基于BIM 技术的曲面幕墙施工研究

王春晖 张海轩 王有为

中国建筑第七工程局有限公司（450000）

现阶段国内的幕墙设计以AutoCAD 二维平面设计方法为主， 面对建筑艺术性要求的不断提高，二维平面设计面临效率低下、质量不达标、工期不满足等多重困难。 很多项目的设计构思也较为奇特，展现了百花齐放的建筑造型，这种项目的设计造型复杂多变、设计难度大，对施工质量的要求更加严格，传统的二维平面设计方法已不能满足此类项目的设计及施工要求。 通过分析研究，利用三维扫描技术复核现场，采用BIM 技术建模、模拟和实现材料快速下单、批量生成施工图纸，利用全站仪定位、安装幕墙基层龙骨及面板，既满足了设计复杂造型的要求，又可缩短工期，提高工效，提高企业在异形幕墙项目建设中的影响力。

1 曲面幕墙的现场复核

幕墙是一种依附于主体结构上的围护结构，曲面艺术的表达对施工精度要求较高，这就需要幕墙专业对建筑结构主体进行现场复核。传统的测量工艺很难实现这一需求，而BIM 技术可通过三维扫描建筑主体获得工程信息。

三维激光扫描仪是光、电结合的快速测量仪器。仪器通过发射激光和接收反射回来的激光，形成点云文件，通过BIM 技术的处理，可以迅速地形成模型。三维激光扫描仪还能快速测量现场结构施工尺寸， 在Rhino 等BIM 软件中剖切点云及逆向生成几何图形，快速复核现场施工偏差，形成相应的校核报告，准确地还原现场实际尺寸，更好地指导现场施工，有效地缩短了复核现场的时间，极大地提高了复核的准确性。

曲面幕墙工程在深化设计前需开展三维激光扫描工作，以快速地获取现场结构施工尺寸，对比理论模型，校核前期施工误差，为深化设计提供基准。 在项目施工过程中，对重要幕墙构件（龙骨、面板）进行三维扫描，快速校核施工偏差，对不满足施工偏差的部分进行反馈并及时整改， 从而保证整个项目的施工质量[1]。

2 曲面幕墙的生产加工

曲面幕墙的面板均依赖于工厂化生产， 板块的分割、加工都需要实现可视化，更要实现成果的共享，以使设计方、业主方及生产厂商都能够很好地理解和沟通。 通过BIM 模型的深化可以实现立体图的展现，便于各方的讨论和决策。 施工单位也可通过BIM 模型实现材料快速下单、批量导出施工图纸，相对于传统方式，缩短了下单周期，提高了下单的准确性，实现了BIM 的价值最大化。

Rhino 是一款超强的多维BIM 建模软件，更是一款高精度、 高效率的信息处理软件。 Grasshopper是基于Rhino 软件平台开发的参数化建模软件，具有模块化编程、参数化、超强数据处理能力的特点。曲面幕墙的BIM 建模可基于这两款软件进行参数快速搭建，包括龙骨、主要连接构件、面板等，精细的幕墙模型可以作为后期下单和出图的依据。

在设计和深化阶段， 主要使用 Rhino 及Grasshopper 快速搭建幕墙精细化模型，包括基层龙骨、转接结构、主要连接构件以及面板，必要时对曲面进行优化， 以节省幕墙面板的加工费用。 基于Rhino 及Grasshopper 搭建的精细化模型，是幕墙构件1∶1 的数字化建造， 且通过三维扫描与现场结构相匹配， 故具有直接可施工的特性。 使用Grasshopper 模块化编程，快速导出面板、龙骨的加工数据及下单图纸、构件安装定位图纸，指导工厂生产及现场施工。

3 曲面幕墙的排版编码

要确保曲面幕墙实现预期的效果，就要对每一个板块进行定尺、定形加工，并科学地进行编码，合理地安排加工批次，以满足现场施工进度要求。 使用EBIM 平台进行模型下单， 可实现二维码物料跟踪、现场问题实时反馈，极大提高了现场问题处理效率。 EBIM 是一个BIM 平台，可以将各专业的模型整合到平台中，实现模型轻量化、多平台查看模型、全员使用BIM 模型、二维码物料追踪、现场施工问题及时反馈和跟踪等功能。

