BIM模型审核与数字化加工下料技术应用研究

陈林海

【摘要】本文结合宁波新世界广场5#地幕墙项目实例，通过BIM在整个项目中的实际应用，针对BIM设计流程进行专项论述，介绍了BIM模型在建筑幕墙审核中的应用，探讨了BIM在专业内部和各专业之间的协同设计，论述了如何根据设计的工程量内容利用BIM快速准确的列出工程量主材清单，如何根据现场实际情况进行准确的数字化加工下料，论述了基于BIM的复杂构件加工，以及利用BIM技术对工程的精细化管理。研究成果可为相关应用与研究提供参考。

【关键词】模型审核;数字化下料;工程精细化管理;宁波新世界广场

1、BIM简述

建筑信息模型化（Building Information Modeling，BIM），是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目中设计、生产加工、安装、现场施工管理、物业运维管理等各种相关信息的工程数据模型，是对整个工程项目相关信息的详尽表达。

2、BIM在建筑幕墙方面的应用

BIM 技术正逐渐被越来越多的业主和开发商所重视，并被要求应用于其所开发的工程项目中。幕墙作为建筑工程的重要专业之一，外立面分包工程中的BIM 应用被认为是BIM 创造价值的主要领域之一，并且其技术难度和潜在开发空间也被认为要超过机电和基础结构。正是由于这一特点，决定了只有很好的掌握了BIM 技术并拥有深厚的幕墙实施经验，才能将两者有机的结合，为幕墙工程项目真正创造价值。通过长期实践探索，笔者总结BIM技术在幕墙中应用价值点主要包括：

2.1 可视化及虚拟漫游：

可视化是BIM应用后的必然产物，这里所说的可视化不仅仅是由于BIM本身基于三维模型而带来的更高的可视化程度，也包括了在BIM模型基础上提升表现效果，从而获得更好的视觉效果。由于BIM模型中已经集成了项目的几何、物理和功能信息，因此，在模型中表现出来的效果会更接近实际。虚拟漫游则实际属于一种动态的可视化。

2.2基于BIM的多专业协同設计

BIM提供了很好的多专业可视化协同平台，不同专业在这一平台上获得的信息是一致的、实时的，从而更好的避免“错漏碰缺”，更大程度的减少“设计变更。”

2.3 4D施工模拟

项目施工过程中所有的活动都是和时间有关联的，也就是4D的。将时间信息集成到三维BIM模型当中，就变成了4D模型。通过4D施工模拟，可以有效判断施工工序合理性，减少交叉施工时存在的问题。

2.4工程量计算及5D模拟

BIM模型的信息支撑了其能够进行快速的工程量计算。同时，在4D模型中加入成本数据后BIM模型就变成了5D模型，基于5D模拟可全面系统的查看工程资金状况，调整资金分配，优化项目成本。

2.5基于BIM的快速出图：

BIM技术是应用三维的方式创建模型，然而目前国内还是需要基于二维图纸进行审图。BIM的核心建模软件基本都提供了快速出图的功能，并且通过三维和二维的关联性，修改BIM模型后，将能够快速自动调整相应的二维图纸。

2.6基于BIM的现场施工管理

基于BIM模型可以方便的模拟现场施工工况，施工机具运行，展示施工进度组织，模拟出现场施工重点、难点，对实际施工管理起到很好的指导作用。配合总包进行各个阶段的模拟验收。

3、BIM在宁波新世界广场5#地块项目幕墙工程中的应用

下面将以实际工程为例，讲述BIM在具体幕墙工程中的应用。

3.1 项目概况

宁波新世界广场5#地块项目位于宁波市江东核心区广福路5号地块。项目主要为一栋主体建筑，包括塔楼的办公楼、酒店、商业裙楼等。本工程外观为塔式设计，建筑层数56层，主楼建筑高度249.8米，裙楼建筑高度30.0米。项目于2018年7月开工，预计于2020年10月竣工。见图1

3.2塔楼设计重点和难点

宁波新世界广场项目塔楼每层平面由四段大面圆弧和四段角部圆弧组成（23F以上大、小圆弧过渡区域，圆弧半径与大弧半径略有不同），除双“S”线区域影响外，其它部位均按5-T5和5-TE轴对称。建筑体态由1层渐变变大到11层，达到建筑最大外轮廓，然后由11层渐变微缩直到塔冠。决定了单元板块安装时的倾斜状态，在3F～11F为外倾式安装，而11F～RF为内倾式安装。在塔顶面55F起始位置，整个塔冠由21.1335°斜切面切除上部体块后形成。除东立面外，两条相互垂直、轮廓形态不一样的样条曲线拉伸成面与南、北、西立面局部相交，相交位置进行200mm厚度的切除，形成本工程建筑外观自身特有独特体态，也是本项目外立面幕墙设计中的重点和难点。

