BIM在超高层建筑幕墙中的应用初探

顾正浩 苏州苏明装饰股份有限公司

1 序言

随着科学技术的迅速发展，技术创新、科技进步已然成为当下企业可持续发展的主要部分。工业在信息化改革后生产效率得到很大提升，远远超越了建筑业，可见建筑业的低生产效率与它在信息技术应用方面的落后状况有着明显的关联。BIM技术是针对建筑工程项目信息的数字化表达，是数字化技术在建筑业中的直接应用，也是近来建筑幕墙行业重大共性技术的研究之一。本文将结合吴江农村商业银行综合营业大楼的幕墙工程项目，阐述BIM技术在超高层建筑幕墙中的探索应用。

2 项目概况

本工程地处江苏省吴江滨湖新城核心区，整体建筑主要由裙楼部位的构件式幕墙和塔楼部位的单元式幕墙构成，建筑总高度为168m，属于超高层建筑，建筑幕墙总面积约26000多平方米（图1）。该项目整体外观立面雄伟纤秀，是一幢国际化标准的商务办公楼，整体建筑风格体现着“以人为本，以环境为依托”的思想，注重建筑风格与周边环境的协调，建筑造型体现了现代、简约、独特、挺拔，与周边美丽的环境融为一体，交相辉映。项目建成后将成为当地颇具特色的标志建筑，是城市的一道亮丽风景线。

图1

3 软件环境

建筑信息模型BIM（Building Information Modeling）的核心是以三维数字模型技术为载体，集成建筑工程项目中各种相关信息的工程数据而建立的信息化模型，是对建筑工程项目信息的详细综合表述。建筑信息模型是数字化技术与信息化管理在建筑工程项目中的直接应用，以解决建筑工程项目在信息传递、提取过程中的问题，使设计人员和工程技术人员能够在协同设计的平台上及时准确地提取需要的信息，从而提高设计、施工的工作效率与质量。建筑信息模型同时又是一种贯穿于设计、建造、管理的数字化解决方案，这种方案通过将工程信息自动化、透明化来提高管理人员的管理能力。

但是我们在谈到BIM 时，很多时候大家想到的就只有Autodesk Revit 这一个软件的使用，这是对BIM 的一种误解。BIM绝对不是特指某一款软件，它是一系列BIM软件的在一个项目周期中进行的综合运用。Autodesk Revit作为BIM的核心建模软件和协同设计平台，可以实现主体结构和大部分幕墙的模型建模、明细表数据的生成、平立剖面等施工图出图等功能。Autodesk Inventor在幕墙标准节点建模，实现机械加工工艺图的设计上具备软件的优势。另外还有Navisworks、Ecotect、Enscape、Fuzor等软件帮助我们进行模型碰撞检测、绿色建筑分析（采光分析、阴影分析、风环境分析等）、动态漫游、施工进度4D模拟等。我们将结合本幕墙工程BIM技术的探索应用进行相关软件的具体使用介绍。

4 项目实施重点

BIM技术之所以引起如此强烈的关注，源自于其对专业与信息的整合，利用数字建模软件，提高了项目设计、建造和运营管理的效率，进而成为使企业更具竞争性的利器。下面围绕吴江农村商业银行综合营业大楼幕墙工程在设计、生产和施工管理等项目的实施过程中，重点从以下五个方面介绍BIM技术在本项目中的实际应用情况。

4.1 项目整体建模

顾名思义我们需要以整个幕墙工程项目为对象创建三维参数化信息模型。本工程中我们利用Autodesk Revit 软件，创建了工程项目的整体结构框架模型及大楼幕墙模型（图2）。结构框架模型主要包括了柱、梁、墙及楼板等结构构件的详细尺寸、位置等数据信息，一般以结构施工图为BIM 的建模依据。我们同时以幕墙施工图为依据进一步创建外立面的幕墙整体模型，能够直观体现建筑的整体效果。通常二维平面CAD 图纸信息表达的不够完整和准确，特别是各种收边收口的交接部位，这阶段幕墙三维信息模型在结构框架模型的基础上，我们通过采用Navisworks 的碰撞分析，一方面已经能够粗略反应建筑幕墙构造与建筑结构间存在的碰撞干涉情况，可以提前发现幕墙系统因与主体结构干涉而无法施工的部位；另外一方面可能会存在实际施工尺寸偏差甚至局部缺少图纸信息表达而无法建模的情况，这些都将是幕墙项目深化设计施工时我们需要重点关注的问题，并需要在进场施工前得到有效的解决。当然项目整体BIM信息模型的创建是项目BIM应用的前提和基础，能为我们项目后续的细部构造优化调整和利用BIM 信息模型组织施工模拟等各类分析提供数据支撑。

