建筑BIM参数化技术在异形曲面幕墙设计与施工中的应用

佟克龙

（中建八局第二建设有限公司济南250014）

0 引言

近年来随着国家经济发展，社会进步，奇异独特异形建筑日益增多，人们对建筑外装饰效果要求也越来越高。异形曲面幕墙具有现代抽象感与外观新颖感，给人一种身处奇幻境界的感觉。同时建筑BIM 技术出现和发展也为建筑师的各种建筑构想提供了行业实践，使异形建筑幕墙的建筑物能够更好发挥最佳的艺术效果，是现代抽象主义异形曲面建筑的显著特征。异形曲面幕墙的特点是工程存在较多角度旋转，整体结构特殊，造型复杂无规律，并且建筑截面尺寸大小不一，造就建筑空间高度各不相同。建筑整体造型由多个曲面层叠组合而成，形成大量交接弧曲部位，而这些部位为异形曲面建筑幕墙特点。

1 建筑BIM参数化技术的简述

建筑BIM 是一种建筑信息新技术的简称，即行业内称建筑信息化模型［1］。采用建筑BIM 技术就要考虑建筑设计智能化需求，因此建立模型时给模型赋予建筑信息的属性，比如构配件的材料属性、尺寸大小、规格种类等。建筑BIM 技术以其可视化的意境、协同工作高效率、构建参数化设计及对项目全生命周期的关注赢得了业内的认可。建筑BIM 技术在工程前期方案决策、项目预决算、施工深化设计、模拟施工工艺、碰撞施工方案、施工协调合作、项目健康监测、智慧智能工地等方面出色性能的表现，在现代建筑全过程中已经展示出了它未来应用的潜质。BIM 以建筑信息模型为载体，结合三维模型的信息化特点，本文将从设计与施工角度来探索建筑BIM 参数化技术在异形曲面建筑幕墙设计与施工中的应用。

“参数化设计就是把影响建筑设计的主要因素看做参数，将这些参数通过特定的关系组织到一起，借助于计算机编程和软件进行描述，通过计算机技术把变量数据信息转化成参数模型”。由于异形曲面建筑的表达方式有异于常规，传统的设计表达方式已经无法满足其设计和生产需求，而参数化设计就作为一个很好的契机进入到建筑设计领域中来。参数化设计通过控制变量的输入值来优化建筑形态、空间，以及模型数据的自动生成，对其进行直观的控制［2］。异形曲面幕墙参数化设计的关键内容就是通过改变幕墙参数来控制生成效果，也能够提高异形曲面幕墙的建造效率、质量和获利能力［3］。

2 建筑BIM参数化技术设计流程

为了保证设计工作的顺利进行，在采用建筑BIM技术创建模型时，依次制定了具体BIM 模型创建流程，用于指导BIM 创建的具体工作。根据工程总进度计划编制，制定建筑BIM 深化设计进度计划，该进度计划是各项工作实施的前提保障。建筑BIM参数化技术设计流程如图1所示。

从图1 可以看出，各专业信息不断加入BIM 中，实现各专业协同工作［4］。

图1 建筑BIM参数化技术设计流程Fig.1 Design Flow Chart of Building BIM Parameterization Technology

3 建筑异形曲面幕墙总体分析

造型复杂的异形曲面幕墙，不利用BIM技术，难以直观表现和设计施工控制。为提高建模的高效性及模型交换合并，利用Rhino&Grasshopper（简称GH）创建整体的表皮模型。Grasshopper 是一种插件，是一款可以在Rhino犀牛环境下运行的采用计算程序算法而生成模型的建模插件，与传统建模工具相比，GH 的最大的优点是可以向BIM运行计算机下达高级复杂的逻辑建模运算指令，使计算机根据预定的计算算法自动构建模型结果。

建筑幕墙表皮模型创建基本流程：①设定统一的坐标系统，方便后期模型整合；②从CAD平面图提取每层的幕墙轮廓控制线；③根据楼层标高放置每层的幕墙轮廓控制线，形成三维轮廓控制网；④将三维空间轮廓控制网导入Rhino 犀牛软件；⑤根据三维轮廓控制网、立面图、效果图等利用GH快速建立表皮模型。

