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BIM给幕墙设计带来的变革

2015-12-1 00:00| 发布者: ccbuild| 查看: 1310| 评论: 0|来自: 网络

摘要: 摘要: 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,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。 ...

摘要: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,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。

1.信息技术对幕墙设计的推动作用 

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,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。  

2.基于BIM技术的幕墙设计特点 

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1)。

图1.凌空SOHO模型

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2.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。

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体结构后开始施工的,可与机电工程并行施工,幕墙与其他各专业在空间占位上联系紧密。BIM可以改变建筑师、结构工程师、幕墙工程师的传统的工作协调模式,将不同专业的BIM模型整合在一起进行专业间的碰撞检查,提前发现专业间的几何位置冲突。例如,通过专业碰撞检测幕墙龙骨与混凝土结构之间的预留空间,确认结构是否给予了建筑幕墙充分的空间,预埋件的位置是否准确,同精装和机电是否有占位冲突。再如,通过检查大型建筑装饰件以及LOGO的位置是否有幕墙结构来匹配,确认建筑与幕墙结构之间是否有冲突等等。

3.基于BIM的设计对后续流程的改变 

模型化设计交付 

模型化设计交付是实现幕墙行业工业化的重要手段之一。幕墙大量采取工厂定制的生产方式,设计与制造紧密结合。与传统制造业相比,幕墙单元的定制化程度更高,不仅各个项目的设计不同,甚至有时在一个项目中的幕墙板块也各不相同,需要灵活、快速的按需生产,因此通过幕墙单元标准化和规则化实现大批量生成的工业化模式或许不是幕墙行业的主流的工业化方向。基于BIM技术的模型化设计交付,可以避免从二维设计图纸到三维加工模型转换这个环节出现的信息损失,精准地把幕墙设计数据传递到数控机床,直接用于幕墙构件加工。设计数据的无损传递、数字化自动加工不但可以提升建筑品质,而且可以减少从设计到加工各个环节中的巨大浪费,这或许是未来幕墙行业的工业化发展趋势。 

虚拟装配 

近来,单元式幕墙的应用越来越多。由于单元式幕墙的板块是在车间加工和组装,所以现场施工人员必须要掌握幕墙不同立面、不同层高、不同类型的板块才能与现场的施工区域一一对应。基于BIM技术完成幕墙的深化设计后,单元面板、龙骨框架、非常规型材这类构件都可以依据数据规划进行唯一的编码,装配出整体建筑的幕墙模型,而可提取数据产生料单(图3)。料单中对每根构件都有唯一的编号,通过编号下料加工、管理材料堆放,根据标准单元模板图快速拼装单元。

图3.银河SOHO幕墙面板编号

在幕墙的板块内注明加工、运输、安装的方向和顺序信息后,可以采用BIM手段进行幕墙预装配,从而可以合理地安排幕墙施工计划和安装工作顺序,科学地规划现场场地,合理安排施工工期,提高安装质量,减少多工种同时作业容易发生的窝工现象。

(本文节选自《BIM给幕墙设计带来的技术改革》)

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