图2

4.2 幕墙系统深化

深化设计是整个幕墙项目能够顺利实施的前提，是把握项目的设计理念、满足使用功能要求的关键。我们对本工程的幕墙系统构造进行BIM 建模，通过建筑幕墙构造的细部可视化三维深化设计，能够清晰表达幕墙各构件间的空间关联关系，这也是传统CAD 二维平面所欠缺的。同时作为BIM 参数化模型是有别于一般的效果图，需要能够反应建筑幕墙各构件的参数化信息，主要包括如型材名称、型材编号、牌号状态、线密度、表面处理及长度等，以便能进一步能够实现幕墙生产施工相关数据的提取，因此BIM 建模工作是幕墙设计中耗时耗力最大的环节。

为保证相同幕墙构件在不同幕墙系统构造中进行BIM建模时能够被重复调用，在保证构件参数信息准确的同时有效提高建模效率，我们需要在幕墙系统构造BIM 建模前优先在Autodesk Revit 软件环境中建立幕墙标准型材族库（图3），将项目中需要用到的每一个构件进行参数化信息预置。标准型材族库的建立不仅仅为本项目的BIM 幕墙系统建模提供便利，而且作为标准化的参数构件，若在其他工程项目中涉及相同参数构件时同样可以重复有效利用。本幕墙工程中我们主要针对横明竖隐构件式幕墙、竖明横隐构件式幕墙、横明竖隐单元式幕墙、竖明横隐单元式幕墙四种幕墙构造系统，完成了BIM参数化信息模型的系统深化（图4）。

图3

图4

另外在本工程幕墙系统构造的深化阶段我们运用了3D打印技术，通过采用Rhino软件建模导出后将幕墙型材各构件等打印成1:1的实体模型，型材截面和幕墙系统节点设计构造进行模拟比对后，能够进行设计方案的优化调整（图5），最终我们通过三维实体小样确认幕墙型材的实际开模尺寸和要求，从而有效节省了幕墙系统型材因试模而报废的昂贵开模成本。

图5

4.3 板块下料

单元式幕墙是将幕墙的铝合金龙骨、面板材料、五金配件、保温防水材料及其他相关材料等构件事先在工厂组合成单元组件，单元组件（板块）直接固定在主体结构上，不再是先安装一根根幕墙元件组成框架，再安装面板的施工过程。因为每一单元式幕墙板块是构成整个幕墙工程的最小基础单位，也是相对独立的组件，与BIM 的模块化建模匹配性较高。因此我们利用BIM技术重点对本工程塔楼部位采用的单元式幕墙进行单元板块的自动摘料尝试应用。

想要获取单元板块的准确摘料数据参数，前提是必须确保我们的建筑幕墙BIM三维参数模型的准确性。我们在整体幕墙模型中首先对单元幕墙板块按不同类型、不同尺寸等进行分类编号，对具备相同类型、尺寸但位于不同部位的单元板块采用相同编号的原则。通过利用Autodesk Revit 软件的系统自动编号，所有单元幕墙板块根据不同的分类编号及在BIM模型中所处的相对位置信息，构成了本项目中每一单元幕墙板块属性数据的唯一性。我们利用Autodesk Revit 软件的嵌板族库为本项目的每一种不同幕墙类型创建了幕墙嵌板族（图6），板块尺寸不同但构造形式相同的作为一种幕墙类型。然后对整个幕墙工程模型中的单元幕墙板块进行对应的幕墙嵌板族参数调用嵌套设置。将所有的幕墙板块参数调整设置完毕后，我们的整个BIM 模型幕墙系统已经成为具备了本项目专属属性数据的三维信息参数化模型。

图6

我们可以通过选择本项目所有幕墙板块或按楼层选择幕墙板块等多种任意方式组合选取后，利用软件系统自动导出幕墙板块统计表，包括板块的类型、编号、宽高尺寸、面积、标高及所处位置等信息；进一步可以自动生成铝材明细表、面板明细表等详细参数数据，帮助我们进行下料数据的统计。所有的数据来源均通过幕墙参数模型自动给出，数据不仅可以随取随用、快速便捷，而且准确性高，避免了人为统计的误操作偏差；并且幕墙板块设计如果发生变更，仅需调整相应的族参数等数据参数信息，所有幕墙下料数据即可瞬间自动计算更新，大大节省了因幕墙变更所带来的重复画图、计算、统计等大量重复工作的时间。

为了能将BIM信息参数模型与幕墙摘料更好的有机结合起来，同时提高幕墙板块下料的数据处理效率，上述软件系统自身的数据处理方式与我们日常工作习惯匹配度不高，数据表单界面不够直观清晰，无法直接满足我们的实际需要。我们针对公司幕墙单元板块的实际下料流程，并基于Autodesk Revit 软件平台进行了幕墙下料软件的二次插件开发，能够实现将BIM信息参数模型中的幕墙嵌板各分类明细表数据进行整合，同时快速生成符合公司日常使用标准的幕墙板块下料单，进一步提高了工作效率和BIM数据的可用性。

