作者：浙江中南建设集团有限公司   梁曙光、毛淮北、符旭晨、陈昶阳  

　　【摘  要】：上海老港再生能源中心幕墙外立面为开放式铝板幕墙。外立面呈流线型，且铝板线条逐渐翻折翘曲，给设计，施工带来了很大的难度。通过三维BIM模型，完善幕墙表皮，进行各构件间的碰撞模拟，深度优化模型，并通过参数化设计，快速，准确地提取各支点之间的定位信息，加工信息，为支点和角码加工，安装提供了保障，缩短了施工工期，降低了资源成本。

　　【关键词】：BIM技术、铝板幕墙、参数化设计

　　引  言

　　随着时代的发展，现代建筑越来越复杂，实用功能性要求越来越高，外观的美学要求也随之增强，水电、暖通、设备、智能化、灯光、电梯等众多专业涉及其中。众多功能要求和众多参与专业使得建筑设计与施工等方面的信息量产生爆炸性增长，而建筑规模的增大也使得设计施工中的错误代价也越来越高。建筑这些新特性的出现使得传统建筑设计与施工方法变得困难甚至不可能，从而要求我们使用新的建筑信息管理方案来解决问题，为集成建筑从设计到施工、维护等全生命周期各个阶段与各个专业提供一个统一的信息处理平台。BIM技术便随着建筑技术这一新时代要求而诞生。

　　美国国家BIM标准（NBIMS）给出的概念：“BIM是设施物理和功能特性的数字表达；BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全生命周期中所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作”。BIM技术可以在设计、施工、运维、设备等建筑全生命周期中发挥作用，方便建筑业工作人员进行更快捷、智慧的管理。目前，很多国家已经明确强制工程建设项目必须应用BIM技术。

　　我国BIM技术的应用虽然刚刚起步，交叉学科领域研究较少，多以施工阶段应用为主，但发展迅速，大多数企业都逐渐重视BIM技术在工程各阶段的应用价值。目前，设计企业应用BIM主要包括方案设计、扩初设计、施工图、设计协同及设计工作中心前移等方面，从而使初期方案更具有科学性，以更好地协调各专业人员并将主要工作放到主案和扩初阶段，使设计人员能将更多的精力放在创造性劳动上。施工企业应用BIM主要是错漏碰缺检查、模拟施工方案、三维模型渲染及进行知识管理，做到直观解决建筑模型构件之间的碰撞、优化施工方案，在时间维度上结合BIM以缩短施工周期，并通过三维模型渲染为客户提供虚拟体验，最终达到提升施工效率，提升施工管理水平的目的。运维阶段BIM应用主要有空间管理、设施管理和隐蔽工程管理，为后期的运营维护提供直观的查找手段，降低设施管理的成本损失，通过模型还可了解隐蔽工程中的安全隐患，达到提升运维管理效率的目的。

　　上海老港再生能源利用中心工程设计过程中利用了BIM技术对模型进行了优化，对面板进行了分格，确保了外立面衔接圆滑顺畅的效果。通过编程软件提取各支点坐标信息以及面板参数，大批量的转化为DWG文件和XLS文件.通过BIM将三维空间模型转化为平面视图，通过标注并整理导出CAD加工图指导工厂加工。安装阶段将支点的相关三维坐标反馈给施工现场，指导现场定位安装。

　　1、工程概况

　　上海老港再生能源利用中心建成后为全球第一大再生能源利用中心。该项目本身为民生大计，且属电力工业使用，建成后将为行业标杆，设计团队综合以上考虑后将外墙设计理念定义为：极简主义、精巧别致、动感科技。

　　该项目幕墙主要分主工房幕墙、烟囱幕墙、主入口大门三大部分，合计幕墙总工程量为78196.95m²。主工房部分幕墙工程量为72720.41m²，非采光部位为双层开放呼吸式铝板幕墙，采光部分为竖隐横明节能玻璃幕墙。幕墙表面采用流水曲线变化设计，开合角度时而宽大时而细密，保证了采光和通风的要求。在起到遮阳节能作用的同时，也使得光线视觉效果有层次感变化。烟囱部分幕墙工程量为4315.54m²，非采光部位由双层开放穿孔铝板幕墙和单层铝板幕墙组成，采光部分为节能玻璃幕墙。整个烟囱为四角圆角的长立柱体，68m层高设置异形玻璃曲面环形观光平台。平台底部采用双曲造型铝板封闭，完美柔顺的将主体结构和观光平台进行无缝连接，使之浑然一体。主入口大门幕墙工程量为1161m²，整个入厂大门的几何造型极度简约，体现出工业风，但是大门外部由铝板和玻璃交错布置，错落有致，统一协调，使其更有艺术感，硬朗的线条闪耀着金属光泽，靓丽美观。

