王 祥 |常 琦 |郝 行 |高山興 |李 偉 |

隨著非線性設計與數(shù)字設計技術的快速發(fā)展，復雜異形曲面也越來越多地應用于各種大型展覽類地標建筑之中。以雙曲面為代表的復雜結構幕墻形態(tài)，也為各類項目的設計過程管理、模型優(yōu)化、精確的構件加工和現(xiàn)場安裝提出了巨大的挑戰(zhàn)。隨著鳳凰中心[1]、哈爾濱大劇院[2]、梅溪湖國際文化藝術中心[3]、上海中心[4]等大量高難度建筑工程的出現(xiàn)，以BIM（Building Information Modeling）作為工程項目全流程控制和設計施工管理的統(tǒng)一工作平臺，通過以模型為導向的設計理念（Model-based Design），以實現(xiàn)建筑信息的集成為特征，也為復雜項目全流程一體化的建筑設計、施工、管理提供了重要的方法和工具支持。本文以一個具體工程案例的BIM應用剖析，試圖著重分析復雜結構形態(tài)幕墻在前期設計優(yōu)化和后期施工統(tǒng)籌等過程中的應用方式和發(fā)展前景。

1 項目概況

青島萬達東方影都大劇院及秀場項目（以下簡稱“本項目”）位于青島市黃島區(qū)西海岸經(jīng)濟新區(qū)中央商務區(qū)內(nèi)，北側為濱海路，往北為靈山灣，整體地域位于人工填海區(qū)域。項目所處整體的工程建設目標為打造一系列用于國際電影節(jié)展示的文化旅游建筑群，本項目建筑在功能上作為本電影節(jié)的主會場建筑使用，日常則作為地方文化演出和音樂會等功能的主要演出場館。

項目由大劇院項目、秀場項目以及相關配套設施組成，建筑總面積11.38萬m2。其概念設計以回應沿海地方文化的地方符號入手，采用“碧海銀螺”的設計理念，將兩座主要場館建筑（大劇院和秀場）定義為兩個相互輝映的海螺形態(tài)。兩座建筑采用類似的螺旋式空間曲線形態(tài)，在幕墻設計上，大劇院采用層疊的鋁板造型，而秀場則選用全玻璃幕墻的基本形式，用不同的肌理圖案將海螺所呈現(xiàn)的自然形態(tài)進行表達（圖1）。

圖1 青島萬達東方影都大劇院及秀場項目總體鳥瞰圖

2 BIM技術在復雜結構幕墻設計建造中的必要性

BIM技術特別是以模型信息為主導的工作方式在復雜幕墻結構設計應用中具有完備性高、關聯(lián)性和一致性強、交互性好等重要特征[5]。面對自由造型的曲面結構，傳統(tǒng)設計中以平立面表達為主的設計方法已經(jīng)很難滿足對其多樣的幕墻單元形態(tài)的幾何描述，同時也無法套用任何單一的基本幾何原型。這些問題也給幕墻從整體結構到單一構件的設計、出圖、加工等建造環(huán)節(jié)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，在設計前期，設計師便決定利用正向化參數(shù)設計的手段，通過數(shù)字模型的方式對方案的總體及細節(jié)進行全面的考慮。而這種以BIM為目標的設計方法也為項目的設計、施工以及管理等全過程控制，以及設計方、施工方、建設方等多單位的協(xié)同工作創(chuàng)造了有利的平臺，并且取得了良好的效果。具體而言，本項目采用BIM技術進行跨專業(yè)協(xié)同的主要特征體現(xiàn)在以下幾個關鍵問題和必要性上。

2.1 曲面造型、復雜結構深化設計把控難度大

為實現(xiàn)既有的設計理念，大劇院和秀場采用螺旋上升的復雜曲線形式，并使用橫縱向復合鋁板幕墻結構來實現(xiàn)該造型。這種構造形式?jīng)Q定了生產(chǎn)時大多數(shù)鋁板和玻璃為雙曲面形態(tài)，同時需要定制化處理，施工時相應構件的復雜程度及安裝精度要求都很高。同時這種定制化與復雜性也意味著優(yōu)化調(diào)整方案時需要對所有構件進行調(diào)整，極大地提升了方案設計的優(yōu)化迭代成本。

