复杂建筑幕墙BIM正向设计研究

程希奇 李 蓓 邱继衠 陈炳任

(中建深圳装饰有限公司，深圳 518035)

引言

自2003年BIM这一理念进入中国，BIM在我国建筑行业得到飞速发展，各项BIM标准相应出台[1]，各行业技术不断融合创新，BIM的先进性、多样性、融合性、发展性促使BIM已然具备第二个“互联网+”的雏形[2]，其最主要的信息化应用衍生出无数可能，建造由繁至简，推动建筑业向数字建造迈进[3]。

国内推行BIM已经十多年，BIM到底是理念、是软件、是参数化、还是模型？BIM是种解决问题的技术方法，是推动数字建造的手段[4]，是一套完整的全生命周期体系[5]。其精髓在于数据发挥作用的大小，BIM软件是其中的工具，参数化是其应用的一种方法，模型是信息传递的载体。

1 国内幕墙BIM正向设计现状

目前，很多项目BIM应用仍停留在表面，应用过程中忽略了BIM的核心——数据信息共享，给业主单位造成了BIM是翻模、是软件、是模型浏览平台的错觉，认为BIM没体现出实际的用处[6]。为什么工业化可以发展到4.0，就是因为打通了信息共享的数据链，我们要实现BIM最大价值，应该从项目源头开始，从规划设计阶段就接入BIM技术应用，打通数据链条，成体系应用才能获得最大的价值体现[7]。

当前国内有很多单位在做BIM正向设计的尝试，如港珠澳大桥、上海万达广场、深圳民生互联网大厦等，不断研究深挖BIM技术应用价值，但这些案例大部分是针对单一的土建、机电或结构专业总承包层面的，幕墙专业相对较为复杂，特别是异形曲面幕墙，实现起来更为困难。如何在幕墙中运用BIM正向设计技术，充分体现BIM技术应用的价值，是幕墙设计发展的重要突破点。

2 幕墙BIM正向设计解析

正向设计最早是出现在制造业中，由于我国制造业起步晚，以往都是反向设计、反向工程(逆向工程)、逆向设计等。在“十三五规划”更是明确了我国工业从研仿向自主创新转变，提出“中国制造2025”，正向设计随之而生。

简单来说，正向设计是从概念理论到实物，逆向设计是从实物逆推概念理论。在建筑行业中，从广义的角度来说，目前所有的设计基本上都属于正向设计，包括传统的二维设计、目前流行的BIM翻模等等，而BIM正向设计是目前与制造业中正向设计和“数字设计建造”的概念最为接近的。

BIM正向设计是以BIM信息为主导，贯穿建筑的全生命周期，以BIM的思维进行设计工作，所有信息通过BIM模型进行传递，实现设计方案推敲审核、投标应用、深化设计、出图下料以及施工指导、运维应用等等一系列的BIM应用[8-9]，是推动建筑数字化的力量之一，并且BIM是与工业制造连接的桥梁，建筑材料加工都属于工业制造领域，特别是当前提倡绿色建造、装配式建造的环境下，与传统的二维设计比较，BIM正向设计的效率、效益更高。

3 幕墙BIM正向设计实现的难点

我们也在一直探索和研究如何把BIM正向设计在幕墙项目中扎根发芽，推动传统幕墙向数字幕墙迈进，通过对众多幕墙项目BIM应用分析，实现的难点主要有以下几方面。

(1)效益方面。BIM因项目复杂性不同而费用不同，不能准确评估BIM技术能给项目带来多少效益，大多数企业没有从需求的层面去推动BIM发展，而是在尝试通过技术去驱动。加上BIM推广、软硬件购置、人才培训等增加了运营的成本，造成BIM技术应用一直处于投入大，产值小的状态，短期内难以看到实际的效益。

(2)平台与数据共享方面。市场上BIM专业平台虽多却不配套，数据共享连通成为最大的问题，而且幕墙项目比较复杂，需要多个平台相互配合。IFC[10]标准是国际通用的BIM数据交换和共享标准，但即使是用同样标准，在复杂的幕墙环境中，不同BIM平台存在信息交换后数据丢失现象，需要一个多方兼容的数据中心进行信息交换[11-12]。

(3)规范和标准方面。BIM主流平台和软件大部分是国外开发的[13]，国外的标准与国内标准相差较远，同时，设计交付的成果是符合国家规范与标准的“图纸”，而不是BIM模型，国家虽然已经出台相关的BIM应用标准[14-18]，但总的来说还不够齐全，企业在标准应用方面的研究力量不足，造成BIM设计成果的合法性与有效性无法验证[19]。

(4)人才储备方面。掌握BIM技术的设计与施工人员相对较少，大部分单位都是BIM、设计与施工两条线，BIM与设计、施工脱节的情况比较严重，缺少掌握BIM技术的设计和施工人员。

