BIM幕墙对改革及变化图文精.docx
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BIM幕墙对改革及变化图文精
BIM给幕墙设计带来的技术变革
一、引言...................................................................................................................................1
二、幕墙行业发展概述...........................................................................................................1
1、行业发展现状以及前景...........................................................................................1
2、行业发展中的挑战分析...........................................................................................3项目管理模式的弊端...............................................................................................3设计到制造的数据断裂...........................................................................................3复杂幕墙的生产安装需求.......................................................................................4三、BIM给幕墙设计带来的变革.........................................................................................41、信息技术对幕墙设计的推动作用.............................................................................4CAD与VR................................................................................................................4VDC与BIM.............................................................................................................52、基于BIM技术的幕墙设计特点................................................................................6参数化设计...............................................................................................................6基于知识的可视化设计...........................................................................................7“自顶向下”的设计...............................................................................................8自动的专业纠错.......................................................................................................93、基于BIM的设计对后续流程的改变......................................................................10模型化设计交付.....................................................................................................10虚拟装配.................................................................................................................10四、BIM在幕墙设计领域的应用实例.................................................................................11凤凰国际传媒中心项目.........................................................................................11theBarclaysCenter案例........................................................................................12五、展望.................................................................................................................................13三维打印技术.........................................................................................................14云技术.....................................................................................................................14BLM.........................................................................................................................142015.04.24BIM设计研究中心王升
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一、引言
随着建筑行业技术的日益进步和人们对可持续性建筑的不断追求,BIM已成为建筑行业热烈讨论和探索的新课题。
凭借其可视、协调、模拟、优化以及可出图的优势,BIM已在欧美国家引发了工程建设领域的巨大产业变革,并在亚洲国家开始广泛普及。
美国英国新加坡韩国日本等国家皆发布了BIM应用指导标准以用来指导本国BIM的应用和发展。
在上海中心（建筑高度632米,世界第二高楼、上海迪斯尼项目（美国AIA2014BIM应用大奖以及东京天空塔（高度634米,世界第一高塔等多个复杂项目的建设过程中,BIM已经发挥了巨大的作用。
建筑幕墙是建筑的外衣,其将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地统一起来。
如今,各种材料、结构形式的幕墙已遍布全球,幕墙建筑已成为气派、高雅、具有时代感的代名词并且成为现代化大都市的重要标志与显著特征。
幕墙虽然依附于建筑业,但它具有天生的机械制造工业基因,是建筑业中专业交叉最多的分支。
幕墙在设计制造安装过程中多专业深度交叉的特点、建筑师们对艺术孜孜不倦的追求以及大量城市综合体和超高层建筑的不断涌现,这些都给幕墙技术提供了极大的发挥空间。
而BIM的出现给幕墙技术的发展带来了良好的机遇。
本文将重点分析BIM在幕墙设计环节的应用,探讨其优势以及不足,进而展望BIM带给幕墙设计制作安装整个产业链的技术变革。
二、幕墙行业发展概述
第一个采用玻璃幕墙的建筑是1851年英国伦敦工业博览会的水晶宫（CrystalPalace（图1。
此届世博会的陈列采用了花房式框架玻璃结构设计样式,不但使水晶宫本身成为了首届世博会最辉煌的展品,而且开创了幕墙设计的先河。
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（a水晶宫外观（b水晶宫内景
图1.英国伦敦工业博览会水晶宫经过近百年的发展,幕墙的种类已从简单的明框玻璃幕墙,发展到了隐框、半隐框、
全玻璃幕墙和各种金属板、石材及各种人造板材幕墙,幕墙的结构也已从简单的框架式发展到了现在的单元式、点支式、双层通风式、膜结构式等,而更为节能的生态幕墙、光电幕墙、智能幕墙也正在兴起,建筑幕墙的技术水平可谓是迅猛增长。
幕墙技术的进步解放了建筑师的思维,使得建筑幕墙的设计从单一化、简单化向多元化、复杂化、现代化发展。
建筑幕墙市场主要由全球经济及建筑行业的发展所带动。
全球经济增长促进了固定资
产的投资,而各种公共设施、商业楼宇及高端住宅的建设需求为全球建筑幕墙市场的增长提供了基础。
从全球幕墙市场的分布来看,美国和欧洲仍然占据主导,2009年两者的市场总额占据了全球市场份额的50%左右。
同时,以中国、印度等为代表的新兴国家正成为幕墙行业快速增长的地区（图2。
据统计,中国200米以上建筑数量占全球的48.5%,是在建和拟建超高层建筑最多的国家。
未来大量开工的项目将为幕墙行业提供巨大需求。
图2.2009年全球幕墙市场分布情况
我们可以预测欧洲及美国在未来幕墙产品的设计及应用上仍将继续领跑,亚洲（尤其
中国及中东等地的发展中国家预期将会成为全球建筑幕墙新产品及应用需求的主战场和驱动力。
传统的建筑业存在严重的产能浪费现象。
造成浪费的原因包括建筑材料使用率低、工程返工以及人员窝工等诸多因素。
据统计在建设过程中,各种资源的浪费竟高达建设项目总投入的25%,其中很大一部分浪费便源自建筑幕墙的设计制作安装过程。
为了实现幕墙行业的可持续健康发展,我们需要从幕墙全生命周期的视角分析浪费产生的根源,审视幕墙行业发展过程中面临的挑战,把握行业发展的先机。
项目管理模式的弊端
幕墙工程（尤其复杂幕墙属于专业性强的工程分项,既要求美观,又涉及功能且投资额较大,因此幕墙设计同建筑的结构设计、水暖设计、机电设计一样,需要进行专项设计。
在幕墙设计只由主体设计单位和幕墙公司共同完成的设计管理模式下,普遍存在主体设计单位的设计深度不够的现象,而幕墙公司往往追求利益最大化,其设计人员修改幕墙系统,变更立面分隔效果,更换材料,一则导致幕墙的最终设计成果不能体现幕墙技术的进步,幕墙新技术新产品的应用与研发失去动力;二则导致设计方案不满足建筑效果要求,频繁进行设计变更,造成资源的浪费,使得投资不可控。
