基于BIM技术的自由曲面铝板幕墙施工项目中的应用分析

刘翔，魏林涛，朱敏，陈炳任

（中建深圳装饰有限公司）

1 引言

随着社会经济的高速发展，各行业的信息化、智能化水平都在提高，建筑行业的信息化、智能化必将是未来发展的趋势。BⅠM技术的出现积极推动了建筑行业的进步与发展，在建筑幕墙工程施工过程中，利用BⅠM技术，将高效促进幕墙的制造及施工质量、促进施工技术现代化，建筑行业信息化。

2 工程概况

2.1 工程介绍

天府艺术公园·文博坊片区场馆建设项目位于金牛国宾片区，总占地面积约38.5hm2（577亩）。包含天府美术馆、当代艺术馆、图书馆、商业水街三大部分，整体布局呈环绕式，天府美术馆与当代艺术馆图书馆两馆围绕迎桂湖相向而立，形成“窗含西山景，出水芙蓉境”的“山水蓉境”，整个建筑由五个花瓣组成呈芙蓉花形。项目总体定位为打造“城市的文化艺术呈现集中集聚博览区和地标式建筑”，成为成都市新的文化地标项目。

天府美术馆项目建筑高度23.4m，建筑面积约4.01万㎡，其中幕墙总面积约3万平㎡。

2.2 幕墙系统介绍

美术馆项目主要由蜂窝铝板+金属屋面系统（22600㎡）、大厅玻璃幕墙系统（4500㎡）、陶土板幕墙系统（950㎡）、办公区折线玻璃幕墙系统（1200㎡）组成，总面积为29250㎡。

3 该项目重难点分析

3.1 壳体形态优化的难点

美术馆项目铝板未优化前多为自由曲面，曲面结构及曲率变化复杂，优化难度大。

3.2 材料下单的难点

该项目幕墙金属屋面加蜂窝铝板有86%以上为自由曲面，自由曲面无法用常规方法提取加工数据，且面板数量多，下料工期较为紧张。

3.3 蜂窝铝板加工的难点

该项目蜂窝铝板存在较多数量的自由曲面，且所有双曲弯弧造型均不相同，因此针对双曲弯弧蜂窝铝板加工需定制大量模具以满足蜂窝铝板的压型，因此蜂窝铝板的加工、供货周期是本项目的重难点之一。

3.4 幕墙构件定位的难点

幕墙龙骨构件以及面板定位数据量大，且均为空间点、对于测量人员来说是一个极大的挑战。

3.5 商务结算的难点

此项目的交底与施工参考依据更多是依靠模型，新的交底依据和方式让施工人员有一定抗拒。

4 BIM技术在幕墙施工中的应用

1）基于BⅠM曲面优化设计

壳体形态优化：整个美术馆表皮是由三部分组成，分别为屋顶、侧墙和天花。最初版本的曲面并不顺滑，施工成本较高。为了达到曲面顺滑、施工成本进一步降低的目标，期间经过两个多月、三种软件（Rhino、Sub-D、Zbrush）对表皮进行深度优化，经历了十余多个优化版本，每一个版本的更新都见证了BⅠM技术团队的付出，最终达到了不错的效果。

天花分格调整：因设计团队策划将天花原分格短边为200mm，宽模数调整至300mm，但是分格调整并不是进行简单的偏移就可以完成，天花整体是一个自由曲面，且在转角处的曲率变化各不相同，我们在每一个转角处设置不同的偏移半径使得分格满足要求，但由外向内进行第二次偏移时，转角的曲率已经发生了变化，为了解决这一问题，最终采用在每一次迭代偏移的同时调整转角偏移半径，来确保过渡自然，最终使得天花飘带造型完美呈现。

屋顶和侧墙分格调整：屋顶和侧墙铝板边长最长达到12.5m，超大板块的铝板考虑到铝板加工成本高、运输易变形、安装等一系列难题，最终将分格优化至每块铝板边长不超过5m，极大降低施工成本。

蜂窝铝板优化：在初版模型的基础上利用BⅠM软件Grasshopper按照优化技术路线对屋面、侧墙面、天花三个部分每一块面板的板面翘角和拱高进行分析。在咨询铝板厂家后，了解到相关铝板加工参数和铝板的相关性能，在不影响建筑外观的原则上，我们既要控制造价，又要严把质量。最终制定了优化方案，在理论面板模型的基础上按照程序限定条件，对应将符合要求的铝板优化为平板或者单曲，并且保证优化后的面板与未优化之前面板翘角、拱

