黃軒安1， 章國勝 張群力 陳可楠 蔣俯傳

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 2000921； 2.浙江新盛建設(shè)集團(tuán)有限公司，杭州 310006)

引言

建筑信息模型(Building Information Modeling)[1]，簡稱BIM，是由充足信息構(gòu)成以支持新產(chǎn)品開發(fā)，由計算機(jī)應(yīng)用程序直接解釋對建筑環(huán)境生命周期管理的建筑或建筑工程信息模型、模擬。實(shí)現(xiàn)BIM價值的三大支柱是IFC/IDM/IFD。IFC 是工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn) Industry Foundation Classes 的縮寫[2]， IFC 標(biāo)準(zhǔn)是通過三維建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)， 使得不同專業(yè)或者同一專業(yè)不同軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的共享， 從而實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期各階段的數(shù)據(jù)交換與共享。目前IFC已經(jīng)被認(rèn)可為 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)，已成為主流BIM軟件的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橹挥腥S建模軟件才可能導(dǎo)出IFC數(shù)據(jù)，所以基于IFC標(biāo)準(zhǔn)BIM核心部分就是三維模型及可視化技術(shù)。

我國BIM起步較晚，與美歐發(fā)達(dá)國家相比，在BIM的標(biāo)準(zhǔn)制定、目標(biāo)規(guī)劃、應(yīng)用理念、軟件水平、人才資源、信息技術(shù)等方面差距較大。目前 BIM 建模軟件和基礎(chǔ)平臺主要被幾家國際大型軟件開發(fā)商所壟斷，如Autodesk、Bentley、Trimble 等公司。國內(nèi)的BIM應(yīng)用軟件還在發(fā)展中，如廣聯(lián)達(dá)、PKPM 等，雖然在專業(yè)功能和符合國情等方面具有優(yōu)勢，但因研發(fā)投入和規(guī)模等局限，軟件的功能、技術(shù)水平和市場競爭力等方面與美歐發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。住建部在《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》等重要文件中對BIM的實(shí)施均做出了具體的要求，將BIM定位于我國建筑業(yè)未來發(fā)展的核心技術(shù)之一。目前我國已制定了BIM標(biāo)準(zhǔn)，完善了國內(nèi)企業(yè)的BIM制度，為日后BIM在國內(nèi)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

主流的BIM設(shè)計建模軟件都具有各自的可視化編程插件來進(jìn)行BIM參數(shù)化設(shè)計，為異形非線性造型的建筑設(shè)計帶來方便，但應(yīng)該明確，這些BIM軟件/插件等，僅僅是個設(shè)計工具。任何異形、非線性建筑的幾何形體都不會彼此相同，無法進(jìn)行程式化設(shè)計。所以每一個幾何形體復(fù)雜、流面、流線造形的建筑在應(yīng)用BIM技術(shù)前還要進(jìn)行建筑幾何設(shè)計的前期分析。即：根據(jù)建筑師在方案階段提供的控制曲面、控制曲線網(wǎng)格以及深化設(shè)計要求，進(jìn)行建筑幾何形體設(shè)計策劃、建造邏輯推理及確定參數(shù)化設(shè)計方案與可視化編程等。保證建筑設(shè)計滿足功能和形式完美統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)形與力高度統(tǒng)一。彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)造型獨(dú)特深受建造師青睞，其彎曲網(wǎng)格狀鋼結(jié)構(gòu)決定了需要特殊的設(shè)計方法與建造工藝，必須有精確的數(shù)學(xué)及工程計算保證幾何形體的準(zhǔn)確性。對其進(jìn)行研究具有實(shí)際的工程學(xué)意義。