为了幕墙设计与建筑主体设计的紧密配合,独立第三方的幕墙顾问角色凸显重要。
在建筑方案投标阶段,建筑师在进行方案设计的构思时询幕墙顾问的意见,以达到可实施的最佳的建筑外观设计效果;在建筑设计深化阶段,由幕墙顾问确定幕墙应采用的体系、预留的空间等,提供较完善的幕墙设计方案图用于幕墙施工的招标;幕墙施工单位完全服从幕墙顾问的设计要求,只完成施工图设计与加工图设计。
设计到制造的数据断裂
与传统建筑业相比,幕墙工程大多采取工厂定制的生产方式,是建筑和工业制造紧密结合的行业。
我们希望复杂幕墙的精确三维模型以及二维CAD图纸能够完整地传递到工厂的数控切割机中。
但由于缺乏跨行业的相关标准规范,幕墙设计到制造过程中的数据链条断裂,3
导致幕墙行业的协同困难效率低下,严重影响了幕墙行业的工业化进程。
此外,许多BIM软件的构件参数化建模精度有限,BIM模型无法直接用于工业化加工。
建筑师的BIM模型一旦发生变更,幕墙设计师不得不重新进行幕墙深化设计生成新的加工图,由此引起的误工返工造成了巨大浪费。
复杂幕墙的生产安装需求
与传统制造业相比,幕墙板块的定制化程度更高,不仅体现在各个项目的设计不同,甚至有时在一个项目中的幕墙面板也各不相同,需要灵活、快速的按需生产。
随着新材料、新技术的出现以及人类对建筑外观的不断追求,使得幕墙的尺寸越来越大,形状也日益复杂,随之而来的便是现场安装的困难升级。
如果交货顺序和安装过程管理不善,混淆幕墙板块的安装位置,就可能造成工期延误和资源的浪费。
遗憾的是,当今大多BIM模型中的信息无法实现幕墙深化设计图纸数据、详细节点加工工艺数据和现场安装定位数据的无缝衔接,无法实现机械行业所倡导的加工无图纸化、模型驱动加工设计的理念。
我们需要一个精准的数据整合环境,将幕墙的建筑设计、详细节点设计以及现场安装融合为一体,用于幕墙表皮的生产、定位、检测、造价估算以及风险管控等一系列管理活动。
三、BIM给幕墙设计带来的变革
为了达到建筑节能、绿色、可持续发展的要求,同时应对日趋严重的建筑人员紧缺和成本的刚性上升,实现建筑幕墙工业化是建筑幕墙行业发展的趋势之一。
建筑幕墙工业化离不开产业信息化的带动,同时通过工业化水平的提升能进一步促进信息化的发展。
CAD与VR
上个世纪CAD的出现,使得工程师们从手工绘图转向电子绘图,改变了传统的设计方法,是建筑幕墙工程设计领域第一次革命。
为了管理这些CAD数据,信息技术的发展也经历了从CAD文件管理、CAD数据库管理,到现在的产品数据管理（ProductdataManagement,4
PDM三个阶段的演变。
其中,PDM能够提供幕墙设计的协作环境,实现共享的集成化工作模式,设计人员在同一个数据库上工作,减少了不必要的条件传递和确认,信息资源得到了充分共享。
三维建模以及虚拟仿真（VirtualReality技术的快速发展,提高了幕墙设计过程中多参与方之间的沟通效率。
三维模型直观的表现形式,可用来帮助建筑师和幕墙设计师在整个设计过程中全方位地进行意图沟通,推敲设计的体量、造型、立面和外部空间。
但是上述幕墙表面模型内无法再承载更多的设计信息用于建造安装。
设计信息除了幕墙的几何尺寸、所用的材料,还包括幕墙的抗风压强度、抗震、气密、水密、变形、施工工艺、传热系数等多种信息。
如果不确定这些信息,那么建筑概预算、下料加工以及现场安装等很多后续的工作就无法有效地进行。
VDC与BIM
行业需求推动了三维几何建模技术、虚拟仿真技术以及BLM技术的不断融合,向综合性应用方向发展。
虚拟设计和施工（VitualDesignandConstruction,VDC是近年来又一个在工程建设行业中流行起来的概念,利用项目建设过程中由设计、施工、运维团队提供的多个学科的参数模型,整合建筑设施信息、建造流程以及管理组织,以保证项目综合管理目标的实现。
如果VDC管理理念能够落地,我们就能够在方案设计到预制乃至下游过程中捕捉和重复使用数据,并把数据用于概念设计到模块化结构再到预制构件的全过程,那么我们就有机会实现“建筑工业化”。
BIM是可使VDC理念落地的核心技术之一。
BIM技术与幕墙业务的工业化逻辑高度契合,借助BIM模型这一建筑信息载体,不但可以进行幕墙的可视化设计、多专业整合纠错、板块优化分析、型材算量,而且可以突破传统建筑业以蓝图作为设计交付的模式,直接由设计模型生成面板加工图纸和提取构件加工数据,使得幕墙单元无纸化设计、工厂化加工成为可能。
BIM技术已经成为实现幕墙行业工业化发展的必然选择。
参数化设计
BIM参数化设计是把幕墙设计的全要素都变成某个函数的变量,通过改变函数,或者说改变算法,驱动幕墙形体改变从而获得不同的建筑设计方案。
幕墙设计作为一门建筑艺术,从根本上来讲,具有反对逻辑的基因。
美学理论也曾讲过,Thereisnodebatefortaste,遵循固化思维将找不到艺术的殿堂。
但参数化设计同传统的建筑设计并不矛盾,参数化设计是面向未来的,其生成的许多形式,是无法预想到的,反而可以作为设计师的一个具有启发性的工具。
BIM的参数化设计将建筑幕墙构件的各种真实属性通过参数的形式进行模拟和计算,并进行相关数据统计。
在建筑信息模型中,建筑幕墙构件并不仅仅是一个虚拟的几何构件,而且还附加了除几何形状以外的一些非几何属性,如构件的材料、材料的热工性能、构件的造价、采购信息、重量、安装编号等。
BIM参数化设计的意义在于可以针对不同的设计参数,快速进行造型、布局、节能、经济、疏散等的各种计算和统计分析,优先采取最合适的设计方案。
这是BIM的参数化设计与一般只能实现几何造型的参数化设计不同之处（图3。
图3.凌空SOHO模型（文献2
