金刚幕墙集团工程有限公司
摘要：我国正处于工业化和城市化的快速发展阶段，房地产已经成为国民经济的支柱产业，信息技术在建筑业的应用是城乡与住房建设部提出的建筑业的十项新技术之一。BIM，是Building Information Modeling的英文缩写，汉语直译为“建筑信息模型”，应用BIM技术，能改变传统的建筑管理理念，能引领建筑信息技术走向更高层次，它的全面应用，将大大提高建筑管理的集成化程度。
关键词：BIM技术、Rhino、Revit软件、Solidworks、Navisworks软件、单元式玻璃幕墙、曲面、碰撞检测、检测报告、参数化生产、虚拟施工、4D模拟施工、数字化加工等
建筑项目从立项开始，历经规划设计、工程施工、竣工验收到交付使用等漫长的过程。该过程中不确定性因素众多，为克服建设过程中的缺点。 BIM技术的应用，将为建筑业的发展带来巨大的效益，使得规划设计、工程施工、运营管理乃至整个工程的质量和管理效率得到显著提高，特别是解决造型复杂多的多变项目施工上应用。本文通过对位于天津市徐州路的天津万通大厦（信达二期）幕墙工程设计及施工上采用BIM技术阐述，介绍“建筑信息模型”技术在建筑幕墙上的应用；
由于该项目建筑物外形独特，塔楼东西立面为直纹渐变曲面，南北立面为竖直收分，裙楼则由具多个斜直面组成复杂多面体造型，因此本项目幕墙应用了BIM技术，采用了Revit Architecture、Rhino等软件进行BIM建模设计，通过平面的单元板块进行组合拼接，从而实现渐变曲面单元式玻璃幕墙的技术可行性，同时通过BIM设计指导单元幕墙的加工、安装、定位等配套技术，提高复杂幕墙设计和施工的效率。
图01天津万通大厦效果图 图02天津万通大厦效果图
一、建模方式的分析确定
为了准确反映建筑师的设计意图，体现立面变化曲面的效果。经过模型分析，该建筑物东西立面的渐变曲面看成由竖直平面YOZ上的直线为基线，沿X方向旋转移动而成的曲面（如图03）；或者可以解释为曲面是水平面XOY上的一条直线，在沿着Z轴方向移动一定距离的同时旋转一定角度而形成的曲面（如图04）。
图03 建筑扭曲立面对比分析 图04 建筑扭曲平面分析
经过讨论最终选择了第二种建模方式，根据建筑的层高、幕墙完成面距离、每一层平面之间的变化角度等数据，选用水平面XOY上的基线，在沿着Z轴方向移动一定距离的同时旋转一定角度而形成的旋转曲面，从而建立曲面方程，方程表达式如下：
图05 塔楼西立面模型 图06 塔楼西立面模型
二、碰撞检测
建筑幕墙整体BIM模型成型后，将其与其他交叉专业的BIM模型整合，以检查可能发生的干涉或碰撞；碰撞检测对项目各专业交叉干涉提前预警，协调并修改相应的设计，免除了现场变更，工程返工等诸多潜在风险和损失。
图07 幕墙工程的BIM碰撞检测流程
1）、首先在碰撞检测软件平台中导入完整的参数化幕墙BIM模型。
2）、然后根据检测任务的需要，选择幕墙系统内不同的模型构件、类型或范围，对待检模型进行内部碰撞检测。检测结果将提交程序进行判断：如碰撞数据的容许误差在其限制范围之外，则将其碰撞数据导入内部处理模块，模块将运算出其幕墙单元尺寸参数的最优解，并返回步骤1），最优尺寸参数的数据将输入第一步的数据接口，对模型进行修正及更新；如碰撞容许误差在限制范围内，则进入流程的下一步。
图08 幕墙典型碰撞三维节点
3）、将幕墙BIM模型与其他相关专业BIM模型严格按照设计图纸的定位、相互关系，在适当的BIM软件环境下进行叠加及整合，以形成一个分层次、符合工作任务需求的阶段性或最终整合的任务BIM模型。
4）、针对幕墙系统与其它相关专业之间的碰撞问题，对待检模型进行外部碰撞检测。与第2步的检测方法类似：数据误差在范围内的，则进入外部处理模块并求幕墙定位参数最优解，并返回步骤1），最优定位参数的数据将对模型进行修正及更新；如碰撞容许误差在限制范围内，则进入流程的下一步。
