BIM拓展下的异形幕墙设计及施工方法分析

严光芒

（中建八局装饰工程有限公司 江苏南京 210000）

随着建筑技术的逐步发展，其本身的形式也在不断突破。而幕墙作为建筑外在表现的载体，集建筑美学与功能于一体。形式多样的幕墙造型、复杂多变的幕墙系统也促进了幕墙施工技术的进步。而BIM技术作为一种新的工作思路，在这种背景下也逐步得到深入应用。

本文基于项目的施工重难点，运用BIM技术，将一体化设计、智能化施工纵深推进，以实现协同工作为目标，探讨打通各流程之间壁垒的一般方法，为工程实施提供标准化作业流程参考［1-2］。

1 项目重难点及对策分析

根据现有的幕墙工程（如杭州奥体中心三馆幕墙工程、杭州萧山国际机场幕墙工程等），总结一些幕墙项目存在的一般重难点，并针对问题进行分析，为后期设计施工的完美履约寻求解决思路。

1.1 特点分析

项目规模大，是重点工程，要争创国家级工程奖项，工艺要求较高；占地面积大，施工专业多，同时交叉施工，施工现场管理挑战大；幕墙系统种类多，工艺复杂，深化设计要求高；材料种类多；结构外形为双曲面，造型扭曲，规律难寻，施工定位难度大，施工质量难以保证。

1.2 BIM解决措施

使用BIM技术、智能设备等数字化先进管理手段，确保项目能够提质增效。结合整体模型进行4D模拟，合理安排各专业施工进度；使用协同管理平台，各专业单位基于平台沟通协调解决施工问题。基于BIM 模型，分解各工序，将关键计划前置，以双优化为导向，简化工艺，合理深化，达到创造效益的目的。使用三维扫描技术进行逆向建模，基于模型优化曲面构成，深化下料，使用放线机器人测量定位，提高精度与效率。

通过重难点及相应对策分析，明确BIM 技术在项目中的应用方向与思路，由设计到施工的全流程、多层级应用，为项目提质增效创造基础条件［3-4］。

2 BIM技术在设计中的应用

如何在完美履约的同时，实现降本增效的目标，这一直是施工单位思考的问题。而作为“双优化”之一的设计优化，更是从源头对项目的成本效益进行把控的关键。设计优化所囊括的方面很多，主要在规范、效果、性能允许的情况下对幕墙从整体造型、细部构造到物料使用等方面的优化。

基于BIM全局的设计优化主要目标从6个方面入手：消除结构沉降及误差影响、提升外立面效果、使采购加工及安装更加简便、处理现场变更更加便利、安装避免交叉施工影响、质量更加容易控制。

由于幕墙表面造型的特殊性，造成了构件与构件之间连接的特异性，三维可视化设计能够基于模型拟合设计效果并及早发现存在的设计问题。

目前，在幕墙专业建模的基本思路多是采用Rhino+grashopper 为主，Revit 等软件作为辅助。先从原设计院提供的建筑表皮模型入手，若无相应表皮模型，还需依据原始图纸和建筑师提供的幕墙表皮形成的规则算法和相应逻辑找出控制点和内在规律，进行点集处理，由点成线，由线成面，最终处理形成表皮。再以表皮为基准，进行分割优化形体，确立初步的幕墙分隔模型，进行建模，建立各幕墙系统模型，结合立面整体效果分析。

确立最初的幕墙分格模型，通过该分格后的模型可进行幕墙板块特性分析，采用参数化建模方式，批量分析板块几何特征，包括板块的尺寸、翘曲值、倾角、进出位变量等特征，为方案制订和优化提供理论依据。在设计下料阶段，通过应用Rhino+GH 实现参数化联动，基于模块化的程序，将幕墙构件按照标准化编码规则进行分块编号，提取基础加工尺寸数据，与料单关联，并同步出具加工图。

幕墙深化设计从优化到放样，所有构件的统计、编号、生成加工数据实现批量化操作，在设计端就实现数据的自动流转，实现精度与效率的双提升［5-6］。

2.1 基于BIM技术的深化设计方法

大部分异形幕墙深化优化方法都有规律可循，还是需由点到面，从全局考虑，保证质量的同时，综合考虑成本与效率，以一体化设计思想为指引，从目前实践中总结出基于BIM 技术的幕墙深化设计原则，根据具体项目，具体分析其适用性。

