【BIM之家】銀河SOHO項目那些複雜幕牆是如何通過BIM技術解決的

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銀河SOHO項目的竣工使BIM技術在該項目中的應用成為行業關注的焦點，我們有理由相信BIM技術在複雜建築建造中的地位越來越重要。BIM技術以三維數字模型為基礎，在應用維度上囊括了設計、項目信息、可視化、項目協調等一系列過程管理的內容；在幾何空間上大到規劃設計、小到裝置構件無不體現了BIM技術的應用。

銀河SOHO項目中BIM技術滲透到了項目的方方面面，CCDR有幸參與了銀河SOHO東標段幕牆BIM的實施（圖1）

這是對幕牆BIM的一次重要探索與實踐，其圓潤、流線型的幕牆系統對項目的設計建造提出了新的挑戰：

1）大量非標準單元板塊，標準節點無法重複使用；

2）大量雙曲面板需要優化成可展曲面；

3）面板尺寸無法用常規尺寸標註描述；

4）安裝定位困難；

5）無法確定特殊型材數量。

上述問題讓業主方的設計管理團隊意識到，現有的幕牆深化設計方法、實施流程、加工工藝及安裝方法無法滿足幕牆建造的需求，因此業主決定引入幕牆BIM到現有的設計管理體系中，而選擇的幕牆BIM團隊必須要能解決以下問題：

1）了解曲面幾何屬性；

2）掌握工業參數化建模軟體——CATIA；

3）能開發軟體從數字模型中提取建造數據；

4）協調專業碰撞。

行業的挑戰給予了CCDR一次機會，CCDR作為幕牆BIM分包參與項目實施，幕牆行業的BIM服務應運而生，銀河SOHO幕牆BIM的成功實施讓我們收穫頗豐，總結了大量可行的流程和實用的經驗。當我們完成了銀河SOHO後發現，原本是業主所推動的BIM服務，繼而轉變為項目內部自身的需求。在這之後，CCDR相繼完成了大同博物館、望京SOHO、凌空SOHO等幕牆BIM的實施。

1 優勢

1.1 工業化基因

建築業中的鋼結構和幕牆專業與製造業很相似，大型幕牆企業有自己的ERP系統，企業內部可以實現模型及電子料單的交付生產。BIM概念強化了幕牆產業的工業化基因，提高了深化設計乃至整個工程的質量、效率，為建築業節約成本，帶來巨大的效益。幾款主流的建築業BIM軟體設計思想和推進的產業流程均源自製造業，突破建築業以藍圖作為設計交付的模式，通過BIM實現產業化是幕牆行業發展的必然選擇，由此，幕牆產業與BIM的一見傾心絕非巧合。

（1）在複雜幕牆系統的設計上越來越多地採用單元式幕牆，其構成原理為：在工廠里由橫豎框架組成單元組件框架，並將玻璃、鋁板等材質的面板安裝到單元組件框的相應位置上，形成單元組件（圖2），然後運往工地現場，通過連接件固定在預埋龍骨上。幕牆業務的工業化邏輯與BIM技術高度契合，BIM技術是連接從設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部流程的關鍵技術鏈。

（2）BIM技術使幕牆工業推進至更高的工業標準。幕牆產業在國內是上世紀80年代發展起來的，大型企業的標準比行業標準更高，其在深化設計流程、製圖標準及造價控制體系制度方面完全按工業化方向發展。BIM技術介入後，BIM模型不僅可以生成AutoCAD難以繪製的二維加工圖（圖3），而且BIM模型提取的數據表單將大幅減少2D藍圖表達設計的格局。通過3D實體模型來確定設計和生產工藝，將模型數據和電子錶單導入 PLM系統中進行管理。

（3）幕牆BIM設計應選擇頂級工業製造軟體。前期較多使用工業設計軟體Rhino用於曲面設計和數據分析，其操作簡單、模塊封裝、插件眾多等特點受到建築師的青睞，適合於前期方案的構思和建築幾何計算。深化設計則更多使用CATIA軟體，作為工業設計領域的頂級設計軟體，其擁有極強的幾何造型能力和準確的建模功能，同時具備穩定的參數化建模環境，可以方便地將模型生成圖紙和提取數據。