1 項(xiàng)目介紹

2022年杭州亞運(yùn)會兵乓球館建筑面積為21 477m2，分為三層，地下一層，地上二層，共設(shè)7 500座觀眾席，被杭州市民稱為杭州的“國球中心”[3](如圖1-3)。該館建筑造型取自良渚文化的“玉琮王”，采用黃銅色陽極氧化鋁和斜交網(wǎng)格玻璃幕墻構(gòu)成。建筑造型由美國ATS團(tuán)隊設(shè)計，取自良渚文化的“玉琮”。外立面色彩和亞運(yùn)吉祥物“琮琮”一致，采用黃色陽極氧化鋁和斜交網(wǎng)格玻璃幕墻構(gòu)成。建筑平面布置由里向外為：比賽大廳、設(shè)備空腔、側(cè)廳。設(shè)備空腔由兩個同心的圓柱形墻體所圍成，其中空腔外墻位于直徑93m圓周上，空腔內(nèi)墻位于直徑87m的圓周上。比賽大廳內(nèi)跨度約92m。比賽場地凈高35m。乒乓球館整體結(jié)構(gòu)由非線性外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部混凝土框架結(jié)構(gòu)、屋頂自由曲面空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組成。其中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)由兩部分組成。一部分是陽極氧化鋁板幕墻區(qū)域，底部混凝土型鋼斜柱加上部自立式彎曲形鋼桁架，另一部分是玻璃幕墻區(qū)域，彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。兩部分結(jié)合處布置了格構(gòu)式鋼柱用于轉(zhuǎn)換和傳遞兩部分結(jié)構(gòu)之間相互作用。相對于一般大跨度、大空間建筑而言，本工程中設(shè)計施工有二項(xiàng)難點(diǎn)，其一為非線性不規(guī)則外圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)(彎曲鋼桁架、彎扭斜交網(wǎng)格)、幕墻系統(tǒng)；其二為非線性不規(guī)則空間曲殼形網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、金屬屋面系統(tǒng)。文中重點(diǎn)介紹實(shí)際設(shè)計建造過程中應(yīng)用BIM集成技術(shù)解決這兩項(xiàng)難點(diǎn)的方法。

圖1 乒乓球館外立面

圖2 乒乓球館側(cè)廳

圖3 乒乓球館比賽大廳

2 BIM集成技術(shù)

2.1 BIM集成

建筑學(xué)是一門橫跨工程技術(shù)、人文藝術(shù)的學(xué)科。而工程學(xué)是一門應(yīng)用學(xué)科，是運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理及其它自然科學(xué)原理來設(shè)計建造的學(xué)科。工程學(xué)研究自然科學(xué)在各行業(yè)中的應(yīng)用方式方法，同時也研究工程進(jìn)行的一般規(guī)律，并且進(jìn)行改良研究。BIM技術(shù)是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。BIM信息模型是包含整個建筑內(nèi)部事物及過程的信息模型，其核心不僅僅是三維模型本身(幾何信息，可視化信息)，還包括存在于其中的專業(yè)信息(建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、水電暖、聲學(xué)、材料、價格、采購、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等)。因此無論模型還是模擬，真正的核心是信息(幾何空間信息、技術(shù)信息、產(chǎn)品信息、建造信息、維保信息)。其中幾何信息模型是最基本的，因?yàn)橐曈X是人類接收外部信息的最重要感官[4]。信息，特別是幾何信息的三維可視化在BIM應(yīng)用過程中發(fā)揮最直接、最重要作用。BIM建筑信息模型所模擬的真實(shí)對象或過程是一個多學(xué)科、多系統(tǒng)、多物理場耦合的工程學(xué)綜合系統(tǒng)。必須將不同研究領(lǐng)域中的應(yīng)用軟件或系統(tǒng)加以集成，協(xié)同工作，才能從整體上完成對建筑全信息模型的模擬。

表1 項(xiàng)目主要數(shù)字化應(yīng)用軟件

2.2 本工程BIM軟硬件配置

根據(jù)國家制定及頒布有關(guān)BIM交付標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計合同要求確定本工程BIM的交付標(biāo)準(zhǔn)為確定采用LOD-500標(biāo)準(zhǔn)[5]。LOD-500最終階段的模型表現(xiàn)的是項(xiàng)目竣工的情形。模型將作為中心數(shù)據(jù)庫整合到建筑運(yùn)營和維護(hù)系統(tǒng)中去。在交付使用后，物業(yè)公司可以根據(jù)模型文件的信息進(jìn)行有價值利用。本階段模型文件應(yīng)包含市政、園林綠化、消防、機(jī)電、鋼結(jié)構(gòu)等各個分項(xiàng)的模型信息。

