BIM 技术在公共建筑幕墙工程中的应用研究

戴成元，陈小宇，任俊霖

（1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004；2.东北大学设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110002）

BIM 技术［1］是建筑设施的数字化和智能化表示，可用于模拟、规划、建造和运营建筑物，其核心是为不同组织在不同阶段提供与建筑产品相关的各种信息。BIM 的基本价值在于，通过提高协作集成水平，从而提高行业生产率，它可以显著改善建筑行业的流程、专业知识和组织碎片化。

现代大型公共建筑幕墙造型独特，常有各种形式的外表皮，其对龙骨结构的稳定性提出了更高的要求，钢结构现场施工和安装需要考虑沉降量等因素，需要结构构件定位相当准确，且公共建筑机电系统体量大，管线布置错综复杂，建筑外形的不规则更加大了其周围管线排布的难度。

BIM 技术逐步广泛应用于复杂幕墙工程的形体表现、结构辅助设计和建造过程的管理中。陈炳任等［2］通过Rhino 对不同尺寸单元面板建模，将自适应信息输出给Inventor 用以建立玻璃面板模型和骨架模型，并在骨架上放置型材、胶条等细部关联BIM 模型数据，与CAM 系统相结合，信息模型导出的数据对接生产设备完成下料加工、自动化生产，提高了幕墙工程出图下料的数字化程度。江苏大剧院［3］外装饰幕墙施工中通过BIM 技术进行箱型桁架、横向支撑的建模，以三维的形式获取檩条坐标点，施工中运用全站仪进行空间定位，达到精确安装檩条结构层的目的。张怡［4］基于扫描复测和BIM 参数化设计，结合天坛轮廓玻璃幕墙工程将模型数据传递至加工生产，使幕墙龙骨高精度调节和玻璃容差安装精准高效实现。

针对传统幕墙CAD 图纸和结构计算模型可视化能力较弱、位置和构件信息表达繁琐等问题，本文以北海博物馆为例，结合模型数据精度、后期实用性比对、建模时间成本优化等因素，对幕墙结构龙骨建模方法进行了可行性分析。再进行基于BIM 模型的幕墙龙骨数据提取，由此展开从建模、出图到指导现场施工的公共建筑幕墙BIM 技术应用。

2 北海博物馆项目概况

北海博物馆与档案馆工程位于北海市上海路以西、杭州路以北，上海路交杭州路西北角。总建筑面积为52 041 m2，是乙级（市级一类）档案馆、大中型综合类博物馆。该工程结构类型主要为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，局部钢结构体系。

北海博物馆钢结构包括公共服务大厅屋顶造型构架和立面钢结构。立面钢结构分为入口立面钢结构和玻璃幕墙钢结构，由4 个平面三角形构成，采用钢梁支承体系，钢梁一端支承于混凝土地梁上，一端支承于混凝土主楼的边梁，两侧由山墙支承，采用等边三角形网格，入口立面钢结构悬挑无面层，玻璃幕墙钢结构短向最大跨度约21.5 m，最小跨度约10.0 m。山墙外挂石材，入口立面钢结构仅承担结构自重和构件上的风荷载。钢结构玻璃幕墙计算模型如图1 所示。

图1 幕墙龙骨计算模型

3 基于Revit 的幕墙龙骨建模方法比选

现阶段，幕墙主流建模软件有Catia、Rhino 和Revit 等，法国达索公司的Catia 被广泛应用于汽车、航空航天、建筑等领域的建模，但其软件费用高昂、上手难度较大，一般不用于非重点建筑的建模中；Rhino 是建筑领域常用的三维建模软件，其曲面建模能力强大，常用于构建复杂的建筑外形，如需进一步进行BIM 应用需与其他软件配合使用；Revit 作为Autodesk 公司的最主流建模软件，其可编辑的族库功能，可满足建筑、机电等专业的建模，且自带可视化编程插件，可完成复杂的曲面搭建,故确定其为幕墙主要建模软件。

3.1 Revit 公制幕墙嵌板填充图案绘制

Revit 处理复杂曲面和平面可以通过表面有理化工具新建体量，通过一些有规律的控制点连接成线，最后线连接成面。成面后，Revit 作为三维建模工具，自带分割表面功能，形成自定义的UV 网格划分，网格划分形式有三角形、错缝、八边形、矩形、棋盘等10 余种。