4.4 加工出图

幕墙加工图是用于幕墙构件加工的重要文件，其尺寸的准确和精度的高低会直接影响幕墙的加工质量。通常幕墙的加工图纸需要按机械制图的标准来设计。我们在上述BIM的相关应用中主要是采用Autodesk Revit 软件来实现，但其最大的不足是软件的最小精度为毫米级，导致幕墙铝合金型材的细部如边部小圆角等无法准确表达。当然我们可以采用Autodesk Revit 和AutoCAD 相结合的处理方案，因涉及部分传统技术方案的处理方式，本文在这里不再详述。

本工程幕墙中我们是通过Autodesk Inventor 软件来实现幕墙生产加工图的BIM 参数化设计。创建的幕墙板块三维BIM参数化模型（图7），不仅能够直观的呈现幕墙板块系统的详细结构，而且可以直接导出幕墙每一根构件的二维平面加工图纸及幕墙板块的装配图，同时通过Autodesk Inventor信息模型可以自动导出生成构件的加工尺寸清单一览表（图8）用于幕墙车间的生产制作。导出的加工图、装配图、数据单等与传统方式无异，车间工人不需要额外进行培训识别三维模型空间图的技术能力，也不需要改变以往的常规工作模式就能顺利完成幕墙产品的加工任务。

图7

图8

然而目前版本的Autodesk Inventor 软件与Autodesk Revit软件间的自定义参数族库数据无法实现数据平台的互通共用，BIM 模型数据文件也无法直接相互引用，因此造成了我们在软件应用上的局限性，需要在不同软件下有多次建模的情形，但笔者相信通过软件版本的升级换代就会有很好的解决方案。

另外我们利用已创建的BIM 三维模型，借助Autodesk Inventor 完善的模型装配和丰富的资源中心，可以轻松制作幕墙板块的装配动画模拟（图9），它作为对车间工人的可视化加工交底，比传统的交底方式更加的形象生动。

图9

4.5 施工管理

单元式幕墙都是在工厂加工组装制作成单元组件，一个单元板块即为一个受力单元，现场只需要进行吊装。在工厂制作好的单元板块运至施工现场，与建筑主体结构预先设置的连接件支座精确连接，完成大楼整幅幕墙的施工安装。本工程塔楼单元式幕墙的最大单元板块尺寸为1500mm×4200mm，最大施工高度为168m。根据本项目的现场实际情况，本工程施工时计划采用单导轨轨道吊装，分别在塔楼的16层、32 层及顶层设置滑轨。我们依据该项目的幕墙施工组织设计方案，在项目正式施工前利用BIM 技术进行了幕墙板块吊装方案的施工模拟（图10），以便更直观地展现该项目施工过程及施工管理中的重难点，能够及时调整相应的施工方案。同时我们制作了单元幕墙板块的现场安装动画模拟（图11），通过直观的动画演示给施工班组进行施工交底，加强了安装工人对板块施工工艺的深刻了解和掌握，进一步提高了本项目幕墙板块的安装质量。

图10

图11

建筑幕墙的高效施工组织管理是项目施工管理中的主要要素之一，能够保证整体项目的顺利实施。通常幕墙板块的运输成本相对较高，板块容易破损，破碎后不易立刻更换等。我们如何能够做到项目的精准下料、精准加工、精准运输及精准挂装，从而保证项目的整体进度？BIM技术在本工程项目的施工中起到了重要作用。我们利用BIM技术进行项目施工进度的整体动画模拟，通过关键时间节点，控制项目的施工进度要求。另外根据不同区域幕墙板块的施工进度情况，在BIM三维参数模型中采用颜色分区及板块属性参数管理（图12），清晰地反应出幕墙板块已安装和未安装的区域，并与现场实际情况数据同步，及时直观地反映项目的施工进度情况，更好地进行项目管控。

图12

5 结语

通过对本项目幕墙工程中的BIM 技术的探索应用，我们更加发现BIM技术在幕墙项目中特别是超高层建筑幕墙实施中的巨大潜力优势。它不仅能让项目的设计过程更流畅、更精准、更高效，而且还能让项目的施工过程更合理、施工管理更高效，实现项目的经济效益。同时BIM 技术在本项目的实施应用中也遇到了很多问题，不仅有技术上的，也有管理上的，但我们有理由相信BIM 的信息化参数设计是以往传统工具所无法替代的，代表了信息技术在我国建筑业中的应用趋势，未来必然将展现很高的建筑信息化应用价值。