(5)管理方面。BIM是新兴的技术，在国家规范和标准未研究吃透之前，BIM在企业中的定位仍不确定； 幕墙工程是建筑的外观表现，除了需要建筑、结构专业协同，还需要生产加工单位的配合，加之设计周期等待的时间较长，往往出现等方案、赶工期的情况。

(6)设计变更方面。现行设计仍是以二维图纸为主，三维模型为辅，最终结果是需要二维图纸，设计越往后期，变更的成本就越高，在施工阶段需大量调整并进行深化设计工作时，大量的设计信息变更调整，设计变更造成的工作量成倍递增。

4 探索幕墙BIM正向设计的思路

在近两年，BIM正向设计也逐步被大家认同，积极开展BIM正向设计的研究工作，众多单位在实施过程中，遇到了很多难以解决的问题，只能在项目的某一阶段应用正向设计，全面使用BIM正向设计在企业中仍不现实。如何让BIM正向设计与传统设计相结合[20]，实现项目落地和降本增效，是我们重点要解决的问题。

(1)制订发展规划，加大对BIM技术的投入力度。BIM 技术是数字幕墙发展必备条件，需要把研究BIM技术放在重要的战略高度，根据企业自身情况，确定BIM技术研发目标，制订出中长期发展规划，包括组织架构、资金配备等，同时出台对各级管理者的考核机制以及职工所关心的职称、待遇、职业发展等方面的激励政策，激发各级管理者推动BIM技术的积极性和员工学习研究的热情。

(2)以实际出发，兼顾新老技术，研究具有企业特色的协作流程。一是BIM设计与传统设计相配合，以二维设计为主，三维设计为辅，设计时根据方案同步设计，让设计师在设计中接触和使用BIM，借助BIM技术解决设计存在的错漏，提高设计的质效。二是组建一支BIM设计师团队，先行试点，拥有专业的设计基本功和BIM技术，开发相应插件，使BIM出图、审图等符合国内的规范和标准，这以三维设计为主，二维设计为辅，前期投入成本较高，周期较长，高风险高投入，但成型后效率和收益也比较高。三是轮岗轮训，针对不懂BIM的设计师，轮岗到BIM团队进行培训； 相对没有设计基础的BIM设计师，则轮岗到设计团队进行基础培训，通过交叉培训，提高现有人员的BIM技术和设计能力水平。

(3)积极开展技术交流。可以采取走出去和请进来相结合的方式，经常邀请或参加行业内的BIM专家进行技术讲座与研讨，指引BIM研发方向，促进BIM技术发展。针对BIM项目，以解决实际问题和项目落地为导向，安排BIM技术人员到项目中去，与项目设计师、管理人员等定期组织技术交流集思广益，在应用过程中发现问题，解决问题，不断总结推广，逐步提升设计和施工企业的BIM技术应用水平。积极与行业内的企业进行技术交流，总结完善出一套适合当前企业生产力的BIM设计流程，重心转变到技术流程中来，改变以往着重平台使用的问题。

(4)统筹融合各平台，建立BIM数据管理中心。当前BIM设计平台众多，不同平台有不同的优缺点，构建大型BIM数据管理中心，统筹融合不同平台的BIM模型信息，具备项目管理、模型与图纸管理、文档管理、项目全生命周期管理、企业ERP等多方内容，整合互联网、物联网、云计算等新技术的企业级管理平台[21]，打通信息壁垒，实现企业、项目、工厂一体化建设。

5 幕墙BIM正向设计实践研究

设计院通过多个幕墙项目的应用研究，并在实际项目中进行应用，幕墙BIM正向设计研究已初见雏形，下面以中建深圳装饰有限公司苏州某大厦幕墙项目与大家一起探讨BIM正向设计在幕墙项目中的一些应用。

图2 苏州某大厦裙楼异形采光顶及内部效果图

5.1 项目概况

苏州某大厦项目位于苏州工业园区，地块长约90m，宽约107m。如图1所示，该项目以中国太平的企业形象“成长·安定”作为设计主题，不刻意追求特意的造型，以展现“庄重大方”、“节节高升”等特质为主，并且兼顾苏州的传统地方文化特色，反映在整体造型设计和景观设计上。

图1 苏州某大厦幕墙整体效果图

图2中塔楼外墙与裙楼的异形采光顶相连，呈现丝绸般柔软的连续曲线，为建筑外形带来整体感，体现了建筑的连续性和动态感，玻璃采光顶下的支撑柱以“树枝”为意向进行装饰，呼应了业主的企业形象。