2.2 幕墻現(xiàn)場安裝定位困難

本項目幕墻施工階段需要完成大量異形鋁板和異形玻璃的安裝定位工作，同時面臨著施工誤差導致的碰撞問題。這對構件定位、現(xiàn)場安裝等工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。此外，工程人員還需考慮施工定位、復核等問題，上述因素造成幕墻施工的整體難度較高。

2.3 鋼結構整體施工精度要求高

大劇場和秀場建筑的鋼結構形式多樣復雜：結構選用臺塔鋼結構，其形式為大截面和小截面H型次梁屋蓋結構組成，觀眾廳鋼結構形式為縱向片式H型鋼桁架和水平聯(lián)梁組合屋蓋結構，桁架最大跨度為50m，前廳外框柱為弧形管桁架鋼柱和單根弧形方管柱，柱間為圓管鋼梁連接。項目總用鋼量超3000t，如此復雜的鋼結構在施工過程中變形控制難度較大，為保證安全性，施工過程中對用鋼量、位移控制、同步性等方面的精度要求很高。

3 正向BIM設計中的參數(shù)化方法和優(yōu)化策略

由于復雜形態(tài)大型公共建筑的特征，其設計過程中往往存在大量可變的設計變量，并且在形態(tài)、功能、結構的組織上也存在著復雜的邏輯關系，傳統(tǒng)的設計手段也往往造成了對于一體化設計流程中很多關鍵細節(jié)的疏漏。在這一點上，現(xiàn)代BIM設計研究中的正向設計手段提出了一種基于模型思維和一體化數(shù)據(jù)傳輸流程的新型設計方法，其強調(diào)從設計初期甚至設計策劃階段開始，便強調(diào)一種以BIM模型為核心的數(shù)據(jù)、軟件和技術的整合，從而以此對方案設計施工的全流程實現(xiàn)全盤控制和總體優(yōu)化[6]。本項目中以Rhinoceros參數(shù)化設計軟件為前期的主要設計平臺，以Revit, Catia等施工優(yōu)化軟件為后期施工管理的模型平臺，實現(xiàn)了全過程的BIM數(shù)據(jù)傳遞，并從設計階段開始便加入了相關的參數(shù)定義方法和優(yōu)化策略的整合。

3.1 幕墻設計階段的BIM應用

（1）方案快速調(diào)整和優(yōu)化

為滿足大劇院幕墻螺旋上升的復雜曲面的設計需求，項目中采用三維建模軟件Rhinoceros中的Grasshopper插件對整個外立面幕墻的形態(tài)邏輯進行參數(shù)化建模，在實現(xiàn)了基本幾何元素的模型表達之外，主要針對曲線的布置走向，切分方式和主要控制線進行了一體化的邏輯定義，從而實現(xiàn)了利用控制參數(shù)對于整體形態(tài)的定義和快速調(diào)整，便于后續(xù)BIM模型的調(diào)整與協(xié)同（圖2）。

圖2 青島萬達東方影都大劇院建筑的曲面形態(tài)BIM模型（左）和參數(shù)化邏輯（右）

與此同時，兩建筑的外立面設計均使用Grasshopper定義了相關的四邊形幕墻板材的生成算法，利用參數(shù)化建模方式實現(xiàn)了后期模型快速調(diào)整和平板化優(yōu)化的高效反饋。例如在大劇院建筑的深化設計時為平衡成本，其幕墻外覆板材從最初的全雙曲面鋁板優(yōu)化成50%單曲板+50%平板，出現(xiàn)錯臺問題后又經(jīng)協(xié)商改為三角平板（圖3），此過程可在數(shù)小時內(nèi)完成，相較于傳統(tǒng)的手工圖紙修改，一方面完成了大量復雜曲面造型的算法實現(xiàn)；另一方面又大大提升了方案調(diào)整效率。又如在幕墻玻璃的深化設計過程中，為解決最初方案的支點排列不規(guī)則問題，設計人員通過調(diào)整Grasshopper程序重新定義玻璃爪件支點的排列規(guī)則，進而一次性生成全部支點模型，過程便捷高效。