上世紀90年代末，Frank Gehry就用它來解決複雜建築的案例，後來基於實際項目的應用經驗，在CATIA平台上開發了DigitalProject，轟動一時。

1. 2 複雜幕牆可建造

1. 2.1 BIM與參數化設計

建築師通過在軟體中輸入設計邏輯、建立數理計算模塊、設定幾何約束等方法生成外形體及幕牆表皮，表皮的肌理呈現複雜的關聯性、動態性、非線性、漸變性等特徵，銀河SOHO、望京SOHO、凌空SOHO等建築正是用這樣的設計方法生成的建築。參數化設計通過參數驅動模型產生設計，BIM基於模型整合數據承載項目生命周期的各種應用。從流程上來看，BIM不僅承接參數化設計模型及參數，傳遞設計，而且更多的貢獻集中在如何根據新的建造條件、材料供應等情況調整模型數據。值得一提的是，參數化和參數化設計不是一個概念，參數化通常說明的是軟體的參數化建模能力，而參數化設計是一種設計方法，BIM軟體都具備參數化建模能力。參數化設計方法與BIM珠聯璧合，參數化設計在BIM流程中核心的應用是優化面板，在視覺誤差允許的情況下，儘可能地用單曲面代替雙曲、平板代替單曲（圖4），規格儘可能統一（圖5），以降低造價。

1.2.2 結構化數據

龐大的設計數據和建造數據需求首當其衝的便是要做好數據規劃。在複雜的幕牆系統中通常採用達索的CATIA作為BIM平台軟體，數據組織採用的是「自上而下」（TopDown）的管理思想。軟體具體的操作是通過「產品」（Product）和「零件」（Part）間的嵌套鏈接關係來實現的（圖6），零件與零件間互相引用的數據通過「發布參數」的功能來傳遞。「產品」和「零件」是一個虛擬的概念，管理具體的項目必須依據實際情況來劃分大小，好的數據規劃是將來提取、使用數據的前提。例如在銀河SOHO中最大的層級是整個幕牆工程為一個「產品」，然後按塔樓、樓層、部位依次逐漸細化「產品」，最後把一個單元定義成一個「零件」，單元板後面的連接件、龍骨「零件」是實體的「特徵」。

清晰的數據結構和數據標識是管理每塊板塊設計信息和定位參數的基礎，保持一致的欄位名稱和組成結構對於項目數據的管理十分重要，為使以後各個部位、階段的數據能快速、準確地被檢索到，需要建立統一的命名標準（圖7）。例如編碼「TW2_CLD_F06_FLK」可以表示成「二號塔樓-鋁板幕牆-第六層-側掛板」。

1.2.3 效率

複雜幕牆可建造的說法是一個相對的概念。100多年前安東尼·高迪設計建造的建築，形體波浪起伏富有動感，表皮填充奇妙、夢幻的紋理，大量使用陶瓷瓦片、馬賽克、彩色玻璃拼貼出屋頂、牆面的肌理，算是複雜的幕牆系統，幾乎沒有一塊建材可以成批製造，都必須現場手工加工，大量匠人花費長達數百年的時間去建造，聖家族大教堂的建造一直持續到今天。15年前還沒有BIM的概念，後續的承建者們用3D模型模擬設計及建造，基本上都能按照高迪的手稿復原建造（圖8），由此可見，使用BIM建造複雜建築是時代的要求。

1.2.4 數據提取

表皮離散後生成非標準單元幕牆，非標準單元背後隱藏著龐大的數據需求，比如龍骨的長度、公框和母框的夾角（圖9）、轉接件的個數、每個轉接件的角度參數等（圖10）。此時，我們已經無法逐一地用CAD的辦法繪製幕牆單元的設計信息。出於經濟和實用的目的，需要利用BIM強大的數據管理能力實現建造，具體如下：

