文件；第二，根據(jù)創(chuàng)建的文件內(nèi)容進一步細分模型板塊，形成設計明細表，并對板塊進行優(yōu)化處理，確保信息全面；第三，通過BIM技術對幕墻進行碰撞測試和檢查；第四，根據(jù)BIM信息模型做好幕墻結構的組裝。

2.5 在二維圖紙繪制中的應用

在傳統(tǒng)的建筑外立面幕墻圖紙設計中主要是二維圖紙，在二維圖紙下也可以更好的指導施工活動的進行，但是建筑外立面是一個正面方向，人們站在地面上只能看到大概的高程，常常會出現(xiàn)設計偏差，不符合實際情況的問題，對此就需要通過BIM技術來解決以上問題。在BIM技術可以對二維設計圖進行優(yōu)化、改進，創(chuàng)建BIM外立面幕墻模型，在新的模型下會自動調(diào)整朝向和高度。人們在繪制設計圖紙時可以通過BIM技術軟件進行操作，對二維圖紙進行平面和立面、剖面的深化，調(diào)整，根據(jù)BIM技術應用標準和BIM技術設計導則，以及各個面深化改革要求完成不同面的深化工作。在深化時可以直接通過軟件填充材質(zhì)、顏色、構件等，后可以構建二維表達，有效滿足相關要求，最終自動生產(chǎn)BIM模型。在該模型中設計人員可以輸入相關指令，比如切面信息，后模型可以自動生成剖面圖，在輸入該圖形后設計人員可以根據(jù)具體的情況調(diào)整方案，確保各個圖形都符合要求，有明確的高程、寬度等信息 。

2.6 BIM技術在外立面幕墻參數(shù)設計中的應用

比如在南昌東站室外開縫式雙曲鋁板幕墻設計中，因為造型特殊，幕墻面板和龍骨形狀各不相同，尺寸大小也不同，傳統(tǒng)的設計方法費時費力，對此可以采用BIM技術下，可以將原有的二維轉(zhuǎn)變成為三維，實現(xiàn)參數(shù)化三維設計，通過參數(shù)化設計提高設計精準性。在設計時人們直接可以通過計算機設計軟件構建函數(shù)關系模型，設計師根據(jù)建筑外立面幕墻參數(shù)更新和修改原有函數(shù)，模型會自動調(diào)整建筑要素，最終形成完整的建筑外立面幕墻模型。在這種模型下人們可以準確把握外立面控制點，將控制點進行聯(lián)系，對比，選擇最佳方案。另外，在模型下也可以獲取空間點功能，得出每一塊面板的坐標信息，便于施工人員把握施工材料的特點 。

通過BIM技術對原有的項目安裝方案和方法、流程進行優(yōu)化改進，采用一種單元式的龍骨做法，將每個雙曲花柱分成多個單元，根據(jù)BIM模型將每個單元平放到地面。根據(jù)每個單元空間點位與地面關系，做成三維臺架，每個單元龍骨根據(jù)三維模型進行龍骨下料，材料到場后，工人在地面臺架上進行組裝焊接，龍骨單元焊接好后整體吊裝，安裝，通過以上方法提高了工作效率，焊接質(zhì)量及安裝精度。總之，在BIM技術下可以改進施工工藝，提高龍骨加工安裝精度、焊接質(zhì)量、效率，確保曲面順滑，導水排水性好，進行開縫，實現(xiàn)無膠污染，整個曲面更加整潔[3]。

2.7 BIM技術在裝配式施工中的應用

在當前裝配式技術的發(fā)展下，有效提高了工程質(zhì)量、降低了成本，對此裝配式技術也可以應用在幕墻類工程中，并結合BIM技術更好的發(fā)揮裝配式技術在幕墻工程中的應用優(yōu)勢。在裝配式技術下可以通過BIM技術創(chuàng)建半裝配式模型，通過模型深入分析吊裝單元、龍骨安裝定位點，有效縮減安裝時間和空間，降低安裝難度，提高安裝精度。在創(chuàng)建模型時也可以將原有的面板和骨架融合在一個單元中，后直接在地面進行單元組裝，并在每一個單元中進行編號和坐標，后采用測量技術有效控制安裝位置。

3 結束語

總之，建筑外立面設計有一定的難度和要求，且在當前幕墻結構逐漸復雜的情況對設計、安裝、施工都提出了新要求，為更好地滿足不同類型外立面幕墻設計要求，提高施工效率和質(zhì)量，達到預期目標需要設計人員將BIM技術應用其中。通過創(chuàng)建BIM三維可視化立體模型，將整個施工過程動態(tài)化地演示出來，便于人們把握外立面幕墻結構的全部信息，關鍵節(jié)點，常見問題。對此設計人員要重視BIM技術的應用，有效提高建筑外立面幕墻設計的精準性，在此基礎上優(yōu)化施工工藝，通過三維模型整體放樣，加工，最終提高整體拼裝精度，提高施工效率，縮短施工周期，進一步提高綜合的經(jīng)濟效益。