圖3 青島萬達東方影都大劇院建筑的幕墻板材優(yōu)化（左）和三角化修改（右）

在秀場建筑的外立面設計中，由于整體形態(tài)在初始設計中被定義為曲率處處不同的負高斯曲率雙曲面，也給后續(xù)加工帶來了巨大的難度，同時造成幕墻加工成本極高的問題。在此基礎上，根據(jù)相關幕墻結構設計和形態(tài)需求定義的基本設計原則，通過Grasshopper輔助的設計邏輯建立，幕墻的優(yōu)化設計過程將傳統(tǒng)的通過正交UV方向定義的基本曲面形態(tài)進行了相應的優(yōu)化構建，實現(xiàn)了面向建造的正向設計優(yōu)化。在曲面建立的過程中，首先對于原曲面的UV網(wǎng)格進行點云化處理（圖4a），設計端通過角度控制定義新的基準曲線（圖4b），根據(jù)“z”字形的主要控制邊線確定外掛板材的主要控制點ABC（圖4c）。通過三點平面的構建，將此平面與通過擬新建點的豎向分隔面和水平分隔面相交，形成新的點D并通過四點確定平面的基本形態(tài)。通過相應的衍生方法，在算法控制下即形成了整體平板化構件的深化設計（圖4d）。在整體過程中，兩建筑的整體幕墻結構、構造連接、關鍵構件的形態(tài)控制和優(yōu)化全部通過同一軟件，利用了同樣的邏輯算法定義完成（圖5），一方面優(yōu)化的主體結構與幕墻之間的連接構造清晰易讀，使后續(xù)施工得到了基本的保障，同時優(yōu)化后的面板拼縫嚴密，不存在翹曲，也優(yōu)化了整體項目的工程及加工預算。類似BIM正向模型的參數(shù)化設計也使整個項目的設計、實驗、施工等全流程的實現(xiàn)可以得到順利有效的推進。

圖4 秀場建筑的外立面玻璃幕墻的平板化生成邏輯構建與形態(tài)生成

圖5 大劇院建筑的幕墻整體結構構造的參數(shù)化定義及封樣模型實現(xiàn)

（2）指導幕墻施工

BIM模型在指導幕墻施工過程中也發(fā)揮了特有的優(yōu)勢，實現(xiàn)快速精準的幕墻施工安裝過程，節(jié)省安裝時間和成本。一方面，通過BIM可以精確算出曲面板材的弧長、邊長等尺寸，板材尺寸通過GH進行提取后，可直接導入下游軟件生成CAD加工圖紙，并可批量生成，實現(xiàn)快速精確出圖，精確控制板材加工（圖6）。另一方面，通過GH插件，工程人員可精確計算出板塊的定位坐標及相應板材的面積、個數(shù)等數(shù)據(jù)，從而進行現(xiàn)場全站儀定位，指導板材、龍骨和面板的安裝（圖7）。

圖6 數(shù)字模型和算法控制的精確板材構造控制、快速出圖和加工輔助

圖7 Grasshopper實現(xiàn)的板材快速統(tǒng)計和板件坐標信息

3.2 幕墻鋼結構設計BIM應用

（1）一體化模型構建

大劇院和秀場建筑的幕墻結構復雜，鋼結構用鋼量超過3000t，主要分布于兩建筑的臺塔、觀眾廳和前廳中。在項目策劃階段，設計師就建立了利用多軟件、一體化和數(shù)字化的模型設計流程，其中融合了Rhinoceros、Catia、Tekla、Revit等行業(yè)常用軟件，并開發(fā)了相應的一體化協(xié)同工作方法和基于各種現(xiàn)場管理移動終端的配套軟件功能。在團隊組織中，以項目部門組織的BIM總監(jiān)團隊領導，并由總包BIM協(xié)調(diào)管理，通過模型交流反饋的機制實現(xiàn)一體化模型的構建。

以大劇院的幕墻結構設計過程為例，在建筑師和結構設計師的共同參與下，項目前期采用Rhinoceros和Grasshopper為平臺對結構柱網(wǎng)單元劃分、主結構梁構件尺寸及形式、次級構件及構造體系等進行了完整定義，并建立了深入詳細的結構整體模型，用于結構設計計算以及構造深化加工使用（圖8）。該階段的鋼結構模型為整個項目的重要結構設計及建造的參考模型，服務于后續(xù)的結構深化交底、結構與設備碰撞檢測、結構構件下料生產(chǎn)和最終的施工安裝之中，為整個項目的調(diào)整交流提供了必要條件。