　　该项目开放式铝板将近3.3万块，钢支点超12万个，以及钢挂件24万个，超10万张加工图。其设计形象效果复杂多变，存在随机性、曲线特性，尺寸变化巨大、材料用量巨大同时施工工期又短。传统的设计、加工及安装方法已经无法满足工程要求，而BIM 技术的先进性和适用性为该项目的落地提供了有力保障。

2、工程重点难点分析

　　2.1主工房流水曲线异形铝板幕墙

　　该主工房造型方正，南北区对称工整，结构内显刚正，幕墙外显柔美，铝板造型如自由流水般流畅的曲线，在高大的外墙上蜿蜒流转，铝板线条时而宽大，时而细密，外铝板开合角度随机变幻，突出了肌理感，无规律的开合呈鳞片状变化，张弛有度。如何实现这样的视觉效果且能保证安全、质量、进度是该项目的核心问题。

        2.2烟囱环形悬挑异形玻璃观景平台

　　环形采光顶结构为异形钢结构，顶部半圆环为三个圆心组拼的弧形线条，底部半圆环为三个圆心组拼的弧形线条，且顶部与底部两个半圆环圆心均不重合，导致外立面曲面变化，而且玻璃观景台在68米高空，顶部圆环与底部圆环立面进出1.6米。观景平台底部为双曲铝板收底，整体造型呈喇叭状。无论从设计下单还是实际施工都充满了挑战。

3、 BIM技术应用流程

　　针对项目具体要求制定有针对性的BIM实施计划，利用BIM技术校核数据测设反馈、3D精准建模、Grasshopper幕墙外表皮生成、碰撞及逻辑检查、加工图出图、制单形成电子成果。环环相扣，层层递进，加快施工进度，提高施工质量。

　　3.1幕墙表皮设计与优化

　　建筑的外立面为曲线异形结构，为降低成本以及保障施工的完成，需要对其双曲铝板结构合理优化。建筑外表皮仅为方案表皮，与达到加工下料精度的表皮有很大差距，需要在此基础上完善细部，构建精确的3D模型。然后在不影响原建筑方案效果的前提下，对双曲板进行优化。最后分析优化后的板块是否合理，拟合度是否满足平滑的要求，是否满足加工安装的条件。

　　3.2模型碰撞检查

　　在工程施工前解决所有因空间容差、与其它分包单位间的碰撞冲突造成的问题，避免施工过程中因碰撞原因导致的变更、成本增加及影响施工进度的损失。模拟不同专业间的碰撞实验并制作碰撞报告，根据碰撞结果进行深化设计，提高效率、减少返工。 

　　3.3图纸的深化

　　深化图是现场施工的指导，将模型数据结合建筑图形成切实可施工的施工图，是深化的中心思想。深化设计中应用的新材料、新思路、新技术如下：新型双金属复合材料、铝板榀架单元式设计、消防排烟智能联动救援窗、双层复合阻燃玻璃钢。

　　3.4支点定位及加工数据提取

　　将优化后的BIM模型整合，利用Rhinoceros+Grasshopper进行自动记录支座点位坐标，生成支座点位数据。完成建模后，利用编程插件对铝板序号编排，自动误差识别，生成异形铝板。并按编程逻辑展开，自动标注加工图。

4、BIM技术综合应用

　　4.1完善幕墙表皮

　　由于建筑外表皮仅仅为建筑方案表皮，与可加工、下料精度的表皮之间还有很大的差距，因此需对照多方图纸汇总建模、在Rhino中完善所有细部、重建所有图纸灰空间的位置。根据最新的图纸调整模型，再进行外立面分格，保证图纸和模型相互一致，为后续批量化，参数化出图打好基础。

        4.2进行各专业间碰撞，深度优化模型

　　在工程施工前解决所有因空间容差及与其它分包单位间的碰撞冲突的问题，避免施工中因碰撞原因导致的变更、成本的增加，影响施工进度。模拟不同专业间的碰撞实验并制作碰撞报告，根据碰撞结果进行深化设计，提高效率、减少返工。

        4.3图纸模型的深化

　　根据原建筑设计进行了方案确认，龙骨体系的建立、内衬板如何封闭安装、外层铝板挂接体系的建立、防火、避雷、围护等等如何实现。其次进行了BIM建筑模拟，虚拟建造确保其可行性。

        4.3.1主工房外层铝板体系

　　外层铝板体系内层采用钢龙骨，复合钢板安装进行防水封闭，核心设计是采用悬挑钢支座进行固定外层铝板，外层铝板综合考虑造型、强度、可施工等因素，制作为榀架。进行虚拟分割后榀架种类繁多，整个外立面不重复榀架为23898个。每一个榀架都是有微小角度（平面内变化）及不同开合角度的变化（平面外变化）。

