基于BIM技术的建筑幕墙设计下料

1 前言

　　近年来，BIM技术已广泛应用于建筑行业的各个专业中，如建筑、结构、水电管线、建筑节能、工程施工、运营维护等等，发挥着越来越大的管理作用。

　　作为建筑行业的重要一环，建筑幕墙行业也开始逐渐将BIM技术应用于幕墙工程中，特别是幕墙方案投标阶段，如建立三维模型、进行碰撞分析、施工模拟管理等，但应用于幕墙工程的设计下料阶段的很少。本文阐述了BIM技术如何应用于幕墙工程，自动生成幕墙工程的设计下料，从而极大地提高了设计效率，减少设计失误。通过本文的介绍，希望对从事幕墙行业的人士有所帮助。

　　2 幕墙常用BIM软件

　　市场上常用的BIM软件按厂家分主要有四大公司：美国欧特克(Autodesk)公司、美国宾利(Bentley)公司、法国达索(Dassault)公司和匈牙利图软(Graphsoft)公司。

　　而按BIM软件的功能可分为三维建模软件、机械设计软件、施工管理软件等，其中三维建模软件主要有欧特克公司的Revit、达索公司的Catia和图软公司的Archi;机械设计软件主要有达索公司的Catia和Solidworks、德国Siemens公司的UG、美国PTC公司的ProE、美国CNC公司的Mastercam以及欧特克公司的Inventor;施工管理软件主要有欧特克公司的 NavisWorks、宾利公司的 ProjectWise和达索公司的Delmia。

　　目前，幕墙行业常用的BIM软件详见表1，它们主要被应用于幕墙工程的招投标阶段、施工图过程中的三维建模和幕墙工程施工管理阶段。然而，在设计下料阶段，仅有为数不多的幕墙公司采用专业的机械设计软件进行幕墙设计，使得BIM技术在建筑幕墙行业中的作用没有得到充分发挥。

　　3 BIM如何应用于建筑幕墙的设计下料

　　建筑幕墙设计主要包括三个阶段：方案投标设计、施工图设计(含深化设计)以及设计下料。其中，方案投标设计人员数量一般占幕墙设计总人数的10~15%，施工图设计人员一般占幕墙设计总人数的20~25%，而设计下料人员一般占幕墙设计总人数的60~70%，也就是说六成以上的幕墙设计人员每天都在做重复性的、易出错的设计工作，工作压力大，责任重，容易产生厌烦情绪。

　　另外，幕墙行业里历年来通常都是采用AutoCAD二维平面设计软件进行全过程设计，包括设标阶段的方案图、施工阶段的施工图设计、设计下料阶段的零部件加工等，如普通框架（词条“框架”由行业大百科提供）式幕墙、单元式幕墙的设计。当遇到三维异形幕墙(屋面)时，通常采用犀牛(Rhino)进行三维建模，再导入Autocad中通过LSP进行二次编程开发，手动生成幕墙设计数据，达到三维异形幕墙(屋面)设计下料的目的。此法不但设计效率很低，容易产生设计失误，而且可能严重影响幕墙工程进度甚至成本控制。

　　如果采用BIM技术应用于建筑幕墙的设计下料，可以极大的提高设计效率，降低设计成本和设计失误，那么，BIM技术如何才能应用于建筑幕墙的设计下料呢?

　　3.1 技术路线

　　首先，根据建筑师提供的幕墙分格图或建筑三维表皮模型，建立建筑幕墙的三维模型，可采用BIM三维建模软件，如Revit、Catia、Archi等;其次，将幕墙参数化信息模块导入幕墙三维模型中，自动生成幕墙材料订购表或下料单(亦称提料单);最后，通过BIM的机械设计软件与三维模型软件进行关联，自动生成幕墙材料下料单及加工工艺图。

　　3.2 基于BIM技术的幕墙设计下料全过程

　　下面主要通过美国欧特克(Autodesk)公司的BIM相关软件进行说明，三维建模软件采用最常用的Revit，机械设计软件采用Inventor。

　　1) 首先，建立建筑幕墙标准族库，如立柱、横梁、标准单元板块等，并将幕墙常用的变量赋予参数化设计，如立柱的截面（词条“截面”由行业大百科提供）宽高度、玻璃厚度、标准单元板块的宽度和高度、横梁高度等，参数化设计后，只需通过调整预先设定的设计参数，就能即时改变幕墙系列、规格等，以满足不同系列、不同幕墙类型的设计下料要求，减少建立标准族库的工作量;

　　2) 根据建筑师提供的幕墙分格要求，采用Revit软件建立幕墙立面分格图或三维表皮模型;

　　3) 将幕墙标准族库导入Revit建立的幕墙立面分格图或三维表皮模型中，自动生成幕墙三维模型;

　　4) 通过幕墙三维模型可自动计算生成该幕墙工程所需的幕墙材料，如型材名称、长度、面板尺寸、数量等，并可输出Excel格式幕墙材料订购表;

　　5) 将Revit生成的参数化的三维模型与机械设计软件Inventor 进行关联，自动生成幕墙板块部件组装图、零件加工工艺图以及材料下料单等;