3.1 异形曲面构件式幕墙模型深化设计

异形曲面构件式幕墙系统，其外观装饰线条造型独特，内部结构构造复杂，需要复杂内部空间结构支撑。龙骨作为空间结构的主要支撑构件，同时也是幕墙系统最主要的受力构件，龙骨安装定位的精准度决定了整个幕墙质量的优劣。将幕墙龙骨通过BIM 建模，可直观地展示幕墙龙骨整体造型，异形部位变化趋势，体现龙骨之间的搭接配合，幕墙龙骨与主体钢结构之间的定位关系，转角交界部位处理等信息。对系统节点进行可视化模拟，可视化是BIM 应用的一种有效方式，不仅能够进行幕墙系统的三维模拟，实现转折交接部位的可视化，还可以模拟各材料的安装过程和逻辑配合顺序，从而对幕墙系统设计进行反馈优化。因此，异形曲面构件式幕墙的深化设计常采用GH。GH 不仅具有参数化及强大的曲面建模功能，还可以快速的完成模型创建并能够导出材料信息。

3.2 异形曲面单元式幕墙模型深化设计

异形曲面单元式幕墙采用传统方式测量、加工、安装都有非常大的难度。为精确加工、精准安装，模型的深化设计非常重要。不仅造型复杂，结构层次多，相互交接部位多。保证单元板块的加工组装进度，以及下一步的材料提取加工，本幕墙系统采用CATIA 软件进行设计建模。通过CATIA 具有强大的参数化设计能力，能够有效快速的进行后期模型的调整和修正。建立参数化模型后，通过检查分析模型，优化调整不合理部位使之更合理，同时更为方便加工组装。开放的API 接口能够极大的提高设计效率及精确度，而且其完善的CAM 功能方便车间对型材数控加工。为了能够快速的实现创建模型、提取和更新参数、获得型材模型等工作，对Catia 进行了一系列的二次开发，形成小程序，更加便于设计施工。 利用CATIA 从表皮模型中提取用于实例化模型的控制参数，根据该工程的特点，可以由四个点和两个长度参数驱动模型，通过其它参数控制模型的细部内容；通过“批量实例化”程序得到各单元体模型及单元组件参数；为单元下料做好准备。

4 建筑幕墙模型创建

4.1 建筑表皮分格划分

在构建建筑模型时，为了能够最大限度地贴合建筑效果且满足幕墙设计施工及其加工要求，全过程采用Rhino 参数化设计。以两根建筑轮廓控制线为基准，此设计分格原则为美学要求，也符合建筑原生板材规则。在建模过程中经过多次调整达到比较完美的效果。根据设计要求，利用Rhino&GH 参数化对立面进行分格划分，尽量控制板块的模数，使每个板块都能满足设计及加工要求。通过BIM 软件对建筑外立面进行模数化分格划分是BIM 最常用的技术之一，建筑表皮分格划分也是为建筑表皮曲率分析确定依据。犀牛Rhino的优点在于强大的曲面建模能力和准确的数据计算功能，有利于异形曲面建筑幕墙的建立，是实现幕墙参数化设计的手段之一。

4.2 建筑表皮曲率分析

利用BIM 模型对幕墙自由曲面部分各个立面进行曲率分析，根据分析结果对曲率不均匀的区域进行曲面的重新拟合生成，从而保证建筑造型顺滑自由过渡的最佳外立面效果。幕墙钢龙骨为沿幕墙外立面造型变化的自由扭曲曲线，通过BIM 模型分析出曲线的曲率及弦高，在不影响视觉效果的前提下，根据不同曲率进行整理归类，并将曲率较小的弧形优化成直线。建筑表皮曲率分析对建筑表皮最终确定具有重要的实际意义，也是建筑幕墙结构确定提供科学的依据。

4.3 建筑幕墙结构确定

异形曲面幕墙为曲面环绕幕墙，内部结构形式复杂，外部效果变化多形。因此我们在幕墙方案设计阶段，对幕墙系统进行区域分解建模，并为结构计算提供精确的计算模型。同时对计算受力位置、受力跨度、受荷宽度、倾斜角度等计算条件进行统计归类，模拟出找出受力最不利的位置，减少结构计算的重复工作量。对重点部位进行三维建模模拟，模式系统可行性，将模型导入ANSYS软件通过计算确定系统的安全性、可靠性。

