基于BIM的曲面单元式幕墙设计及施工技术介绍
技术背景
天津万通大厦（信达二期）幕墙图
天津万通大厦（信达二期）幕墙工程
位于天津市徐州路，幕墙面积约5.4㎡，包括184.2m高的34层办公楼、3层裙房。
该项目建筑物外形独特，塔楼东西立面为直纹渐变曲面，南北立面竖直收分，裙楼则由具多个斜直面组成复杂多面体造型。
对此，本项目幕墙应用了BIM技术，采用了REVIT等软件进行BIM建模设计。
此项目研究对象主要为对塔楼、裙楼的各部分幕墙，特别是塔楼东西渐变曲面幕墙进行BIM设计及施工辅助技术，并重点分析了通过平面的单元板块进行组合拼接，从而实现渐变曲面单元式玻璃幕墙的技术可行性，同时通过BIM设计指导单元幕墙的加工、安装、定位等配套技术，提高复杂幕墙设计和施工的效率。
关键技术
参数化建模技术
项目采用了Rhino、Revit作为创立模型的软件基础，以此完成其复杂造型的三维BIM模型的创建。
在选定的BIM软件平台中建立完整的幕墙体量模型，该模型主要包括建筑物的概念造型以及标高、轴网、外轮廓尺寸的控制点等要素。
基于曲面方程的参数化建模
按建筑设计要求，对体量模型的幕墙外皮进行初步分格，所分网格即作为单元幕墙的板块分格，如幕墙外皮为曲面，则可选择划分UV线网格。同时，在划分好的网格上建立一个三点定位平面。
幕墙单元曲面定位示意
建立符合任务精度、深度要求的若干种基本幕墙单元板块模型，并令基本单元板块的主要尺寸参数化，使得单元板块可依据其参数变化驱动板块尺寸。
此外，还应确立一个基准工作面，作为基本单元板块在整体模型中的定位平面。
幕墙单元典型横剖节点图
幕墙单元典型竖剖节点图
将参数化单元板块导入第2步建立的体量模型，并使其参数可根据网格定位面、定位控制点精确定位，同时可"自适应"生成与幕墙网格尺寸大小一致单元板块。
单元式幕墙BIM模型图
本项目幕墙工程BIM模型
碰撞检测技术
在选定的碰撞检测软件平台中导入完整的参数化幕墙BIM模型。
根据检测任务的需要，选择幕墙系统内不同的模型构件、类型或范围，对待检模型进行内部碰撞检测。
将幕墙BIM模型与其他相关专业BIM模型严格按照设计图纸的定位、相互关系,在适当的BIM软件环境下进行叠加及整合，以形成一个分层次、符合工作任务需求的阶段性或最终整合的任务BIM模型。
针对幕墙系统与其它相关专业之间的碰撞问题，对待检模型进行外部碰撞检测。
模型在满足所有碰撞检测条件后，输出外部碰撞数据，向相关专业或BIM模型总协调方提交检测报告。输出报告数据后，即退出检测系统。
幕墙典型碰撞三维节点
幕墙典型碰撞平面节点
虚拟装配及4D模拟施工
项目的最大技术难点在于塔楼东西立面需要利用平板单元完整地拟合出建筑师所要求的双曲面造型。因此，幕墙单元板块的三维调节装配和施工安装能否精确到位将成为项目成功实施的关键。
虚拟加工误差控制
在幕墙系统设计中，我们对项目关键部位实施了BIM虚拟施工及数字加工模型技术的对接，对因东西立面造型扭转而产生的平板单元错位阶差进行了优化设计，将其成功控制在系统允许的可调误差范围之内。
由此，根据BIM模型的数据，对板块之间可调节的插接部位进行精确定位加工装配，在理论设计和建筑构件加工层面实现了精细化的质量控制。
该项目塔楼三维俯视图如图所示，整个项目东西立面的扭转幅度加大，每层幕墙完成面旋转一定的角度。
幕墙塔楼BIM模型俯视图
针对这一特殊情况，单元板块的插接翅与单元系统的公立柱、公横梁采用了分离式设计，可由插接翅的加工装配位置控制相邻板块的进出位置偏差。下图为单元装配数字加工模型的节点示意。BIM模型可支持板块阶差数据输出至加工模型，为幕墙单元板块提供装配加工的参数依据。
单元装配数字加工模型的节点示意图
模拟施工安装误差控制
根据BIM模型的单元安装位置及其控制点数据，我们可以轻易地通过单元支座对板块之间相对的插接位置进行精确定位和调节。具体操作如下：
首先，在BIM模型中自动采集单元板块的安装定位点坐标，将其输入激光全站仪进行三维测量放线，找到其单元板块控制点在现场的安装位置。
