BIM技术在建筑幕墙设计中的应用

张宏望

［摘 要］当前我国高层建筑数量日益增多，在钢结构、幕墙建筑领域的实力不断加强。BIM技术的革新应用，为建筑设计施工的质量提高建立了牢固的基础，在项目整体的经济效益上有了明显的提高。本文从高层钢结构与多曲面幕墙正向设计、数字化加工、信息化建造等方面切入，利用BIM技术、计算机数控技术、三维扫描技术等研究高层钢结构与多曲面幕墙设计、采购、施工一体化的关键技术，对数字化模型进行修改优化，将生产、施工中产生的误差及时消除，确保钢结构与幕墙的精细化管理和高质量施工，加强EPC模式下BIM技术应用体系的管理，以及项目品质工程建设质量。

［关键词］BIM技术；幕墙；钢结构；设计

［中图分类号］TU7 文献标志码：A

本文通过研究BIM技术在高层钢结构与多曲面幕墙设计、采购、施工的一体化应用，试图解决钢结构与多曲面幕墙节点优化设计复杂、构件生产加工不精确以及施工中测量定位等问题，以期增强各单位、各专业之间的工作协调能力，提高施工技术水平和结构质量，使项目效益最大化。

1 项目概况

本项目规划用地面积约53.03亩，总建筑面积148 627平方米，地上总建筑面积94 827平方米，地下总建筑面积53 800平方米。主要功能为超高层写字楼、酒店、商业综合体，建筑地上、地下连为一体，地下设平战结合人防设施。其中，168米的智慧甲级写字楼是该市的最高建筑，未来将进一步推动区域的产业升级、商业聚集，完善配套设施，使其成为真正意义上的地标建筑。

2 项目难点分析

2.1 多曲结构识图难

多曲面幕墙结构图纸复杂，传统二维图纸无法清晰表达多曲面幕墙结构，缺少空间状态信息，且各专业图纸之间缺少信息的交互，导致钢结构与多曲面幕墙的位置关系不明确，无法做到精确施工。

2.2 多曲结构测量定位难

在钢结构与多曲面幕墙设计、施工中，构件的定位会受到各种因素影响。钢结构与多曲面幕墙的构件测量定位，需要提高构件安装时的空间定位精度，避免钢结构与多曲面幕墙碰撞问题，所以对模型设计、测量仪器和施工工艺的要求较高。

2.3 专业深化设计难

钢结构和多曲面幕墙在深化设计阶段，需要充分考虑构件焊接形式、焊接顺序、安装顺序等，要求深化设计人员对施工工艺有熟悉的理解。各专业、各工序之间的深化设计容易存在的错漏碰缺问题，需要各专业在深化设计过程中进行沟通交流。

2.4 专业接口协调难

各专业之间互相影响，很难协调一致。在设计过程中，需要专业分包单位参与其中，做到边设计边深化，避免反复设计及深化，影响设计工期。同时，对各专业分包单位进行界面及设计接口划分，利用BIM模型消除土建、钢结构和幕墙之间的结构冲突，为后续施工方案的可行性提供保障。

2.5 专业安装施工难

钢结构与多曲面幕墙安装对精确度要求较高，受到各工序和工况的影响较多。

在各个工序下，工序自身出现的误差影响着下一道工序。土建、钢结构以及幕墙施工过程中会产生构件空间定位信息误差的问题，工序之间的误差不断地积累，会产生严重的质量问题。

在各个工况下，外部因素会对局部或者整体产生较大的影响。超高层建筑在遭受外界压力（风荷载、雪荷载、地震荷载等）时，会对施工中或者已完成的钢结构和幕墙结构造成不可避免的影响，从而使建筑物整体质量下降。

3 BIM技术在建筑幕墙项目中的应用

3.1 正向设计

3.1.1 模型创建

设计人员根据初步设计文件，采用Revit软件进行三维模型的建立，如图1所示。利用三维模型可视化的特点，直观反映设计文件所表达的建筑的最终形态。通过软件直接进行格式的转换，采用其他软件对项目进行结构计算、抗震分析、火灾人员疏散分析等。相比传统的二维图纸设计流程，减少由二维图纸到三维模型转换的步骤，避免了因多次转换而出现错误的问题。

3.1.2 协同设计

在BIM正向设计过程中，建立设计单位与总包单位的协同平台，用于双方的信息交流［1］。运用BIM技术协调的特点，使各单位、各专业间能够得到及时有效的沟通，把建筑中的设计不合理、结构碰撞等问题解决在设计阶段，减少后期的工程变更。

充分利用EPC项目管理的特点，形成设计与施工相互协调的工作流程。总包单位配备各专业的设计与技术管理人员，负责对接各专业设计团队，同时与设计单位保持有效的交流，提供项目施工方案或者施工现场最新的设计需求，便于设计人员对模型进行优化调整。

总包单位在收到设计模型后，组织项目BIM工作小组和专业分包对设计模型会审。通过Revit软件对各专业模块进行集成，使用Navisworks软件对各专业进行碰撞测试。与传统的图纸会审有所不同，项目管理人员利用BIM模型可视化的优势，使用设计单位提供的设计模型与施工图进行叠合审查，对多专业图纸之间协调进行把关，从而提高项目管理人员对各专业图纸检查的准确性［2］。

3.2 数字加工

3.2.1 模型数字化

集成BIM技术和数字技术的深化应用，建立数字化模型。对钢结构和幕墙的模型进行数字化的深入设计，如图2所示，赋予加工所必要的信息。随后将模型信息传送给厂商进行构件的加工，通过数字化模型直接传送数据，同时使用数字化模型生成二维加工详图和材料清单。由于数据的准确性和不遗漏性，BIM模型的应用能够有效解决信息创建、管理与传递的问题。