3.3 BIM技术设计阶段

针对宁波新世界广场5#地块幕墙工程设计中的重点和难点，决定使用BIM技术贯彻幕墙设计、加工、施工、竣工的全流程，以更好的提升建造品质、缩短建造工期、降低综合成本为目标，采用参数化建模的方式创建了本项目关键区域的LOD400精度的模型，对幕墙设计有效辅助。幕墙设计分两个阶段：

（1）幕墙初步设计阶段，将创建LOD100～LOD300精度等级的模型，期间BIM工作重点在于：创建符合精度等级要求的模型，并通过参数化工具有效传递建筑设计理念并为深化设计提供基础，通过参数化提高设计效率，快速完成方案变更并有效关联响应，通过模型有效传递设计变更信息等，将施工建造工作前置。

（2）幕墙深化施工阶段，将创建LOD300～LOD500精度等级的模型，期间BIM工作重点在于：创建符合精度等级要求的模型，并据此实现减少工程错漏碰缺、增进交流、提高效率、减少人员投入、保证加工精度、降低成本、优化工期、提升施工质量等目标。

3.4 BIM技术在宁波项目中的实施应用过程

3.4.1工程量分析计算及设备材料统计

在已有模型的深度和精度范围内，在 BIM 模型中直接计量模型内的工程量，作为工程计量的辅助工具。

BIM模型迅速的的生成加工细目、材料明细表、定额表，根据实际情况选择需要的表格的内容，得到准确的工程量。无论是玻璃、铝板、石材等，还是铝合金龙骨、钢结构龙骨等，都可以根据已经确定型材还是钢材的型号和参数直接输出。以 EXCEL 表格方式提供工程量计量清单。统计内容包括玻璃幕墙嵌板面积，主材构件数量。

3.4.2 碰撞检查

BIM 三维模型的主要应用之一，用于专业内部和各专业之间的冲突检查，实现在设计过程中提前发现各种冲突问题，避免因冲突原因导致的设计、生产和施工返工的情况发生。检查内容包括：1）幕墙专业内部碰撞检查 2）与其他专业的碰撞检查。

3.4.3 加工组装模拟分析

应用Autodesk Inventor软件创建详细的构建加工图，在宁波项目中，可以用它做各种材料的加工图以及模拟板块组装，并可以将之作为动画，直观详细的表现框架加工和组装的过程。此外，综合应用BIM技术，还可实现：构件信息化预拼装;构件加工精度及工艺优化;自动加工数据批量提取。

图2 双“S”线整体单元板块

3.4.4 施工进度模拟

在编制施工组织设计和施工方案时，根据模型所编制的施工进度计划，通过三维方式展示施工进度组织。并加入直接相关和互相穿插施工的其他专业的工序进度。配合总承包商使用 BIM 模型对总控施工施工计划、总体施工方案进行模拟演示。

3.4.5 施工重难点模拟

对于施工重点难点， BIM模拟展示的内容包括但不限于：节点大样、几何外观、内部构造、工作原理、作业工业、施工顺序等。模拟展示确保能真实充分地反映施工重点难点，并对实际操作起到良好的指导作用。配合总承包及幕墙相关承包商使用 BIM 模型对专项施工方案和专项施工工艺进行演示。配合总承包及幕墙相关承包商对特殊节点综合施工工艺利用 BIM 进行施工模拟验收。

3.4.6 现场数据获取

宁波项目，幕墙支撑结构的现场数据很多，但对于幕墙实施而言，最关键的数据就是预埋件的安装位置数据。为此，在埋件设计时，考虑后期测量的方便性，例如，在预埋件或支撑结构上设置反射片，以便高精度全站仪测量使用。全站仪获得的数据可以通过电脑录入或人工的方式进行记录，一般情况下，整理成为BIM软件能够识别的编排方式。

3.4.7 偏差报告

使用参数化的BIM模型将现场数据直接驱动构件变化的同时，在BIM软件中设定自动判断并归类偏差数值的方法，将不同的偏差数值进行自动归类，同时，将不同类别的偏差以特定的颜色区别表示，让工程实施人员对偏差的分布情况能够直观的了解，进而指导后面施工精度的控制。