BIM技術(shù)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)體系是建立標(biāo)準(zhǔn)的BIM語義和信息交互的規(guī)則，是建筑數(shù)字化全生命周期的信息資源共享的基礎(chǔ)，也為各專業(yè)協(xié)作提供了有力保證，主要包括建模制圖、設(shè)計、施工應(yīng)用、平臺應(yīng)用、交付標(biāo)準(zhǔn)等。依此建立了以Revit2019為基礎(chǔ)的項(xiàng)目模型集成軟件平臺，實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目數(shù)據(jù)自有共享，并搭建了協(xié)同管理下的數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 主要軟件配置(表1)

3 非線性外圍護(hù)建筑

3.1 建筑外圍護(hù)部分BIM集成深化設(shè)計

深化設(shè)計階段采用多軟件、多系統(tǒng)集成，具體有Revit、Rhinoceros、Navisworks、Architecture等軟件，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時采用了Midas、MST、ANSYS、SAP2000、Takela等軟件?，F(xiàn)在BIM設(shè)計建模軟件有很多，都有各自的可視化編程插件來進(jìn)行BIM參數(shù)化設(shè)計，如Rhino和其可視化編程插件Grasshopper，Archicad和其可視化編程插件PARAM-O，Revit和其可視化編程插件Dynamo for Revit。Dynamo出色之處在于管理建筑信息，驅(qū)動模型幾何參數(shù)和數(shù)據(jù)庫，可以調(diào)用Revit的數(shù)據(jù)，通過與其他數(shù)據(jù)處理軟件聯(lián)動，大大發(fā)揮Revit的數(shù)據(jù)管理功能。采用Dynamo與Excel中的結(jié)合，可以快速為項(xiàng)目構(gòu)件添加信息參數(shù)，降低人工操作時的出錯機(jī)率，有效地提高模型參數(shù)的管理效率。隨著技術(shù)的發(fā)展， Dynamo Generative Design(衍生式設(shè)計)正式成為 Revit 內(nèi)置功能。本工程設(shè)計采用的是Rhino和其可視化編程插件Grasshopper，主要是考慮到Rhinoceros軟件中所內(nèi)置的強(qiáng)大的微分幾何功能。雖然Rhino沒有.ifc格式文件的輸出端口，但可以從Rhino中導(dǎo)出.dwg或.sat格式文件(.dwg格式需要導(dǎo)出實(shí)體)。這兩種文件格式都為Revit軟件所支持，并生成Revit構(gòu)件。

參與深化設(shè)計的專業(yè)單位較多，主要有BIM、建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻、精裝、燈光、景觀等設(shè)計團(tuán)隊。設(shè)計順序?yàn)椋河山ㄖ?、BIM團(tuán)隊提供控制曲面和控制曲線網(wǎng)格以及深化設(shè)計原則，再由結(jié)構(gòu)團(tuán)隊完成彎扭斜交網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)和彎曲鋼桁架設(shè)計，最后由外幕墻、精裝(內(nèi)幕墻)完成各自專業(yè)的龍骨系統(tǒng)與玻璃幕墻、鋁板幕墻的排布。這些設(shè)計團(tuán)隊都在同一個BIM模型中協(xié)同工作，通過各專業(yè)BIM設(shè)計成果進(jìn)行合模、檢查、修改、協(xié)調(diào)、優(yōu)化流程。這是一個逐次逼近的過程，經(jīng)過幾次流程后才能獲得滿意的成果。所以BIM集成深化設(shè)計包含了兩個方面的內(nèi)容，一方面是不同專業(yè)設(shè)計人員基于本專業(yè)知識進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，另一方面是具有不同專業(yè)強(qiáng)項(xiàng)的軟件或系統(tǒng)集成工作。其過程必須在同一個建筑信息模型中進(jìn)行，最終獲得由不同專業(yè)信息模型所集成后的協(xié)調(diào)、耦合、綜合各專業(yè)的總信息模型。

將3組患者臨床各項(xiàng)數(shù)據(jù)均輸入SPSS 13.0軟件中,3組患者各項(xiàng)檢測結(jié)果均以(均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)的形式表示,予以t檢驗(yàn),組間對比統(tǒng)計學(xué)意義存在(P<0.05)。

