刍议BIM技术在建筑幕墙设计中的应用

冀国明

（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

1 BIM技术概述

1.1 BIM技术概念

BIM技术又称建筑信息模型，它是涵盖了建筑全生命周期中所产生的全部信息数据、准确描述建筑物构件状态信息和集合信息的数据化工具，具有提供信息共享传递、信息自动收集与统计整理等使用功能。同时，BIM技术可以被视作一个采取数字化表达形式的共享知识资源库，在建筑设计、工程建造方面发挥着提供决策支持、可视化沟通、多专业集成设计等多重作用。

1.2 BIM技术应用优势

BIM技术的应用优势主要体现在智能化设计、可视化设计、协同设计三方面。

1.2.1 智能化设计方面

利用BIM技术的模拟性，使用Ecotect、BIM360等软件的自带工具将幕墙设计方案导入软件中，进行模拟试验、热工分析等功能性试验，通过三维可视化模型和动画演示，模拟建筑幕墙建造过程和不同环境条件下的使用工况，从而判断建筑幕墙设计方案的可行性，展示设计效果，帮助设计人员发现方案缺陷和设计错误，辅助人工完成智能对象数据交换等任务。简单来讲，就是利用BIM技术强大的数据处理能力和自动化程度，代替人工完成一些基础设计，通过模拟试验等功能提供决策支持，约束指导设计工作开展。

1.2.2 可视化设计方面

基于技术可视化特征，在工程信息资料基础上建立BIM数字模型，直观、立体化地呈现建筑现场环境、建筑结构和幕墙结构。设计人员无需依靠想象结构形态与构件之间的空间位置关系，直接在BIM模型中呈现幕墙设计方案效果，有助于降低设计难度、减小设计误差。同时，使用Revit Live软件的沉浸式虚拟体验功能与VR眼镜设备，设计人员与业主都可以沉浸在虚拟现实环境中观察建筑幕墙的设计效果，如用肉眼观察建筑幕墙的造型是否美观，判断设计效果是否符合预期要求和业主方要求，识别并提出具体的设计问题，为后续优化设计提供指导。

1.2.3 协同设计方面

利用BIM平台的技术协调性，将各个专业的设计方案和信息模型中的信息数据上传到BIM数据库进行汇总整理，以保持各专业模型之间的连接，在任意BIM模型信息与方案内容发生变动时，平台将对其他专业模型进行实时更新，并使用软件自带的碰撞检测工具检查构件是否存在软硬碰撞问题，缓解专业冲突，避免在后续设计方案整合环节产生过多的设计错误。同时，BIM平台也为各专业设计人员和工程参建单位提供了实时沟通渠道，可以直接在BIM平台上召开视频会议，相互交流设计意图、经验，协同解决设计缺陷，减少后期修改。

2 BIM技术在建筑幕墙设计中的应用

2.1 幕墙系统建模与深度建模

建立三维可视化信息模型是保证后续建筑幕墙设计工作顺利进行的关键，也是应用BIM技术的前提。因此，在建筑幕墙设计期间的首要任务是根据已掌握的工程信息，使用Revit、ArchiCAD等建模软件建立幕墙系统的BIM模型。幕墙系统建模主要包括以下几个环节：

2.1.1 建立材料族与生成嵌套族

在软件中直接创建常规族文件或是在线、面基础上创建常规族文件，在软件中导入单元节点图，调整尺寸，处理所需运用的材料模因，依次设置拉伸、融合、旋转处理，设定幕墙构件的模空间、材质、尺寸等基础数据，并在常规族中镶嵌另一个族，使各常规族保持相互镶嵌与联动状态，向嵌套族内导入建筑幕墙的立面图、剖面图、CAD版轴网和材料模型，进行图件定位处理，将轮廓线转为多段线后导入Revit软件中，采取放样的方法获取幕墙框架，使各段折线生成为独立板块，单独调节各处建筑幕墙板块的数值，以提高模型的真实度。

2.1.2 在模型中优化处理幕墙板块及明细表

使用软件双向关联功能提高优化效率与模板数据的精确度，统计项目所用机具设备与材料信息，以获取设备材料明细表，根据设计要求调整明细表内容，补充材料材质、品种型号、尺寸等信息。