圖8 大劇院幕墻鋼結構系統(tǒng)的BIM模型參數(shù)化構建

（2）工程量分析和構件精確分布算量

除一體化模型等應用之外，項目在進行幕墻鋼結構深化設計時，利用BIM模型精確分析鋼結構工程量（幕墻、特設、埋件等），在此基礎上檢查碰撞后生成結構加工圖。大劇院和秀場結構相對復雜，所需基本的結構構件相對較多，其中臺塔埋件包含特設埋件、馬道埋件、柵頂層埋件、臺塔屋頂鋼梁埋件；觀眾廳埋件包含屋頂桁架埋件、屋頂次梁埋件；前廳埋件則包含柱底錨栓、屋頂梁埋件。基于BIM模型的構件信息也使大量的結構埋件在建造過程中的必要點位、安裝次序以及基本構件尺寸的整理統(tǒng)計成為可能，并更有效地為整個施工準備過程提供更為高效的統(tǒng)籌手段。

4 施工過程中的BIM管控

4.1 幕墻鋼結構施工過程中的BIM應用

（1）鋼結構吊裝過程模擬

由于整體鋼結構采用的結構構件均為預制裝配化構件，其組件的安裝方式也是在工廠中進行局部拼裝，并在現(xiàn)場進行整體吊裝。因此，結構施工中BIM的主要應用在于對吊裝和安裝過程的精細化分析和現(xiàn)場管理。通過BIM模型結合有限元及結構軟件的綜合應用，在設計過程中即實現(xiàn)了整個鋼結構施工過程中觀眾廳、前廳等空間多榀桁架和梁架系統(tǒng)的分步施工過程模擬和分析（圖9）。通過吊裝過程的工況分析和模擬，可以根據(jù)結構吊裝過程中不同階段的內(nèi)力和位移響應，決定整體結構的具體分區(qū)標準，以及多組構件的結構安裝方案。從而更好地對結構施工的安全性和穩(wěn)定性做出預測，以及在具體的施工過程中指導結構構件的定位和連接次序。

圖9 大劇院建筑觀眾廳和前廳鋼結構的安裝步驟模擬分析

（2）鋼結構安裝全過程的BIM掃描

復雜異形幕墻鋼結構體系對于幾何形狀的要求較高，而在大劇院鋼結構安裝過程中，大量預制構件的施工安裝誤差積累以及結構卸載后由于沉降和變形引起的幾何形變，也會對結構本身的承載力以及后續(xù)幕墻板材的安裝帶來很大問題。因此，在施工過程中，工程人員不斷對結構施工過程進行三維掃描，同時根據(jù)BIM模型在現(xiàn)場利用移動終端軟件進行實時點位誤差對照分析（圖10）。在本項目中，三維掃描工作中布站掃描共計65站，累計掃描15天，累計作業(yè)人數(shù)45人，搜集整理點云過程數(shù)據(jù)文件共40G，產(chǎn)生實體掃描模型2個，過程報告1份。

圖10 基于BIM的鋼結構施工過程三維掃描和實時數(shù)據(jù)量取

根據(jù)結構掃描生成的實體模型保留了工程實體施工階段的全部物理信息數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)可轉化、提取、統(tǒng)計并作為各項模型處理分析的基礎數(shù)據(jù)（圖11）。與設計模型對比分析后，得出相應報告：點云數(shù)據(jù)偏差在-30mm～0范圍內(nèi)的比例約為42.4%，0～30mm范圍內(nèi)的比例約為55%，合計偏差±30mm范圍內(nèi)的比例約為97.4%。

圖11 鋼結構掃描點云處理以及和BIM模型的誤差比較分析

利用BIM相關模型數(shù)據(jù)，本項目也實現(xiàn)了網(wǎng)頁版的結構掃描誤差協(xié)同指揮系統(tǒng)。網(wǎng)頁版結構整體點云數(shù)據(jù)可在文件內(nèi)任意測量所有數(shù)據(jù)、添加注釋等，為幕墻裝修等后續(xù)施工提供真實的數(shù)據(jù)基礎，也為大劇院鋼結構與外立面的工序移交提供數(shù)據(jù)支持。通過保留施工過程中的施工數(shù)據(jù)，同時為后期鋼結構構件的保養(yǎng)維護提供更為直觀有效的參考。