3.2 幾何分析與參數(shù)化設(shè)計

乒乓球館建筑外圍邊界控制曲面，整體可以用拓?fù)鋷缀涡g(shù)語描述為：由若干張自由曲面組合而成光滑、封閉、緊致、連通、非對稱、高斯曲率大于0的曲面。該曲面為非旋轉(zhuǎn)曲面，無法利用旋轉(zhuǎn)對稱進(jìn)行簡化，但可利用其光滑性(可微性)產(chǎn)生的線性結(jié)構(gòu)以及利用該控制曲面的法向等距面族進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)幾何建模。為了進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，還要建立建筑的基本幾何控制系統(tǒng)。[6]基本幾何控制系統(tǒng)由三部分組成：a為三維歐氏坐標(biāo)系(原點(diǎn)設(shè)在比賽場地中心，標(biāo)高為正負(fù)0.000處)作為建筑整體坐標(biāo)系(該坐標(biāo)系與BIM模型中設(shè)定的坐標(biāo)系形一致)； b為不同樓層平面軸網(wǎng)關(guān)系； c為由若干張自由曲面組成的組合曲面。該組合曲面為建筑幾何形體外邊界的控制曲面，是該基本幾何控制系統(tǒng)中最重要的一個組成部分，稱為基本控制曲面。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計BIM集成技術(shù)

Rhinoceros→Revit→MST→Midas→Tekla

3.3.1 參數(shù)化幾何建模

乒乓球館的外圍護(hù)建筑(圖8)兩部分組成。a為等厚彎扭斜交網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)+玻璃幕墻系統(tǒng)； b為等厚彎曲鋼桁架+陽極氧化鋁板幕墻系統(tǒng)。按照方案設(shè)計提供的控制曲面、控制曲線網(wǎng)格(圖4)利用微分幾何原理和Rhino軟件內(nèi)置的微分幾何工具[7]，利用控制曲面、曲線上線性結(jié)構(gòu)建立一個專用活動標(biāo)架場[8]，在活動標(biāo)架上布置彎扭構(gòu)件的矩形截面，形成離散的截面場(圖5)。通過掃掠或放樣計算機(jī)輔助幾何方法建立彎扭斜交網(wǎng)格模型(圖6～7)。彎扭斜交網(wǎng)格的彎扭構(gòu)件可以由一個矩形邊框，將其中心約束在控制曲線上，矩形平面的兩個主軸約束在曲線法平面上的兩個標(biāo)架矢上，沿曲線掃掠成型。從而建立彎扭斜交網(wǎng)格構(gòu)件(玻璃幕墻區(qū)域)和彎曲鋼桁架構(gòu)件(陽極氧化鋁板區(qū)域)鋼結(jié)構(gòu)的幾何模型。

圖4 控制曲面與控制曲線網(wǎng)格

圖5 離散的控制截面場

圖6 由控制截面場生成彎扭斜交網(wǎng)格

圖7 整體彎扭斜交網(wǎng)格

圖8 乒乓球館外圍護(hù)建筑結(jié)構(gòu)

圖9 空間網(wǎng)架在水平面上的投影

3.3.2 鋼結(jié)構(gòu)加工及拼裝

針對彎扭斜交構(gòu)件的特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)深化出圖、加工安裝采用CAD三維放樣、Tekla Structures軟件建模深化相結(jié)合的方式。從Rhino模型中導(dǎo)出彎扭斜交網(wǎng)格構(gòu)件輪廓邊線和中心線到AutoCAD三維圖形平臺中進(jìn)行三維放樣，通過三維放樣形成的外輪廓導(dǎo)入Tekla中進(jìn)行深化處理。Tekla平臺可以多用戶進(jìn)行同時在同一模型進(jìn)行細(xì)部設(shè)計、零構(gòu)件圖紙的產(chǎn)生及編輯等操作，解決構(gòu)件間多角度、多方位連接節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計。通過AutoCAD三維圖形平臺與Tekla結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了彎扭構(gòu)件全智能化出圖，生成鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的零部件加工圖紙及平立面定位、三維空間定位圖紙及立面安裝等深化制作與安裝圖紙。同時為鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)字化加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。構(gòu)件加工時，對彎扭構(gòu)件中扭轉(zhuǎn)程度較小的構(gòu)件可以采用“數(shù)控+激光加熱—拉彎工藝”在矩形鋼管上直接加工。類似的加工方法還有頂推技術(shù)。對彎扭構(gòu)件中扭轉(zhuǎn)程度大的構(gòu)件，則需要用彎扭板件焊接組成。方法：數(shù)控裁剪、數(shù)控多點(diǎn)成形機(jī)成形、全自動三維測量、搭建三維胎架、全自動焊接成形。詳見圖10。

