胡忠明，皮白波，肖文杰（武漢凌云建筑裝飾工程有限公司， 湖北 武漢 430040）

1 工程背景

恒大?；◢u是一座人工島，位于海南省儋州市排浦港與洋浦港之間的海灣區(qū)域。海花島 1號博物館群藝術(shù)館（簡稱“藝術(shù)館”）位于?；◢u 1號島博物館群入口處。

藝術(shù)館造型奇特，基本形體是由空間的 5 個正三角形（與水平面夾角各異，大小依次變小，中心點(diǎn)相同）和 1 個正六邊形放樣而成。與此同時，地面正六邊形和 4 個正三角形，將藝術(shù)館的表皮分成 5 個環(huán)面，從下到上分別稱為一層、二層、三層、四層、五層。

三角形與六邊形按長度等分，相鄰三角形對應(yīng)的等分點(diǎn)連接起來，形成直紋面的幕墻表皮。三角形與六邊形的空間錯位極大，使得藝術(shù)館形成的 5 個環(huán)面扭曲劇烈，但整體建筑表皮卻優(yōu)雅流暢，宛如一朵盛開的海花。藝術(shù)館效果圖見圖1。

圖1 藝術(shù)館效果圖

藝術(shù)館幕墻工程可分為 5 個系統(tǒng)：①空間大扭曲全隱玻璃幕墻系統(tǒng)，藝術(shù)館最主要的幕墻系統(tǒng)；②豎明橫隱玻璃幕墻系統(tǒng)，天井位置的玻璃幕墻；③玻璃百葉幕墻系統(tǒng)；④門廳系統(tǒng)；⑤收口鋁板系統(tǒng)。

2 項目難點(diǎn)

（1）藝術(shù)館造型復(fù)雜，外立面三角形玻璃間夾角各異，且變化范圍極大（165 °～216 °）。

（2）三角形玻璃的每條邊上均需布置鋼龍骨，次龍骨兩端均需切2個空間角（與豎龍骨相關(guān)線、與相鄰次龍骨）；鋼龍骨的加工與焊接量大，且難以保證安裝后室內(nèi)效果。

（3）材料數(shù)量、種類繁多，加工數(shù)據(jù)量大，若采用傳統(tǒng)下料方法，必然無法保證提料的效率與準(zhǔn)確性。

（4）藝術(shù)館各個成型面均為空間大扭曲面，需定位大量空間點(diǎn)，才能確保放線精準(zhǔn)；由于放線數(shù)據(jù)量大，導(dǎo)致施工難度很高。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用與方案設(shè)計

鑒于藝術(shù)館的難點(diǎn)，靈活運(yùn)用 BIM（本項目采用犀牛軟件）技術(shù)，將其貫穿于工程始末。從與建筑設(shè)計單位溝通，完成對原始BIM建筑表皮的優(yōu)化，到與主體鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行干涉碰撞分析，完成建筑模型的調(diào)整。從深化BIM模型，完成幕墻實體建模，到提取主要材料的加工數(shù)據(jù)，完成材料的下料與加工任務(wù)。從提取幕墻放線點(diǎn)位的坐標(biāo)，完成施工放線的工作，到配合施工現(xiàn)場，完成幕墻最終的安裝。BIM技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)了施工方案的設(shè)計，驗證了施工方案的可行性，保證了施工的進(jìn)度與質(zhì)量，同時也節(jié)約了施工成本。

3.1 建筑表皮優(yōu)化

藝術(shù)館建筑表皮由 5 個扭曲劇烈的直紋環(huán)面組成，每個曲面均劃分為若干列玻璃，每列玻璃再劃分為若干相互交錯的三角板塊。

組成建筑表皮的 5 個直紋環(huán)面從第一層至第五層，依次變小。若按照原方案（每個直紋環(huán)面劃分列數(shù)一定）實施，就會使得第五層每列的分格變得極其小。BIM 分析表明：頂部三層玻璃分格面積＜ 0.5 m2，室內(nèi)龍骨密集，外觀效果并不理想。

另一方面，大量三角形板塊角度＜ 30 °。考慮到玻璃特性，尖角角度＜ 30 ° 時玻璃需斷角處理。斷角后，在玻璃尖角6點(diǎn)交匯處會形成比較大的封堵膠洞，嚴(yán)重影響外立面效果和防水功能。

