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摘要：建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）數(shù)字化、參數(shù)化、信息化技術(shù)是建筑幕墻設(shè)計發(fā)展大趨勢，在建筑市場上部分異形建筑已經(jīng)率先運用了數(shù)字化、參數(shù)化、信息化技術(shù)，本文以蘇州中心大鳥異形屋面項目、上海國家會展中心會議中心幕墻等異形項目為例，介紹了數(shù)字化技術(shù)在異形幕墻工程的運用現(xiàn)狀，分享了對應(yīng)的技術(shù)難點及解決方案，并對未來建筑幕墻數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展進行了展望。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化、參數(shù)化、BIM（詞條“BIM”由行業(yè)大百科提供）
1 引言
近些年，隨著科學技術(shù)的進步，在特定的領(lǐng)域出現(xiàn)了特定的技術(shù)突破，隨著越來越多的技術(shù)突破，不同技術(shù)之間開始相互融合，推動了更多領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，比如工業(yè)4.0、移動支付、VR、3D打印（詞條“3D打印”由行業(yè)大百科提供）、物聯(lián)網(wǎng)等。在建筑幕墻領(lǐng)域，隨著三維軟件、3D掃描、二維碼、云計算等技術(shù)的融合，最終出現(xiàn)了以BIM技術(shù)為核心的建筑數(shù)字化應(yīng)用。BIM技術(shù)是繼CAD取代手繪板之后建筑行業(yè)第二次技術(shù)革命。
2. 數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用流程
數(shù)字化技術(shù)是一個信息共享的平臺，包括業(yè)主、建筑設(shè)計院、幕墻設(shè)計單位、加工單位、幕墻施工單位、后期維護單位、驗收單位等(如圖1)。以項目為核心，通過智能化和協(xié)同化的技術(shù)搭建協(xié)作平臺。協(xié)作平臺分層級搭設(shè)，各層級按領(lǐng)域?qū)印⒔换印⒑诵膶印①Y源層進行區(qū)分，通過權(quán)限的設(shè)置，不同使用者有不同的權(quán)限，實現(xiàn)平臺的共享及信息安全(如圖2)。
圖1
圖2
數(shù)字化的BIM模型依據(jù)項目不同階段需求進行逐步深化，模型精度從LOD100~LOD500,實現(xiàn)從早期方案確認到施工模擬及加工下料、運維等各個階段的運用(如圖3)。
圖3
3. 數(shù)字化技術(shù)在工程的運用
數(shù)字化技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，涵蓋項目方案到后期維護全過程的管理體系。
(1)數(shù)字化模型的創(chuàng)建
數(shù)字化技術(shù)的基礎(chǔ)是數(shù)字化信息模型，以幕墻表皮模型為載體，賦予數(shù)字參數(shù)技術(shù)，模型的創(chuàng)建以主體結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，并考慮主體結(jié)構(gòu)的誤差，使理論模型和現(xiàn)場實際工況進行比對，并對其模型進行修正，取得最終施工BIM模型。
以蘇州中心大鳥屋面為例：
大鳥屋面由幕墻表皮層和主體鋼架組合而成，兩者均為雙曲異型，共同構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)一體化幕墻體系(如圖4)。
圖4
設(shè)計過程中以幕墻支撐鋼架理論模型為基礎(chǔ)，通過提取鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格定位點，將鋼架模型橫豎的網(wǎng)格線擬合為曲線。將網(wǎng)狀曲線進一步擬合為曲面，把該曲面作為主體鋼架的理論基準面。(如圖5)