成面之后需要用自适应构件来填充这些网格，自适应构件的建模可参数化，基本和概念体量族的建模方法一致，即幕墙龙骨的搭建。对于幕墙来说，Revit 系统自带有基于幕墙嵌板的填充图案族，需在规定好的自适应点网格中建立自适应构件族，这就需要自适应构件族的U、V 网格布置和幕墙表面的网格相一致，随后将其载入之前在体量环境中建立的分割表面面板，Revit 公制幕墙嵌板创建框架单元如图2 所示。

图2 Revit 公制幕墙嵌板创建框架单元

此种方法适用于龙骨材质一致且幕墙网格排布规律的幕墙中，如幕墙表面有两种及以上的龙骨或其他立面装修材质的填充，则需要更改自适应族的参数以及附加嵌套族等操作。

3.2 Dynamo 点列表驱动自适应族构建

由于软件本身的限制，幕墙填充图案族的表面网格形式需是等边三角形、菱形、正八边形等正多边形，以达到和U、V 方向网格距离一致的效果，如不是以正多边形的自适应点为基础建模，则调整起来极为复杂，造成了幕墙填充形式的不自由，此问题需借助可视化编程软件Dynamo 或者二次开发工具寻求精密的网格算法来解决。

Dynamo 作为Revit 自带的可视化编程软件，常用于复杂曲面的UV 网格的划分，能够更加灵活地驱动自适应族完成幕墙嵌板的构建，自适应族通过Revit 中“自适应常规模型”族模板创建，其定位由自适应点完成。使用“Adaptive Component By Point”节点，即将4 个坐标位置赋予自适应族的对应自适应点，使其在空间中定位。“LunchBox Quad Grid by Face”提供了一系列以4 个坐标点为一组的点列表，通过点列表放置自适应族，完成幕墙龙骨构建。

3.3 识别已知建模结构线绘制

此种方法较为简单，建模人员须具备可以载入Revit 中的通过其他软件建好的三维模型，如CAD格式的三维模型，通常需要将模型在原建模软件中进行简化形成三维线或控制点模型，通过改变工作平面来进行立面结构龙骨的搭建，最后拾取结构线，建立梁等龙骨骨架。

结合北海博物馆实际情况，若采用Revit 建模方法，则幕墙嵌板体量模型不能进行工程量的统计；Dynamo 方法由于有多种结构框架梁，存在效率低下的情况，故最终采取识别结构线的方式建模，根据深化设计图纸，确定基准面，进行结构框架梁的布置和微调。Revit 幕墙结构框架龙骨建模如图3 所示。

图3 幕墙结构框架龙骨建模

4 BIM 在北海博物馆项目的具体应用

4.1 幕墙钢结构框架BIM 深化设计

4.1.1 建立幕墙BIM 构件库

幕墙的连接件、支座等附属构件共计10 余种，均通过Revit 进行构件族建模，形成BIM 构件族库，在钢结构框架深化后，需要对其进一步定位，将其图例和位置信息进行汇总，形成项目级BIM 构件库，便于现场施工技术交底和运维管理，BIM 族库信息截图见图4。

图4 BIM 族库

4.1.2 基于Revit 的幕墙钢结构工程量计算

在施工过程中，对现场预算要求较高，提前提取和计算工程量，有利于材料进出场管理和人员物资分配。Revit 是在计算机虚拟环境中进行施工模型搭建，其自带的明细表功能，可自动导出所有钢结构框架幕墙构件位置和材料等信息，通过筛选提取出下料需要的字段，若加工厂支持数字化样机技术，可以打包模型数据（包括单类型、BOM 表、加工图），直接发给加工厂，提高了出场效率，型钢料单见图5。

图5 幕墙龙骨型材料单

4.1.3 基于Inventor 节点大样出图

幕墙工程中存在大量复杂节点，零部件尺寸有时可能小到0.5 mm，Revit 软件的线并不能短于0.8 mm［5］，所以并不适合幕墙出图，Inventor 是Autodesk 公司一款工业数字化软件，机械和建筑零件的设计能力较强、出图方面可导出包括三维的多种视图形式，且能够与Revit 无缝进行数据交换，适用于幕墙工程创建胶条、型材、面板等零件。

北海博物馆幕墙钢结构复杂节点包括：钢结构支座、单向和双向球型焊接滑动铰支座。在Revit 进行族建模后，导入Inventor 软件，进行复杂节点三维标注和出图，复杂单元板块和零件也可以输出成模拟动画，便于可视化交底，节点大样出图如图6 所示。

