基于BIM 技術(shù)的曲面幕墻施工研究

王春暉 張海軒 王有為

中國建筑第七工程局有限公司（450000）

現(xiàn)階段國內(nèi)的幕墻設(shè)計(jì)以AutoCAD 二維平面設(shè)計(jì)方法為主， 面對建筑藝術(shù)性要求的不斷提高，二維平面設(shè)計(jì)面臨效率低下、質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、工期不滿足等多重困難。 很多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)構(gòu)思也較為奇特，展現(xiàn)了百花齊放的建筑造型，這種項(xiàng)目的設(shè)計(jì)造型復(fù)雜多變、設(shè)計(jì)難度大，對施工質(zhì)量的要求更加嚴(yán)格，傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)方法已不能滿足此類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及施工要求。 通過分析研究，利用三維掃描技術(shù)復(fù)核現(xiàn)場，采用BIM 技術(shù)建模、模擬和實(shí)現(xiàn)材料快速下單、批量生成施工圖紙，利用全站儀定位、安裝幕墻基層龍骨及面板，既滿足了設(shè)計(jì)復(fù)雜造型的要求，又可縮短工期，提高工效，提高企業(yè)在異形幕墻項(xiàng)目建設(shè)中的影響力。

1 曲面幕墻的現(xiàn)場復(fù)核

幕墻是一種依附于主體結(jié)構(gòu)上的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，曲面藝術(shù)的表達(dá)對施工精度要求較高，這就需要幕墻專業(yè)對建筑結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核。傳統(tǒng)的測量工藝很難實(shí)現(xiàn)這一需求，而BIM 技術(shù)可通過三維掃描建筑主體獲得工程信息。

三維激光掃描儀是光、電結(jié)合的快速測量儀器。儀器通過發(fā)射激光和接收反射回來的激光，形成點(diǎn)云文件，通過BIM 技術(shù)的處理，可以迅速地形成模型。三維激光掃描儀還能快速測量現(xiàn)場結(jié)構(gòu)施工尺寸， 在Rhino 等BIM 軟件中剖切點(diǎn)云及逆向生成幾何圖形，快速復(fù)核現(xiàn)場施工偏差，形成相應(yīng)的校核報(bào)告，準(zhǔn)確地還原現(xiàn)場實(shí)際尺寸，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，有效地縮短了復(fù)核現(xiàn)場的時(shí)間，極大地提高了復(fù)核的準(zhǔn)確性。

曲面幕墻工程在深化設(shè)計(jì)前需開展三維激光掃描工作，以快速地獲取現(xiàn)場結(jié)構(gòu)施工尺寸，對比理論模型，校核前期施工誤差，為深化設(shè)計(jì)提供基準(zhǔn)。 在項(xiàng)目施工過程中，對重要幕墻構(gòu)件（龍骨、面板）進(jìn)行三維掃描，快速校核施工偏差，對不滿足施工偏差的部分進(jìn)行反饋并及時(shí)整改， 從而保證整個(gè)項(xiàng)目的施工質(zhì)量[1]。

2 曲面幕墻的生產(chǎn)加工

曲面幕墻的面板均依賴于工廠化生產(chǎn)， 板塊的分割、加工都需要實(shí)現(xiàn)可視化，更要實(shí)現(xiàn)成果的共享，以使設(shè)計(jì)方、業(yè)主方及生產(chǎn)廠商都能夠很好地理解和溝通。 通過BIM 模型的深化可以實(shí)現(xiàn)立體圖的展現(xiàn)，便于各方的討論和決策。 施工單位也可通過BIM 模型實(shí)現(xiàn)材料快速下單、批量導(dǎo)出施工圖紙，相對于傳統(tǒng)方式，縮短了下單周期，提高了下單的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了BIM 的價(jià)值最大化。

Rhino 是一款超強(qiáng)的多維BIM 建模軟件，更是一款高精度、 高效率的信息處理軟件。 Grasshopper是基于Rhino 軟件平臺(tái)開發(fā)的參數(shù)化建模軟件，具有模塊化編程、參數(shù)化、超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的特點(diǎn)。曲面幕墻的BIM 建?？苫谶@兩款軟件進(jìn)行參數(shù)快速搭建，包括龍骨、主要連接構(gòu)件、面板等，精細(xì)的幕墻模型可以作為后期下單和出圖的依據(jù)。

