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摘要：建筑幕墙（词条“建筑幕墙”由行业大百科提供）数字化、参数化、信息化技术是建筑幕墙设计发展大趋势，在建筑市场上部分异形建筑已经率先运用了数字化、参数化、信息化技术，本文以苏州中心大鸟异形屋面项目、上海国家会展中心会议中心幕墙等异形项目为例，介绍了数字化技术在异形幕墙工程的运用现状，分享了对应的技术难点及解决方案，并对未来建筑幕墙数字化技术的发展进行了展望。
关键词：数字化、参数化、BIM（词条“BIM”由行业大百科提供）
1 引言
近些年，随着科学技术的进步，在特定的领域出现了特定的技术突破，随着越来越多的技术突破，不同技术之间开始相互融合，推动了更多领域的技术发展，比如工业4.0、移动支付、VR、3D打印（词条“3D打印”由行业大百科提供）、物联网等。在建筑幕墙领域，随着三维软件、3D扫描、二维码、云计算等技术的融合，最终出现了以BIM技术为核心的建筑数字化应用。BIM技术是继CAD取代手绘板之后建筑行业第二次技术革命。
2. 数字化技术应用流程
数字化技术是一个信息共享的平台，包括业主、建筑设计院、幕墙设计单位、加工单位、幕墙施工单位、后期维护单位、验收单位等(如图1)。以项目为核心，通过智能化和协同化的技术搭建协作平台。协作平台分层级搭设，各层级按领域层、交互层、核心层、资源层进行区分，通过权限的设置，不同使用者有不同的权限，实现平台的共享及信息安全(如图2)。
图1
图2
数字化的BIM模型依据项目不同阶段需求进行逐步深化，模型精度从LOD100~LOD500,实现从早期方案确认到施工模拟及加工下料、运维等各个阶段的运用(如图3)。
图3
3. 数字化技术在工程的运用
数字化技术是一个系统工程，涵盖项目方案到后期维护全过程的管理体系。
(1)数字化模型的创建
数字化技术的基础是数字化信息模型，以幕墙表皮模型为载体，赋予数字参数技术，模型的创建以主体结构模型为基础，并考虑主体结构的误差，使理论模型和现场实际工况进行比对，并对其模型进行修正，取得最终施工BIM模型。
以苏州中心大鸟屋面为例：
大鸟屋面由幕墙表皮层和主体钢架组合而成，两者均为双曲异型，共同构成钢结构一体化幕墙体系(如图4)。
图4
设计过程中以幕墙支撑钢架理论模型为基础，通过提取钢结构网格定位点，将钢架模型横竖的网格线拟合为曲线。将网状曲线进一步拟合为曲面，把该曲面作为主体钢架的理论基准面。(如图5)
图5
钢架施工完成后，利用3D扫描仪对10599个异型网格进行测量监控，利用4~6台全站仪进行钢架关键节点的校核，最终得到测量后的钢架实际模型，将测量得到的钢架模型与理论模型进行对比，对理论模型进行修正(如图6)。
图6
根据最终的钢架表皮模型，将钢结构表皮外偏移120mm得到幕墙表皮(如图7)。
图7
将拟合的钢结构网格曲线投影到幕墙表皮上，得到幕墙表皮的分格(如图8)。
图 8
按上述设计程序完成苏州中心大鸟屋面的施工模型，用于指导设计下料和现场施工。在实际工程中，对于不同的项目，需要根据项目特点来确定具体的建模流程，有些建筑需要以建筑表皮为基础，向内依次进行建模，比如上海国家会展中心进口博览会会议厅改造项目。
该项目为改造建筑，在老的建筑外侧设置设置新的表皮，为了固定新的表皮，建筑外侧需要设置主体钢架，该钢架的建模是根据外表皮的模型及分格进行拓展建模的。
改造建筑的建模需要考虑新建部分与老建筑部分的关系，如果老建筑有BIM模型，需要与老的建筑进行合模，必要的时候需要通过三维扫描对现有模型进行实体建筑的数字化，用于与新的模型进行比对和碰撞检测。