3.4.8 负超差应对措施

所谓负超差，就是幕墙支撑结构远离幕墙轮廓面，且数值大于工程设计合同允许的范围。负超差将会增大幕墙与支撑结构之间的距离。此时，由于预埋件的位置固定，标准转接件的偏差吸收能力不够，一般可通过重新调整转接件设计来解决。此时，基于BIM模型可以快速的判读出负超差出现的数值大小以及分布情况，以此为基础设计一个或多个级别吸收能力的转接件，甚至通过参数驱动的方式，直接在模型中生产需要的转接件，从而节省设计时间，快速响应。

对于负超差的情况，通过增大转接件的方式应对，但同时应考虑由于幕墙面的外移而导致的重力荷载对支撑结构及连接系统产生的额外附加扭矩，这一数值需通过计算确定并进行试验验证。

3.4.9 正超差对应措施

前面提到，幕墙构件都需要在150～300mm左右的空间内被全部容纳。因此，如果说幕墙支撑结构的负超差尚为“可以原谅的错误”的话，正超差的发生则为“不可原谅的错误”，因为正超差对幕墙结构的影响将可能导致建筑效果的变化同时对总体建筑工程产生的影响将会非常严重。

所谓正超差，就是幕墙支撑结构靠近幕墙轮廓面，且数值大于工程设计合同允许的范围。通过BIM模型可以快速的分析改变构造设计是否能够吸收一定范围的正超差，当数值过大无法吸收时，需要重新调整模型设计原则，对局部超差位置的幕墙偏移情况进行分析，通过三维可视化的能力，将分析结果最快的展现给业主和设计方，从而确认方案的可行性，缩短响应周期，减少项目损失。同时，BIM模型也可以为将来的责任追查提供依据。

3.4.10 结构蠕变及沉降变形的应对

（1）结构蠕变及沉降的产生原因

此外，幕墙支撑结构产生偏差的另一种情况就是：

①随着幕墙及建筑其他专业的进场，例如机电设备等，建筑结构的荷载将随着施工的进展而变化，这一荷载增加将导致例如：主体结构支撑系统的蠕变，亦或者幕墙支撑结构体系的沉降等问题，这一数值分解到每个楼层时其数量级一般为几个毫米，但一旦在某些特定情况，例如大跨度大空间结构体系，微小数值的累加将会产生量变到质变的效果。

②由于幕墙的挂点位置的支撑结构的刚度的不同，往往导致不同的变形量，这些变化不能影响最终的幕墙施工质量，必须在幕墙系统设计时就予以充分的考量。然而，计算和分析这些变化最困难之处在于：这些沉降或蠕变的数值是持续变化的，必须在特定的时间内模拟出荷载并精确计算相应的变化数值，然后加以分析。

（2）结构蠕变及沉降的应对措施

① 分析的过程可以运用BIM技术，将计算得出的沉降数值输入到由参数化驱动的幕墙支持结构模型中，对应的幕墙挂点位置将发生改变，挂点的变化可以驱动幕墙转接件的变化。当转接系统设计的三维可调构件可以吸收这些数值时，BIM模型将不会产生变化。而当沉降数值过大，转接系统无法吸收时，BIM模型将可以对部位进行提示，例如以特殊颜色标示;

②可以在模型中设定幕墙转接件依据最大沉降数值进行变化，关联参数驱动幕墙面的变化，以便进一步判断这一过大的数值是否会对幕墙系统产生致命的影响，如果不会，则可能忽略以节省工程造价。

③使用BIM技术的参数化模型，可以简化复杂变形的分析过程，对大量的变形数值及关联变化状态进行可视化分析，有助于快速判断主体结构沉降或蠕变对幕墙施工质量的影响，同时基于BIM模型寻求解决方案。

4、结论与展望

综上所述，通过BIM技术在宁波新世界广场项目整个项目的实际应用，很好的发现和解决工程实施中遇到的各种问题。幕墙BIM技术极大的方便了设计人员的设计思路，运用BIM技术，能够对工程整个实施过程进行有效的控制和监督，增加项目透明度，降低工程造价成本。

总之，未来BIM技术将会越来越多的运用到整个建筑产业中来，实现建筑产业上真正的信息化的交流和沟通。

参考文献：

[1]GB/T21086-2007，《建筑幕墙》[M].中国标准出版社2008.

[2]JGJ102-2003，《玻璃幕墙工程技术规范》[M].中国建筑工业出版社2004.

[3]陈宜.建筑协同设计的推广[J].《中国建设信息》，2010

[4]樊波.BIM技術在建筑幕墙上的应用[J].《门窗》.2018