圖5
鋼架施工完成后，利用3D掃描儀對10599個異型網(wǎng)格進行測量監(jiān)控，利用4~6臺全站儀進行鋼架關(guān)鍵節(jié)點的校核，最終得到測量后的鋼架實際模型，將測量得到的鋼架模型與理論模型進行對比，對理論模型進行修正(如圖6)。
圖6
根據(jù)最終的鋼架表皮模型，將鋼結(jié)構(gòu)表皮外偏移120mm得到幕墻表皮(如圖7)。
圖7
將擬合的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格曲線投影到幕墻表皮上，得到幕墻表皮的分格(如圖8)。
圖 8
按上述設(shè)計程序完成蘇州中心大鳥屋面的施工模型，用于指導設(shè)計下料和現(xiàn)場施工。在實際工程中，對于不同的項目，需要根據(jù)項目特點來確定具體的建模流程，有些建筑需要以建筑表皮為基礎(chǔ)，向內(nèi)依次進行建模，比如上海國家會展中心進口博覽會會議廳改造項目。
該項目為改造建筑，在老的建筑外側(cè)設(shè)置設(shè)置新的表皮，為了固定新的表皮，建筑外側(cè)需要設(shè)置主體鋼架，該鋼架的建模是根據(jù)外表皮的模型及分格進行拓展建模的。
改造建筑的建模需要考慮新建部分與老建筑部分的關(guān)系，如果老建筑有BIM模型，需要與老的建筑進行合模，必要的時候需要通過三維掃描對現(xiàn)有模型進行實體建筑的數(shù)字化，用于與新的模型進行比對和碰撞檢測。
經(jīng)過對國家會展中心已有老建筑模型的碰撞檢測，對新建筑的屋檐等部位進行了修正，避免了施工過程結(jié)構(gòu)碰撞問題(如圖9、圖10)。
圖9
圖10
建筑表皮數(shù)字化模型建模及分格劃分過程中，除了美觀性能，還要考慮后續(xù)的生產(chǎn)工藝和安裝工藝需求。國家會展中心西廳改造項目在前期設(shè)計方案階段進行了多種技術(shù)方案的比選，確定轉(zhuǎn)角（詞條“轉(zhuǎn)角”由行業(yè)大百科提供）部位鈦板造型采用一體板設(shè)計，鈦金板板塊分格設(shè)計保證鈦板鍍鈦滿足工藝要求，優(yōu)化后的最終建筑幕墻表皮模型如圖11：
圖11
(2)參數(shù)化設(shè)計
建筑模型只是建筑的三維體現(xiàn)，真正能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、信息化應(yīng)用需要為建筑模型賦予的參數(shù)化信息，模型的參數(shù)化設(shè)計才是BIM技術(shù)應(yīng)用的目標。
模型參數(shù)化是將三維模型中的組成部分賦予不同的屬性，比如玻璃板塊能夠包含的參數(shù)信息包括尺寸信息(四邊邊長、對角線邊長、翹曲值)、材料信息(玻璃或者格柵)、附框信息等，參數(shù)化信息可以根據(jù)不同的項目及模型的不同深度而不同。
比如蘇州中心項目有10190個板塊，每個板塊均不相同，通過DP軟件進行建模，通過DP樹結(jié)構(gòu)對板塊賦予尺寸、材質(zhì)、面積等信息，為后續(xù)的分析歸類、生成加工圖等提供了參數(shù)支撐(如圖12)。
圖12
通過對四點的階差進行統(tǒng)計歸類，生成玻璃面板平面階差分布圖(如圖13)，方便對不同的板塊采取不同的加工及安裝工藝研究應(yīng)用。
圖13
基于板塊面積參數(shù)，對所有面板進行統(tǒng)計分析超規(guī)板塊信息，對超規(guī)范板塊采用針對性技術(shù)措施和解決方案(如圖14)。
圖14
通過賦予板塊對應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)化，結(jié)合尺寸參數(shù)，實現(xiàn)自動下料(如圖15)。
圖15
通過板塊尺寸優(yōu)化歸類分析，將類似板塊進行合并，可大幅度降低了加工及下料的工作量，提高設(shè)計效率和準確率。
最終根據(jù)參數(shù)化的型材及板塊的信息，可以自動生成加工圖(如圖16)。