经过对国家会展中心已有老建筑模型的碰撞检测，对新建筑的屋檐等部位进行了修正，避免了施工过程结构碰撞问题(如图9、图10)。
图9
图10
建筑表皮数字化模型建模及分格划分过程中，除了美观性能，还要考虑后续的生产工艺和安装工艺需求。国家会展中心西厅改造项目在前期设计方案阶段进行了多种技术方案的比选，确定转角（词条“转角”由行业大百科提供）部位钛板造型采用一体板设计，钛金板板块分格设计保证钛板镀钛满足工艺要求，优化后的最终建筑幕墙表皮模型如图11：
图11
(2)参数化设计
建筑模型只是建筑的三维体现，真正能够实现数字化、信息化应用需要为建筑模型赋予的参数化信息，模型的参数化设计才是BIM技术应用的目标。
模型参数化是将三维模型中的组成部分赋予不同的属性，比如玻璃板块能够包含的参数信息包括尺寸信息(四边边长、对角线边长、翘曲值)、材料信息(玻璃或者格栅)、附框信息等，参数化信息可以根据不同的项目及模型的不同深度而不同。
比如苏州中心项目有10190个板块，每个板块均不相同，通过DP软件进行建模，通过DP树结构对板块赋予尺寸、材质、面积等信息，为后续的分析归类、生成加工图等提供了参数支撑(如图12)。
图12
通过对四点的阶差进行统计归类，生成玻璃面板平面阶差分布图(如图13)，方便对不同的板块采取不同的加工及安装工艺研究应用。
图13
基于板块面积参数，对所有面板进行统计分析超规板块信息，对超规范板块采用针对性技术措施和解决方案(如图14)。
图14
通过赋予板块对应的材质参数化，结合尺寸参数，实现自动下料(如图15)。
图15
通过板块尺寸优化归类分析，将类似板块进行合并，可大幅度降低了加工及下料的工作量，提高设计效率和准确率。
最终根据参数化的型材及板块的信息，可以自动生成加工图(如图16)。
图16
除了常规的板块，对于异形曲面组合板块，也能够实现加工图的自动生成(如图17)。比如国家会展中心项目转角板块为两个单曲板与一个双曲板通过空间组合而成。
图17
且该板块为穿孔板，错位梅花孔，通过BIM软件的参数化设计，实现了在双曲面上的自动排孔。
对于异形单元玻璃幕墙系统，通过对单元板块的翘曲值参数的的分析(如图18)，结合冷弯成型工艺(如图19)，能够实现平板单元对双曲面的模拟。
图18
图19
(3) 数字化结构建模与分析
BIM模型与结构计算之间也可以进行模型联动(如图20)，实现数据联动输出、分配和交换任务。
①、数据输出
以BIM施工模型为依据，提取需冷弯玻璃的所有关键信息(边长、夹角、各点翘曲值)，生成数据流并输出至公司本地服务器。
②、数据分配
服务器授予各专业设计人员不同的权限，确保设计人员在查看本人所需数据的同时，无法修改其他设计人员取用的数据，真正实现了大数据的专人专供。
③、数据输入&分析
结构分析人员将服务器中有关结构的数据下载到本地PC，借助ANSYS通用有限元软件及微软Visual Studio IDE进行计算程序的编写，实现自动化、批量化分析，分析程序将所有板块分析结果及计算文件保存在制定目录下，供设计人员后处理使用。
④、数据后处理
结构人员将分析程序所得的基础数据输入微软Excel软件，借助VBA宏语言的强大功能对其进行汇总分析，寻找出最不利玻璃板块。再将这部分板块数据整合输出至公司本地服务器，为施工人员制作1:1试验模型提供依据。
图20
(4) 基于BIM的数字化加工
数字化加工是基于BIM模型导出加工数据，将数据输出到加工设备（词条“设备”由行业大百科提供）上，进行材料的加工。相对传统的加工方式，省略了中间出加工图的环节，实现了从模型到加工成品之间的直接联系，降低了成本，提高了效率，减少了因为人工操作可能产生的错误。