圖10 Tekla建模深化與定位

3.3.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝 BIM+智能全站儀

安裝前采用Midas軟件中專用的施工模擬模塊進(jìn)行施工模擬，通過模擬驗(yàn)證施工方案可行性。乒乓球館彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對拼裝精度控制、安裝精度控制以及安裝過程監(jiān)測精度要求很高，將這些空間結(jié)構(gòu)安裝到設(shè)計所要求的空間位置，其控制過程極為復(fù)雜，是本項(xiàng)目測量工作重難點(diǎn)之一。應(yīng)用BIM+智能全站儀(自動放樣機(jī)器人)集成技術(shù)，是通過對軟件、硬件進(jìn)行整合。首先利用Autodesk Point Layout在BIM模型上建立一個虛擬的測量控制點(diǎn)系統(tǒng)，并將BIM模型中的測量控制信息導(dǎo)入智能全站儀，再在施工現(xiàn)場建立一個真實(shí)的測量控制點(diǎn)系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)字孿生。本工程采用了兩款智能全站儀：科力達(dá)、K59190系列&新瑞達(dá)CJS—630RM系列。智能型全站儀由馬達(dá)驅(qū)動，程序控制，自動完成多個目標(biāo)的識別、照準(zhǔn)與測量，且在無反射棱鏡的情況下可對一般目標(biāo)直接測距，對海量點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行放樣及校核。高效、精確地完成復(fù)雜的三維放樣與坐標(biāo)復(fù)核的測量工作。測量后自動記錄信息，為精裝、機(jī)電、幕墻等專業(yè)提供深化設(shè)計依據(jù)。

3.4 幕墻設(shè)計BIM集成技術(shù)

Rhinoceros→Revit→MST→Midas→Tekla

3.4.1 玻璃幕墻設(shè)計施工

按建筑設(shè)計，玻璃幕墻的控制曲面為彎扭斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)外表面所在控制曲面的法向等距面。由法向等距面幾何性質(zhì)可知源曲面與等距曲面在對應(yīng)點(diǎn)上共用同一根法線，所以可利用彎扭斜交網(wǎng)格控制曲面上的活動標(biāo)架場，利用每一個網(wǎng)格交點(diǎn)上的法矢量取相同的長度，所得到的點(diǎn)都落在玻璃幕墻的控制曲面上。根據(jù)不共線的三點(diǎn)確定一平面，每一塊棱形曲面上都有四個(上、下、左、右)角點(diǎn)，按統(tǒng)一原則取(上、下、左)三個角點(diǎn)做一平面，這時右邊的角點(diǎn)(作為棱形玻璃的起翹點(diǎn))不一定在該平面上，利用右邊角點(diǎn)上的法向量與平面的交點(diǎn)作為棱形平面玻璃的第四個角點(diǎn)。這樣我們就得到了一塊棱形平面玻璃的空間定位，依次類推就得到整個玻璃幕墻的空間排布。同樣玻璃幕墻的龍骨也可根據(jù)法向等距曲面的幾何性質(zhì)通過現(xiàn)成的活動標(biāo)架構(gòu)造出來(詳見圖11)。

圖11 乒乓球館玻璃幕墻及龍骨

3.4.2 鋁板幕墻設(shè)計施工

首先在陽極氧化鋁板幕墻的控制曲面上確定鋁板排布的控制曲線網(wǎng)格，Rhinoceros具有內(nèi)置的微分幾何功能，可以方便獲得控制曲面上每一點(diǎn)的法向量以及控制曲線上每一點(diǎn)上的切向量。控制曲面和其上每點(diǎn)上的切平面所構(gòu)成的幾何對象稱為控制曲面的切從(連續(xù)對象)，可以利用約束在控制曲面上控制網(wǎng)格交點(diǎn)上的離散切叢進(jìn)行鋁板幕墻排布、裁剪設(shè)計。陽極氧化鋁板幕墻[9]后面的鋼結(jié)構(gòu)是彎曲鋼桁架，利用鋁板排布的控制曲線網(wǎng)格和后面的彎曲鋼桁架模型就可以進(jìn)行鋁板幕墻龍骨的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 自由曲面空間網(wǎng)架

Rhinoceros→Revit→MST→Navisworks→Navisworks→AutoCADMEP→Rebro

4.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置BIM集成技術(shù)