        4.3.2观景平台体系

　　观景平台核心设计是采用仿形设计进行双曲面建模，定义弯圆龙骨及连接点位，用虚拟分割进行异形玻璃及双曲铝板尺寸分割，用编程插件定义逻辑规则从而生成展开加工图，订料单等，现场采用全站仪定位，架设吊篮施工。

根据模拟结构进行复核现场尺寸定制钢龙骨支撑。每一段横竖龙骨均为变角度弯圆。

4.4根据节点做法参数化分析及出图下料

　　4.4.1支点的参数化设计

　　此项目支点长度逐渐渐变，支点高度的定位也有很大差别。由于铝板线条逐渐翻折，距离结构面距离也逐渐渐变，流线型铝板线条导致支点高度呈流线型变化，支点数据处理量巨大。

        结合参数化设计批量化进行支点编号，支点长度计算，以及支点高度计算。并导出各项数据，直接用于下料生产，指导现场支点施工安装及定位。曲面表皮建成后，利用编程插件进行自动记录支座点位坐标，生成支座点位233490个。 

        对BIM模型按照对应的加工图分类进行批量生成并提取加工数据，生成加工图纸与加工数据一一对应的表达形式。这种方法大大加快了工作效率，节约了成本。

        4.4.2角码的批量化下料

　　本工程因为铝板背后铝方管的尺寸有三种规格，导致刚角码共分90mm、100mm、110mm、120mm四种尺寸。根据参数化设计方法批量统计不同类型角码数量，批量化下料，列出角码下料清单。智能定位不同类型角码位置，以方便现场施工。

        由于参数化设计所提取的数据极其精准，方便现场施工定位与安装。支点与角码定位效果的精确度，直接保障了幕墙外立面效果完美呈现。

        4.4.3铝板参数化分区编号

　　由于铝板高度不同，所用铝方管尺寸也不同，所以铝板分50mm、60mm、80mm三种类型。使用批量化判断与计算，快速将铝板分区。再结合施工班组对铝板批量化进行编号。利用编程插件进行自动序号编排，自动误差识别。生成异形铝板共计38915块。

        此项目加工图超十万张，且异形板块居多。用以往做法出加工图不仅效率低，也会极大地增加错误率。我们采用参数化设计编程，针对本工程特点，编制最优参数化出图形式，批量化生成加工图。道道工序层层把控，使得出图精度高，准确率高，效率高。运用编程插件，按逻辑自动展开并标注加工图总数超十万张。

        4.4.4观光平台的BIM设计

　　根据模拟结构进行双曲铝板表皮建模，曲线优化分格，之后进行翘曲度检查，形成满足圆滑顺畅效果的最终分格。

        最终运用编程插件，按逻辑自动展开加工图并加以标注。

4.5结合现场施工合理优化现场施工误差

　　利用参数化设计和现场施工全周期紧密结合的方式，合理优化现场施工误差。配合现场伸缩缝位置反尺数据，进行预留板块模型的调整，做到与施工现场一比一还原，再利用参数化下料出图方式将现场施工误差位置板块全部批量化优化出图，与现场施工形成环状闭合工作流，实现真正意义上的BIM参数化设计。 

4.6 BIM指导施工进度模拟

　　进度计划基于BIM虚拟建造，是项目建设和指导工程的重要经济文件，进度管理是质量、进度、投资三个建设管理环节的中心，直接影响到工期目标的实现和投资效益的发挥。根据工程实际安装进度计划进行模拟，直观地显示项目施工进度信息，合理安排工期。  

5、结束语

　　在本工程幕墙设计的过程中应用到了BIM技术，具体表现为对BIM模型的整理、利用rhinoceros+grasshopper对模型进行曲面的分格以及优化、参数化批量的导出数据、对数据的相关整理包括曲面分析以及翘曲度分析、批量地生成正确的加工图纸。利用BIM技术与施工现场相互配合、优化施工误差、指导施工安装。通过三维模型能对工程的难点重点进行反馈，提高了工作效率，降低了工程成本。

　　BIM技术不但可以适用于前期方案的构思阶段，而且利用参数化手段使得幕墙深化设计到加工制造的流程实现自动化，从而高效地实现幕墙板块杆件放样优化、表皮优化处理、输出加工图等工作，节省了大量的人力成本和时间成本。我们用BIM技术对项目进行全生命周期的跟踪，从设计到施工，从无到有，贯穿始终。

      文章转载自《幕墙世界weekly》

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