基于BIM参数化方法的北京阳光保险幕墙项目深化设计及施工应用研究

邵洋 纪晓鹏 王方珏 潘文涛

摘 要：当前幕墙构造及功能形式日趋复杂多样，设计和施工难度越来越大，采用传统施工方法，在埋件精确定位、材料下单、构件加工、运输安装等都难以实施。BIM技术的应用给幕墙行业带来了变革，本文以阳光保险项目為例，用Rhino及Catia建立幕墙模型，探索幕墙深化设计及施工的BIM应用。

关键词：BIM；参数化；Rhino；Catia；幕墙

中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0126-03

1 BIM参数化

随着经济发展近年来建筑设计也走向多元化发展，对功能空间和视觉艺术表达等多方面因素综合考虑越来越严格。参数化设计的引入让设计方法变得与众不同，参数化模型中所构建的数学逻辑，使得与之相关部分的几何形态可以关联变动，利用数学算法得到方案的最优解法。在建筑整个建造过程中，需考虑的问题更是错综复杂，对于一些复杂形体的建筑，其复杂的节点设计和施工定位问题必将需要一个高效的建模工具，参数化设计正是这种高效的工作方法，同时也是一种独特的思维模式。因此在施工阶段，结合现场实际情况引入参数化设计工具进行参数化的深化设计，是实现建筑复杂形态和施工定位的必由之路。

本文通过在阳光保险金融中心项目的幕墙项目的深化设计和施工BIM应用实践，总结了针对本项目难点的BIM参数化设计及应用方法，得到了良好的应用效果。

2 项目概况

阳光保险金融中心外立面工程（如图1所示），位于北京CBD核心区域，占地8000m2，建筑面积13万m2，地上44层地下5层，总高度220米。其中幕墙工程面积共5.3万m2，主要幕墙系统为塔楼单元式幕墙系统3.8万m2、裙楼花瓣幕墙点式玻璃幕墙系统0.3万m2、内幕墙及塔基框架幕墙系统1.2万m2。

3 工程难点——参数化表皮方案拟合

本工程概念方案的形态通过标准正方形基底沿220米塔楼全高逐渐到顶部变形为椭圆形平面而获得。为保证概念方案的实施与落地，在确保维持造型与视觉感受的前提下对概念方案形体进行调整。具体问题如下[1]：

（1）各楼层存在功能与高度的变化导致各层之间在大体形态相似的前提下存在细节差异，楼层平面轮廓无一重合。（2）概念设计阶段粗略的形体设计导致多处使用功能障碍。（3）形体变化导致楼层轮廓收缩面临斜柱设计。（4）从概念形体上截取的轮廓线其曲率连续变化施工中难以定位。（5）裙楼花瓣曲面造型多变大量双曲板块造成加工困难。

经参数化分析发现塔身四周的直线部分很容易确定，在东南及西北角区域采用圆弧替代，通过控制其半径与圆心的变化来控制整个塔身的收缩，所有轮廓的找寻过程在参数化的驱动下只需几秒钟完成。

现在形体由两种各司其职的参数控制才能进行精确自如的形体微调，解决各种设计问题，例如由于形体收缩造成的斜柱问题、不同功能楼层转角变形导致的使用功能障碍等，可通过贝塞尔曲线对所有楼层的转角参数进行整体进行列表微调，贝塞尔曲线的控制数列呈连续匀称的变化趋势，这样保证了相邻楼层间始终保持平滑的过度，调整中保证全局可视化调整，不会出现各别楼层的突兀变化[2]。

轮廓确定后需要进行层间铝板设计，通过参数化编写两个可变的剖面，来应对塔楼东南及西北侧两处上下错开的玻璃（见图2所示）。对于玻璃板块的划分，塔楼东南及西北角位置为折线板块，楼层表皮逐渐往内收，每层板块的定位点及数量按照一定的规律变化，采用折线拟合。经放样分析，单元板块之间的水平夹角为171°～180°变化，越往高处角度呈增大趋势，直线板块拱高最大值达34mm，单元板块设计夹角可调范围为±2°，因此该处需要设计三套立柱进行表皮的拟合，大量的非标准板块给幕墙下单及施工带来很大难度。

裙楼花瓣拟合：花瓣主曲面大致走向与裙楼内幕墙大致相同但其曲面造型更为自由多变，在保证造型的前提下，花瓣玻璃板块优化尤为重要。分格完成后板块会存在翘曲现象，利用软件分析翘曲误差，将误差较小值优化为平板板块。对于翘曲值较大板块，经曲线分析发现其曲率变化不大，故将曲线先拟合为与其相接近的圆弧线（见图3所示）。花瓣曲面造型特点导致其加工数据庞大，板块加工数据的表达及准确施工定位成为该方案能否实现的关键[3]。