4.1.1 屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)基本情況

乒乓球館金屬屋面造型是個自由面，屋面網(wǎng)架屬于異形空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架整體上呈現(xiàn)空間曲網(wǎng)殼形式，上、下弦層控制曲面均為自由曲面，兩者非等距面關(guān)系?？臻g網(wǎng)架采用下弦支撐。共36個支點(diǎn)布置在兩個同心圓周上(按圓心角劃分每10度布置一個)，其中24個支點(diǎn)位于直徑為93m的圓周上，12個支點(diǎn)位于直徑為87m的圓周上。每一個支點(diǎn)的標(biāo)高都不同，沿著圓周呈起伏變化。平面上網(wǎng)架最寬處140m，最窄處110m。周邊出挑，最大出挑處達(dá)24m。根據(jù)設(shè)計，網(wǎng)架中心投影到相對標(biāo)高為0.00m平面上與幾何控制系統(tǒng)的坐標(biāo)系原點(diǎn)正好重合。網(wǎng)架中心為網(wǎng)架最高處，最高處屋頂標(biāo)高為42m。網(wǎng)架厚度：中心區(qū)域與水平面垂直方向?yàn)?m，支座區(qū)域與水平面垂直方向?yàn)?m。懸挑邊緣與水平面垂直方向的厚度為2m。厚度按水平面上定位圓的徑向線性變化。單元網(wǎng)格一般按倒立四角錐布置。網(wǎng)格上弦控制曲面以上的檁托、主檁條(徑向)、次檁條(環(huán)向)、金屬屋面等的控制曲面則可利用上弦控制曲面的等距曲面進(jìn)行布置。

4.1.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)設(shè)計必須建立與其相協(xié)調(diào)的空間網(wǎng)格模型，才能實(shí)現(xiàn)建筑外形和結(jié)構(gòu)骨架的高度統(tǒng)一。首先按屋面輪廓在水平面上投影，將網(wǎng)架布置的邏輯歸納并輸入計算機(jī)，通過犀牛參數(shù)化軟件來實(shí)現(xiàn)邏輯化參數(shù)建模，進(jìn)行曲面網(wǎng)格劃分，根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)確定每根上弦桿的支撐點(diǎn)位置，再以此為依據(jù)確定下弦桿支撐點(diǎn)和腹桿。初步確定網(wǎng)架關(guān)鍵截面結(jié)構(gòu)高度，創(chuàng)建完成屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)化幾何模型。將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單模導(dǎo)入MST軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模與計算，根據(jù)邊界支承條件和荷載作用確定桿件截面規(guī)格，確保結(jié)構(gòu)安全與變形滿足設(shè)計規(guī)范要求。再將MST網(wǎng)架幾何模型導(dǎo)入Revit中形成BIM中的網(wǎng)架模型(詳見圖9)。

4.1 網(wǎng)架層設(shè)備綜合支架設(shè)計及荷載統(tǒng)計

4.2.1 網(wǎng)架層設(shè)備情況

網(wǎng)架層空間復(fù)雜，桿件眾多，網(wǎng)架邊緣區(qū)域最小空間高度僅2m，還存在倒三角形空間網(wǎng)架布置、斜腹桿影響等不利因素。網(wǎng)架層中設(shè)備眾多，含有檢修馬道、暖通、消防、智能化、水電、裝修、賽事等重要設(shè)施設(shè)備。其中包含風(fēng)管、馬道、虹吸排水、消防水炮、裝修吊頂、燈具、電器橋架、升降旗裝置(賽事)、自動排煙窗、位移補(bǔ)賞器、檐口裝飾鋁板、防火封堵隔墻等； 網(wǎng)架中間區(qū)域還有大體量的漏斗造型、泛光筒、斗屏、斗屏卷揚(yáng)機(jī)平臺、揚(yáng)聲設(shè)備。

4.2.1 網(wǎng)架層設(shè)備綜合支架

在BIM模型中按照專業(yè)分包合同范圍劃分工作界面，各自建立本專業(yè)設(shè)備的幾何模型。以2019Revit平臺為管綜三維集成深化設(shè)計協(xié)同平臺，對網(wǎng)架、馬道、設(shè)備等進(jìn)行合模檢查。

