BIM在雄安商服中心幕墙工程中的设计与施工应用

邱继衠 杨 英

(中建深圳装饰有限公司，深圳 518035)

引言

住建部等九部门日前联合发布《关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》(以下简称《意见》)，提出以新型建筑工业化带动建筑业全面转型升级。其中，装配式建筑被频繁提及[1]。

装配式建筑是我国建筑业推进建筑工业化进程的一个很明确的方向，它的特点是建筑材料更多地采用工厂加工拼装成型的建筑单元模块，在施工中以建筑单元的形式进行规模化的安装，省却了繁杂的现场工序开展环节，对施工工作面的需求也较常规方式更低，是一种行之有效的提升施工效率的手段。

1 BIM技术与装配式技术在幕墙工程领域的发展现状

在装配式建筑的施工阶段应用BIM技术能够很好地将施工全过程模拟出来，逐一演示施工中可能出现的各类问题，提前制定好解决这些问题的有效对策，及时地改进并完善现有的施工方案，最大限度地降低施工中出现事故的概率，同时也很好地控制了资源的消耗情况[2]。

对于幕墙工程而言，其装配式施工的实施往往采用幕墙面板和幕墙龙骨提前组装的形式形成单元板块。目前单元式玻璃幕墙的应用技术已经非常成熟，多见于各大超高层玻璃幕墙写字楼的工程。随着工程技术的不断发展和工程经验的反复积累，目前的装配式技术已经能在更广泛的场景下发挥作用。

在当前的幕墙工程领域中，BIM应用有两个主流平台——Revit和Rhino。二者各有特色，Revit的特点在于全专业的管理和整合，Rhino的特点在于分析、表现、参数化能力强大，自由度高。

目前国内的异形幕墙工程对Rhino的使用日益广泛，其强大的功能适合于幕墙的精准建模，用以为建筑的加工和施工环节提供充分可靠的数据参数，经过大量工程实践，这种BIM应用已经非常成熟。

对于本项目雄安商服中心项目会展楼幕墙工程，幕墙施工的重难点是檐口双曲面格栅造型铝板的装配式施工实现，在此过程中BIM技术发挥了重要的作用，为设计和施工的推进起到了关键的助力作用。

相比一些发达国家，例如法国、德国、日本等，我国在研究装配式方面还处于起步阶段，技术体系有待完善并且应用范围也不够广泛[3]。 国内对于双曲面檐口的设计施工较多采用框架式做法，采取装配式施工的工程实践在近几年中逐渐增多，对于装配式施工在实际工程中的占比也有提高的趋势。笔者曾服务的襄阳东站项目，檐口东西面采用框架式施工，南北面采用装配式施工。而本文的雄安商务服务中心项目则采用全檐口的装配式设计与施工。

武汉东西湖体育中心项目中对檐口也有单元式施工的实践，其实施思路为：为保证工期节点，将三维建模应用至地面单元体拼装，先在檐口模型中将檐口每榀龙骨的进出尺寸、相对标高高差及轴线点位尺寸放出，然后根据数据在地面进行组装，最后以单元式龙骨整体吊装的施工工艺进行施工，保证地面焊接龙骨与钢结构完美对接，且地面焊接、整体吊装的方式安全可靠，同时费用降低、雨季适用，节省了大量工期[4]。

2 雄安商服中心的项目概况

雄安商务服务中心项目(会展中心楼)位于河北省保定市容城县。该工程建筑基底面积8 962.43m2，总建筑面积89 842.69m2。建筑层数(地下/地上)：2/3层(局部有夹层)。幕墙形式包括：铝型材框架系统、单元幕墙系统、主入口大雨棚系统、铝板造型系统、屋顶采光顶、屋顶格栅、屋顶陶瓦、防火幕墙、石材幕墙、观光电梯等。整体效果如图1所示。

图1 雄安商务服务中心项目整体效果图

3 装配式施工的应用背景

本项目是雄安新区成立以来建立的第一个会展项目，工期要求紧，工程量大，檐口设计难度高。管理团队与设计团队进行了周密的考虑，最终决定采用对整个檐口进行装配式吊装的方式来施工，来保证国家新区建筑新成员尽早亮相。相比于传统建筑方式，装配式建筑在建设前期所需成本相对较高，建设相关工作量较大[5]。

作者在BIM服务于大型场站项目的檐口设计已有经验，曾在襄阳东站幕墙工程中进行过工程实践，技术储备已经充足，完成此BIM应用的关键就是对檐口区域的整体设计下单任务提供效率和精确性的支撑。

檐口整体造型效果如图2，檐口采用铝版折弯成格栅造型的方式，檐口板跨越三个大折面，三个折面在走势上均为双曲面。在北凹槽区位与立面存在大量异形收口。出于工期和设计难度方面的双重考虑，本项目檐口部分宜采用BIM建模+参数化下单的方式完成。

