异形建筑幕墙中BIM技术的应用分析

异形建筑幕墙中BIM技术的应用分析

花扬

上海天华建筑设计有限公司 200233

【内容摘要】随着全球范围内，经济协同化、社会信息化、生产智能化、城市生态化、建筑低碳化的潮流不断发展，人们对建筑设计和施工提出了越来越高的要求，在全球城市中获得广泛应用的建筑幕墙也向着更趋复杂、多元、智能和人性化的方向发展。传统的二维建模方式，已经难以满足当今异形建筑幕墙的设计、制作、安装等要求。本文结合作者参与的工程实例，研究了三维建模的BIM技术应用于异形建筑幕墙的科学规律，分析了在实践应用中的贯串原则等特点，指出在异形建筑幕墙设计和制作中采用BIM技术所要把握的操作重点。

【关键词】异形建筑幕墙;BIM;三维建模;北京中国尊;超高层

【作者简介】花扬（1985－），男 ，上海人，同济大学建筑学学士，美国哥伦比亚大学建筑学硕士，美国注册建筑师，美国绿色建筑注册建筑师（LEED AP），曾就职于美国纽约KPF事务所，主要从事超高层综合体建筑的设计工作。

    1.发展的趋势－BIM技术的作用

随着全球范围内，经济协同化、社会信息化、生产智能化、城市生态化、建筑低碳化的潮流风起云涌，人们对建筑设计和施工提出了越来越高的要求，在全球城市中获得广泛应用的建筑幕墙也向一种更趋复杂、多元、智能和人性化的方向发展。建筑幕墙具有优秀的外观表现力与良好的抗变形性能，因此被许多异形、高端、特种建筑物的设计和施工所广泛采用[1]。

从整体上看，异形建筑幕墙可根据曲面形式分为回转曲面幕墙与非回转曲面幕墙两类，均具有很强的艺术表现力。但也因为异形建筑幕墙的独有特征，使其在实际建造过程中存在很多的技术难点。而将BIM技术应用异形建筑幕墙中，通过三维建模，可以实现建筑设计师在更高水平上的人－机互动，提高设计的智能化水平，使异形建筑幕墙的设计、制作与安装更加先进、个性、直观[2-3]。有鉴于此，我们需要对BIM这样的先进技术手段，深入地进行研究，在实践中不断总结其应用规律，以满足我国异形建筑幕墙的发展所提出的要求。

2. 北京Z15地块“中国尊”－工程的概况

Z15地块项目位于北京CBD核心区，东至金和东路，南邻规划中的文化中心，北至光华路，西至金和路。项目占地面积约1.15公顷，集甲级写字楼、观光、商务会所等主要功能于一体。Z15项目作为北京具有现代感的地标性塔楼，塔楼高528m，南观中央公园，北眺中央电视台，西临历史悠久的古城，东望北京CBD的核心延伸区，位于北京地理空间的核心地位。它提供给人们的景观非常丰富，也将是北京最高建筑之一。它的设计和建造，对于定义这座城市作为“人文北京、科技北京、绿色北京”的地位，凸显“文明圣地、创新高地、创意之都” [4]的首都城市形象有重要意义。

Z15项目塔楼体现了世界建筑设计潮流与中国传统文化理念的有机结合。它的整体造型从中国传统礼器“尊”的形体特征中汲取造型灵感，经过抽象处理与比例优化，既保持了“尊”形突出独特的弧形轮廓效果，又形成了比例上的秀美与优雅，具有拔地擎天和灵秀韵动的结合。塔楼平面为带有圆角处理的正方形，且上下宽度渐变，塔底几何轮廓为78m宽，在385m处的腰部为54m宽，顶部为69m宽（Z15地块项目概念图与施工现场如下）。

图1  Z15地块项目概念图

图2  Z15地块项目施工现场（作者摄于2016/5）

3.幕墙设计－整体的方案

该塔楼外幕墙设计的主要特征是在玻璃面基础上，加上宽度渐变的三角形竖向金属装饰条。这样，就使得渐变的竖向肌理与塔楼外形的曲线变化形成共鸣，由此形成的建筑效果不但强调了塔楼的形体特征，也弱化了塔楼侧面与转角间转折产生的光影反差，而且对必要的通风起到了一定的遮蔽作用。