基于全员全过程运用BIM 的理念，将幕墙模型导入EBIM 平台中，将模型轻量化的同时保留了幕墙构件的几何与非几何信息（尺寸定位、配置等）。施工项目团队使用低配置电脑、手机App 便可以查看模型，同时，基于二维码技术的物料跟踪可以快速反映材料的下单、加工、到场、安装及验收状态，施工管理人员可更好地对现场材料进行部署。

4 曲面幕墙的施工定位

现场施工中，很容易出现各专业“不兼容”的现象，如幕墙预埋件与结构冲突、机电通风口的位置与幕墙百叶的定位不一致，这些都需要各专业采用共同的一个标准，确保各自的施工测量精度。 一个工程一个BIM 模型，设计过程中就可模拟碰撞。 施工中通过共同的模型导出准确的施工定位坐标，使用全站仪精准定位，可确保幕墙面板的安装位置准确、造型流畅。

基于精细化的BIM 模型，通过Grasshopper 编程的手段， 从模型导出数据表格及生成图纸与标注，按照下单规范对数据和图纸进行简单整理后即可实现快速下单及交付现场施工。

幕墙的造型复杂，各专业、各系统间的交接及空间关系错综复杂，必然存在一定的错漏碰缺。 将幕墙模型与建筑、结构、机电等专业的模型整合到一起，使用Navisworks 快速检查碰撞问题并导出相应的图纸与报告，与相关单位共同协调处理，避免了大量的现场整改。

5 BIM 技术的应用效益

1）质量效益:基于BIM 精细化模型，幕墙构件的加工、安装定位数据精准，加工和安装都保持极高的精度，相比于传统的CAD 模式，施工精度与质量都得到极大的保证。

2）工期效益:BIM 技术具备高效性的优势，以最短的时间获取极高的效率，在快速下单、批量出图以及现场高效校核等技术的运用，缩短了复核现场、幕墙系统下单的时间，提高了曲面幕墙的加工与安装精度，减少了现场的变更。

3）环保效益:基于BIM 模型导出的幕墙构件具有准确性的特点，设计下单时对相应的材料进行策划和方案优化， 配以准确的加工数据进行加工；在施工安装中， 同样以准确的定位数据和图纸为参照，整个下单、加工、生产安装的流程中最大限度地避免了材料浪费。

4）社会效益:通过运用三维扫描、参数化下单及出图、二维码物料追踪、EBIM 平台现场智能化管理，可取得较大的经济效益，很好地完成复杂造型面板的设计及施工，获得建设单位的肯定，提高企业在异形幕墙项目建设中的竞争力，对类似项目具有借鉴作用。

5）经济效益:常规项目中，幕墙专业在材料下单、施工图深化阶段，若采用传统平面CAD 的设计办法，至少需要6 名幕墙设计人员才能满足施工要求，且并很难达到协同工作的状态；而采用BIM 设计方法，只需要1 名幕墙设计人员、1 名BIM 技术负责人和1 名BIM 工程师。 采用BIM 技术导出龙骨定位坐标图，优化了原有定位方案，在安装龙骨时每组人员可以减少2 个辅助定位工人。从BIM 模型中导出基层龙骨的详细尺寸， 优化材料长度规格，最大限度减少余料废料，至少节省2%龙骨提料。

6 BIM 技术在幕墙施工领域的发展趋势

信息技术的快速发展，使得BIM 技术给建筑业带来了新的革命， 未来将实现高水平的虚拟建造，以满足建筑全生命周期的维护管理。 幕墙作为建筑遮风挡雨的外衣，必然要给物业管理提供建筑物的综合情况，从而实现智慧化管理。

未来，基于云网络的无线传感技术将在幕墙上普及。 将监控、电子传感器等电子设备内置于幕墙上，对幕墙的热传递、使用寿命等情况进行监控，以便于工程师及时了解情况。 单元式幕墙将进一步得到完善，BIM 技术推动工厂化定制生产。

在建筑领域的几大专业中，幕墙的机械化程度将会更高，虚拟建造技术将会得到更好的应用。 未来的设计必然是三维的天下，BIM 技术也将会与时间等维度深入结合，在模拟建造、能耗分析等领域再做突破。 而曲面幕墙由于其本身的特点，需要在设计单位、建设单位、施工单位和生产加工商之间形成一种有效的展示交流平台，BIM 技术的应用也会成为一种必然。