BIM技术在建筑幕墙工程中的应用——以南水北调纪念馆项目为例

罗国兴 李 铮 孔豫栋 张利彬

幕墙由石材、玻璃、金属板等面材以及立柱、横梁、钢结构等支撑结构体系组成，是依附于建筑主体存在的不承重的外围护装饰性墙体，是建筑物的重要组成部分。随着我国经济的飞速发展，现代建筑的体量越来越大、结构越来越复杂，随之幕墙结构也越来越复杂。在此背景下，传统的二维软件已无法满足建筑幕墙的设计、施工等需要，必须借助三维模型软件进行建筑幕墙的设计、施工以及管理。BIM 技术是近年来出现的一项新的建筑数字技术，其应用能将传统的二维平面转化成三维立体建筑模型，可以看到完整的内部结构[1]。这对建筑行业来说可以有效避免许多设计、施工等方面的错误，防止造成工程返工或者出现事故，并能加快工程建设进度。基于此，下面以南水北调纪念馆项目为例，探讨BIM技术在建筑幕墙工程中的应用，以期为其他类似项目的设计提供借鉴。

1 BIM 技术概述

建 筑 信 息 模 型（Building Information Modeling， BIM）技术被誉为继计算机辅助设计软件CAD 之后的第二次设计革命，是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具。BIM 技术由欧特克（Autodesk）公司提出，目的是帮助相关人员将建筑设计、施工直至项目终结的所有信息集合在一个三维模型的信息数据库中。基于BIM 技术实时统计分析和协同设计的功能，可以协助设计单位，事前最大限度地减少图纸错误。基于BIM 技术的模拟分析、可视化沟通功能，可以协助施工单位，保证重点施工部位的顺利施工，减少返工；监控现场施工，提高各方施工质量；加快施工进度，保障项目的工期等。

2 南水北调纪念馆项目概况

南水北调纪念馆位于河南省焦作市解放区人民路与普济路交汇处西北侧，建筑共3 层，高23.9 m，主体建筑面积为1.56 万m2，幕墙面积为1.40 万m2，项目总投资4.4 亿元，工程造价为6 500万元。该纪念馆的建筑外观以水为形，以渠为意，取意“水到渠成”，陈设内容突出南水北调精神、南水北调文化，具有宣教、纪念、展陈以及观水等功能。建筑幕墙系统包括平面铝板幕墙、竖明横隐玻璃幕墙、铝镁锰板+金属幕墙、曲面折边铝板幕墙、单曲铝板幕墙、双曲铝板幕墙以及玻璃幕墙等，其中玻璃幕墙包含点支式玻璃雨棚、采光顶、隐框玻璃幕墙及开启扇系统等，异形幕墙占比为85%，其屋面金属幕墙同底层铝镁锰板系统交错布置，施工工艺复杂，质量控制难度较大。

3 BIM 技术在南水北调纪念馆幕墙工程中的应用

3.1 项目实施重难点

一是设计环节薄弱。该项目中的铝板金属幕墙合计1.3 万m2，其中85%为双曲面板，15%为平板。铝板固定全部附着在钢结构表面，曲面板的下料和定位安装困难；原大尾巴端头结束突兀、无流线美感。二是施工环节问题突出。项目以水为形，整体以流线造型为主，施工措施复杂，异形幕墙下料和安装复杂，空间定位难度大，幕墙施工效果完成度较难把控。三是生产管理盲区多，协调难度大。单凭传统的二维平立面施工图不能实现对异形幕墙项目的全面展现，现场错落复杂的结构使得材料生产加工、施工流程控制困难。四是项目计量难以实现。异形幕墙不能通过平立面图进行工程计量，大量单双曲铝板面计量无从下手。

3.2 BIM 技术具体应用

Rhino 7.0，又名犀牛3D 建模软件，是一款专业、高效、实用的3D 建模工具。该软件功能强大，可应用于三维动画制作、机械设计，以及建筑设计等领域。另外，建筑工程项目中常用的BIM建模软件有Revi、Bentley、ArchiCAD、Envisioneer 等。

基于此，笔者采用Rhino 7.0 进行参数化建模，之后导入Navisworks、Revit中进行数据集成，最终全部数据进入幕墙工程BIM系统进行信息管理和维护[2]。下面笔者结合南水北调纪念馆幕墙工程中的重难点问题，从设计优化、施工生产以及工程计量3 个方面具体介绍BIM技术在幕墙工程中的应用。