高差在可控制范围内。2）BⅠM碰撞检查

在幕墙工程的施工过程中，会出现无法满足安装空间要求的情况，这直接影响了建筑工程的整体质量和建筑还原度，并且可能会给项目带来一定的经济损失。那么BⅠM技术在施工过程中的应用，就可以实现高效的施工碰撞分析，减少因为设计过程中所存在的一些无法满足安装空间或是结构突出幕墙完成面的严重碰撞问题，保证施工能够顺利高效的进行[1]。碰撞检查的一种有效方法是进行模型施工预模拟。通过碰撞检查来验证球铰点到完成面的距离是否满足实际安装距离、通过实测卸载后球铰坐标与球铰理论坐标对比，分析沉降差值，在理论BⅠM模型的基础上应调整牛腿长度，以此确保每一个牛腿都能与龙骨准确连接。

3）BⅠM模型下料

BⅠM技术在幕墙龙骨下料中的应用[2]。该工程屋顶和侧墙龙骨同属一种类型，天花龙骨为另一种类型。自由曲面幕墙中的龙骨主要是弧形龙骨。考虑到实际拉弯情况及原材料长度的利用率，还需要将龙骨进一步优化为标准弧形，龙骨长度模数为6000mm、3000mm、1500mm。龙骨优化的过程中，为了保证复杂建筑造型的延续需要控制弧形龙骨在优化标准弧形的优化误差，在可调节空间范围内优化，若不能达到要求则需要降低模数来满足。且拉弯在提取加工数据的过程中，为了有效提高龙骨加工数据的效率和准确率，使得龙骨加工精度有一定的保障。此项目采用了GH参数化插件对龙骨的数据进行批量提取并写入龙骨属性，导出加工明细表（见图1）。

图1 部分拉完明细表

4）BⅠM可视化交底施工

为了让施工效率更高，定位更加准确，利用前期写入大量属性信息的模型进行三维可视化交底，在模型的基础上读取定位属性信息并导出定位明细表，更好的指导现场劳务人员施工（见图2）。

图2 三维可视化施工交底

5）BⅠM在施工管理中的应用

该项目一侧临湖，施工场地较为狭小，这对复杂幕墙的施工产生了一定的限制[3]。在实际施工过程中应用了BⅠM技术对施工区域和施工场地进行了合理的分区规划[4]。首先应用BⅠM技术对复杂幕墙施工中实际条件以及相关的安装要求进行了全面预测，然后对相应的数据进行模拟[5]，之后对施工场地的使用规划做出了合理安排和规划，其中包括物料运送到施工现场的时间、物料在施工现场堆放的时间、物料的取用路线等，以此来保障每一个阶段的施工进度和施工质量[6]。

6）BⅠM在装配式中的应用

此项目天花蜂窝铝板龙骨原方案是散装龙骨。考虑到散装龙骨定位数据量大，施工效率低，施工精度及安装进度无法保证。根据现场及实际施工情况，9040根散装龙骨经过讨论、验证，最终形成了以每四个或三个球铰区域组成一个吊装单元的装配式方案，577个吊装单元，通过犀牛插件Grasshopper程序，将每一个吊装单元的组框数据一次提出（见图3）。同样使用RhinoDottext对象来进行可视化的编排，用于指导装配式吊装单元的组框。装配式吊装单元组框是在车间完成焊接，在焊接精度和质量上远高于现场作业。框架式幕墙龙骨单元装配式施工技术运用了装配式施工理念，为同类幕墙工程的施工开创了一种新的方法。同时，装配式幕墙的施工成本比普通框架幕墙低，更是远低于单元体幕墙；该技术总体上具有技术先进性特点，缩短了施工周期，提高了施工质量，而且给项目带来良好的经济效益。

图3 单榀吊装单元含组框数据

5 结语

在复杂幕墙的面材下单过程中，面材的数据提取困难，数据量庞大，给下料工作带来了很大的困难。此项目通过BⅠM技术进行模型下料，极大的提高了下料的准确性和效率，推动面材模型下料将是幕墙下料发展的方向。复杂幕墙的结构复杂，在设计、加工、施工方面都有很大的难度。将BⅠM技术运用到复杂幕墙项目中，通过BⅠM技术三维数字化技术来论证设计方案的可行性；提供精确的组框数据，提高加工的准确性；通过BⅠM技术精确定位幕墙构件，极大提高了施工精度和施工效率。通过美术馆项目BⅠM技术的运用可知：将BⅠM技术运用到复杂幕墙的项目中，能够有效保障施工效率和施工质量，解决传统技术无法解决的难题，并合理节约工程成本。