　　6) 最后，将生成的幕墙板块部件组装图、零件加工工艺图等转化成Autocad格式的DWG文件或加工中心格式的文件，以方便工厂生产加工使用。

　　4 基于BIM技术的建筑幕墙设计下料应用示例

　　经多个幕墙工程模拟测试验证，基于BIM技术的建筑幕墙设计下料完全可以应用于各种幕墙类型，如普通框架式幕墙、单元式幕墙以及三维造型的异形幕墙等，下面对单元式幕墙和异形幕墙这两种常用幕墙类型的应用示例进行详细说明。两个示例均选用了简单的幕墙系统设计，以方便表述。

　　4.1 单元式幕墙设计下料示例

　　1. 选用标准化的单元式幕墙系统，创建参数化的幕墙单元板块嵌板族，详见图1;

图1 单元板块嵌板族

　　2. 将幕墙单元板块嵌板族插入到幕墙立面分格中，生成幕墙三维建模图，详见图2;

图2 单元式幕墙三维建模图

　　3. 三维建模软件将根据预先设定的参数自动生成下料单，包括玻璃订购表、型材下料单等，详见图3和图4;

图3 生成玻璃定购表

图4 生成型材下料单

　　4. 将三维建模软件中的参数自动关联到机械设计软件后，自动生成幕墙单元板块的组框图、型材加工图等，详见图5和图6，不同的单元板块加工工艺只需改变板块编号即可完成;

图5 自动生成单元板块组框图

图6 自动生成型材加工图

　　5. 零、部件加工工艺图生成CAD格式后输出存档。

　　当单元式幕墙建立了系统标准库后，单元板块的设计下料工作变得非常简单，只需提供幕墙立面分格图，就能及时输出标准的CAD格式的加工工艺图纸。

　　4.2 异形幕墙(屋面)设计下料示例

　　一直以来，异形幕墙(屋面)的设计下料是幕墙工程中的难点，板块分格的不规则、异形、三维定位等特点往往需要耗费大量的人力和物力，假如采用BIM技术，就能够极大地提高设计和生产的效率，下面对一个异形玻璃采光顶屋面进行示例说明。

　　异形采光顶屋面分格为三角形分格，玻璃为平面玻璃，与玻璃框铝型材（词条“铝型材”由行业大百科提供）采用结构胶进行粘接。为方便表述，只建立了简单的三角形玻璃框标准板块，三维屋面表皮视图详见图7。

图7 三角形异形玻璃屋面表皮三维视图

　　1. 将创建好的参数化三角玻璃板块输入异形屋面分格图中，自动生成三维屋面系统图，详见图8;

图8 自动生成三维屋面系统图

　　2. 三维建模软件根据预先设定的参数自动生成下料单，包括玻璃订购表、型材下料单等，详见图9和图10;

图9 生成三角形玻璃定购表

图10 生成玻璃框型下料单

　　4. 将三维建模软件中的参数自动关联到机械设计软件后，自动生成三角形玻璃框的组框图、型材加工图等，详见图11和图12，同样，不同的三角形玻璃框板块加工工艺只需改变板块编号即可完成;

图11 自动生成三角形玻璃板块组框图

图12 自动生成玻璃框型材加工图

　　5. 零、部件加工工艺图生成CAD格式后输出存档。

　　从三角形玻璃屋面设计下料的示例可以看出，异形幕墙(屋面)的设计下料变得非常简单、快捷，立等可取。只要参数化模块和幕墙(屋面)三维模型输入正确，理论上不可能存在下料错误，极大地提高了异形幕墙(屋面)的设计效率，使异形幕墙(屋面)的快速下料变为可能。

　　5 结束语

　　通过以上单元式幕墙和异形幕墙的示例可以得出，BIM技术是建筑幕墙设计下料的倍增器。基于BIM技术的建筑幕墙设计下料将原本枯燥无味的幕墙下料工作变得非常简单、轻松，大大地解放了设计下料人员的工作压力，极大地提高了建筑幕墙的设计效率，降低了人为设计错误，乃至对整个幕墙工程的施工进度和成本控制都将起到非常大的推动作用。

　　试想一下，当建筑幕墙行业开始大量应用BIM技术进行幕墙设计时，幕墙施工单位在签订幕墙工程合同前期，已经能够迅速、准确地计算出幕墙工程的材料成本，只需将报价的重点放在人工费、施工措施费等费用测算上面，便能准确完成整个幕墙工程的报价;或者上午刚刚签订幕墙工程合同，下午即可制定完成幕墙主材的订购计划;或者可以考虑大幅减少幕墙设计师的人数;或者建设单位也能较全面地了解幕墙设计和成本等等。

　　综上所述，基于BIM技术的建筑幕墙设计如果是一场革命，会革谁的命?

　　[参考文献]

　　[1] 清华大学BIM课题组等. 中国建筑信息模型标准框架研究. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

　　[2] 清华大学BIM课题组等. 设计企业BIM实施标准指南. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

　　[3] 廖小烽 王君峰编著. Revit 2013/2014建筑设计. 北京：人民邮电出版社，2013.

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