4.4 幕墙节点可视化模拟

横竖龙骨配合曲面造型调整，空间定位很难。横向装饰条截面尺寸呈现曲面飘逸变化，分格错位交接，角度变化颇多。常规的二维节点无法表达精确。幕墙横竖龙骨在施工现场也无法按照常规的施工工艺定位施工，只有通过BIM 软件进行安装模拟，检查各构件的配合是否合理，安装空间是否足够，结构受力位置是否科学，施工安装顺利是否合理，因此节点可视化模拟施工也是BIM最常应用的技术之一。

4.5 碰撞检查及复核

基于网络的工程管理、信息互通以及协同工作信息化平台等，利用Navisworks 软件对幕墙龙骨模型和与主体结构及其其他专业模型进行碰撞检查，提前发现模型中的干涉问题，及时作出调整。当建筑用户幕墙模型与各个专业碰撞没有问题时，那就是建立完成完整的建筑模型。

4.5.1 与主体结构的碰撞检测

利用BIM 的碰撞自动检测功能检测幕墙龙骨与主体结构之间的干涉情况，在设计阶段对干涉提前进行调整。

4.5.2 与其他专业间的碰撞检查

将各个专业模型导入一个建模软件Revit 进行合模，然后再导入Fuzor 进行碰撞检查，看与管道管线设备等是否有冲突。若有存在冲突需应该及时出具碰撞报告，及时反馈协商解决办法，在施工前将碰撞问题解决掉。

4.5.3 幕墙施工过程中的跟踪复核

幕墙施工过程中，通过现场复核与模型比对，实现建筑的实时精准控制。实施过程中，通过现场复核与模型比对，实现建筑的实时精准控制。使其设计与施工进度相对应，形成施工设施的4D动态管理［5］。

4.6 施工图纸生成

参数化BIM 技术颠覆了传统由二维图纸到三维模型的设计流程。建筑模型检验无误后，将Rhino 模型导入另一个建筑模型软件Revit，利用Revit 强大的出图功能生成平面图、立面图、剖面图等施工图纸。在以后的建筑设计中再延伸到思维模式，实现全生命周期的构建。而且，利用BIM 可以降低相应的风险和缩短工期［6］。

5 建筑幕墙模型指导施工

5.1 材料信息提取及材料提取加工

异形幕墙折线多，交接部位多且复杂，故采用参数化方法对材料信息进行批量提取，保证交接部位准确吻合。具体实际设计过程中是通过犀牛Rhino创建幕墙模型，生成建筑幕墙实体模型。在Rhino 中将三维模型设置在Perspective 视图中，采用Orient3Pt 命令，通过三点定位方式，定位到基准平面；在TOP 视图中采用Make2D，生成三视图，导出DWG 文件，从而生成加工图。建模过程中生成的参数和构件实体模型都可用于生成数控加工的型材模型（.stp 文件），此模型可以通过“导出几何体”程序直接获得，也可以先导出Catia 文件，然后用“格式转换”程序转换成.stp 文件。幕墙生产车间根据型材模型利用数控机床加工型材，大大减轻了工艺图出图工作量，提高了加工效率及准确性。

5.2 材料跟踪管理

异形曲面幕墙的递进式倒退造型决定了工程中没有相同的板块，面对数以万计的面板材料，材料管理成了难题。基于材料跟踪管理系统结合BIM 软件形成“互联网+BIM”的技术，实时更新各个环节的材料状态，根据材料的安装信息，将现场进度实时反映在BIM 模型中。利用无人机进行空中航拍形成全景影音资料，方便与BIM 模型进行比对，以便确定模型与现场进度绝对统一，对工程进度有更为直观的了解，对项目设计与施工实施动态调整。采用这种管理方式实现了对材料高效化、科学化、智能化的管理。材料跟踪管理流程如图2所示。

5.3 模型内部漫游，查看设计合理性

建筑幕墙模型内部漫游采用显示速度及效果比较好的Fuzor 软件。软件Fuzor 对Revit 的具有更好的兼容性，可以直接使用在碰撞检查阶段合成的模型进行漫游，检查设计合理性，而且可以直接在Fuzor 中修改模型，能够实时同步到Revit。如果有必要可以导出漫游动画，进行4D模拟施工与动画演示［7］。