圖16
除了常規(guī)的板塊，對于異形曲面組合板塊，也能夠?qū)崿F(xiàn)加工圖的自動生成(如圖17)。比如國家會展中心項目轉(zhuǎn)角板塊為兩個單曲板與一個雙曲板通過空間組合而成。
圖17
且該板塊為穿孔板，錯位梅花孔，通過BIM軟件的參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)了在雙曲面上的自動排孔。
對于異形單元玻璃幕墻系統(tǒng)，通過對單元板塊的翹曲值參數(shù)的的分析(如圖18)，結(jié)合冷彎成型工藝(如圖19)，能夠?qū)崿F(xiàn)平板單元對雙曲面的模擬。
圖18
圖19
(3) 數(shù)字化結(jié)構(gòu)建模與分析
BIM模型與結(jié)構(gòu)計算之間也可以進行模型聯(lián)動(如圖20)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)動輸出、分配和交換任務(wù)。
①、數(shù)據(jù)輸出
以BIM施工模型為依據(jù)，提取需冷彎玻璃的所有關(guān)鍵信息(邊長、夾角、各點翹曲值)，生成數(shù)據(jù)流并輸出至公司本地服務(wù)器。
②、數(shù)據(jù)分配
服務(wù)器授予各專業(yè)設(shè)計人員不同的權(quán)限，確保設(shè)計人員在查看本人所需數(shù)據(jù)的同時，無法修改其他設(shè)計人員取用的數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)的專人專供。
③、數(shù)據(jù)輸入&分析
結(jié)構(gòu)分析人員將服務(wù)器中有關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)下載到本地PC，借助ANSYS通用有限元軟件及微軟Visual Studio IDE進行計算程序的編寫，實現(xiàn)自動化、批量化分析，分析程序?qū)⑺邪鍓K分析結(jié)果及計算文件保存在制定目錄下，供設(shè)計人員后處理使用。
④、數(shù)據(jù)后處理
結(jié)構(gòu)人員將分析程序所得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入微軟Excel軟件，借助VBA宏語言的強大功能對其進行匯總分析，尋找出最不利玻璃板塊。再將這部分板塊數(shù)據(jù)整合輸出至公司本地服務(wù)器，為施工人員制作1:1試驗?zāi)Ｐ吞峁┮罁?jù)。
圖20
(4) 基于BIM的數(shù)字化加工
數(shù)字化加工是基于BIM模型導出加工數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)輸出到加工設(shè)備（詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供）上，進行材料的加工。相對傳統(tǒng)的加工方式，省略了中間出加工圖的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了從模型到加工成品之間的直接聯(lián)系，降低了成本，提高了效率，減少了因為人工操作可能產(chǎn)生的錯誤。
數(shù)字化加工要求BIM模型深度達到LOD400，通過BIM軟件相應(yīng)模塊建造構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）模型，通過NC編程及代碼驗證，最終實現(xiàn)3D模型數(shù)據(jù)的輸出。
圖21為型材的加工，通過五軸加工設(shè)備實現(xiàn)模型要求的加工步驟。
圖22為穿孔板的數(shù)字化加工，該穿孔板為上海國家會展中心項目的雙曲鈦金板，鈦金板的穿孔是在平板上進行的，需要根據(jù)BIM的三維穿孔模型，進行三維穿孔板的攤平，根據(jù)攤平的穿孔圖進行加工。