3.2.1 设计优化

通过三维模型直观地呈现二维图纸错漏碰缺问题，对于异形幕墙设计尤为重要。该项目中85%的板块为双曲面板，具有加工时间长、成本高、易变形、安装难度大及定位复杂等特点，因此，在节约成本、保证造型的要求下，需要优化双曲板。通过Rhino 7.0 的可视化编程插件对幕墙面板的曲率进行分析，从而进行面板优化。其中，将所有典型的节点大样通过搭建BIM 模型来实现可视化操作，使系统构件更加直观形象。模型效果如图1 所示。

图1 模型效果

另外，该项目原大尾巴端头结束突兀、无流线美感，如图2（a）所示，笔者通过对该部分的实际测量，结合数据建立三维模型进行优化设计，优化效果如图2（b）所示。

图2 项目大尾巴端头设计方案优化

3.2.2 施工优化

弧形龙骨优化。由于表皮及复测点无法大面调整，因此为保证圆弧与顶面、侧面接口保持顺滑，圆弧铝板不能做成标准圆弧[3]。根据斐波那契曲线，不同曲率的两条曲线依然可以顺滑连接，因此分格时使顶面线与侧面分格线保持在同一平面，并在同一平面连接两条线做切线连接，即可保证接口处顺滑，确保模型的效果。优化后的弧形龙骨如图3所示。

图3 弧形龙骨优化效果

龙骨整榀吊装。根据节点图在模型中建立好如图4 所示的龙骨模型，出具龙骨CAD 图纸，提取出整榀龙骨的控制点坐标。在现场根据龙骨加工图，按尺寸切割好钢龙骨并进行焊接，依据从模型中提取的控制点坐标对整榀龙骨进行吊装。将骨架成整榀出图，按照加工图进行预拼焊，可以在地面根据图纸上的控制点检查骨架的精准程度，方便施工和精准度复查，减少焊接误差。根据每榀骨架的编号，测量员配合空间坐标，可以实现快速吊装，减少现场焊接时间，提高效率。

图4 龙骨模型

B 轴大曲面铝板安装。因该处钢结构周围环境空间复杂，不适宜外部测量打点施工作业，而钢结构内部空间大、视野好、地面平整，所以采用室内投影的方法定位槽钢连接件，可以实现骨架的集中加工和快速吊装作业。采用室内投影的方法定位槽钢连接件的具体步骤如下：首先建立槽钢及龙骨模型；其次取出槽钢控制点，投影至地面；最后将两个控制点连线延长2 000 mm+1 000 mm，得到的两个点投影至地面[4]。

3.2.3 工程计量

幕墙工程计量借助三维模型进行计算更加直观和精准[5]。该项目幕墙的面材、龙骨、主材通过模型参数化提取，将同厂家下单的不同批次铝板在模型中用不同颜色进行区分。同时，通过模型颜色，选中所要批次即可获知该批次面积（图5）。这便于向甲方报每月工程量，且该项目铝板由两家材料商进行供货，由两家劳务队进行不同部位施工，相同材料商及劳务商办理结算时，不同批次数据可搭配使用。另外，现场管理人员通过该模型可迅速得知来料部位，规划现场材料码放位置。

图5 模型颜色选择显示效果

3.3 BIM 技术应用效果

BIM 技术在设计优化中的应用。大大优化了铝板曲面，从而降低了现场劳务挑选板材的时间，而且在板块大小合理的优化范围内减少了龙骨的下料尺寸，降低了成本投入等。

BIM 技术在施工优化中的应用。通过批量优化圆弧龙骨并出图，加快了加工效率，且现场易于安装，同时便于龙骨架施工和精准度复查，减少焊接误差，可以实现快速吊装等。

BIM 技术在工程计量中的应用。为商务和物资人员节约了大量的统计工时，并且数据随设计和技术方案的变化而变化，实现了数据的实时更新和前后方案各种数据的有效比对。

4 结语

南水北调纪念馆的设计灵感来自成语“水到渠成”，目的是打造一个集展示、教育、记录以及体验于一体的综合性纪念馆。BIM 技术提供的精准信息有助于相关人员高质量完成建筑设计、施工、管理工作并节约成本。该工程通过应用BIM 技术，有效提高了施工质量及效率，节约了成本投入、缩短了施工工期。