浅谈单元异形单元幕墙在实际工程中的设计中BIM应用

浅谈单元异形单元幕墙在实际工程中的设计中BIM应用

韩亮  

沈阳远大铝业工程有限公司，201800

摘要：在近代科学技术的飞速发展下，建筑行业也紧跟时代潮流，建筑技术不断提高，建筑的外立面效果越来越复杂，美观，造型越发震撼寰宇。因此对现代建筑中的常规幕墙的设计和施工技术提出了更高的要求。传统的幕墙形势下衍生出更多的幕墙形式。传统的二维理念和测量放线定位无法满足现代建筑的表现形式。需要通过三维表现或者建筑信息模型（Building Information Modeling）来完成。本文以浙江省宁波市某项目为例，通过单元板块的整合使得幕墙加工、施工、运输成本得以减少，并在三维环境里将项目的深化设计完成，对今后的异形幕墙工程起到借鉴作用。

关键词：异形单元幕墙，系统整合，幕墙成本、建筑信息模型。

在建筑行业飞速发展的今天，建筑外观越发奇特，表现力越发突出。大量工程采用新颖的外观加造型，凸显建筑师对建筑的理解和表现。幕墙材料、幕墙造型及幕墙内部形式多种多样，大量异形幕墙如雨后春笋般的出现。

一、异形单元幕墙概念

在常规幕墙的形式下演变出来的非常规矩形的单元幕墙，在构造上玻璃为异形，型材组成的板框也为异形，和标准单元系统的强度、排水形式、防火都是相同的，就是为了达到建筑的艺术效果。

二、工程概况

本项目位于宁波市东部新城核心区附近。本地块位于东部新城核心区中央商务区拓展区范围内，城市干路中山路（红线宽度40米）以南，城市主干路海晏路（红线宽度48米）以西，南侧、西侧为城市支路（红线宽度分别为24米与20米），用地面积约1.4733公顷。本地块为商务及商业混合用地。本项目地上计容积率建筑面积为110496㎡，地下室建筑面积为43240㎡，总建筑面积为156941㎡（含二层公共连廊不计容面积）。

本项目为超高层办公综合体，由一栋主体43层，标准层高4.3m，由205.58m高的A塔楼和4层23.35m高的B裙楼组成，并另有13.6m埋深的地下3层的车库，其中地下一层局部设夹层自行车库，层高3.3m。

本工程系统形式包括：塔楼单元玻璃幕墙、裙楼单元幕墙、塔楼单元百页、塔楼空中花园单元幕墙、玻璃采光顶、拉索点式幕墙、钢板肋驳接幕墙、全玻璃幕墙、铝板雨棚、裙楼屋顶框架幕墙、石材幕墙、金属板幕墙、玻璃栏板等。

三、本工程重难点

本工程的重点部位为塔楼单元式幕墙系统，由于塔楼单元系统面积大，异形板块数量多，施工周期短。单元幕墙经过分析原设计方案的单元异形板块数量多达40多种，在设计、加工、制造、运输、安装及后期维护上都会产生很大的困难。经过分析进行幕墙形式的整合，最终整理出8标准单元系统，方便加工、造运、安装。

原系统部分单元板块

四、BIM应用·

(一)幕墙设计阶段

经分析犀牛（Rhino）软件分析，原方案基本板块形成了十多种不规则板块及三十多种异形单元板块，包括角度很小的三角形玻璃，加工难，易破损。

本工程主楼部分非异形楼体，标准层高4.3m，标准横向分格尺寸为1.45m，原方案标准板块为1.45m*4.3m，因外表面带斜向装饰带，因此原方案板块划分类型众多，造型复杂，加工制作难度大，成本高，周期长，埋件变化，不宜组织生产。经过深入分析后，建议标准单元板块可按二合一考虑，形成2.9m*4.3m板块，中间增加一中竖框，玻璃为标准矩形，整块玻璃，避免出现玻璃尖角，装饰构件前置，大大减少了板块的种类数量，同时保证室内外效果及其各种性能要求。