该塔楼外幕墙的主体墙型（WT-1）为单元式构造，其几何分格上下连贯，突出了塔楼的整体感，同时也给擦窗机的操作提供了连续的竖向滑轨。塔楼顶部观光台和105层会所餐厅层处的玻璃幕墙（WT-2），保持了塔楼主体与主要分格及主竖条的处理，同时幕墙的玻璃为全超白，使整个塔楼的墙体更加通透，也增强了光线的采集和景观的魅力。

该塔楼的入口雨蓬处理沿用了尊的造型技巧，将塔楼的主体幕墙处理成一个可延展的壳体，在入口做拉起和延伸，形成与传统大屋顶相似的空间作用，该处幕墙（WT-3）的用材与主体幕墙一样，以强调塔楼设计的整体性和美感。入口幕墙（WT-4）为竖向不锈钢拉锁构造，玻璃为中空夹胶超白Low-e玻璃。

4.BIM技术在异形建筑幕墙中的应用

    北京Z15地块项目具有工期紧、体量大、结构形式复杂、造型独特、设计理念先进等特点。设计师在建筑幕墙设计中采用了BIM技术，目的是深化设计，借此减少变更，避免不必要的消耗，以达到最佳的工期目标。

4.1 BIM技术的贯串原则

设计师将BIM技术应用于异形建筑幕墙中时，前期BIM技术是跟着技术走的，一般根据设计要求规定出必要的原则，设计师根据这些合理的设计原则，来搭建整个幕墙的BIM模型。

在整个设计过程中，设计师需通过对BIM模型的不断研究，找出设计中存在的问题，而不是设计完便可以交接给下一阶段。BIM技术是贯串和融入到幕墙设计的整个过程当中的，在不断递进的设计过程中，设计师需要给出很多不同的BIM研究模型，这些模型并不是最终的模型，通过多个模型的综合分析，帮助设计师以及施工方在设计前期就能考虑并规避很多后期可能出现的问题。这也就是说，BIM技术是完成幕墙设计的贯串始终之技术手段[5]。

4.2 BIM的建模要求

⑴模型标准。《BIM建模标准》是设计人员工作的基础，其意义体现为：统一模型标准，细化模型标准在具体软件中的应用准则，使成果模型能够按照建筑系统进行过滤或划分，同时起到方便模型信息统计与提取的作用。建模标准如下：模型拆分、项目方向、基点、链接方式约定、标高定义、构件名称定义、工作集、过滤器、参数属性、共享参数等。

⑵设计协同。在基于BIM技术下建模设计时，将所有与几何定义相关的信息、数据等进行系统的表达与描述，达到对建筑幕墙设计、深化、制作、安装全过程的精确控制。几何控制系统是保证幕墙工程设计精度和工程控制精度的必要条析，所有相关方需要在此基础工作面下共同工作，达到设计的协同性[5-6]。

⑶BIM整合。BIM的应用必会用到许多相关软件，但相关软件的数据格式大多存在不标准、不兼容、不开放的情况。因此建筑设计师在实际工作中，需要对原始模型的建模方式进行调整，同时也需要不断地简化原始模型（如图3）。

图3  模型的简化分解示意图

4.3 BIM技术在幕墙设计阶段的应用

目前，建筑行业已步入了异形表皮、异形空间的设计阶段，三维曲面的幕墙设计也是越来越多。而建设单位通过大量的实际应用，纷纷指出：三维曲面幕墙的建筑成本高昂，由此带来诸多的限制。如果将BIM技术应用幕墙设计之中，可以通过调整逻辑公示及参数来促进曲面的有理化，使组合单元更加标准。实践证明：设计师在幕墙设计中采用BIM技术，在减少成本的同时，也能保证理想的效果，还能降低后期的施工难度。

在Z15地块项目异形建筑幕墙设计中，设计师先找到一个可以定义的体量，用一段弧线生成边界，并由边界生成面，然后利用基于BIM平台的参数化设计，可以更精准地划分曲面幕墙表皮，计算出最科学、合理的方案（如图4）。