数字化加工要求BIM模型深度达到LOD400，通过BIM软件相应模块建造构件（词条“构件”由行业大百科提供）模型，通过NC编程及代码验证，最终实现3D模型数据的输出。
图21为型材的加工，通过五轴加工设备实现模型要求的加工步骤。
图22为穿孔板的数字化加工，该穿孔板为上海国家会展中心项目的双曲钛金板，钛金板的穿孔是在平板上进行的，需要根据BIM的三维穿孔模型，进行三维穿孔板的摊平，根据摊平的穿孔图进行加工。
图23为观音圣坛石材的数字化加工，观音圣坛的石材为砌筑石材，整体为异形，特别是柱墩部位的石材重量达到了1.5吨，雕花设计，传统的图纸很难表述清楚，通过BIM模型，配合石材数控加工，实现了石材的自动化加工。
图21
图22
图23
(5)材料出厂后的二维码追踪
二维码分为构件二维码与选择集二维码，构件二维码根据模型的每一个构件生成一个二维码，扫码可查看构件的详细信息。选择集二维码，扫码可查看选择集的属性，关联的资料以及其相对应的精简模型。
通过扫描二维码，可以得到板块的参数信息(如图24)。
图24
二维码是材料的可追溯体系，记录了材料生产、运输等相关信息，同时包含了板块的编号、尺寸、安装位置等相关信息，对于安装、更换及后期维护等都提供了技术支撑。
(6)数字化与施工
①施工组织设计
基于精细化的模型，在虚拟环境中模拟和验证施工过程，减少现场的风险和浪费。对方案可行性和工期计划进行验证，减少后期返工(如图25)。
图25
② 施工测量
对于异形形体的建筑，传统的测量放线方式已经无法满足施工安装的要求，需要与BIM技术进行结合，通过BIM模型提供理论定位点，现场利用数字化扫描技术进行现场测量，测量后模型在与理论模型进行技术比对与修正，为现场施工提供技术支撑和保障。比如上海国家会展中心项目，在现场安装过程中，根据BIM信息模型，基于与施工测量相同基点的坐标系，提取以下定位数据：
Ø 结构生根牛腿的定位点
Ø 曲面面板固定用T型钢龙骨的定位点
Ø 面板交点理论数据定位点
根据提取以上数据，安装过程中自内而外层层逐点定位，实现了双曲异形金属板的完美拼接。
图26
③施工收口应用
对于改造建筑，收口部位是新建部位与老建筑的交接，老建筑因为施工误差、定位基准坐标等原因，很难按照理论进行收口，需要对收口部位进行测量，将测量数据返到BIM模型中，按照测量修正的模型进行收口部位的下料，如图27为上海国家会展中心西厅改造项目连廊底口与坡道已有混凝土护边的交接。
图27
3.8 成本及预算和结算管理
BIM模型可以自动生成工程量，通过在材料中添加价格信息属性，配合造价软件，实现物料清单的自动生成，从而可以实现预算结算的智能化和自动化。
3.9 质量控制
通过将施工过程中测量数据与BIM理论数据的比对，实现了对施工精度的实时监测修正，并可以根据测量数据拟定对施工进行整改优化。
4. 对数字化未来的展望
数字化在建筑行业处于起步阶段，还有很长的路要走，未来的数字化会呈现以下特征。
1、标准化：通过行业标准和国家标准的制定，所有的软件之间可以实现互通。
2、轻量化：轻量化的移动端APP会越来越多，可以实现对建筑信息的实时访问和更新。
2、模块化：众多模块化的定制功能会涌现，加快建模的速度。
4、智能化：智能化建筑，有生命的建筑。
5、工厂化：建筑工厂化，建筑品质工业化，精细化。
5. 结语
目前数字化应用处于量变的过程，通过在一些项目的不断尝试，积累了越来越多的经验，随着国家鼓励政策的出台和规范标准的发布，建筑数字化会迎来质变，实现行业的普及，为创新建筑的实现和精细化管理提供有力的保证。
作者：牟永来、李书健、施志豪
作者单位：苏州金螳螂幕墙有限公司