（1）BIM模型能提取和管理成千上萬的非標準單元幕牆的設計數據，包括面板、

龍骨及連接件的幾何、材料、建造信息，龐大的數據呈指數增長。

（2）BIM模型中得到單元板塊的安裝坐標（圖11）。

數據提取的過程是通過計算機程序按照上一小節所描述的數據結構遍歷所有的「產品」和「零件」（圖12），讀取參數後按規定的格式填寫數據。數據提取生成數字料單是組成幕牆企業ERP系統的核心數據。

1.2.5 數據料單

與普通幕牆生產相比，複雜幕牆單元的型材長短不一、面板呈非標準幾何形狀，給構件加工和管理帶來困難，導致成本上升，以傳統的流程需要增加5%以上的額外非標準產生的成本，且時間上無法保證。BIM的工作模式改變了這一流程：首先在建模的時候對「用戶自定義特徵」中的單元面板、龍骨框架、非常規型材這類構件依據數據規划進行唯一的編碼2，計算機根據幾何條件自動計算輸入參數，裝配出整體建築的幕牆模型，而後通過程序提取數據產生料單。料單中對每根構件都有唯一的編號，通過編號下放材料加工、管理材料堆放，按標準單元模板圖（圖13）快速拼裝單元。根據型材幾何特點，與下游材料供應商溝通，以數據表（圖14）、CAD文件、三維模型的形式下發生產料單。料單中的編號在材料出廠時要求廠家寫在面板背面，這兩年大型企業已經開始用條形碼、二位碼等標識單元（圖15）。這樣有利於材料進場時就近碼放，安裝前按排版圖順序擺放在地面上，對進場材料進行驗收，也有利於安裝時對號就位。

1.3 可視化

為了能夠將專業設計及工序用可視化的方式表達出來，BIM無疑是最好的選擇，基於BIM技術的三維虛擬設計環境將設計信息、模擬信息快速地傳遞給項目協作夥伴，給設計協調帶來了巨大的好處。幕牆BIM對可視化的需求主要是節點研究和施工工序模擬，幾乎所有的設計意圖（節點設計）都可以通過三維模型進行協調（圖16），施工過程可以通過模擬模擬工序，實現了所見即所得，減少了設計返工帶來的經濟損失。按SOHO中國潘石屹先生的話說就是：在蓋樓之前先在計算機里蓋一遍，把問題消滅在計算機里。SOHO中國設計管理有一條要求：在設計例會、交底會、供應商的技術討論會上，以模型作參照，改「看圖說話」為「看模型說話」。我想這是對BIM可視化應用最友好的評價。

1.4 造價估算

對曲面幕牆的造價評估我更願意和軟體開發領域裡的一個名詞「迭代開發模型」聯繫在一起，和直上直下的建築幕牆比起來，曲面異形幕牆造價存在更多的不確定性，幕牆形體的調整必然影響到項目的規劃數據、成本、施工等一系列因素的變化，BIM將關聯這些因素，形成一個動態更新的數據模型。迭代設計對原有的幕牆曲面BIM模型實現了持續的改進優化，目標一小步、實現一小步進行迭代循環，迭代的目標是為了及時處理問題、降低成本。ZAHA設計團隊從方案設計開始一直駐場到項目竣工，無不說明了這種設計方法的優越性，在這過程中不斷地對建築形體進行調整，BIM模型可以通過程序即時、快速地提取數據，評估造價。

幕牆的造價計算原則很簡單，即按展開表面積計算，對於形體簡單的幕牆通常是規則多邊形面積的總和。然而異形幕牆由於有大量異形板片的存在，傳統的通過在CAD里測量長度乘以高度的計算方法已不適用。首先必須編寫計算機程序，通過幾何規則識別板片，主要的目的是區分出平板、單曲、雙曲，然後對這些離散的板片進行歸類（圖17），需要對曲面板展開後計算表面積，最後通過計算機程序進行自動匯總，這種統計模式非常快速、準確。

除了幕牆面板外，面板背後的型材也是造價估算的重要部分，用手工和2D軟體的辦法很難精細化管理造價，控制型材對整體幕牆造價的影響，BIM的方式則可以準確地計算標準型材和非標型材的用量。