5.2 项目重难点分析

(1)从图3可以看出，裙房异形采光顶空间造型在二维图纸上难以表达清晰，面板放置方向各异，深化设计、下料和施工实现难度大。

图3 曲面分格原始模型

(2)如图4所示，曲面铝装饰条从塔楼西立面扭转过渡到南立面，需要同时保证拼接外观效果与实际施工可行性。

图4 曲面铝装饰条扭转模型

(3)图5中，钢结构梁宽度仅为150mm，且法向方向各异，钢结构的水平施工误差导致面板支撑钢件的生根定位误差较大。

图5 曲面支撑的钢结构

5.3 设计阶段BIM正向设计研究

5.3.1 三维可视化设计

设计初期，依据建筑模型和图纸，通过BIM三维可视化技术，建立塔楼标准层系统节点模型(图6)、复杂系统节点模型(图7)，通过节点快速生成标准层幕墙系统(图8)，直观表现出塔楼幕墙系统设计的构造及功能，帮助设计师理解和展示设计意图，发现和解决设计中的问题，提高工作效率。

图6 塔楼标准层幕墙系统节点可视化设计

图7 塔楼标准层幕墙系统复杂节点可视化设计

图8 塔楼标准层幕墙系统可视化设计

在方案设计时，裙楼的设计表达是非常重要的，二维图纸难以把流畅的曲面造型表达出来。我们通过BIM三维可视化技术，与方案设计师配合，建立裙楼单元幕墙与采光顶BIM模型(图9、 10)把曲线特征通过BIM三维可视化技术完美展示在业主眼前，最终确定裙楼的设计方案。

图9 裙楼可视化设计

5.3.2 参数化设计

如图11所示，裙楼采光顶通过借助参数化技术建立BIM模型，定义项目的复杂几何关系，包括生成设计、算法几何、关联性模型等，以参数驱动模型产生设计，为后面延续的深化设计、出图下料和施工指导提供基础模型及数据。

图10 裙楼采光顶可视化设计

图11 裙楼采光顶参数化曲面

5.3.3 曲面分析

利用BIM分析技术，对曲面进行翘曲度分析(图12)，通过grasshopper程序编写算法(图13)，进行双曲拟合单曲，单曲拟合平面，选择最优的翘曲做法以及相应的深化方案(图14)。

图12 曲面翘曲度分析模型

图13 曲面翘曲分析程序

图14 优化后的曲面表皮模型

5.3.4 专业协调

利用BIM可协调性，把建立好的幕墙BIM模型与结构、土建专业进行综合分析(图15)，通过碰撞检查解决幕墙设计时的各专业碰撞问题，例如埋件与结构发生碰撞、幕墙与机电发生碰撞、幕墙与结构发生碰撞等问题(图16)。

图15 全专业协调应用

图16 幕墙与结构专业碰撞检查

5.3.5 三维出图

此次项目所有图纸基于BIM出图，通过从碰撞后的模型中提取BIM三维图纸(图17)，提交评审与施工深化。在方案或评审改动时，通过直接在模型上进行修改，图纸文档相应的自动修改，极大提高了工作效率。

图17 幕墙节点出图

5.4 深化设计阶段BIM正向设计研究

5.4.1 方案对比

在通过曲面翘曲分析后，通过BIM技术进行曲面玻璃幕墙冷弯做法与翘边两种方案比对(图18、 19)通过业主和日建设计对现场样板(图20)的查看，确定了翘边的应用方案。

图18 玻璃冷弯方案

图19 玻璃翘边方案

5.4.2 幕墙系统优化

通过BIM模型观察，玻璃幕墙系统中相邻玻璃板块型材具有共边的特点(图21)，玻璃和型材之间必然存在特殊角度，为使玻璃安装至正确位置，铝折板副框需呈无规则梯形(图22)。我们利用BIM技术，通过对系统进行优化，改为半单元式，取消共边型材，解决了设计下料与工厂加工的双重问题。

图20 两种方案的安装效果

图21 玻璃板块共边节点

图22 铝折板副框呈无规则梯形

5.4.3 铝装饰条设计优化

铝装饰条是业主和总包关注的重点，影响到整体的外观效果，我们通过BIM技术解决了铝装饰条外观效果存在的两个难题：

(1)剪刀现象(图23)。两个相邻长直物体，放置方向角成一定角度，并用公共平面斜切密拼的情况下，其相交截面会出现类似于剪刀的情况，剪刀的交叉点(即长直物体的放置基点)。

解决方法：如图24所示，通过BIM模型分析，装饰条的做法从270mm高改为150mm高，从玻璃分格缝定位优化为在装饰条顶部向下75mm处设中轴定位，拼接效果得到了明显改善(图25)。

图23 剪刀现象

图24 剪刀消除分析

图25 消除剪刀现象后的铝装饰条

(2)铝装饰条错台偏差(图26)。玻璃面板呈翘边状，铝装饰条与玻璃间隙存在着不均等错台。为使错台间隙趋于一致，设计方提出以翘曲点向上偏移一定距离，作为装饰条下口定位基线。而装饰条的效果存在着衔接渐变，所以偏移值在与塔楼衔接段和收尾段有所差异。