幕墙施工时本着设计先行原则，异形幕墙通过参数化分析，前期对幕墙系统构成进行分析，寻找共性特征尽量单方向规律化，中心散射状幕墙运用好退阶进阶原则，遵循片架原则、直角原则、等分化原则、单元化分隔原则，当遇到复杂形态无法控制时，可将问题扩大后忽略部分元素，增大自由控制度，对幕墙整体进行合理优化。以下就常用的几种方法进行介绍。

2.1.1 片架处理

有些幕墙分隔呈现扭曲弯曲形式，对于后期幕墙施工及质量控制具有极大挑战性。幕墙表皮分格扭曲或错位时造成空间立杆扭转，为方便定位安装，保证整体造型的同时，使分隔立杆优化在同一平面上，形成片架成品安装。

2.1.2 合理拆分

当片架原则中主龙骨仍存在错位状况时，可适当拆分表皮分隔与立柱的对应关系，多角度错位组合构成龙骨，综合考量排布增强安装调节适应性。

2.1.3 直角转换

当遇到散射状扭曲幕墙分隔时，有时会出现极端尖角状况，不利于安装及材料加工利用，此时，散射交于合适边缘相互作垂线，形成类矩形面板，提高材料的利用率。

2.1.4 曲率优化

对于一些双曲面表皮幕墙，优化分缝后，可通过程序计算每一块面板的拱高，判定拱高小于一定程度时，可做平板处理，减少双曲板规格数量。例如，在项目中遇到曲率问题，可尝试应用如下拟合方案：（1）若两条曲线的拱高均小于10mm，则将此板块平板处理；（2）若两条曲线任意一条的拱高大于10mm，则将此板块做单曲板处理；（3）若两条曲线的拱高均大于10mm，则将此板块作为双曲板处理。

2.1.5 共性互换

在优化表皮龙骨构造时，需尽可能考虑到构件材料的通用性，在不同情形下能够实现互换，有利于减少废料，及时替补。

2.1.6 单向规律化

当原表皮分格形式多样时，可能造成构件模数较多，此时，可考虑将分隔在单方向进行规律等分，从而降低构件的差异化程度。

2.1.7 单元拼装

对于分格较多、板材较小、有规律可循的幕墙，可从整体到局部，寻找规律，进行单元化处理，最终实现地面加工，成榀吊装，减少高空作业量，提高安装速率，增加施工精度与质量。

此外，若遇到一些普遍存在的问题，如防水封堵、背衬板等收边收口问题，可尝试将问题扩大，忽略部分元素、增大自由控制度等来减少变量，实现对于整体施工速率的把控。

异形幕墙深化设计的主要重难点就是如何将无序扭曲变为有序的问题、功能性问题、加工、废料套料问题。这些都可以通过模型进行优化分析，并基于Rhino+grashopper编写相应算法程序，分析其中的逻辑来寻求解决方法。

2.2 BIM技术在施工中的应用

为将问题前置、减少施工中常见错误、提高技术质量交底效率，前期通过Navisworks 整合各土建结构等专业模型，进行碰撞检查，结合深化设计方法，对模型进行整体优化调整。施工前，对复杂工艺模拟及施工措施分析等也是必不可少的流程。利用BIM技术对施工过程进行拆解，将工序前置，通过BIM三维可视化沟通，能够直观地展示建筑的形态和构造，所见即所得，能够有效地缩短沟通时间，使设计图纸具体化，指导现场施工。利用BIM 辅助进度模拟，将实际工期与计划工期进行对比，发现滞后工序，及时纠偏。基于BIM4D虚实结合的工期展示，为大规模、多工作面、多专业协调的计划论证带来了极大的便利。

在保证精度的基础上，将材料的下料、生产提前进行，缩短工期，提前发现结构偏差，消除结构沉降及误差影响。可视化交底形象、直观，使被交底人更容易理解设计意图和施工重难点。提前发现瑕疵，有助于外立面效果、性能的提升，使质量更加容易控制。

通过设计优化等环节解决各类基础设计问题之后，现场能否按图模施工还需经过测量放线检验。根据现场情况，结合模型数据分析，在此阶段数据大概分为以下3种状态。

第一，已知点：有标记，并且有坐标的点，也可称为参照控制点。

第二，放样：有坐标，但无标记的点，需要按设计坐标在实地标记出来，通常称为放线。

第三，测量（数据采集）：有标记，但无坐标，需要用测量的方法将坐标测出，也可称为返尺。

在测量放线采集数据阶段，依据项目情况分析，主要运用如下3 种方法：（1）几何关系法：通过几何位置转换，运用辅助线进行定位；（2）空间坐标法：提取图纸所需坐标点，运用全站仪打点定位；（3）信息数据法：运用三维扫描仪进行点云数据分析对比。