2.1.3 使用软件自带工具进行模型冲突检测作业

检查是否存在单元板块不规则、异形幕墙、幕墙与建筑主体结构碰撞等问题，掌握各单元板块之间的干涉情况，对干涉部位进行修正处理。

2.1.4 在模型中进行加工组装作业

将所创建的模拟板块和建构加工图进行组装处理，呈现出模拟组装操作过程，组装完成后完成建筑幕墙BIM建模任务。

2.2 幕墙方案设计

2.2.1 制定幕墙板块划分方案

设计人员根据工程实际情况制定幕墙板块划分方案，需要综合分析幕墙外立面效果、建筑室内使用功能需求、幕墙系统基本构造、施工与使用成本、材料性能和尺寸参数等因素。例如，从追求幕墙外立面效果角度来看，根据BIM模型呈现内容，帮助设计人员掌握不同幕墙板块划分方案下线条形成情况是否符合设计意图、满足幕墙力学性能和节能要求。从满足建筑室内功能需求的角度出发，利用BIM模型检查幕墙板块划分方案是否会导致单块玻璃板材跨越多个房间和两个以上防火分区，并对幕墙板块划分方案加以调整，避免因此造成建筑防火分区失效。

2.2.2 修正建筑幕墙外立面效果

利用BIM模型对建筑幕墙外立面效果进行修正，设计人员观察不同幕墙板块分格方式的视觉效果，设计单位与建设单位在BIM平台可视化状态下进行沟通协商，根据建设单位的反馈意见调整，直至达到理想建筑幕墙外立面视觉效果，必要时可切换幕墙形式，如切换为全明框、全隐框、横明竖隐、竖明横隐的幕墙形式。同时，根据美国建筑师学会提出的BIM模型LOD分级标准，要求BIM模型在幕墙初步方案设计环节的精度必须达到LOD100级别。

2.2.3 进行功能性模拟试验

使用Revit等BIM软件自带功能进行日照模拟、热能传导模拟、节能性能模拟等功能性模拟试验，以测试建筑幕墙结构的保温隔热等性能是否达到工程要求和规范要求，并开展4D模拟和5D模拟试验，预测建筑幕墙工程的工期、造价和精确统计工程量。这样可帮助设计人员量化评价各套建筑幕墙设计方案的实施效果和综合分值，综合考虑其使用性能、造价成本、工期等，从中选择最佳方案作为建筑幕墙初步设计方案，为后续深化设计提供思路，如加强建筑幕墙结构的保温隔热性能和控制光污染指数。

3 幕墙深化设计

建筑幕墙初步设计方案在细节程度上存在不足，如果直接进行后续建筑幕墙施工活动，容易造成施工误差，且幕墙结构的使用性能与工程要求存在差异。因此，需要在初步设计方案的基础上进行幕墙深化设计。根据工程实际情况，综合考虑在重力荷载、环境温度、建筑主体结构位移等因素影响下幕墙结构的使用情况，并对建筑幕墙细部进行深化设计、优化调整。传统建筑幕墙设计体系需要借助AutoCAD、SktchUp、SAP2000等多个平台进行图纸绘制、建模效果图生成、模型有限元分析等工作，但建筑幕墙深化设计工作量过大，设计效率和设计精度有待提高，图件信息跨平台转换过程中容易出现信息失真、损毁等问题。BIM技术的应用可以在同一平台完成建筑幕墙深化设计工作，在BIM软件中建立幕墙模型、生成三维效果图和二维平面图纸，由于BIM模型包含了构件线密度、惯性矩等物理信息，具有直接进行力学计算、热工计算、有限元分析等技术条件，设计人员无需重复建模等工作，使得建筑幕墙深化设计难度和实际工作量均得到明显降低。例如，在某建筑幕墙工程中，设计人员采用BIM技术对建筑幕墙进行防水保温和檩托防水穿越点的深化设计。在防水保温深化设计环节中，在模型内将防水保温体系拆分为主钢结构、防水隔汽膜、镀锌拆件、2mm柔性防水层、防水层主次檩条、80mm保温岩棉等部分，进行结构计算和受力分析，根据分析计算结果确定主次檩条材质和布置间距，最终采用柔性防水层和硬性防水层。在檩托防水穿越点深化设计环节中，重点考虑檩托是否会因不均匀沉降等因素影响而与防水系统脱开，重新调整檩托的连接做法，采用柔性防水材料搭配泡沫条的全新构造做法。