網(wǎng)架層中的設(shè)備主要是暖通專業(yè)的風(fēng)管(圖12)，風(fēng)管尺寸為1.60m×0.63m為主，風(fēng)管安裝必須滿足規(guī)范的凈空要求，當(dāng)風(fēng)管與馬道交匯時要保證馬道1.8m凈高要求。在Revit三維模型中空間可視化避讓，解決管綜空間布置問題。根據(jù)周圈裝飾鋁板的百葉出風(fēng)口的空間位置，對風(fēng)管末端進(jìn)行空間高度調(diào)整保證風(fēng)管末端空間定位與百葉出風(fēng)口空間定位一致。

圖12 網(wǎng)架層中風(fēng)管排布

按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求(網(wǎng)架桿件只能承受軸向壓力或拉力)，這些設(shè)備必須通過托架、吊架與網(wǎng)架下弦、上弦的球節(jié)點(diǎn)連接。但是網(wǎng)架上兩個球節(jié)點(diǎn)之間的距離較大(達(dá)6m以上)，有時還要布置水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件。在網(wǎng)架層中所有設(shè)備空間布局采用BIM集成技術(shù)協(xié)調(diào)好之后，便能統(tǒng)一考慮設(shè)備吊架、托架優(yōu)化設(shè)計問題。能共用的吊架、托架及水平轉(zhuǎn)換桿件能共用盡可能共用，保證整體上減輕重量。以綜合吊、支架系統(tǒng)代替各設(shè)備專業(yè)單獨(dú)的吊、支架系統(tǒng)。達(dá)到節(jié)省空間、材料、方便施工、減少荷載、加快進(jìn)度、提升工程質(zhì)量良好效果。

4.2.3 網(wǎng)架層深化設(shè)計階段荷載統(tǒng)計

當(dāng)綜合吊架、支架設(shè)計完成之后，就可以對網(wǎng)架層中設(shè)備及吊架、支架產(chǎn)生的總的重力荷載以及它們作用在每一個球節(jié)點(diǎn)上的重力荷載進(jìn)行精確統(tǒng)計。這時結(jié)構(gòu)復(fù)核就可以用點(diǎn)荷載輸入進(jìn)行計算(前一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只能用面荷載輸入計算)。深化設(shè)計時荷載及荷載分布更為精準(zhǔn)，由此得到的網(wǎng)架撓度(局部或整體)上更符合實(shí)際情況。有了這些計算結(jié)果就可以用來調(diào)節(jié)網(wǎng)架上弦球節(jié)點(diǎn)上檁托長度，使得金屬屋面頂受荷變形后的曲面形狀與設(shè)計要求的控制曲面保持一致，確保屋面的排水效果。

4.2.4 泛光筒、漏斗造型、揚(yáng)聲器、卷揚(yáng)機(jī)平臺、斗屏的綜合吊架

圖13 網(wǎng)架層中的馬道

網(wǎng)架中間區(qū)域有一個直徑為13m的采光井，精裝專業(yè)在此處設(shè)計有、泛光筒、漏斗造型(底部大圓盤直徑22m)。同一空間區(qū)域內(nèi)還有智能化專業(yè)的斗屏吊架、卷揚(yáng)機(jī)平臺、音響設(shè)備等。這些精裝、智能化設(shè)備包括它們的綜合吊架的自重加起來達(dá)40噸左右(詳見圖13～15)。這些重力荷載將作用在網(wǎng)架下弦(最中間的兩個圓環(huán))的18個球節(jié)點(diǎn)上，而網(wǎng)架上弦(最中間的一個圓環(huán))的9個球節(jié)點(diǎn)上承受泛光筒的重力荷載作用。此處網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吊掛荷載重，四臺卷揚(yáng)機(jī)平面布置復(fù)雜，卷揚(yáng)機(jī)工作時會產(chǎn)生動力荷載。吊架為重大非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計要求很高?；贐IM集成技術(shù)精裝、智能化綜合吊架深化設(shè)計工程，先由精裝和智能化專業(yè)BIM工程師根據(jù)建筑、結(jié)構(gòu)的BIM模型，按各自需求建立各自專業(yè)內(nèi)容的幾何模型(結(jié)構(gòu)專業(yè)要求，非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件只能與網(wǎng)架的球節(jié)點(diǎn)連接)。精裝及智能化專業(yè)設(shè)計各自的次結(jié)構(gòu)(龍骨系統(tǒng)、吊架、鋼平臺等)，然后與網(wǎng)架、馬道、風(fēng)管等統(tǒng)一合模，消除干涉，統(tǒng)一吊桿等優(yōu)化措施，形成各專業(yè)認(rèn)可的綜合吊架結(jié)構(gòu)布置方案。再根據(jù)精裝、智能化專業(yè)的荷載提資，由網(wǎng)架深化設(shè)計單位將綜合吊架模型連接到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部與整體計算與復(fù)核，進(jìn)行抗震分析。此外還進(jìn)行吊架高空安裝模擬、4臺卷揚(yáng)機(jī)升降斗屏的運(yùn)行過程模擬。