與設(shè)計院、業(yè)主溝通后，對表皮玻璃分格進(jìn)行了優(yōu)化：①合并上層表皮主分格，減少了分格數(shù)量，加大了單塊玻璃面積；②微調(diào)整玻璃分格，減少尖角＜ 30 ° 的玻璃數(shù)量。

經(jīng)表皮分格優(yōu)化后，減少玻璃數(shù)量近 1 500 塊（原表皮共 6 000 多塊），極大提高了玻璃生產(chǎn)、組裝、運(yùn)輸、安裝的時間，加快了項目施工進(jìn)度。

3.2 與相關(guān)專業(yè)進(jìn)行碰撞檢測

根據(jù)現(xiàn)場基準(zhǔn)控制點(diǎn)，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全方位復(fù)核。依據(jù)復(fù)測結(jié)果調(diào)整主體鋼結(jié)構(gòu)理論模型，并與幕墻BIM模型合模進(jìn)行碰撞檢驗。碰撞位置與業(yè)主、設(shè)計院協(xié)商提出解決方案。與主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢驗，發(fā)現(xiàn)有5處結(jié)構(gòu)干涉，由主體鋼結(jié)構(gòu)單位調(diào)整鋼龍骨。保證幕墻表皮不變。依據(jù)BIM分析結(jié)果，對幕墻開窗位置和面積核對與調(diào)整，使其滿足綠建要求和消防排煙要求；對進(jìn)、出風(fēng)口位置與幕墻玻璃百葉位置核對與調(diào)整；對排水口與落水管位置的核對與調(diào)整，使其滿足建筑排水功能。

3.3 基于BIM設(shè)計空間大扭曲全隱玻璃系統(tǒng)方案

3.3.1 三角形玻璃板塊間夾角分析

藝術(shù)館的 5 個直紋扭曲面，扭曲度極大。三角形的分格可以實現(xiàn)的用平面元素來適應(yīng)這種空間大扭曲。與此同時，相鄰三角形玻璃板塊間的夾角也會紛繁不一。經(jīng)對表皮模型分析后，得到其角度分布區(qū)間。

3.3.2 受力構(gòu)造的設(shè)計

一層位置部分幕墻立面外傾。玻璃破損后存在掉落傷人的危險。綜合考慮后，首層玻璃采用 6+1.52 PVB +6 Low-E+12 A+6+1.52 PVB+6 配置，并設(shè)置玻璃防脫塊。二至五層玻璃采用 6 Low-E+12 A+6+1.52 PVB+6 配置。

考慮原方案主次分格均做鋼龍骨，龍骨加工與現(xiàn)場施工量大，且切角復(fù)雜，不易實現(xiàn)，鑒于本項目玻璃分格不大，大膽設(shè)想、小心求證，提出只在主分格方向布置徑向鋼龍骨的方案：每三角形玻璃組成足夠強(qiáng)三角形板塊，三角形板塊只在主徑向方向安裝上墻，次分格方向采用鋼件與相鄰三角形板塊連接。通過鋼件將力傳遞到相鄰三角形板塊上并最終傳遞到板塊固定點(diǎn)。玻璃主次方向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)見圖2。

圖2 玻璃主次方向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)

需重點(diǎn)攻克的難點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)受力問題：①三角形玻璃邊框能承受較大荷載；②次龍骨鋼件計算能傳遞受力；③三角形邊框組角能傳遞受力；④主龍骨固定點(diǎn)能滿足受力要求。經(jīng)過結(jié)構(gòu)師對最不利部位建模計算，對各危險部位進(jìn)行加強(qiáng)后，此方案變得切實可行。

此方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①次龍骨本身沒有規(guī)律，取消此方向龍骨可以有效避免次龍骨定位安裝帶來的困難；②從外視效果上看，主龍骨布置有跡可循，協(xié)調(diào)順暢；③玻璃與型材龍骨在加工廠做成整體，玻璃板塊到現(xiàn)場直接與轉(zhuǎn)接件連接，減少現(xiàn)場工作量。

3.3.3 適應(yīng)板塊間大扭曲角度的設(shè)計

從BIM分析數(shù)據(jù)可以看出，藝術(shù)館玻璃面板之間夾角的角度變化范圍為 161 ° ～ 205 °，且主龍骨方向和次方向角度變化毫無規(guī)律。另一方面，藝術(shù)館的三角形玻璃板塊為隱框形式，從外觀上需要保證玻璃膠縫寬度一致。