5）、模型在满足所有碰撞检测条件后，输出外部碰撞数据，向相关专业或BIM模型总协调方提交检测报告。输出报告数据后，即退出检测系统。
6）、本项目通过Revit软件建立模型，完成整个工程的碰撞检测，进行了三次主要的碰撞检测，检测出幕墙碰撞问题约100处，可规避的问题80余处，以碰撞检测报告的方式，上报业主、设计单位解决问题20余处。
三、参数化生产及虚拟施工
在项目实施前，通过参数化生产加工以及动态模拟现场安装，可以大幅度提高生产效率和施工效率。
1）、首先通过幕墙单元系统内的可调节插接构件，调整板块之间在15mm范围内错位拼接的阶差（如图11、12，显示相邻两个板块之间进出位置有偏差），并结合其针对性的幕墙系统设计以及BIM技术，对该工程数字化模型中单元板块的三点控制定位技术，解决了因为曲面形成的板块之间微小的角度，达到矩形平板单元拼接曲面的效果。
图11 幕墙单元板块水平方向偏差分析 图12 幕墙单元板块竖直方向偏差分析
2）、利用BIM技术对工程项目进行工程仿真，将模型与实际的施工技术、工期安排、工艺措施等结合，对项目进行预演模拟施工，提前发现工程中隐藏问题，降低技术风险，也可以实现对工程项目的动态信息管理。
图13 单元板块加工示意图
3）、通过Revit软件中的三维模型，对单元板块类型和其参数化数据进行归纳分类，再利用这些数据导入Solidworks软件进行加工建模及下料，比传统的CAD加工图的绘制方式，大大的缩短了设计和加工的时间，同时提高了下料设计的准确度。
四、4D模拟施工
1）、将BIM施工任务模型导入、合并到4D模拟管理软件中，该项目选用了NAVISWORKS软件进行施工4D模拟仿真。
2）、将项目真实的施工进度安排（Microsoft Project数据）导入时间控制工具
（Timeliner），以建立建筑构造的施工进度任务。
3）、将模型中的幕墙构件、组件或组件集合在其时间控制工具（Timeliner）中模拟构造施工任务相关联，模拟出施工过程中幕墙构件、单元组件的开始外观、结束外观及其相应的过程变化。
4）、可将施工安装动画关联到单个组件安装的任务上，实现施工过程的完全模拟仿真。
5）、保存项目文件，并上传到业主或BIM顾问公司指定的网络平台，以供项目各方随时调用及查询，以便施工单位或业主、监理等对项目进度进行动态追踪及监控。
五、自动构件统计及数字化加工
1）、 BIM模型使得单元板块加工精度与现场测量控制方案相结合，对生产加工工程中的用料进行指导。结合BIM模型提供的材料数据，对其进行快速而精确的材料统计，并对项目中受各种因素影响的材料用量进行实时分析和调整，从而优化加工计划和方案。
2）、利用BIM模型，直接将幕墙单元、构件模型尺寸转换为合适格式的加工尺寸数据，精确输入CAD或其他机械设计软件中（如Solidworks），确定加工参数，最后转换成数控加工设备能识别的数据格式，进而直接驱动数控机床、加工中心等设备进行铝型材等幕墙构件加工。
图16 单元板块组装图及加工单
六、其他生产问题的解决
1）、利用BIM模型，可制定及优化单元幕墙的施工方案，确定施工放线定位、垂直运输等具体措施和工艺，对施工作业的流程予以优化，使之效率更高。
2）、通过Navisworks软件，对幕墙单元安装的顺序给予精确定义，分析每日的工作进度；同时根据现场的施工进度，与计划进度、工期要求对比分析，进而对下一阶段的安装进度调整提供依据。
七、结束语
综上所述，基于BIM的幕墙设计及施工技术特别适用于造型复杂的单元式幕墙工程，按传统的技术方法已难以胜任该类异形建筑幕墙工程的实施，如能借助BIM技术，将更为准确高效地实现幕墙的设计、加工和安装。
论文作者:蔡成华
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/28
标签：幕墙论文; 模型论文; 单元论文; 曲面论文; 加工论文; 建筑论文; 数据论文; 《基层建设》2016年9期论文;