BIM技术在复杂异形超高层幕墙项目中的应用——以武汉长江航运中心为例

应俊

（湖北高艺装饰工程有限公司，武汉 430000）

1 项目概况及难点

1.1 项目概况

武汉长江航运中心项目位于武汉市江汉区民生路与沿江大道交汇处，毗邻繁华的汉口商圈江汉路。其中超高层塔楼共66层，总高度335.85 m，结构高度为301.1 m，地上建筑面积173 699.37 m2。建筑整体造型新颖，楼层平面为四角倒角的正方形截面，倒角部分自下而上逐渐加大，最后在东南、西北两方向上收出一个曲面坡屋顶，整体效果气势磅礴（见图1）。

图1 武汉长江航运中心效果图及BIM模型图

1.2 项目难点

本项目总体建筑高度高，幕墙体量大，塔楼部分幕墙面积约70 000 m2，其中立面区域整体为单元式玻璃幕墙，顶部曲面斜坡为构件式玻璃幕墙。由于每个楼层平面倒角处轮廓均不同，所以立面倒角造型处单元板块每块均不一样，设计、加工难度巨大。塔冠的曲面斜坡屋顶，造型复杂，且与立面单元式幕墙相交接，精度要求极高。以传统二维手段难以精准高效完成设计工作，BIM技术的引入，成功使项目化繁为简，实施效率得到极大提升。

2 BIM技术的应用

2.1 表皮模型的构建

通过建筑施工图建立项目表皮模型是幕墙BIM技术实施的基础。依据建筑施工图中提供的建筑造型相关信息，使用三维建模软件完成建筑表皮的复建。可以在建模过程中发现图纸存在的问题，并及时进行梳理纠正。

表皮模型也是后期幕墙深化的基础，基于已经完成的表皮，可以进行碰撞分析、优化分析及构造分析等针对本项目的幕墙方案基础研究，通过直观的数据，反映幕墙方案的可行性以及可优化方向，使方案修改做到有的放矢。从顶端把控整体设计流程，极大地提升了设计效率。

2.2 碰撞检测

碰撞检测在幕墙项目中具有极其重要的作用，通过建模模拟幕墙表皮与结构、幕墙自身系统交接处的理论空间状态，提前发现空间中存在干涉的位置，并进行相应修改，避免后期施工过程中才暴露问题，影响现场施工进度，造成物料和人力的浪费。

对于本项目，立面倒角及塔冠处为曲面造型，主体结构均是异形结构，通过已经构建完成的项目表皮模型明确主体结构的控制面，与建筑结构模型合模，发现在塔冠异形钢结构处存在多处结构穿出结构控制面的问题。经与设计院沟通，逐一完成碰撞的消除，为项目后期的顺利推进奠定了基础。

2.3 自动出图系统的应用

塔楼立面为单元式玻璃幕墙系统，倒角部位每个幕墙板块形状都不一样，且与大面相交处有转角板块，此处的单元板块设计极为复杂，每个板块都需要一套单独的加工图和组件图，工作量巨大。

基于BIM建模可参数化的优势，在此处运用自研参数化自动出图系统，通过Rhino+grasshopper平台，完成此处非标准单元板块的建模，并直接从模型中导出每个主要构件的加工图。此项技术的运用，极大地提升了该复杂部位的设计效率，节省了人力，保证了出图的精确度。

2.4 单元板块自动编号系统与二维码识别的结合

本项目由于体量巨大，倒角区域板块每块不一样，所以逻辑清晰的编号系统将有利于材料从加工到组装，再到现场安装各个环节的物料管控。采用参数化的编号自动生成技术可以使编号灵活地与目标构件相对应，适应性强，且对应关系准确，避免了人为编号时可能出现的错漏。

为了方便现场板块的信息识别，基于参数化自动编号系统与二维码批量生成系统的联动，将单元板块的批次、编号、面积、楼层、位置等信息直接导入二维码中，将二维码张贴于板块侧边，便于板块在堆叠状态下，现场施工人员能对板块信息进行快速查询。

2.5 塔冠曲面的优化

塔冠部位是整体建筑造型的亮点，从立面的倒角逐渐向上收出一个曲面坡屋面。以曲面UV坐标系来分析曲面，展开水平方向为U方向，类似于平面坐标系中的X轴方向；与U垂直的方向为V方向，可以类比平面坐标系的Y轴方向。屋面曲面在沿U方向上曲率为0，在沿V方向上存在曲率且曲率大小不断变化，不具有固定半径，曲面整体为可展开的复杂单曲面。为方便幕墙的实施，降低总体曲面成本，需要对曲面进行优化，按照曲面曲率的分析结果，结合曲面横向分格的情况，将曲面分为3个区域(见图2)，上、下区域曲面变化较大，宜重新优化为单一半径的标准单曲区域，中间区域由于单位长度上曲率半径变化相对较小，所以将该区域的板块按分格排布优化为平面板块，以折线拼接模拟出曲面造型。此优化方案在完美复现建筑师构思效果的同时更加贴合幕墙的深化需求，使该部位曲面幕墙综合难度大大降低，也使造价更加合理。