下图为单元吊装施工定位点示意图，图中红色三角形为定位基准面，黑色虚线表示单元板块完成面四个角部放线定位点连线。
单元吊装施工定位点示意图
东西立面的遮阳装饰铝板线条不便直接测量其板块控制面的吊装定位坐标，可灵活采用该部位建模曲面公式，计算出装饰线条板块上任意参照点的坐标值。
其次，根据其放线控制点的定位，在现场将幕墙单元整体并插接就位，并进行板块初步固定。
再次，对支座及挂件安装位置进行三维调节，进一步消除板块从模型理论定位数据到现场安装位置的误差。
支座及挂件三维调节示意图
最后，使用激光全站仪复测板块的定位点坐标，确保其符合模型理论坐标值。
在东西面的双曲面幕墙板块不便直接取点的位置，也可测量板块的其它部位的坐标数据，与其建模曲面公式所计算出的理论定位坐标值相互校核。
4D模拟动态施工监控技术
首先将BIM施工任务模型导入、合并到4D模拟管理软件中，该项目选用了NAVISWORKS软件进行施工4D模拟仿真。
天津万通大厦裙楼幕墙模拟施工
其次，将项目真实的施工进度安排（Microsoft Project数据）导入时间控制工具（Timeliner）以建立实时的施工进度任务。
最后，将模型中的幕墙构件、组件或组件集合在其时间控制工具（Timeliner）中模拟构造施工任务相关联，模拟出施工过程中幕墙构件、单元组件的开始外观、结束外观及其相应的过程变化。
天津万通大厦裙幕墙模拟施工及现场照
天津万通大厦塔楼幕墙模拟施工及现场照
由此，基于幕墙工程BIM模型，还可将施工安装动画关联到单个幕墙部件安装的任务上，实现施工过程的完全模拟仿真。
自动构件统计及数字化加工技术
自动构件统计及数字化加工 是该项目的幕墙构件的加工、组装阶段的最重要的BIM应 用，也是项目实现精益制造的关键技术。
该阶段主要任务是利用BIM模型指导加工图设计。
BIM模型使得单元板块加工精度与现场测量控制方案相结合，对生产加工工程中的用料进行指导。结合BIM模型提供的材料数据，对其进行快速而精确的材料统计，并对项目中受各种因素影响的材料用量进行实时分析和调整，从而优化加工计划和方案。
利用BIM模型，直接将幕墙单元、构件模型尺寸转换为合适格式的加工尺寸数据，精确输入CAD或其他机械设计软件中，确定加工参数，最后转换成数控加工设备能识别的数据格式，进而直接驱动数控机床、加工中心等设备进行铝型材等幕墙构件加工。
如图显示了万通大厦幕墙工程利用了BIM技术，以实现指导该工程中塔楼幕墙单元板块的加工设计。以及幕墙标准单元板块加工图和材料明细表。
天津万通大厦项目塔楼单元板块 从整体模型到加工图的演变
天津万通大厦项目塔楼单元板块 组装图设计及加工单
应用实例
七彩云南售楼部外立面幕墙工程
七彩云南售楼部外立面幕墙工程，主体结构为钢结构系统，整体为三段不同圆心的圆弧拼接而成，里面从上往下逐渐收缩呈倒锥形，外饰面为三角锥形铝板，单块铝板高度4.2米，锥高0.6米，锥底宽度0.9米，总幕墙面积6500㎡。
七彩云南售楼部外立面幕墙工程实景图
上海黄浦江南延伸段WS5单元
188S-M-1地块项目
上海黄浦江南延伸段WS5单元188S-M-1地块项目，位于上海市徐汇区，幕墙面积约3.4万㎡。
项目分为M1、M2、M3、M4共4栋楼。M2、M3为办公楼，建筑高度39.85米，外立面为错位双曲面单元式幕墙系统。
本项目包含框架式玻璃幕墙、单元式玻璃幕墙、铝板幕墙、铝合金吊顶、雨蓬、栏杆、百叶、金属屋面等幕墙系统，整体具有面板种类繁多、幕墙造型复杂、外观细节要求严格等。
上海黄浦江南延伸段WS5单元 188S-M-1地块项目实景图
取得的成果
发明专利：
一种通过BIM技术的幕墙碰撞检测方法
一种可进行单曲向双曲拟合调整的幕墙
实用新型：
一种双曲面单元式幕墙系统
省级科技成果：
基于BIM的曲面单元式幕墙设计及施工技术
省级工法：
基于BIM的曲面单元式幕墙设计及施工工法