图2 材料跟踪管理流程Fig.2 Material Tracking Management Flowchart

5.4 施工模拟

针对该工程空间点位多的特点，采取全站仪进行放样，以确保定位的精度，保证建筑效果。先将模型点位信息导出到表格，然后导入全站仪进行现场放样，根据放样结果校核模型。BIM参数化技术在施工工作中起到重要作用，大大缩短了整个项目的施工工期。

5.5 放样定位测量放线

在施工现场中，可以根据实际情况将深化设计模型中的定位点信息导出到表格（.csv），然后将所得数据输入全站仪进行现场放样，根据放样结果校核幕墙模型。施工放线应首先确定关键点，先放样水平线，用水准仪进行水平线的放线，常用的铁线放线采用花蓝螺丝收紧，然后吊垂线竖直放样，当风力大于4级时不宜放线。测量放线时根据放线后现场情况，对实际施工的土建结构进行测量。测量结构要随时记录，并且对数据记录整理分类：对测量的各种结果进行分析，对数据进行处理后，要对误差大，需调整的位置进行处理，提出切实可行的处理方案。同时，将资料整理成册上报项目，同为下一道工作做好铺垫。

5.6 工程量统计

通过优化之后的BIM 模型，利用GH 参数化输出板材尺寸清单、板材、型材、钢材等材料的工程量，为材料招标及商务预算提精确的数据，大大减少了商务算量的工作量。通过材料信息提取出加工图纸，直接交付生产厂家进行生产加工，效率提升数倍，极大的缩短了材料采购周期。深化设计后的模型，已经具备准确的材料信息，根据导出的材料信息表利用Excel开发的插件自动生成符合国家工程量清单计价规范标准的工程量清单及报表，可以快速统计和查询各专业工程量，可以为进度控制、进度款支付、结算等提供工程量支撑。

5.7 信息化管理

在项目采用DBWord 平台进行项目管理，包括项目信息、管理人员、施工档案、安全管理、质量管理、进度控制、技术与科技、智慧工地等。其中模型管理有对各专业BIM 模型的信息互通交流、汇总整合、信息查询反馈等功能。所以，采用BIM 技术对研究异形曲面幕墙设计与施工作用具有积极意义［8］。

5.8 工程可视化管理

可视化管理是BIM 技术应用的一种有效方式，不仅能够进行幕墙系统的三维模拟，实现转折递进折叠交接部位的可视化，还可以模拟各材料的安装进程和逻辑顺序，从而对幕墙系统设计进行反馈优化。通过BIM 三维可视化沟通，能够直观的展示建筑的形态和构造，所见即所得，能够有效的缩短沟通时间，大大提高沟通效率，减少了沟通成本。

因此，建筑幕墙参数化设计通过驱动参数模型进行模拟设计，BIM 参数化技术基于数据集成承载项目生命周期的各种应用。从过程上来看，BIM 参数化技术不仅承接参数化设计模型及参数，同时传递设计，并将更多贡献集中在如何根据新的建造条件、材料供应等情况调整模型数据。通过在建筑设计过程中应用BIM 参数化技术，通过建立具有时效性的建筑信息模型实现其他专业的协同设计，避免传统二维建筑设计过程中建筑模数资料不对等的问题，实现二维到三维再到四维空间时空的转变，再次过程中也优化设计流程，提高设计效率，表达设计的合理性。BIM 模型中在以后的应用中包括建筑项目整个生命周期的基础数据及核心内容，因此，应用BIM 参数化在今后的异形幕墙设计施工中尤为重要［9］。

6 总结

为了适应新的国家战略形势，是配合地区新旧动能转换，促进构建技术升级，推动建筑行业快速发展，相关从业人员要主动积极推广建筑BIM 参数化技术，把BIM 参数化技术更多的应用于实际复杂工程之中。积极探索主动拓展积极配合使用三维激光扫描仪、VR技术、3D 打印等先进仪器设备；完善并加强“互联网+BIM参数化技术”，逐步搭建适合幕墙工程的BIM构建平台。实现协同的项目管理和全生命周期的数据信息管理；打造“BIM+智慧工厂”，实现模拟设计与智能工厂的无缝对接，提高异形曲面幕墙设计、施工及其各种材料构配件生产效率和整体质量，最终建造出完美的异形曲面建筑幕墙产品。