參考過類似有適應(yīng)角度的隱框玻璃節(jié)點(diǎn)，但是它們都存在共同的缺陷— 無法適應(yīng)大的角度變化范圍。于是，嘗試“利用模圖形狀變化來實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)適應(yīng)角度變化” 的最原始思路，采取每 5 ° 1 種節(jié)點(diǎn)形式，保證室外縫 20 mm 不變，室內(nèi)縫有大有?。ㄓ捎谙噜彶ＡТ嬖谂で虼俗罱K室內(nèi)縫大小不一的效果并不明顯）。

最終利用了 3 種邊框模圖和 4 種護(hù)邊模圖，相互組合成6 種邊框的狀態(tài)，每種邊框適應(yīng)一定角度范圍，從而形成了一套完整的適應(yīng)所有角度的方案。這有點(diǎn)類似于拼積木，原理簡單，卻實實在在地解決了這一難題。

藝術(shù)館陽角玻璃夾角也進(jìn)行了分角度區(qū)間設(shè)計。層間玻璃間夾角采用層間夾角節(jié)點(diǎn)。大于層間夾角通過不同玻璃邊框和出邊距離實現(xiàn)。小于層間夾角通過倒角處理（減少尖角漏水隱患）內(nèi)外均用鋁板封閉。陰陽角位置處理節(jié)點(diǎn)見圖3。

圖3 陰陽角位置處理節(jié)點(diǎn)

4 三角形玻璃板塊組角設(shè)計

在取消幕墻次方向龍骨的同時，為滿足受力要求，必須將玻璃邊框加大并和玻璃一起組成一個獨(dú)立板塊。藝術(shù)館的面板存在如下特點(diǎn)：①板塊均為三角形，大小形狀各異；②板塊組角角度變幻不定，且范圍廣；③邊框受力大，角部承受荷載大。這些特點(diǎn)使得組角存在一定的難度。如何才能克服這些難點(diǎn)，使三角板塊組角具有適應(yīng)性和足夠的力學(xué)性能？參考類似項目，并結(jié)合藝術(shù)館的實際情況，綜合考慮后采用“合頁組角”的方式，即在邊框角部，采用合頁插接到邊框中，打釘固定。組角節(jié)點(diǎn)見圖4。

圖4 組角節(jié)點(diǎn)

5 BIM實體建模與特殊部位方案補(bǔ)充

對于常規(guī)工程，通過二維圖紙就能夠較為清晰地反映出幕墻所有構(gòu)件的規(guī)格以及在工程中的具體位置。但是，對于藝術(shù)館這個空間異型的工程，實體建模必不可缺，在方案完善，材料加工，施工定位，竣工結(jié)算等方面都有極其重要的指導(dǎo)意義。幕墻鋼龍骨模型見圖5。

圖5 幕墻鋼龍骨模型

BIM 建模過程中會發(fā)現(xiàn)一些需要特殊處理的部位，須在補(bǔ)充方案（配計算）后再建立模型。例如，部分三角形板塊邊框在陽角處存在干涉情況，須將三角形板塊型材邊框組成四邊形、合并板塊固定、超小板塊固定等。

6 材料加工數(shù)據(jù)的提取

對于藝術(shù)館這樣一個空間大扭曲的項目，材料加工工作與常規(guī)項目有著極大差異。首先，藝術(shù)館有玻璃板塊 4 500多塊，每個板塊加工、組裝數(shù)據(jù)將近 40 多個，僅玻璃板塊這一項，數(shù)量就高達(dá) 20 萬塊；其次，藝術(shù)館所有面板型材的尺寸規(guī)格均是唯一的，材料萬一出錯，就無法替換或再利用，難以補(bǔ)救，因此材料訂貨、加工準(zhǔn)確性至關(guān)重要；最后，藝術(shù)館三角板塊是相互固定，依次安裝，類似于單元幕墻。如果安裝過程中出現(xiàn)板塊供應(yīng)配套性問題，勢必會影響工期，因此怎么組織材料、分批加工也十分重要。