对于其它异形板块经过模型和数据的分析后，本工程才用最优方式进行单元整合，对于原斜向铝板分成的两个梯形的单元板块也标准板块采用相同的方式，采用两个单元板块合并成一个单元板块进而达到和原方案效果一致。

其它异形板块参照这个方式进行整合，采用优化方案后，基本板块类型有如下几种：

A.参数化模型创建

在本项目中，使用Rhino+GH（Grasshopper）软件平台通过参数化的建模方法，使用经过交底和确认的幕墙建筑模型和设计方案模型，完成项目的深化设计施工阶段的BIM实施应用。通过使用Rhino+GH软件平台建模，是基于经确认的幕墙线框模型、表皮模型、建筑模型以及系统构造图和设计方案定案图，在项目实施的不同阶段创建不同精度的BIM模型满足BIM实施的要求，并根据项目多专业碰撞检查的结果进行项目协调和组织，同时指导深化设计和加工模型进行实时调整。在本项目中，除了使用Rhino+GH软件进行项目的深化设计，还可以基于项目需求，同时采用CATIA/DP软件建模的方式来增加模型准确度的校核工作。把表皮模型导入CATIA/DP中，通过自适应性的参数化副本完成板块的深化设计模型。同时，考虑到幕墙设计、加工和施工的不同阶段，在施工周期上存在一定的重叠关系，各阶段对于BIM模型的需求又各不相同。例如，施工阶段更侧重模型的外轮廓的准确性，用于碰撞检测和可视化，同时关注模型的信息，以便进行施工管理；过于复杂的内部细节以及冗余的构造不仅延误周期更增加了模型的大小，占用硬件资源，降低了工作效率。综合来看，在BIM实施过程中，有必要根据项目的BIM实施需求，结合项目BIM应用情况，可以分两条线路开展BIM模型的创建和模型应用，并针对项目不同阶段的需求，基于相同的基准创建不同软件平台的BIM模型，过程中辅以不同的信息。

B.实体模型的BIM应用

我司在项目施工阶段，创建用于深化设计实施阶段的BIM实体模型，结合BIM技术应用与项目的设计、加工、运输、安装、维护等全方位进行联动，与项目其他相关专业进行有效的管理和控制，做到集成化设计、精确化加工、智能化施工、数字化交付。

(二)幕墙深化加工阶段

单元幕墙为工厂内加工，在工厂内完成单元幕墙组装的全部工序，通过BIM数据导入加工机械加工中心的数据机床中来对型材进行锯切、铣销，钻孔，冲压，仿形加工，切销空间角度。在通过专业组装工人进行框料组装，附件安装，打胶等一系复杂工序。

A.预拼装和加工精度控制

1. 幕墙预拼装模拟

幕墙预拼装模拟是将现场主体结构（土建结构或钢结构）施工的实际情况反映在BIM模型中，模拟将幕墙模型安装在主体结构时会产生的问题，并总结应对措施。这一过程实际上也包含了《现场施工偏差应急响应预案》的指导思想。将这一过程拆解为如下具体目标：

现场结构施工偏差快速分析和归类；

通过参数化设计实现针对现场偏差的快速设计响应；

通过自动化加工的方式实现针对现场偏差的快速加工响应；

通过物流信息植入和绿色通道设定的方式实现现场偏差的快速物流响应；

通过可视化和无纸化技术辅助实现现场偏差的快速施工响应。

2. 幕墙预拼装模拟实施流程

对于项目中复杂位置的幕墙，为保证现场施工的可实施性和准确性，在进行实际施工之前需要进行幕墙构件、幕墙板块、二次结构等部件的预拼装模拟，一般预拼装模拟的实施流程如下：