解决方法：我们利用BIM技术，前后进行了7次的推演，把每1段铝装饰条的端点连线，对应玻璃的法线方向按照编写的算法进行偏移计算，最终完成错台偏差的优化调整(图27)。

图26 铝装饰条错台偏差

图27 调整后的铝装饰条

5.5 下料阶段BIM正向设计研究

5.5.1 面材出图下料应用

(1)彩釉玻璃批量出图

彩釉玻璃由于彩釉点数量大，玻璃的位置任意性，如何在图纸上给玻璃板块上清晰的标明彩釉点位是一个难题。我们利用BIM参数化技术找到了规律，得以批量排布玻璃彩釉点，连同每块玻璃的加工尺寸一起表达为预加工图，完成普通设计师需要两个月才能完成的1 700块玻璃彩釉点的全部配置(图28)。

图28 彩釉玻璃批量配置出图

(2)铝板出图下料

对于四边形铝板，对接的铝板加工厂可以根据数据表格来加工，通过BIM技术将模型的板块数据进行提取，输出下料单和加工图(图29)。

图29 飘带铝板加工料单

(3)月牙铝包边板下单

包边铝板与装饰条相似，都存在剪刀误差，也存在三维拼切角，因此加工图的表达上需要有切割数据(图30)。

图30 月牙铝包边板加工图

5.5.2 线材下料应用

(1)铝装饰条下料应用

装饰条加工图的难点在于三维切角的表达，在屋盖首尾区域共9排的渐变区装饰条，还存在着侧面和底面各切一刀空间斜角的情况(图31)。我们利用BIM参数化技术，对装饰条进行分组，通过编写程序批量输出预加工图(图32)。

图31 渐变区装饰条

图32 批量输出的预加工图

(2)玻璃护边下料应用

玻璃护边与玻璃面板存在平面上的推导关系，但由于玻璃翘边阶差的存在，在护边的高度上有所差异，我们利用BIM技术，将模型中的玻璃翘值参数结构化的传递过来，通过编写程序实现批量出图下料(图33)。

图33 玻璃护边出图下料

5.5.3 钢件下料应用

我们通过利用BIM技术分析，对原始的钢件按照一定的阈值进行分类优化，主钢件优化为8种(图34)，次钢件优化为3种(图35)，极大减少了下料的成本。

图34 主钢件优化

图35 次钢件优化

5.6 施工阶段BIM正向设计研究

5.6.1 工艺工序及施工模拟

通过使用BIM技术，对项目施工过程实现模拟，降低施工风险。施工指导上，制作工艺工序的演示动画视频，一是作为技术交底的内容，二是指导项目施工，避免施工发生错误，造成返工(图36-37)。

图36 埋件安装工艺指导与现场效果

图37 工序模拟与技术交底

5.6.2 三维扫描技术应用

我们结合三维扫描技术生成的钢结构模型，与建立的BIM模型进行对比(图38)，在施工前发现了实际安装时出现的偏差情况(图39)，导致部分幕墙无法安装。通过数据分析，我们提出了两种调整方案(图40-43)供业主选择，最终选择了方案二，根据结构调整曲面，从结构中提取数据修改施工表皮，实现施工质量与效率。

图38 三维扫描模型与BIM模型对比

图39 钢梁误差分布模型

图40 调整方案一 图41 调整方案二

图42 方案一调整后模型 图43 方案二调整后模型

5.6.3 测量放线技术应用

由于屋盖的所有面材和线材都是定制化加工，所以，幕墙安装的定位点也必须精准，我们预先在程序中对模型进行空间定位编号(图44)，利用BIM技术结合全站仪对每个安装点位进行测量，通过编写程序算法(图45)，自动筛选处理安装定位点(图46)，工人按照给定的定位点进行施工，提高了施工进度(图47)。

图44 模型空间定位编号

图45 数据处理程序

图46 空间定位点

图47 实际安装效果

6 结语

BIM技术及其应用各方观点、态度不尽相同，但各单位都是非常重视信息化建设以及BIM技术的发展，从这些看出至少BIM是朝着设计顶层发展方向走的，相信广泛应用BIM正向设计已然不远。幕墙BIM正向设计目的是为使项目建设更高效优质，就当前而言，幕墙BIM正向技术研究的重点是如何推进BIM设计成为顶层设计，以解决实际问题、实现项目落地为导向，完善设计、施工和维护的全流程，融合“互联网+”、物联网和大数据、云计算等技术，研发实用的插件软件和平台，打通信息链路壁垒，提高幕墙项目效率和产能，实现幕墙BIM技术应用的最大价值。