图2 檐口造型效果

4 BIM结合装配式的具体应用

由于檐口全区均采用装配式施工做法，不留收边收口，施工过程需要一次成活。这使得在实际施工之前，就应对整个檐口范围进行考虑，解决转角部位的装配实现问题，标准设计分格模数应用于各区域后是否能够良好衔接，转角与标准单元、标准与凹槽单元、凹槽单元内部等各个装配之间实现严丝合缝、互不干涉的准确邻接关系，格栅造型的流畅性等问题均需要在BIM运用的过程中发现问题并解决问题。

4.1 全区域装配式单元的BIM实施

经过BIM放样，最终施工的单元装配分区如图3，实现了檐口全部板块均采用装配式整体吊装的形式施工，一次成活。

图3 檐口装配式单元分布

优先考虑转角装配单元的实现，之后以标准装配的方式沿着转角单元向中部进行排布，在南北面因为凹槽造型的存在，依据实际设计规格增减单元的模数，并尽量避免异形单元，同时尽量避免出现过大的单元，对于非标准规格的单元向设计方进行二次提资，经反馈后采用定制化的结构布置方式。

4.2 各装配的单元化

标准化装配式单元，在檐口的转角、凹槽之外的大面区域采用，这也是BIM设计的重点。如图4所示，一个含百叶的铝板装配单元及其龙骨布置方式。

图4 标准装配单元的构成

这里利用了点集流的方式，点集工作流的方式不需要改变模型再重新拆模、排序、下料，采用点集的路径筛选，直接改变受影响的下料板块。由于拓扑关系得以保持，下料模型、图纸、数据实现了按修改同步更新，极大提升了下料效率[6]。

将40个点视为一个标准装配单元的约束点集，如图5。

图5 40个点构成的装配单元

图6 含百叶装配单元的设计范围

设计算法可以求解出面板的边线位置进而生成面板模型，以及内部的幕墙龙骨。这个算法同时运用于42个标准装配单元，只需生成42×40个点集即可。

这样做的最大优点是将幕墙位置数据和幕墙组装逻辑分开存储，将二者连结为一个可以实时变化的生成系统，便于过程版的调试和最终版的快速生成、也便于后期加工信息输出。

算法逻辑的逆推理的过程如下：

1)求出百叶的四个约束顶点，如图7；

图7 百叶生成的约束顶点

2)实现从四点生成百叶模型的单元算法，如图8；

图8 四点百叶单元算法

3)以立面图中的控制位置、四点成矩形关系，铝板宽度模数，百叶高度约束等信息，编制程序求解精确的四个控制点，如图9。

图9 求解四点的约束关系

转角单元的设计更为复杂，图10-11分别为其外侧和内侧的构造设计情况。

图10 外完成面铝板设计

图11 内部构造设计

对于此类特殊区域建模，以边发现问题边解决问题的方式完成正向设计。

需要考虑的重难点如下：

1)以结构计算通过的龙骨理论布置方法，套用于此部位，迭代至可行；

2)竖向龙骨在大曲率位置的定位，如何满足施工便利性；

3)两个立面龙骨与斜向格栅龙骨的连接方式；

4)铝板在靠近斜向格栅端部的避缝问题。

凹槽区域的单元设计范围，如图12所示位于南北两侧，凹槽单元的拼接关系如图12色块显示。

图12 凹槽区域的分布位置

衔接关系是此类多收口区域装配式做法的关键，确保相邻单元的收边龙骨互不干涉，又充分满足后续收边板的安装需求，是此过程的重点，最终的布置如图13，此种单元分区方式充分利用了标准单元的9分格做法，在特殊转角处特殊处理，最大限度地利用了标准装配方案。

图13 北凹槽局部装配关系

4.3 数字化铝板下单

檐口铝板中，采用装配式吊装的铝板有4 326块，与顶部屋面收口的2 924块，与三层立面幕墙收口的593块，共计7 043块，所有铝板均为带有多个折面的异形板，涉及加工的边长、角度参数非常多，大量涉及加工的数据量，使得下料难度高。以如图14所示的典型铝板为例，单块铝板的造型折面有8个，同时拥有大量特殊角度，最终实际铝板的加工参数有23个边长和12个角度之多。

图14 典型铝板的造型示意

解决办法是定制一张具有编号、加工图号、35个加工参数的加工信息表，如图15所示，边长控制板块大小，二面角控制格栅朝向，平面角控制各面衔接妥当，充足的参数保证了板块尺寸的精准定制。

图15 典型铝板的加工信息表

4.4 可视化校核铝板尺寸、查找物料

为了便于设计对加工参数正确性的检验，在三维模型上使用空间标注的形式对数据和编号的对应关系进行可视化显示，可以让检查校核工作也更加直观，如图16所示，边长、二面角、平面角的参数编号与数值均直观展示在三维模型上，设计校对只需将Exel数据表对应板块信息在模型对应位置查看即可，无需二次手动量取数据，尤其是二面角的数据不易量取，此种方法节省了很多校对时间。