在設(shè)計(jì)和深化階段， 主要使用 Rhino 及Grasshopper 快速搭建幕墻精細(xì)化模型，包括基層龍骨、轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)、主要連接構(gòu)件以及面板，必要時(shí)對曲面進(jìn)行優(yōu)化， 以節(jié)省幕墻面板的加工費(fèi)用。 基于Rhino 及Grasshopper 搭建的精細(xì)化模型，是幕墻構(gòu)件1∶1 的數(shù)字化建造， 且通過三維掃描與現(xiàn)場結(jié)構(gòu)相匹配， 故具有直接可施工的特性。 使用Grasshopper 模塊化編程，快速導(dǎo)出面板、龍骨的加工數(shù)據(jù)及下單圖紙、構(gòu)件安裝定位圖紙，指導(dǎo)工廠生產(chǎn)及現(xiàn)場施工。

3 曲面幕墻的排版編碼

要確保曲面幕墻實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，就要對每一個(gè)板塊進(jìn)行定尺、定形加工，并科學(xué)地進(jìn)行編碼，合理地安排加工批次，以滿足現(xiàn)場施工進(jìn)度要求。 使用EBIM 平臺(tái)進(jìn)行模型下單， 可實(shí)現(xiàn)二維碼物料跟蹤、現(xiàn)場問題實(shí)時(shí)反饋，極大提高了現(xiàn)場問題處理效率。 EBIM 是一個(gè)BIM 平臺(tái)，可以將各專業(yè)的模型整合到平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)模型輕量化、多平臺(tái)查看模型、全員使用BIM 模型、二維碼物料追蹤、現(xiàn)場施工問題及時(shí)反饋和跟蹤等功能。

基于全員全過程運(yùn)用BIM 的理念，將幕墻模型導(dǎo)入EBIM 平臺(tái)中，將模型輕量化的同時(shí)保留了幕墻構(gòu)件的幾何與非幾何信息（尺寸定位、配置等）。施工項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)使用低配置電腦、手機(jī)App 便可以查看模型，同時(shí)，基于二維碼技術(shù)的物料跟蹤可以快速反映材料的下單、加工、到場、安裝及驗(yàn)收狀態(tài)，施工管理人員可更好地對現(xiàn)場材料進(jìn)行部署。

4 曲面幕墻的施工定位

現(xiàn)場施工中，很容易出現(xiàn)各專業(yè)“不兼容”的現(xiàn)象，如幕墻預(yù)埋件與結(jié)構(gòu)沖突、機(jī)電通風(fēng)口的位置與幕墻百葉的定位不一致，這些都需要各專業(yè)采用共同的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，確保各自的施工測量精度。 一個(gè)工程一個(gè)BIM 模型，設(shè)計(jì)過程中就可模擬碰撞。 施工中通過共同的模型導(dǎo)出準(zhǔn)確的施工定位坐標(biāo)，使用全站儀精準(zhǔn)定位，可確保幕墻面板的安裝位置準(zhǔn)確、造型流暢。

基于精細(xì)化的BIM 模型，通過Grasshopper 編程的手段， 從模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格及生成圖紙與標(biāo)注，按照下單規(guī)范對數(shù)據(jù)和圖紙進(jìn)行簡單整理后即可實(shí)現(xiàn)快速下單及交付現(xiàn)場施工。

幕墻的造型復(fù)雜，各專業(yè)、各系統(tǒng)間的交接及空間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，必然存在一定的錯(cuò)漏碰缺。 將幕墻模型與建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電等專業(yè)的模型整合到一起，使用Navisworks 快速檢查碰撞問題并導(dǎo)出相應(yīng)的圖紙與報(bào)告，與相關(guān)單位共同協(xié)調(diào)處理，避免了大量的現(xiàn)場整改。