4 幕墙施工图设计

在幕墙施工图设计期间，BIM技术主要用于处理异形幕墙问题、提供技术验证与三维绘图。其中，针对异形幕墙问题，利用BIM技术的三维模拟环境进行建筑幕墙基础建设，重新划分建筑模型表皮和优化形状规格，解决设计图与BIM模型中存在的非标准性面板，避免后续出现卡扣、返工等问题。在提供技术验证方面，由于建筑幕墙结构复杂、涉及专业众多、容易产生专业矛盾，可利用BIM碰撞检测功能进行幕墙结构内部、幕墙与建筑主体结构间的碰撞分析试验。例如，检查表面排水沟与主体桁架之间是否冲突碰撞或存在干涉问题，或是出现幕墙与暖通、机电等专业的碰撞问题，生成碰撞检查报告，提供协调设计数据。在三维绘图方面，使用Revit三维制图软件，利用BIM模型可以快速生成二维平面图纸和三维可视化图纸，在后续施工期间出现设计变更问题时，通过软件模型联动功能，可以自动变更调整BIM模型和三维图纸内容。

5 BIM工具应用

5.1 建筑幕墙设计施工要点

5.1.1 建筑表皮合理分格

在建筑幕墙设计中，一般都是采用构件不分格的建筑幕墙模型，但在异形幕墙设计中为了保证各个结构、板材细化设计，实现建筑物造型外观精准地展示和设计优化，需要在专业幕墙设计时，以幕墙板材的实际大小情况合理划分、定分、设计建筑模型表皮，并且加强形状规格优化，有效减少非标准、规则化面板、卡口返工等不良问题，提高异形幕墙板材的利用率，控制工程造价。

5.1.2 有效避免设计冲突和交叉问题

很多复杂建筑采用钢结构主体，对工期和专业技术要求都有很高的标准，如果不能保证各个专业与部门之间的有效沟通协调，很容易在后期施工阶段无法充分落实技术方案，导致结构尺寸不匹配、龙骨和结构安装不合理、主体桁架交叉冲突等问题。而设计时利用BIM技术能够发挥其碰撞分析功能，明确幕墙与主体结构之间的关系，提前调整幕墙面板或支撑结构，避免与主体结构发生冲突，从而提高专业配合紧密度及后期的施工效率和质量。

5.2 幕墙设计案例

某高层建筑造型别致，外部以异形玻璃幕墙作为外部幕墙。在建筑幕墙的设计中，构建的建筑结构三维模型主要采用BIM软件搭建公用轴网、标高等，完成幕墙平面图纸的制作，并建立玻璃幕墙的规格。如图1所示，利用Rhino犀牛软件和Grasshopper插件制作幕墙表皮设计图纸。在建筑结构三维模型中导入玻璃幕墙表皮，设计人员可以通过碰撞检查直观地发现设计方案中存在的缺陷。在优化异形玻璃幕墙设计中，设计人员首先将玻璃幕墙面板转换为平面，系统能够自动更新各类空间坐标，将玻璃面板尺寸添加到Revit软件中。然后优化Rhino中的参数和表皮，优化玻璃幕墙表皮，将其加工成平面玻璃面板，以便加工。有的玻璃面板尺寸较大，为了方便生产和安装，可利用插件进行分割设计，建立新的建筑物三维模型和幕墙模型，并再次就设计交叉碰撞问题进行优化和检查，确认无误后，可将各个立面的具体参数标注在图纸上。施工人员按照图纸进行放线，生产厂家按设计单位提供的清单生产玻璃幕墙面板，这样既能有效降低设计和施工成本，又能提高施工效率，满足建筑幕墙设计要求。同时，设计人员利用Revit和3DMAX等协同软件综合进行设计图纸的渲染，生成效果图，使业主方能够直观地看到工程设计效果图。

6 结语

综上所述，BIM技术应用于建筑幕墙工程，有利于提高总体设计水平和工程建设质量，对推动幕墙工程跨越发展具有重要意义。建筑企业与设计人员应重点研究BIM技术，建立以BIM技术为核心的现代化建筑幕墙设计体系，提高设计方案的科学性和实用性，充分发挥BIM技术的优势。