3.2.1.1 钢结构专业

确定钢结构构件的空间参数，对钢构件位置进行三维校核，消除施工图设计和加工工艺的误差。通過BIM设计的三维可视化特性，展示出钢结构与幕墙的空间构造关系，对构造关系明显有问题的位置，由专业分包提出解决意见，由设计单位进行审核，审核完成后进行模型的修改优化，从而提升出图质量［3］。

3.2.1.2 幕墙专业

幕墙与钢结构节点，如图3所示。接口处理，规定预留在钢构件上固定连接节点属于幕墙专业深化范畴。幕墙与钢结构节点之间的转接件，由幕墙专业进行设计、深化、制作、安装。在施工过程中，钢结构在安装过程中产生的位置偏差，需要幕墙专业分包对转接件的调整，消除由钢结构产生的误差。

3.2.2 构件制造

通过数字化技术的研究与应用，对构件数据进行录入，在信息化建造管理平台中形成模型管理的数据库，通过数据库对构件加工制造进行数字化管理。

钢结构与多曲面幕墙使用三维扫描技术，通过测量进行数据的实时反馈，以解决构件与现场施工不匹配的问题。现场施工过程中利用三维扫描技术提取数据，与数据库数据进行比对，利用BIM技术分析和优化钢结构和多曲面幕墙设计，确定建筑控制基准点，采用参数化建模公式，根据构件成型原则和公式，消除施工过程中的误差，并以该模型为基准确定钢结构构件模型、幕墙分格模型、加工板块模型等，以及出具加工下料表，最终完成对钢结构与幕墙构件的加工。

在实现精准加工的同时，有效解决钢结构与多曲面幕墙设计和制造系统之间的“信息孤岛”问题，实现工程信息共享与集成管理。

3.3 智能建造

3.3.1 材料管理

以数字化模型为基础，提取所有构件的编号信息，并通过二维码平台所生成的二维码进行一一绑定［4］。二维码内包括构件的基本信息、定位信息、运输信息、施工验收信息等。将构件二维码与工作人员、运输车辆信息进行绑定，记录构件生产加工至安装验收每个阶段的相关信息。

首先，构件进场前，生产厂家将二维码与构件进行匹配粘贴，通过二维码上传构件的合格证明、质量证明等文件。总包单位通过信息化建造管理平台和扫描二维码，即可快速查看构件生产相关的信息。

其次，构件进场时，现场施工人扫描运输车辆或者构件二维码确认构件的基本信息、运输信息等，材料工程师进行材料进场信息验收，查看材料堆放的注意事项，完成材料验收流程。现场施工人员通过扫描二维码，直接将构件运输至施工场地附近的材料堆场，避免出现现场构件丢失的问题。

最后，构件入场后，项目管理人员扫描二维码，上传施工方案、施工动画模拟等技术指导性文件，完善施工所需要的信息。而施工人员通过二维码可以查看构件的定位信息、安装信息等，了解施工工艺、施工质量要求信息等，使施工时的质量提前得到保障。

3.3.2 可视化管理

在钢结构安装过程施工中，利用信息化建造管理平台进行辅助管理，绑定施工人员、工程材料、机械设备等信息，对施工过程进行实时管理。通过BIM技术管理手段，对这些信息进行时间管控，从中可以发现钢结构在施工时所存在的问题。

3.3.3 钢结构与幕墙定位

钢结构与多曲面幕墙定位测量施工需要精确控制，以保证结构施工与BIM模型保持一致。项目通过钢结构与幕墙的数字化模型，导出构件的坐标数据，同时在模型上对定位点进行编号，如图4所示。施工时可以根据构件坐标数据表和幕墙定位模型信息对比，确保安装数据无误［5］。

在施工中及时对数据进行调整，根据已调整的主体与钢结构模型，扫描施工现场已完成主体与钢结构得到点云模型，通过模型提取的坐标数据，用于施工现场对构件定位的数据调整。在此模型基础上对模型进行分析调整，及时消除现场构件安装产生的误差。

4 结语

本项目将BIM技术应用贯穿幕墙工程设计施工全生命周期，详细阐述了高层钢结构与多曲面幕墙设计施工一体化中BIM技术在项目的正向设计、模型深化、施工模拟、专业模型深化、构件加工等方面的应用。在设计管理、协同管理、质量管理和技术管理中，基于传统管理、技术应用中存在的问题和不足，通过对EPC管理模式下高层钢结构与多曲面幕墙的BIM技术的研究与应用，可以强化设计采购施工之间的协调工作能力，形成可参考的BIM技术应用管理体系，提高项目整体的管理能力。

参考文献

［1］曾乐. 超高层房建项目设计施工一体化BIM应用［J］. 土木建筑工程信息技术，2021，13（6）：138-144.

［2］徐惠儿，丰景春. 基于BIM的EPC项目价值增值研究［J］. 工程管理学报，2018，32（4）：137-142.

［3］王枭萌，侯庆达，吕家玉，等. BIM技术在复杂多曲形建筑施工中的应用［J］. 土木建筑工程信息技术，2022，14（1）：86-96.

［4］杨扬. BIM在EPC项目管理中的应用［J］. 中国住宅設施，2021（12）：117-118.

［5］尚彬彬. BIM正向设计如何高效协同［J］. 住宅与房地产，2020（20）：18-21.