现场预埋件/转接件位置测量

数据自动采集和处理—数据导入Rhino软件—偏差自动分析和归类

在无偏差、转接件可吸收—启动响应预案（1）—参数化驱动重新生产转接件—提取构件和数据—完成自动或半自动加工。

在误差量较大会影响建筑轮廓或封修的偏差—启动响应预案（2）—提出建议方案获得批准后深化模型。

B.工程量精算

通过BIM模型可以简便的生成材料明细表，根据项目深化设计方案选择需要的数据类型，可以统计本项目准确的工程量。无论是玻璃面材、铝板面材、石材面材等面材，还是铝合金龙骨、钢龙骨、次龙骨、转接件、安装角片甚至螺钉等，都可以根据已经确定的型号和参数进行核对。

C.加工数据批量获取和输出

对于形态复杂的项目，除了很多复杂的构件，也包含一些相对简单的构件。对于一般构件的设计和加工，传统的材料工艺流程依然能够有效实施，通过流程中植入BIM技术，能够更好的保证加工效率、精度和质量。

二维与三维的图纸和数据联动，出图效率高。

加工数据的一次输出，大大提升效率的同时，准确率更高。

建模策划时需设定幕墙需要提取的重要参数

整体模型—提取部件模型—提取零件模型—零件中参数提取—自动生成细目、定额表

把Rhino+GH提取的数据，输出到Excel表

整理加工数据，关联幕墙加工采购组织给类型表格

D.二维与三维的图纸和数据联动

二维与三维图纸以及数据的联动，可提高出图质量、准确性和速度。基于精确创建的BIM模型，输出所需要数据及所需的平立面图，大样详图，局部节点图，幕墙加工图等。

E.BIM+CAM的结合

基于BIM模型幕墙构件的计算机辅助加工（CAM）技术，结合我司的幕墙构件生产管理系统，可以实现BIM幕墙构件信息直接与工厂CNC加工设备对接，实现设计信息、加工信息的共享，实现设计加工一体化，无需设计人员进行信息的重复录入。

通过对BIM幕墙构件的加工信息导入，使用特定设备指令系统能够将构件的加工信息自动生成控制程序代码。通过幕墙构件的图形特征、BIM设计信息和设备的数据交换, CNC加工设备识别设计信息，通过对构件信息识别，自动加工幕墙构件成品，无需二次人工操作和输入，大大提高了设计效率和加工效率。

五、幕墙工程自动化加工实施流程

CAM软件的模型转数控程序过程（自动化），典型的CAM系统由两个部分组成：一是计算机辅助编程系统（CAM）；二是数控加工设备（CNC）。计算机辅助编程系统的任务是根据零件的几何信息计算出数控加工轨迹，并编制出数控加工程序。数控编程过程都需要经过获取零件模型、加工工艺分析及规划、完善零件模型、设置加工参数、生成数控加工刀路、检验数控刀路和生成数控加工程序七个步骤。其流程如下。

(一)零件模型预拼装

将扫描的零件在Rhino软件中组装成板块，然后在进行零件间碰撞检查和零件间间隙检查，出现不满足拼装要求零件，应找出错误原因，修正错误，重新拼装，直到合格。

(二)实际构件组装流程

以上都为BIM在宁波项目设计过程中的具体使用及工作流程，BIM技术在项目实施阶段的BIM技术应用，基于创建符合精度等级要求的模型，并据此模型展开一系列的建模和成果输出工作，并据此实现减少工程错漏碰缺、增进交流、提高效率、减少人员投入、保证加工精度、降低成本、优化工期、提升施工质量等目标。

六、项目总结

结论：该工程以竣工，幕墙BIM模型资料50G，详细的记录了本工程的数据资料。BIM在本工程的参与中为本工程节省幕墙施工成本在500万左右。证明了BIM在本工程的运营是可行的，会对建设工程增值。在常规标准板块有着很大优越性特别是加工数据方面，在非常规的或者异形的板块着有着更深远的意义。往常在异型板块的加工图过程中往往需要更多的人力和时间，有了参数化的参与，单元板块的下料、加工更加准确。