圖14 精裝泛光板、漏斗造型龍

圖15 精裝&智能化專業(yè)綜合吊架仰視圖

5 精裝內(nèi)幕墻設(shè)計施工BIM集成技術(shù)

Rhinoceros→Revit→MST→Midas→Tekla

乒乓球館側(cè)廳內(nèi)幕墻的控制曲面為一高達(dá)25～30m的旋轉(zhuǎn)曲面，旋轉(zhuǎn)軸為通過場地中心的垂直線(控制坐標(biāo)系的Z軸)。旋轉(zhuǎn)曲面的母線是一條自由曲線。曲面底部收攏至建筑空腔外墻面，17m標(biāo)高處曲面離外墻面的距離最大，為2.8m。曲面的頂部也向外墻面收攏，外幕墻整體上看像扁南瓜造型。由于該幕墻的結(jié)構(gòu)主要是依附在建筑空腔外側(cè)墻上，而空腔外側(cè)墻為20cm厚輕質(zhì)砂漿砌磚墻，框架梁柱間距很大，框架柱間距8.3m、框架梁間距7m左右。南瓜造型外幕墻及龍骨還布置了通長出風(fēng)口、回風(fēng)口、大量風(fēng)機(jī)、消防水炮、燈光照明等設(shè)備。根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2010(2016版)、非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件抗震設(shè)計規(guī)范JGJ339-2015南瓜造型外幕墻及次結(jié)構(gòu)為重大的非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件應(yīng)滿足抗震設(shè)計要求?；贐IM集成技術(shù)，由建筑、結(jié)構(gòu)、精裝、暖通等專業(yè)的BIM工程師在同一個建筑BIM模型上進(jìn)行協(xié)同設(shè)計。經(jīng)過控制曲面優(yōu)化、三向抗震龍骨結(jié)構(gòu)系統(tǒng)布置、暖通、消防設(shè)備定位等多次合模，完成了內(nèi)幕墻龍骨系統(tǒng)設(shè)計、龍骨系統(tǒng)與土建結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(詳見圖16)。

圖16 精裝內(nèi)幕墻表皮與龍骨

6 結(jié)論

乒乓球館的外立面為異型、流線、流面造型，若采用二維CAD表達(dá)，必然會丟矢大量幾何信息，只能通過BIM技術(shù)建立精確的三維幾何模型，才能得到完整的幾何與建造信息。基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的BIM技術(shù)其核心部分是三維模型及可視化，其工作成果是提供三維圖形與圖像的幾何信息與建造信息。因此，對該建筑的設(shè)計，需通過精確的數(shù)學(xué)及工程計算來保證幾何形體的準(zhǔn)確性，所以必須借助于參數(shù)化設(shè)計軟件。目前主流的BIM軟件都帶有可視化編程插件，可以幫助設(shè)計人員進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計。但是在此之前，設(shè)計人員還必須根據(jù)拓?fù)洹缀螌W(xué)理論對具體的異型建筑三維幾何形體完成：幾何分析、幾何策劃、組合方式、生成邏輯、建造方法等方面的工作流程，并生成參數(shù)化編程的邏輯框圖。BIM集成化建筑設(shè)計是一個包含多專業(yè)、多學(xué)科并存在迭代的設(shè)計流程，它一方面需要設(shè)計者具備跨學(xué)科的豐富知識，另一方面還需要更高效、更可靠的設(shè)計工具。BIM集成技術(shù)保證了建筑集成化設(shè)計施工的實(shí)現(xiàn)。彎扭斜交網(wǎng)格幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可采用本文中介紹的BIM集成方法完成設(shè)計與施工。