4 BIM参数化深化设计应用

4.1 BIM参数化深化

方案设计阶段在软件中输入设计逻辑、建立数理算法、设定条件约束等参数化方式生成幕墙表皮。根据对比几款常用的建模软件，阳光保险项目采用Rhino软件进行方案阶段三维建模，完成从概念方案到可建造方案的第一步转变。在深化设计阶段，鉴于塔楼及裙楼花瓣等庞大的设计数据及建造数据表达，决定选用达索公司的CATIA软件作为深化平台，其自上而下（TopDown）的思想方便数据的管理及提取，同时CATIA作为工业软件拥有多种数据接口，可与其它BIM软件进行数据转换。

CATIA软件参数化程度较高，用户可定义特征、公式、规则、检查，产生参数、设计表、方程、检查、规则等可重复利用的知识工程对象[3]。利用这些工具对单元板块进行参数化设计，根据设计规范及深化标准对板块进行自动化检查，使得设计标准及三维模型实现高度自主统一。利用知识工程模块，将编写好的单元板块模板实例化为各层板块，之后利用装配模块将各板块装配为一个整体。装配设计模块可定义两件之间的约束关系，实现零件自动定位并检查零件间的一致性（见图4所示）。最后使用工程图模块自动生成与传统二维设计一样的工程图，并导出DWG文件。

4.2 BIM工业化数据

CATIA软件平台采用“自上而下”（TopDown）的数据管理思想，软件逻辑通过先建立“产品”（Product）之后嵌套进“零件”（Part）的关系来实现，零件和零件之间的数据传递是通过“发布参数”功能来实现的[4]。“产品”和“零件”都是用户自定义创建，模型建立之初必须建立好管理细则，方便于之后的数据规划及提取。清晰的数据路径及标识是管理项目信息的基础，为使数据能够被快速的检测及提取需建立一套适合项目的命名标准。

在建立模板文件之初，将单元板块中的面板信息、框架信息、非常规型材等数据进行单独编码，软件按照设计依据自动识别输入参数，完成整体建筑模型装配，而后通过编写程序读取加工参数生成物料清单，料单中对不同构件进行特殊编码，通过物料编号下放加工参数实现单元板块快速拼装。利用BIM快速导出精确数据的优势可以很方便的解决施工中的幕墙埋件定位难题，各层埋件单独编码每一个埋件都会有自己的编号及对应位置，在保证各埋件位置准确的同时大大提高工作效率。

4.3 基于BIM的施工与维护

对于施工阶段材料的进场、板块吊装、材料堆放也是常見难题，利用BIM模型制作施工模拟动画直观高效的展示施工方案，模拟真实施工现场确保方案的可行性，在设计阶段解决施工问题。在运维阶段，由于建筑幕墙使用年限较长，使用过程中板块损坏现象在所难免，在幕墙设计阶段必须要考虑到后续的幕墙维护问题，阳光保险项目板块种类繁多且大多工艺复杂，一旦出现损坏情况更换难度较大，通过BIM手段，建筑模型都存储于BIM模型中。系统交付之后，业主可对每个部分进行的信息查询，如：单元号，玻璃编号，层号，类型，安装日期，以及相关信息。如果业主由于需要进行二次装修或者损坏，可以快速查询到相关规格、尺寸、性能等参数，方便维修，减少浪费[5]。

4.4 BIM参数化应用效果

在阳光保险项目开展以来施工方便成立了由三人组成的BIM核心团队，利用BIM的多专业协同优势提前解决碰撞问题。团队一直在追踪由于图纸出错或缺乏协调导致的返工情况，至今项目在幕墙方面的被动变更费用在总变更费用中占比极小，利用BIM的参数化设计优势，项目幕墙深化设计人员仅有4人，这比其它同规模项目所需的深化设计团队人数要少得多，同时在应用BIM的情况下，项目施工工期缩短将近20%。

5 结语

参数化设计可辅助设计方案的实现，也可作为主体的设计构思方式，如今更多的人愿意接受参数化设计带来的更多设计可能。从设计方面，参数化设计为建筑设计打开了新的窗口，帮助建筑师依据其它专业的模型创造新的设计手法，另一方面参数化工具使得复杂建筑形体的实现成为可能，还帮助施工方完成复杂加工、参数输出、及构件定位及生产过程中的优化。同时，参数化设计也会为推动建筑构件通用性进程，设计过程中采用全参数化构件设计，就会建立一个通用的构件库，从而减少许多订制设计。但以上参数化的这些优势，需要参数化设计工具被纳入常用设计工具才更具有现实意义。

参考文献

[1]林彬，梁梁.浅谈“BIM”技术在幕墙工程中的应用[J].门窗，2015，（1）：6-7.

[2]樊波.BIM技术在建筑幕墙上的应用[J].门窗，2018，（2）：3.

[3]李学志，李若松.Catia实用教程[M].清华大学出版社，2005.

[4]梁少宁.BIM在幕墙设计中的应用探索[D].华南理工大学，2015.

[5]史英麟.参数化设计理念在幕墙设计及成本核算中的应用[J].门窗，2012，（7）：6-7.