1.5 專業協調

BIM的工作模式是將眾多的設計數據集成於一個模型中，按項目節點定義版本，更新模型數據，其本質應該是一個動態的構建模型/資料庫的過程。專業協調是BIM的基礎應用和核心功能，從軟體的操作上可以簡單地理解為將各專業模型匯總後做碰撞檢測。

建築工程的建設周期是一個複雜的過程，中間發生大量設計協調以及由此產生的過程數據，可視化的方式讓項目管理者對設計問題一覽無餘。

幕牆工程的工序是在具備完整的主體結構後開始施工，可與機電工程並行施工。幕牆與其他各專業在空間佔位上聯繫緊密，按潘石屹先生的話說就是包包子的皮，不要出現餡太大而皮包不住的情況。複雜幕牆系統通過BIM加強了如下空間佔位管理：

（1）幕牆通過土建板邊將荷載傳遞到主體，BIM可以檢查結構邊梁尺寸及幕牆預埋件位置，避免後期幕牆安裝時與主體結構發生碰撞。

（2）BIM能處理好幕牆與精裝的空位關係問題，如二次隔牆與幕牆龍骨的對位關係、幕牆開啟扇與房間的位置關係等。

（3）幕牆與機電專業協調，如在施工圖設計時樓體泛光照明系統方案無法完善，其線路與燈具的布局就需要與幕牆在施工二次深化設計時進行協調；屋頂機電設備布置密集與幕牆專業需要大量的協調工作等。

（4）幕牆與標識的專業協調，如主體建築LOGO、燈箱廣告與幕牆的關係（圖18）。

（5）幕牆與景觀的專業協調，如幕牆與景觀地面的交接。項目的實施過程中出現了設計「不一致」問題或者施工過程中產生新的空間佔位問題，協作方通過開協調會，提出解決辦法，出具變更，這是傳統的做法。然而BIM模型可以真實地還原物理空間，在計算機里處理設計階段的碰撞問題，項目合作各方進行討論協調，使這些問題更早暴露，並在早期解決。

2 實踐

2.1 銀河SOHO

銀河SOHO的建築設計者是扎哈?哈迪德（Zaha Hadid），項目總建築面積32萬m2 ，其中幕牆面積16萬m2 。在建築設計策略上，四棟單體通過連橋整合營造出一個壯觀的整體，整個建築平面近似於橢圓，平面弧度均不相同，創造出豐富而流動的空間景緻和室外平台，變化的樓層及平台將各個空間有機地組合在一起。（此項目概況信息來自SOHO中國，幕牆BIM團隊主要成員為郭巍、薛丙）

2.2 望京SOHO

望京SOHO是由扎哈·哈迪德擔綱總設計師，總建築面積521 265m 2 ，由三棟集辦公和商業一體的高層建築和三棟低層商業組成，最高一棟高度達200m，猶如三座外部被閃爍的鋁板和玻璃覆蓋的相互掩映的山峰，其獨特的曲面造型使建築物在任何角度都呈現出動態、優雅的美感。（此項目概況信息來自SOHO中國，幕牆BIM團隊主要成員為王斌（小）、王星、岳磊）

2.3 凌空SOHO

凌空SOHO是由扎哈?哈迪德擔綱總建築設計師，十二棟建築被十六條空中連橋連接成一個空間網路，多個樓層彼此互通，震撼的流線型外觀、動感十足的曲線造型、流動而豐富的空間變化將商業、辦公融為一體。建成後總建築面積約35萬m2 。

2.4 大同博物館

大同博物館由中國建築設計研究院的崔愷院士擔綱總建築設計師，總建築面積約6萬m2 ，兩個弧形的形體圍繞著中央大廳以螺旋結構盤旋生成，形成從地面生長的姿態。採用火燒面和水洗面工藝，形成淺灰和深灰兩種色彩和質感的石材表面，並通過由淺到深的過渡控制與隨機搭配，產生建築表面豐富的質感變化。

3 未來

BIM將直接促使建築行業各個領域的變革和發展，顛覆傳統幕牆行業的思維模式，改變現有的流程產生模式。我們期待出現新的生產方式和行業規則。