图4 基于BIM技术的幕墙设计

4.4 BIM技术在幕墙制作阶段的应用

传统的异形建筑幕墙制作时，多是将模型展开成平面进行下料，利用钢化炉自动拱起一个适合的弧度，这种方法存在诸多弊端，例如应用此方法进行双曲面幕墙制作时，由于加工难度大，很容易造成幕墙渗漏等问题，使幕墙因经常返工而影响质量。而当设计师将BIM技术应用于异形建筑幕墙制作当中，能够有效地规避上述弊端，保证项目全生命周期的顺利完成。

大量实践证明：BIM技术利用参数化建模，能精细到曲面幕墙表皮的划分，减少预制幕墙的差错率，进一步提升工作效率[7-9]。在Z15地块项目中，几乎每块幕墙形状都是不一样的，而且每一块幕墙都是预制和预装配的，因此采用BIM技术的预制和预装配，就可以将详细、准确的幕墙属性信息输入到机械制造的生产软件当中，生产出相应的幕墙，然后再按照BIM模型的指导，模拟现场实际情况进行预拼装。这一工程的实践证明：应用BIM技术进行预制，可以使所有构件的建设都能够量化和准确预估，然后将这些装配好的幕墙运到现场，不仅能有效减少运输成本和返工成本，也能保证施工的安全性。

4.5 BIM技术在幕墙安装阶段的应用

BIM技术的应用在异形建筑幕墙的安装施工阶段也能够发挥重大作用，例如应用BIM技术自动完成异形建筑幕墙构件的加工，便能最大限度的降低建造中的误差，提高安装施工效率，同时也能满足项目的集成管理及全生命周期管理要求。

在Z15地块项目异形建筑幕墙安装施工中，设计和建设单位利用BIM技术对幕墙的施工计划、安全顺序进行优化与合理安排，能有效减少现场安装时的误差问题。同时，建设和运营单位也可将BIM技术应用于异形建筑幕墙的维护计划当中，以此来降低幕墙的维护成本，提高运营与维护管理的效率。如图5。

                      图5 BIM技术下的安装图

5.结论与展望

Z15地块项目的实践证明：将BIM技术应用于异形建筑幕墙中时，能够保证幕墙建设的每一步都是可控的、科学的、合理的，充分发挥出“事前预控”与“事中调控”的作用，为提高异形建筑幕墙建设和营运的质量与效率奠定坚实基础。

BIM技术应用于异形建筑幕墙，作为一个连续性的动态化系统工程，不但可以在设计和制作、安装阶段有效地提高效率，还可以规避很多后期可能出现的问题。这就需要建筑设计师具有整体和动态的系统性思维，并且对BIM技术以及应用所涉及的材料、技术、施工、维护等，有更加娴熟和精到的把握，才能使得BIM技术涵盖并且延伸整个建筑项目的生命周期，为提高我国建筑设计和城市发展的水平提供重要的支持。可以预见：我国建筑设计师不断深化BIM技术的创新和应用，必将推动我国建筑幕墙的设计、建设和营运向更高的水平发展。

主要参考文献：

[1]梁家烨：BIM技术在复杂幕墙工程施工阶段的应用[J].建设科技,2013,15(15):P96-97；

[2]王孝俊,吉乃朱沙,龚永全：BIM技术在国家会展中心（上海）幕墙工程中的应用[J].上海建设科技,2015,5(5):P35-38；

[3]杨晓冬：基于BIM模拟分析技术在幕墙方案比选中的应用[J].土木建筑工程信息技术,2013,5(3):P75-80；

[4]金元浦主编：《北京：走向世界城市――北京建设世界城市发展战略研究报告》，北京科学技术出版社2010年3月版，P145-259;

[5]曾会容：建筑幕墙工程管理与BIM技术应用[J].中华民居,2014,27(27):P446-447；

[6]朱齐飞：厦门世贸海峡大厦超高层建筑幕墙BIM应用解析[J].绿色建筑,2015,5(5):P68-69；

[7]吴毅：浅议大型公共建筑异形建筑幕墙工程施工技术[J].施工技术,2015,28(28):P125；

[8]王常霖：BIM技术在国家重汽屋面及幕墙工程中的应用[J].门窗,2013,11(11):P7-8；

[9]陈素萍,陈洪：重大项目异形幕墙建设管理 [J].建筑科技,2015,14(14):503。

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