埃及新首都CBD标志塔外幕墙工程BIM技术应用研究

周肖飞 张世豪 唐 干 严光芒 俞 露 蒋 微

(中建八局装饰工程有限公司，上海 201206)

引言

在建筑幕墙中，BIM技术应用也比较广泛，如上海中心、中国尊、深圳平安金融大厦、银河SOHO等建筑均应用了BIM技术辅助建造，通过BIM技术应用，解决了复杂幕墙设计难度大、加工精度要求高、施工安装管理难、运营维护难度大等难点，实现了幕墙工程的智慧建造。在幕墙设计阶段，BIM参数化设计能力为方案多次修改提供高效的方法，其可视化功能也能够让业主和建筑师快速理解并确定方案提供可能性[1]。在深化阶段，应用BIM技术全系统建模和协同作业，进行碰撞检测、辅助深化、结构计算、节点模拟、出施工图[2]。本文通过BIM技术与参数化设计相融合的创新技术在超高层双曲面异形幕墙的深化设计，工厂预拼装，出图下料，施工管理等阶段的实质性应用展开深入研究。创新使用Revit 2019、Rhino 6.0两大软件平台联动工作，利用BIM移动终端及云平台，实现智慧工地的现代化管理，在保证工期的前提下，对质量、安全强力监管。希望能给广大幕墙设计师对了解BIM参数化技术在双曲面异形幕墙设计、加工、生产和出图下料阶段带来帮助和借鉴。

1 工程概况

1.1 项目介绍

埃及新首都CBD标志塔位于埃及开罗市以东45km处，新首都CBD项目是一个具有里程碑意义的综合开发项目，建成后将成为新的行政首都，是埃及文化和进步的象征。该工程于2018年5月正式开始施工，预计将于2021年竣工。其中ICONIC TOWER总高度385m，位于即将建造的中央商务区中轴线位置，是一幢由五星级酒店、公寓、办公及商业等多种功能区域组成的国际化标准的地标性建筑，建成后将为非洲第一高楼，成为整个中央商务区的焦点。标志塔效果图如图1所示。

图1 效果图

1.2 专业工程特点及难点

(1)工程体量大

幕墙形式复杂多样，整个建筑外表皮主要由玻璃幕墙、GRC遮阳线条组成，总展开面积约13万m2。

幕墙系统样式丰富，其中FS-01塔楼标准单元幕墙系统，采用隐框单元幕墙形式，透明部位采用中空Low-e透明玻璃，层间位置采用GRC悬挑装饰线条整体安装； FS-02塔楼弧形单元幕墙系统，采用隐框单元幕墙形式，幕墙面材全部为中空Low-E透明弯弧玻璃，铝型材单元框架拉弯竖向安装悬挑装饰线条； FS-03 塔楼全隐框单元幕墙系统，采用全隐框单元幕墙形式，幕墙面材全部为中空Low-E透明玻璃； FS-04 塔楼顶部采光天窗，采用半隐框框架幕墙系统，并设置冷凝水收集排放装置。天窗玻璃采用中空夹胶玻璃，夹胶面朝向室内； FS-05 裙楼框架玻璃幕墙系统，采用全隐框框架幕墙系统，玻璃采用中空Low-E透明玻璃； FS-06 主入口雨蓬，雨蓬支撑结构采用钢骨架外包金属板的形式，玻璃采用夹胶彩釉透明玻璃。

(2)出图周期短

本工程屋面结构复杂、工期紧迫，设计图与深化设计同步进行，过程中设计图修改多，从而导致深化设计工作重复量大，难以进行全面深化。深化设计进度缓慢，对制作厂构件加工进度存在较大影响。此外，收到设计图后，节点需进行工艺评审，坐标的导入建模及坐标的导出作业量大，耗时较长。