值得一提的是,参数化和参数化设计的概念并不相同。
参数化是指BIM软件的建模能力,其是实现参数化设计的重要保证。
适用于幕墙设计的BIM软件,首先应该能够提供“精准”的BIM建模能力,以保证诸如圆型开洞、折弯件等小型BIM
构件的建模精度在工厂加工
可允许的误差范围之内。
美国建筑师学会（AIA-AmericanInstituteofArchitects使用模型详细等级（LOD-LevelofDetail来定义BIM模型中的建筑构件的精度,BIM构件的详细等级可以随着项目的发展从近似的模型逐步演变到建成后的精确的模型,模型精度从粗到细,依次为:
LOD100.Conceptual概念化模型;LOD200.Approximategeometry近似构件（方案及扩初;LOD300.Precisegeometry精确构件（施工图及深化施工图;LOD400.Fabrication加工模型LOD500.As-built竣工模型。
一般建筑设计只要达到
LOD100~LOD300的模型精度即可完成设计交付,但对于幕墙设计,为了保证幕墙的设计交付模型能够在后续的工厂加工得到应用,BIM软件的建模能力应达到LOD400的标准,这并不是任何一个BIM软件都具备的参数化建模能力。
基于知识的可视化设计
基于BIM技术的三维虚拟设计环境将设计信息、模拟信息快速地传递给项目协作伙伴,
提高了协作方的沟通效率,
实现了所见即所得,减少了因设计返工带来的经济损失。
可视化可用于诸如幕墙边角、洞口、交界处、梁底收边等细部构造节点的设计交底,此外,通过可视化的展示,可以快速发现各专业之间的矛盾,有助于提高设计的质量。
图4.CABR建研院科研楼幕墙节点可视化展现（CABRBIM咨询组提供BIM的可视化是通过实体构件的信息自动生成的（图4。
我们可以自动生成幕墙模型多个视角的剖面图、轴侧图来传递信息,这种“立体墙身”中的构件之间具有关联性、反馈
性。
当幕墙工程师修改了某个构件,与该构件相关的所有视图将自动更新,我们不再需要去分别修改平、立、剖。
BIM的这种“关联”可视化特性,不但提高沟通效率,而且提高了设计工程师的工作效率,解决了长期以来图纸之间的错、漏、缺问题。
“自顶向下”的设计
幕墙从概念设计、深化做造型设计、工厂加工到最后的安装,涉及的环节非常多,跨越了建筑和机械加工两个领域,数据往往不能顺利衔接,出现数据链条断裂的情况。
基于BIM的深化设计强调数据链条的可继承性,以BIM模型为载体,采用“自顶而下”的设计思想,不但可以精准获取上游的曲面造型数据,而且可以精准的配合加工生产。
“自顶而下”的BIM设计,首先在设计的顶层构筑一个“顶层基本骨架”（TopBasicSkeleton,随后的设计过程基本在该“顶层基本骨架”的基础上进行复制、修改、细化,最终完成深化设计的过程。
例如项目的整个幕墙工程是最顶级的“顶层基本骨架”,然后按照塔楼、楼层以及部位可以分拆为多个层次的“顶层基本骨架”,各个“顶层基本骨架”能够表现该部位幕墙的几何形状和空间位置,能够反映同其他“顶层基本骨架”的几何约束关系。
由此,幕墙“自顶而下”深化设计展开的核心是“顶层基本骨架”,也是多个幕墙构件之间相互联系的中间桥梁和纽带。
BIM软件的参数化建模能力是“自顶而下”深化设计得以顺利实现的基础。
基于BIM的参数化建模,可以通过参数驱动设计结果的自动修改。
参数与模型的控制尺寸有明显的对应关系,并且具有全局相关性,从而使得模型数据的改变在不同层次之间的传递变得唯一并即时。
基于BIM的“自顶而下”设计主要有两个特点:
幕墙的几何造型可以方便地转化成具有真实属性的建筑构件。
当我们改变参数使得几何形体发生变化的同时,建筑构件也相应同步变化,这就使视觉形体与真实的幕墙构件关联起来,视觉模型也就转化为真正的“信息模型”。
例如金属幕墙的深化设计,基于BIM技术能够按照建筑师的要求生成大型复杂曲面并方便地进行曲面表皮分隔,把造型分割成小块的、适合批量生产的、工艺简单的、材料节省的曲面面板,然后通过钣金展开成平面尺寸的图纸进行误差较小或者无误差的切割下料。
而且,基于这些具有真实属性的建筑构件,可以帮助企业逐步丰富和完善其参数化幕墙构件库,有利于企业知识的积累和重用。
表1.幕墙算量示意图（文献2
在满足“顶层基本骨架”的形状和位置前提下,可以完成异形曲面面板的优化,通过优化以满足复杂曲面的可加工、运输、安装以及成本的要求。
幕墙设计师通过参数驱动修改曲面面板的形状,在视觉误差允许的情况下,通过用单曲面代替双曲面、用平板代替单曲,尽量生成标准规格的、简单形状幕墙等方式,同时综合考虑建造成本、施工难易、物理性能、美观（例如需考虑板材规格的供应情况、数控机床加工参数以计算面板规格最大尺寸,逐步优化并达到美观和经济的平衡。
BIM软件之所以能够进行面板优化,除了利用了它优异的参数化建模能力,还利用了软件的实时的数据提取能力（表1。
由于幕墙BIM模型中包括面板、龙骨、连接件、支座、预埋件的几何信息、材料信息以及管理信息。
每次幕墙形体的改变,都会及时快速地生成相应的料单和造价信息。
曲面异形幕墙造价存在更多的不确定性,幕墙形体的调整必然影响到构件成本、加工要求等一系列因素的变化,BIM将关联这些因素,形成一个动态更新的数据模型。
对原有的幕墙曲面BIM模型进行持续的改进优化,通过表格化输出的量单实时对比不同设计方案的造价指标。
一步步进行迭代循环,最终达到美观和成本的平衡。
自动的专业纠错
随着建筑幕墙工程复杂性的增加,跨学科的合作成为建筑幕墙设计的趋势。
幕墙工程的工序是在具备完整的主
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