BIM 技術(shù)的應(yīng)用，以其“高效”“精準(zhǔn)”“全面”的特點(diǎn)，很好地解決了藝術(shù)館材料訂貨、加工難題。

6.1 材料訂貨

對于玻璃，從整體出發(fā)考慮，采用分層、分列依次排序方式編號，邏輯清晰。雖然項目異形，卻能使現(xiàn)場施工人員輕松地找到玻璃的安裝位置。

與此同時，玻璃等材料的加工數(shù)據(jù)利用程序，從已經(jīng)建好的模型中導(dǎo)出。由于玻璃等材料在整體模型中所呈現(xiàn)的形態(tài)，就是它們在三維空間中的 1∶1 放樣，因此按照導(dǎo)出的理論數(shù)據(jù)加工的玻璃等材料，最終必將和模型保持一致，從而真正實現(xiàn)了材料訂貨加工“零錯誤”。

6.2 三角形玻璃板塊組框

前文提到過，藝術(shù)館板塊適應(yīng)面板間角度變化，是通過邊框模的變化來實現(xiàn)的。也正是這點(diǎn)，使得藝術(shù)館三角板塊邊框有 7 種形式。再有三角板塊有 3 條邊，每條邊的形式也不一樣。最后，板塊有 1 條邊為主龍骨方向邊，另外 2 條邊為次龍骨方向邊，邊型材加工形式也不一樣，所有邊毫無通用性。粗略算下來，藝術(shù)館三角板塊組框可能存在的類型就有 684 種。

這么多類型的板塊，如果按照常規(guī)的板塊組框思路，每1 種板塊做 1 個組框圖，肯定是不行的。組框圖太多畫圖工作量太大，組裝數(shù)據(jù)匹配工作也很大；組框圖太多不利于加工廠看圖。怎樣才能簡化組框？吸取做樣板時的經(jīng)驗，結(jié)合藝術(shù)館節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)，將藝術(shù)館邊框類型以節(jié)點(diǎn)索引的形式，索引到組框圖中，類似于大樣圖和節(jié)點(diǎn)圖的形式。

7 BIM技術(shù)指導(dǎo)放線和施工

7.1 主龍骨安裝定位

藝術(shù)館工期緊張，所有材料的訂貨與加工必須和現(xiàn)場施工同步進(jìn)行?，F(xiàn)場的龍骨定位必須和理論模型保持一致，且不存在較大誤差。

對于這種空間大扭曲項目，為保證建筑外觀造型，確保面板可以順利安裝，幕墻龍骨定位的準(zhǔn)確性就成了施工重難點(diǎn)，測量放線也成了工程成敗的關(guān)鍵。因此，分別給出了主龍骨定位點(diǎn)位來指導(dǎo)安裝主龍骨，確保主龍骨安裝準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上，也給出了面板主方向分格的定位點(diǎn)位，用來控制玻璃板塊安裝的位置。雙重定位提高了放線定位的準(zhǔn)確性。為保證龍骨安裝的精度，也會對安裝完畢的龍骨位置進(jìn)行復(fù)測，對誤差較大的龍骨進(jìn)行整改，從而保證玻璃板塊能正常安裝。

7.2 玻璃板塊安裝定位

安裝板塊也是本工程的一個難點(diǎn)，關(guān)鍵就是轉(zhuǎn)接鋼件需要定位精準(zhǔn)。

藝術(shù)館每個三角形板塊在主龍骨上均有兩個轉(zhuǎn)接鋼件。如果每個鋼件均采用三維點(diǎn)定位后，再進(jìn)行玻璃板塊安裝，會造成現(xiàn)場施工放線工作量巨大；幕墻龍骨定位存在一定的誤差，加之鋼件定位后焊接固定會有一定的熱變形，產(chǎn)生少量誤差。種種因素使得玻璃板塊安裝位置變得不可控，整體安裝效果參差不齊。

實體樣板安裝時，采用先定位鋼件后安裝玻璃板塊的方式安裝，事實證明效果并不理想。經(jīng)分析，藝術(shù)館應(yīng)主要是要保證主分格，次方向?qū)ΣＡО鍓K整體安裝影響不大。于是，決定采用控制玻璃板塊位置方式進(jìn)行安裝。先定好玻璃分格線（玻璃分格理論位置），玻璃板塊在安裝位置到位后焊接主龍骨上鋼件。這樣才能保證玻璃塊位置安裝無誤。

8 結(jié) 語

恒大?；◢u藝術(shù)館項目，通過采用簡單高效的安裝方案，響應(yīng)國家大力發(fā)展裝配式建筑的號召，結(jié)合BIM參數(shù)化設(shè)計，高質(zhì)高效地實現(xiàn)了大扭面異形幕墻造型，并產(chǎn)生了一定的社會效益，給同類型幕墻項目提供了借鑒，