(3)施工难度大

由于塔楼幕墙设计为双曲面造型，因此对施工精度要求高，安全施工难度也就变大。由于幕墙形式的多样性和复杂性，若使用传统的技术方法难以达到预期的效果。为了清楚明确各个分区的施工顺序，展现工程施工的步骤以及各个重要里程碑节点工程的形象进度和相关专业的进展程度，利用BIM模型的三维可视化及4D模拟功能，将重点工程施工阶段清晰表现出来，用一系列的三维形象示意图展示各阶段工程形象进度。

(4)材料加工周期长，运输风险大

由于设计造型复杂，材料品种繁多，加上本项目又是在海外，而很多幕墙构件的加工生产都需要在国内完成，导致采购时间紧，加工运输周期长。在材料运输方面需从国内厂家先运送至上海洋山港，然后途径台湾海峡到南海领域，穿越马六甲海峡，横渡印度洋，进入红海抵达苏哈纳港到达埃及，再通过陆运送至项目现场，运送环节较多，存在诸多不确定因素，给项目带来许多不可预测的风险。

3 组织与应用环境

3.1 应用目标

传统的二维图纸无法清晰准确地展示双曲面异形幕墙的各种构件和外观效果，我们通过运用专业BIM软件发挥其“所见即所得”的优点，使得设计师的设计视觉效果更易于表达，便于深化设计工作的开展，能更高效地指导现场施工。并与传统幕墙出图下料方法流程进行对比，体现BIM融合工业数字化的创新技术在单元幕墙出图下料中的强大优势[3]。

在传统幕墙工作中，我们经常会碰到分格非标，深化验证低效，加工图纸多，数据提取困难等问题，通过BIM技术的引入我们可以实现优化设计，减少错漏碰缺，从而保证加工精度。

3.2 团队构成

项目BIM应用组织体系，分为BIM项目管理层、BIM实施层和BIM应用层三个体系。

根据本工程特点，组建BIM专业实施团队。设有BIM项目经理、BIM工程师、BIM驻场工程师，为项目BIM技术的研究提供充分的保障。

BIM项目经理为项目BIM总负责人，负责执行、指导、协调BIM相关工作。具体工作有任务分配、资源协调、进度及质量控制，参加重要的项目协调会等来保证模型正确反映设计、施工信息。BIM工程师负责进行专业BIM模型搭建，BIM模型日常管理，配合专项设计优化与施工管理，及时将更新的设计信息、讨论意见、现场变更等反映到BIM模型中，确保设计与施工的可行性及精确性。BIM驻场工程师负责进驻项目现场办公，收集施工现场信息，辅助业主、设计院、BIM顾问等单位的模型浏览与问题查看，配合发包人各部门与现场设计单位解决各类设计深化、施工现场应用、模型移交及使用过程中出现的问题，并参加专项项目协调会。

3.3 软硬件环境

硬件选择主要根据不同人员的工作职责对电脑需求的不同进行配备。对于需要对大部分的BIM数据进行应用操作的人员，配备配置较高的工作站，其他人员根据工作的需求和BIM建模的复杂程度配置相应的台式电脑，笔记本电脑及其他BIM延伸应用设备。

目前常用几何造型软件有Revit 2019、Sketchup 2019、Rhino 6.0和FormZ等[4]。本工程的软件以从设计到施工阶段应用优势较为突出的Revit 2019为主，对于异形双曲面幕墙则用Rhino 6.0来完成曲面造型分析，然后再采用IFC格式进行信息模型传递。项目协同工作选用中建八局自主研发的C8BIM工作平台进行后续生产进度、质量安全、物料跟踪和项目资料的全过程管理。

4 BIM应用

4.1 BIM建模

塔楼幕墙造型设计为双曲面异形，根据自由曲线的建模特点，本工程使用Rhino 6.0软件进行幕墙全系统参数化建模，模型精度可达到0.001mm。在模型基础上进行深化设计。使用Rhino 6.0软件快速生成二次钢结构、檩条等构件，经碰撞检测无误后，从施工模型中直接导出CAD2019文件，完成施工图的导出。BIM导出施工图如图2所示。