图16 尺寸参数的编号和数值直接展示的可视化分析

铝板下单的重点是加工图号对应了不同的角码布置方式，铝板编号对应了装配式定位的组装依据。同样使用Rhino的dottext对象来进行可视化的编排，用于指导设计检查工作和项目组装装配单元时的重要依据，如图17所示每个板块所用的加工图类型和编号高亮显示之后，可以轻易看出每种板块所用加工图角码连接方式是否正确。

图17 加工图与编号对照可视化分析

4.5 装配式龙骨的提料、裁切与定位

建好的装配式模型中，要输出工程组装需要的数据来进行龙骨组装，以剖面图来对龙骨的尺寸和定位关系进行准确的表达，总计640个剖面图全部藉由参数化程序实现生成，如图18。以所有龙骨所在的工作平面，定位图元到平面上一字排开的方式，出图效率远高于手动从模型上量取绘制。

图18 批量生成的装配龙骨剖面图集

在此基础上，为了符合现场组装单元的便捷性，将单元按照大斜面为基底进行放置，以此输出CAD图纸，如图19。这种更符合现场操作直觉的方式对于施工的效率带来了很大的便利性，这还便于对场地的利用，直接在三层吊装檐口下方进行组装，减少运输距离，即装即吊，工作面得到有效利用，如图20为现场组装与吊装的作业情况。

图19 将单元板块躺平放置出图，便于现场量取

图20 现场组装与吊装的作业情况

4.6 预焊龙骨的BIM设计

当需要控制整体轮廓时，若施工人员没有做好屋面施工与钢结构的协作工作，则无法保证钢结构模型、屋面构造模型以及概念模型的有效结合[7]。非装配式的主龙骨也采用BIM预演。将钢结构的施工模型载入Rhino后获得其网格模型。为了便于现场的施工，将“H”形状的龙骨焊接定位，与钢结构工字钢进行顶底对齐的模拟，找到最合理的布置方式，既能满足顶面水沟的布置空间，又不与铝板下倾完成面发生干涉。通过对Mesh与Plane的多重运算，求解出最便于现场施工的H型主龙骨吊装位置，并与装配式的铝板及龙骨进行干涉检查调优，最终因地制宜地定出焊接位置，如图21。

图21 预焊龙骨的BIM定位模型

同样以导出剖面图的方式提供H型主龙骨的加工尺寸信息，并在平面内表达出排布位置，如图22。

图22 导出预焊龙骨的平面定位图

4.7 挂接点的定位指导

在三维模型中直接根据设计规则，对装配式龙骨的挂接点进行图示，输出为平面图纸，便于现场施工安装时查阅，如图23。解决了双曲屋面测量定位体系复杂、屋面各点标高难以控制及各类材料用量计算难度大精度低等施工技术难点，使整个建造过程更加高效精准[8]。

图23 导出挂接点定位图

4.8 BIM应用于装配式施工的经验总结

本项目的BIM应用，对于整个檐口区域的所有铝板和龙骨施工都进行了有效指导，铝板面材面积达到了10 000m2以上，是一次大规模的异形曲面铝板幕墙的装配式施工实践，对全局的应用都发挥了重要作用，为装配式建筑精益建造取得实效提供了有力的信息保障[9]。 图24为实际施工质量控制的照片。

图24 吊装单元的工程质量控制

BIM技术在本项目的实践，证明了BIM的参数化设计能力在装配式施工中的发力点：

(1)精确性。借助完成的BIM模型可以对项目的重点或难点部分进行可建性模拟[10]。在建构逻辑上相似，空间几何上差异化的幕墙装配单元，无论其面材造型形式有多复杂，无论其龙骨组织形式如何多样，都可以从理论上找到一种基于关键点约束的生成逻辑，算法从过程上实现标准化，数据参数从成果上输出差异化与定制化，借助点图元的几何特性实现幕墙产品细节的精确性，创造高质量幕墙施工的竞争优势。

(2)高效性。装配式设计的特点，需要装配单元的各种类型加工材料提前在工厂加工完毕，并同时到达现场进行最终组装，这样提升了施工效率，减少了施工措施成本。但同时也将大量设计工作前置，尤其是装配单元内部的大量加工件的精细化加工数据必须在很短的时间内完成出具，这对于效率有非常高的需求，参数化的能力为批量生成提供了技术支撑，把尽可能多的工作交给计算机完成，来为设计进度保驾护航。

(3)延展性。本项目的BIM实施过程，是转角→标准→凹槽→下收口→上收口的顺序来进行的，非标准单元与标准单元穿插进行，对与参数化的程序管理带来一定难度。但先难后易的做法，也有利于摸清逻辑，为标准化单元算法从逻辑上有个预演，也是为一种不错的工作流程。BIM作为新兴技术，其能力还并未完全发挥出来，只有BIM技术在装配式工程中能有更广泛的应用，项目施工人员能对BIM有更多的了解，更有助于施工与BIM技术的同步提升，发掘更多管理中可优化的点，让装配式施工技术少走弯路，朝着工业化、智能定制化的方向不断发展。