图2 优化分区示意

2.6 塔冠型材的优化

本项目塔冠部位型材状态复杂，原始竖向分格线为双向弯弧的空间曲线，在曲面弯弧方向上，分格线顺着曲面造型弯曲，在逐渐由窄变宽斜坡展开面上，分格线弯曲发散。水平方向分格线为直线。对幕墙施工而言，此时竖向分格线的双向弯曲状态会使玻璃加工裁片时出现大量弧边，大批竖龙骨加工都需要进行双向弯扭，加工难度极高。

经过分析，每个标准分格内，竖向分格线在展开面上因为发散而形成的弧度相对较小，除了曲面与立面相接边界位置的竖向分格线外，非边界区域的竖向分格线消除该方向上的弧度对整体效果无影响。因此，结合曲面的优化结果，消除展开面方向弧度后，平面区域竖向分格线变为直线，标准单曲面区域的竖向分格线为单向弯弧曲线。但由于单曲面区域竖向分格线不是沿着垂直于单曲面母线方向排布，而是与柱面母线存在一个夹角，所以此时的单向弯弧曲线不具有固定的弯弧半径，同一曲线每个位置的半径不一样。而且由于同标高区间内每根分格线与基础柱面母线的夹角均不一样，就导致即使将变半径曲线全部拟合成单一半径圆弧，每根竖向分格线的长度和弯弧半径依旧不同。这种情况将会给幕墙施工时物料管控和材料提取带来极大不便，特别是此处位于超高层顶部，高空施工作业风险大。为了降低现场施工人员的操作难度，此处运用grasshopper的参数化手段，对竖向龙骨进行进一步的优化，充分运用龙骨拱高允差，将2 000余根竖向龙骨优化为平面弯弧的单曲龙骨且半径种类仅为5种。对于边界位置因造型需要而无法优化的少量双向弯弧龙骨，则提供加工模型，由专门厂家根据模型进行加工。

此处BIM技术的运用在充分考虑施工难度的情况下，将异形复杂型材的加工变得简单可行。

2.7 结构的复核与空间定位数据支持

塔楼主体立面部位为单元式幕墙系统，高度高，造型复杂，角部区域为每块不一样的异形板块，且单元式幕墙板块在车间加工，现场安装方式为上下、左右插接，对安装精度的要求极高，基本没有很大的灵活调整空间，所以对主体结构边梁的精度也有较高要求。为保证单元幕墙定位安装准确，需要制订专属的结构校核方案。

本项目单元式幕墙采取结构粗校核与精确纠偏结合的渐进式放线定位模式。首先，从三维模型中剖出埋件定位图纸，定位图纸以轴网为参照，在图中标记每个幕墙预埋件的位置，现场施工人员根据轴网关系对幕墙预埋件进行平面放线，确定预埋件的位置。此项工序在完成预埋件埋设的同时，也起到对结构边梁粗校核的作用。如结构边梁存在较大的偏差，可以进行及时修正补救。预埋件埋设完成后，便可以进行幕墙板块的安装定位预放线。基于模型中提取的每一个幕墙板块定位点的空间坐标，施工人员通过全站仪精准地找到对应位置并做上固定标记，此步骤将是后期单元板块安装的参考基准，只要吊装时板块上的特征点与预置的固定标记相重合，则可以判断单元幕墙已经精准安装。以预埋件的埋设放线取代专门的结构偏差测量来校核结构主体的完成度，减少了重复劳动，提升了整体施工的效率。

塔冠曲面斜坡采用构件式幕墙系统，通常构件式幕墙系统会具更大的灵活性，对结构误差的调节余量较单元式幕墙系统会有优势，但由于曲面斜坡屋面下方的主体结构为异形钢结构，通常施工误差会大于一般形式主体结构，所以为保证幕墙系统间过渡交接平滑，需要预先对结构进行复测以确定构件式幕墙转接系统的调节幅度，以适应结构偏差。本项目最复杂部位的结构复测，采取了对结构交点空间坐标信息复核的方式。使用全站仪，准确地测量出钢结构交点位置的空间坐标，并与模型中对应位置的空间坐标进行比对，计算出其偏差距离。通过理论与实际数据的对比，有针对性地推进转接方案调整与优化，加强了幕墙系统对于异形结构的适应性。

3 结语

近年来，BIM技术在幕墙领域中有着越来越重要的地位。由于幕墙项目难度的不断提高，使得传统设计施工手段越来越难以应对，BIM技术以其强大的空间分析能力，参数化的模型快速构建能力和针对性的需求数据置入与提取能力契合了现今高难度项目的设计、施工需求；在幕墙项目整体设计方案的宏观制定、数据分析支持、加工下料、物料管控及现场放线定位等幕墙设计、施工全流程中都起着非常重要的引导作用。类似于武汉长江航运中心这类具有大量非标准板块的超高层异形项目，BIM技术的运用可以显著提升项目的设计效率，优化项目的设计方案，节省成本造价，辅助项目管理，保证项目总体工期。