5 BIM 技術(shù)的應(yīng)用效益

1）質(zhì)量效益:基于BIM 精細(xì)化模型，幕墻構(gòu)件的加工、安裝定位數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，加工和安裝都保持極高的精度，相比于傳統(tǒng)的CAD 模式，施工精度與質(zhì)量都得到極大的保證。

2）工期效益:BIM 技術(shù)具備高效性的優(yōu)勢，以最短的時(shí)間獲取極高的效率，在快速下單、批量出圖以及現(xiàn)場高效校核等技術(shù)的運(yùn)用，縮短了復(fù)核現(xiàn)場、幕墻系統(tǒng)下單的時(shí)間，提高了曲面幕墻的加工與安裝精度，減少了現(xiàn)場的變更。

3）環(huán)保效益:基于BIM 模型導(dǎo)出的幕墻構(gòu)件具有準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)下單時(shí)對相應(yīng)的材料進(jìn)行策劃和方案優(yōu)化， 配以準(zhǔn)確的加工數(shù)據(jù)進(jìn)行加工；在施工安裝中， 同樣以準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)和圖紙為參照，整個(gè)下單、加工、生產(chǎn)安裝的流程中最大限度地避免了材料浪費(fèi)。

4）社會(huì)效益:通過運(yùn)用三維掃描、參數(shù)化下單及出圖、二維碼物料追蹤、EBIM 平臺(tái)現(xiàn)場智能化管理，可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益，很好地完成復(fù)雜造型面板的設(shè)計(jì)及施工，獲得建設(shè)單位的肯定，提高企業(yè)在異形幕墻項(xiàng)目建設(shè)中的競爭力，對類似項(xiàng)目具有借鑒作用。

5）經(jīng)濟(jì)效益:常規(guī)項(xiàng)目中，幕墻專業(yè)在材料下單、施工圖深化階段，若采用傳統(tǒng)平面CAD 的設(shè)計(jì)辦法，至少需要6 名幕墻設(shè)計(jì)人員才能滿足施工要求，且并很難達(dá)到協(xié)同工作的狀態(tài)；而采用BIM 設(shè)計(jì)方法，只需要1 名幕墻設(shè)計(jì)人員、1 名BIM 技術(shù)負(fù)責(zé)人和1 名BIM 工程師。 采用BIM 技術(shù)導(dǎo)出龍骨定位坐標(biāo)圖，優(yōu)化了原有定位方案，在安裝龍骨時(shí)每組人員可以減少2 個(gè)輔助定位工人。從BIM 模型中導(dǎo)出基層龍骨的詳細(xì)尺寸， 優(yōu)化材料長度規(guī)格，最大限度減少余料廢料，至少節(jié)省2%龍骨提料。

6 BIM 技術(shù)在幕墻施工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得BIM 技術(shù)給建筑業(yè)帶來了新的革命， 未來將實(shí)現(xiàn)高水平的虛擬建造，以滿足建筑全生命周期的維護(hù)管理。 幕墻作為建筑遮風(fēng)擋雨的外衣，必然要給物業(yè)管理提供建筑物的綜合情況，從而實(shí)現(xiàn)智慧化管理。

未來，基于云網(wǎng)絡(luò)的無線傳感技術(shù)將在幕墻上普及。 將監(jiān)控、電子傳感器等電子設(shè)備內(nèi)置于幕墻上，對幕墻的熱傳遞、使用壽命等情況進(jìn)行監(jiān)控，以便于工程師及時(shí)了解情況。 單元式幕墻將進(jìn)一步得到完善，BIM 技術(shù)推動(dòng)工廠化定制生產(chǎn)。

在建筑領(lǐng)域的幾大專業(yè)中，幕墻的機(jī)械化程度將會(huì)更高，虛擬建造技術(shù)將會(huì)得到更好的應(yīng)用。 未來的設(shè)計(jì)必然是三維的天下，BIM 技術(shù)也將會(huì)與時(shí)間等維度深入結(jié)合，在模擬建造、能耗分析等領(lǐng)域再做突破。 而曲面幕墻由于其本身的特點(diǎn)，需要在設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、施工單位和生產(chǎn)加工商之間形成一種有效的展示交流平臺(tái)，BIM 技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)成為一種必然。