图2 导出施工图纸

4.2 BIM应用情况

(1)BIM+VR创新应用

利用VR技术，对视觉效果进行展示，沉浸式体验工程完工后的观感效果，互动体验各功能[5]，深化设计师对照虚拟现实文件查看装饰完成后的真实效果，针对不符合设计意图或效果欠佳的部位，进行记录调整。做到在施工前就对项目完成后的效果有所管控，提前规避设计缺陷，最大程度地还原设计理念。

(2)幕墙方案设计—曲面优化

通过Rhino 6.0的可视化编程插件Grasshopper 1.0对幕墙面板的曲率进行分析，进行面板优化。将部分双曲面幕墙面板优化为平板单元幕墙，为施工创造便利条件。将所有典型的节点大样，通过搭建BIM模型来实现可视化操作，并用颜色区分不同的构件节点，使系统构件更加直观形象。曲面优化如图3、图4所示，节点详图如图5、图6所示。

图3 曲面优化图

图4 曲面优化GH参数化逻辑图

图6 节点详图

(3)工厂加工阶段

加工阶段幕墙BIM应用主要为幕墙参数化设计、加工图制作、模型数据转化、数字化加工、GRC幕墙预制加工。加工图纸设计过程中，以深化设计BIM模型为基础，在BIM模型中导出构件，面板相关编号图、加工图、加工明细清单。通过构件级的BIM模型可以精确地导出幕墙系统的面板等相关的加工、定位数据。运用BIM软件对幕墙标准板块进行模拟组装，通过模拟演示为工厂预制化加工生产提供高效的技术支持。通过BIM参数化设计辅助实现构件批量材料下单与指导不规则放置的材料空间定位[6]。导出加工图如图7，幕墙定位数据如图8所示，幕墙预拼装如图9所示。

图7 导出加工图

图8 幕墙数据定位图

图9 幕墙预拼装图

(4)施工阶段

图10 幕墙预拼装图

施工阶段幕墙BIM应用，通过构件级的BIM模型可以精确地统计幕墙系统的面板、型材、预埋件等的工程量。对于幕墙埋件的板块位置，使用参数化软件自动生成板块安装定位点，指导现场形状复杂的板块固定码件的定位安装。幕墙单元板块位置是由固定码件位置决定的，本项目上下层固定码水平坐标是不一致的，通过提取BIM模型中固定码的位置，使用参数化软件自动生成码件安装定位点，指导现场复杂的固定码定位安装。

(5)施工方案模拟动画

超高层项目，垂直运输是进度控制的关键。通过BIM模拟和合理安排，能够强化垂直运输功能，提高垂直运输效率。本项目利用BIM技术分别对塔楼低区高区的幕墙运输安装，塔冠装饰造型的安装以及整个项目施工进度都进行了动画模拟。垂直运输模拟动画如图10所示。

4 应用效果

通过幕墙BIM技术应用，实现了设计阶段参数化、加工阶段数字化、施工阶段信息化，加快了进度，节约了大量物料和人工费。例如，在幕墙方案设计上，原设计采用的是1.2m悬挑，根据BIM模拟，我们说服建筑师将装饰条缩小到了750mm，不仅大幅降低了直接成本(约600万元)，还便于运输和安装，也降低了间接成本100万元。

5 总结

本工程就实现建筑工程上下游对接和项目施工全过程精益化管理的BIM应用目标，确定在施工中主要应用的BIM模型细度需达到LOD350的标准[7]。创新使用Revit 2019、Rhino 6.0两大平台联动工作，利用BIM技术细分各类幕墙系统，出具节点大样模型并形成族库，便于我司今后在类似工程的使用。在项目施工前期进行曲率分析，优化幕墙板块，并最终指导加工，提前发现各专业间的碰撞问题，以便我司项目部与总包单位及各分包单位协调。在项目管理上利用BIM移动终端及云平台，在保证工期的前提下，对质量、安全、强力监管，实现智慧工地的现代化管理。我司未来基于BIM技术近一步研究和实现的目标包括：施工现场信息管理、RFID技术结合、施工图文件管理、可视化施工质量监控等[8-10]。