圖23為觀音圣壇石材的數(shù)字化加工，觀音圣壇的石材為砌筑石材，整體為異形，特別是柱墩部位的石材重量達到了1.5噸，雕花設(shè)計，傳統(tǒng)的圖紙很難表述清楚，通過BIM模型，配合石材數(shù)控加工，實現(xiàn)了石材的自動化加工。
圖21
圖22
圖23
(5)材料出廠后的二維碼追蹤
二維碼分為構(gòu)件二維碼與選擇集二維碼，構(gòu)件二維碼根據(jù)模型的每一個構(gòu)件生成一個二維碼，掃碼可查看構(gòu)件的詳細信息。選擇集二維碼，掃碼可查看選擇集的屬性，關(guān)聯(lián)的資料以及其相對應(yīng)的精簡模型。
通過掃描二維碼，可以得到板塊的參數(shù)信息(如圖24)。
圖24
二維碼是材料的可追溯體系，記錄了材料生產(chǎn)、運輸?shù)认嚓P(guān)信息，同時包含了板塊的編號、尺寸、安裝位置等相關(guān)信息，對于安裝、更換及后期維護等都提供了技術(shù)支撐。
(6)數(shù)字化與施工
①施工組織設(shè)計
基于精細化的模型，在虛擬環(huán)境中模擬和驗證施工過程，減少現(xiàn)場的風險和浪費。對方案可行性和工期計劃進行驗證，減少后期返工(如圖25)。
圖25
② 施工測量
對于異形形體的建筑，傳統(tǒng)的測量放線方式已經(jīng)無法滿足施工安裝的要求，需要與BIM技術(shù)進行結(jié)合，通過BIM模型提供理論定位點，現(xiàn)場利用數(shù)字化掃描技術(shù)進行現(xiàn)場測量，測量后模型在與理論模型進行技術(shù)比對與修正，為現(xiàn)場施工提供技術(shù)支撐和保障。比如上海國家會展中心項目，在現(xiàn)場安裝過程中，根據(jù)BIM信息模型，基于與施工測量相同基點的坐標系，提取以下定位數(shù)據(jù)：
Ø 結(jié)構(gòu)生根牛腿的定位點
Ø 曲面面板固定用T型鋼龍骨的定位點
Ø 面板交點理論數(shù)據(jù)定位點
根據(jù)提取以上數(shù)據(jù)，安裝過程中自內(nèi)而外層層逐點定位，實現(xiàn)了雙曲異形金屬板的完美拼接。
圖26
③施工收口應(yīng)用
對于改造建筑，收口部位是新建部位與老建筑的交接，老建筑因為施工誤差、定位基準坐標等原因，很難按照理論進行收口，需要對收口部位進行測量，將測量數(shù)據(jù)返到BIM模型中，按照測量修正的模型進行收口部位的下料，如圖27為上海國家會展中心西廳改造項目連廊底口與坡道已有混凝土護邊的交接。
圖27
3.8 成本及預(yù)算和結(jié)算管理
BIM模型可以自動生成工程量，通過在材料中添加價格信息屬性，配合造價軟件，實現(xiàn)物料清單的自動生成，從而可以實現(xiàn)預(yù)算結(jié)算的智能化和自動化。
3.9 質(zhì)量控制
通過將施工過程中測量數(shù)據(jù)與BIM理論數(shù)據(jù)的比對，實現(xiàn)了對施工精度的實時監(jiān)測修正，并可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)擬定對施工進行整改優(yōu)化。
4. 對數(shù)字化未來的展望
數(shù)字化在建筑行業(yè)處于起步階段，還有很長的路要走，未來的數(shù)字化會呈現(xiàn)以下特征。
1、標準化：通過行業(yè)標準和國家標準的制定，所有的軟件之間可以實現(xiàn)互通。
2、輕量化：輕量化的移動端APP會越來越多，可以實現(xiàn)對建筑信息的實時訪問和更新。
2、模塊化：眾多模塊化的定制功能會涌現(xiàn)，加快建模的速度。
4、智能化：智能化建筑，有生命的建筑。
5、工廠化：建筑工廠化，建筑品質(zhì)工業(yè)化，精細化。
5. 結(jié)語
目前數(shù)字化應(yīng)用處于量變的過程，通過在一些項目的不斷嘗試，積累了越來越多的經(jīng)驗，隨著國家鼓勵政策的出臺和規(guī)范標準的發(fā)布，建筑數(shù)字化會迎來質(zhì)變，實現(xiàn)行業(yè)的普及，為創(chuàng)新建筑的實現(xiàn)和精細化管理提供有力的保證。
作者：牟永來、李書健、施志豪
作者單位：蘇州金螳螂幕墻有限公司