图6 基于Inventor 节点大样出图

4.2 各专业模型的整合

在BIM 模型深化设计的过程中，精度的粗细直接决定了深化后的BIM 模型在实际项目中的应用效果，采用revit 精确建立各专业模型，安装部分图纸建模精度达到LOD400，对其进行合理整合便于导入Navisworks 进行碰撞检查，各专业模型如图7 所示。

图7 各专业模型

4.3 BIM 解决幕墙钢结构与机电管线的碰撞

本工程机电系统包括送排风、冷热水、冷却水、生活用水；消防喷淋包括消火栓、消防水炮、高压细水雾和气体灭火。

由于建筑形式复杂，对内部系统要求也有所提高，设计师的分工不同导致各专业之间不能协调配合造成了机电管线的相互碰撞现象频频发生，在暖通设计中风管与水管之间就会存在碰撞问题，这种问题导致了在机电管线施工阶段的材料浪费，耽误工期甚至造成大量返工。所以，在施工前合理的排布三维机电管线尤为重要。

将幕墙框架和建筑、结构合模后与机电系统分别导入Navisworks 进行碰撞检查，管线综合的原则是：小管让大管，有压管道让无压管道、常温管让高温、低温罐，电气管线避热避水等［6］。经过碰撞检查发现，立面空间结构幕墙与博物馆弱电缆线管存在两处碰撞、与通风管道存在两处碰撞。

碰撞一：风管接头向西移动800 mm 即可解除冲突，避免了作业交叉且保证管线有足够的安装空间：碰撞二：F1 展览馆大厅火灾烟感报警系统因未考虑倾斜立面幕墙，与幕墙钢结构碰撞，应重新与设计院相关部门协商，合理排布烟感探头和相关线管。

5 施工过程信息化管理

5.1 三维场地布置

传统的施工场地布置往往都是现场技术负责人根据CAD 平面布置图并结合施工经验进行的大致布置。由于图纸是二维平面图，缺乏对于场地纵深布置的能力，因此很难发现场地布置存在的问题。借助BIM 技术对施工场地布置进行合理优化，可减少施工器械运输路线冲突、材料搬运路线过长、临时措施设备布置缺漏等问题。

本工程的三维场地布置采用广联达三维场布软件，结合北海博物馆项目概况，将二维图纸导入BIM 软件，结合现场勘查的地质情况和施工经验，确定施工现场基坑开挖深度，建立了三维基坑模型和结构模型。在规划幕墙材料堆放区和加工区的三维场地布置中，对其加工机械及其他临时设施进行等比例规划建模。基于BIM 的可视化和可模拟性，根据道路红线，合理调配幕墙材料的运输路线，对幕墙材料进场路线进行模拟，确保幕墙材料运输通畅、方便；值得注意的是，进行材料堆场和进场路线模拟时，现场临时材料堆放场地的布置不仅需要考虑货车进退卸货便利，还需要有利于幕墙材料的水平运输和垂直运输。对生活区、办公区、施工区进行科学合理的三维排布，减少了因场地布置不合理造成的施工混乱，有利于缩短工期、节约成本，并且可以配合实现现场漫游、施工动画、脚手架模拟等。

5.2 二维码辅助构件施工

通过BIM 技术，将幕墙龙骨结构模型导入云平台中，轻量化地浏览整个模型的信息。在钢结构构件出厂前通过提取模型数据生成料单，并自定义生成构件二维码，在二维码模板中设定施工现场必要的信息，如位置和材料几何参数、钢结构进出场时间、验收人信息等。在构件加工阶段，每一个主要龙骨构件粘贴上其专属的二维码，便于施工人员进行扫描和定位每一个钢构件的位置，实现精细化施工。

6 结语

通过对北海博物馆幕墙工程进行BIM 技术应用，总结了钢结构计算模型转化成Revit 建筑信息模型3 种建模方法。虽然通过Dynamo 的可视化编程能力可以更加参数化地建模，进而提取出模型信息，但对于一些曲面元素较少，并且钢结构单元材质不一的主体结构，需要灵活判断幕墙系统建模方法，避免导致建模效率低下。通过Navisworks 软件解决了与机电设备的碰撞问题，减少了施工难度。进行了基于Inventor 的钢结构节点深化图纸的生成，三维BIM 软件可视化能力更加易于可视化交底。运用二维码技术准确定位钢梁构件的位置信息和进出场信息，且三维场地布置能够避免材料布置和施工运输车辆的冲突，更加提高了本工程信息化程度。