在传统施工方法中，测量放线阶段较为常见的是运用结合关系法。几何关系测量法种类较多，有立体三维测量放线、弦高法尺寸定位测量放线等，这些都是之前现场常用的测量方法，原理较为简单。而对于异型轮廓、复杂曲面，通过造型逻辑关系、几何关系、数学解析函数等途径确定相应关键点，可采用普通全站仪+水准仪完成测量工作。

在施工现场，一些异形项目的测量、放样、定位等工序都有以下特点：（1）定位点对施工质量控制特别重要，但提点及统计点比较复杂；（2）施工质量依靠班组水平，并且水平参差不齐；（3）前期一旦出现定位偏差并没有核查出来，将导致材料浪费需重新下单，观感质量下降，返工影响工期；（4）安装效率低下，抢工期人多也不出工作量。

从之前异形幕墙施工的案例来看，BIM模型解决了施工图纸的碰撞及材料下单问题，三维扫描解决了异形结构龙骨返尺及逆向建模问题，而后期装饰构件到位后，施工参照依据还是“传统图纸+三维模型”的视觉参考、手工拉尺、坐标点输入测量等工序，从而不能保证现场与BIM模型一致。即是数据的自动流转在定位安装环节出现了断层，增加了很多不确定性，所以，空间定位的精度及速度还一直是掣肘施工质量的难题。

在此基础上，结合同类项目应用经验，引入“三维激光扫描仪+BIM放线机器人”。三维激光扫描技术是一种实景复制技术，它能够突破传统的单点测量方法，提升测量速率。三维扫描技术运用步骤分为现场勘查、标靶布设、现场扫描、数据拼接、逆向建模等，主要是实体数据的虚拟应用。而BIM放线机器人是将BIM技术和智能全站仪结合起来，能够实现根据需求自动搜索、跟踪、辨识和精确照准目标，并获取角度、距离、三维坐标及影像等信息的智能型全自动电子全站仪。在项目使用中，将深化好的BIM 设计模型直接导入机器人的放样手持设备上，并通过在设备上点击捕捉模型的方式创建点目标，然后只要点击该点目标，仪器将自动旋转，直接照准该点，这样就可以将目标点放样到实地，省略了人工计算、手动输入的环节。目前，天宝和波士顿合作研究的测量机器狗能够自主测量定位，是由传统走向智能化的一种尝试。

三维扫描仪与BIM放线机器人的结合使用不仅促使了BIM 技术能够与施工现场紧密结合，并且简化了作业流程，提高了作业效率。由于人工干预少，避免了计算错误和输入错误，保证了放样结果的正确性，从而实现数据信息的自动流转。

2.3 BIM技术在施工中的信息化协同管理

项目管理各体系、各层级间缺乏快捷、有效的信息共享与交流渠道。对于施工单位来讲，各个专业存在着“信息孤岛”，相互之间信息的有效准确传递和交流存在一定的困难，不稳定的信息数据接口也导致项目管理效率得不到保证。

为保证各专业、各流程之间的数据传输的整体性，建立统一的整合作业环境，减少各专业接口冲突，达到提升工程质量的整体目标。在项目中使用了C8BIM协同管理平台，按职责建立架构信息及设置相应使用权限，BIM 设计师上传模型，经过轻量化处理后，能够通过移动端等3个端口进行可视化交底。现场若发现问题，可拍照，基于平台模型绑定构件及位置上传相关问题，各体系人员可根据问题进行回复处理意见，问题处理结果一目了然。此平台还能够按照工艺安装顺序对构件工序进行拆解，根据既定工期，绑定构件批次，实现构件安装的4D 模拟，检验工序及工期安排是否合理，让施工中的每个工序质量确保在可控制范围内，能够真正做到事前预控、事中可控，为幕墙工程的质量提供可靠保障。该类平台还可与RFID 等一批智能硬件结合，通过射频技术与生产管理的有机统一，追踪构件动态，实现构件物料生产状态的可视化管理。除此之外，还可上传项目各类资料信息，能够加以整合分类、储存及供项目团队分享，大幅提升工作效率。平台的有效使用能够在信息爆炸时代精准把握关键信息，降低信息的不稳定性，降低随机事件的发生率。

3 结语

从远景来看，BIM 技术在幕墙工程全生命周期中的应用可通过硬件设备与物联网平台深度融合，将方法模型化、模型算法化、算法软件化，用软件优化物理空间，利用低代码技术形成大众化的平台，降低使用门槛，打破专业壁垒，加快数据的流动效率，促进建筑产业数字化转型。