（3）管線施工過程中的BIM應用

鋼結構施工后的管線施工往往是BIM模型對于碰撞檢測等功能的重要應用方向。本項目中也大量應用了相關技術，從施工過程深化設計中的綜合排布，到模型審核技術交底，再到現(xiàn)場實測實量復核中都完整地參考了一體化設計過程中的管線排布模型。

通過施工BIM模型與設計模型、工程安裝的對比，可以有效地對管線施工的具體調(diào)整策略進行優(yōu)化。例如經(jīng)過對比工程人員發(fā)現(xiàn)設計模型未充分考慮施工及檢修空間，因此在施工模型中為后期管線安裝及檢修流出了300～200mm的檢修空間（圖12）；以及因未充分考慮通道風盤的安裝及風口的空間位置引起的管線碰撞，可以通過對于模型和實測數(shù)據(jù)的對比分析有效調(diào)整風管的具體形態(tài)和安裝策略。

圖12 優(yōu)化管道檢修空間過程前后的BIM模型對比

4.2 幕墻施工過程中的BIM應用

（1）利用BIM模型復測主體幕墻鋼結構

幕墻施工的尺寸數(shù)據(jù)與主題結構的施工誤差分析密切相關，因此，在結構施工掃描的實測模型與BIM模型之上，幕墻施工前再次組織了實際工況的結構復測，并將復測模型與兩個BIM模型進行對比，再將超出幕墻容差范圍的部位進行細化調(diào)整（圖13）。根據(jù)實測數(shù)據(jù)和Grasshopper中的預設參數(shù)邏輯，可以快速生成最終安裝構件的基本幾何信息，結合Catia模型，便可實現(xiàn)快速的板件數(shù)據(jù)提取、深化和圖紙導出的功能。此外，項目中還通過BIM模型提取放線的點坐標，便于施工定位、復核。例如在主體幕墻結構施工過程中，工程人員通過BIM模型在建筑物周圍引測50個坐標控制點進行測量放線。通過這些控制點將外立面劃分為50個單元，在單元內(nèi)消化安裝誤差，進而保證了最終的整體施工精度。

圖13 復測模型和理想模型的數(shù)據(jù)對比

（2）深化加工圖

與幕墻結構安裝相似，幕墻構件的加工質(zhì)量也直接決定了安裝后的實際效果。在本項目建造過程中，設計人員通過CATIA軟件，精準提取板件、構件的加工數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了精確詳圖的自動化和一鍵化導出。例如由表皮模型對龍骨進行參數(shù)化建模，并根據(jù)BIM模型導出閃電型鋼龍骨的二維加工圖，以及根據(jù)表皮模型深化鋁板加工參數(shù)，生成精確的鋁板加工圖（圖14）。根據(jù)相關圖紙，BIM模型可以實現(xiàn)輕松的數(shù)據(jù)格式轉化，使加工單位可以快速準確地對整個項目的預制幕墻構件進行加工。

圖14 由復測后BIM模型導出的二維鋁板加工圖

（3）指導現(xiàn)場施工

在本項目的安裝施工過程中，工程人員利用BIM模型提取空間坐標點位作為施工依據(jù)，特別是對于非模塊化構件、異形構件等安裝難度較大的部分，BIM模型的模擬性有助于提升工作效率。例如在幕墻龍骨安裝時預先對異形板塊BIM模型進行分析，對碰撞的地方盡心匯總后提前確定處理方案（圖15）；對部分三角鋁板進行BIM模型剖切分析，顯示三角鋁板擬合曲面所呈現(xiàn)的不同效果，進而指導安裝方式。此外工程人員還按照引測控制點與各單元龍骨之間的空間位置關系指導測量放線，通過三維轉二維的測量放線手段降低測量放線的技術難度、提高功效。

圖15 在BIM模型中分析異形構件碰撞處

5 應用成果

5.1 BIM應用的創(chuàng)新點

本項目在立足項目全生命周期實現(xiàn)BIM一體化應用的基本目標外，主要強調(diào)了參數(shù)化輔助的正向BIM設計方法在復雜結構幕墻設計施工中的重要作用，提出了以設計邏輯構建的設計方法，并因此實現(xiàn)了設計數(shù)據(jù)的快速生成、修改和反饋機制。以設計為主導的新型BIM應用方法，一方面改變了傳統(tǒng)BIM實踐浮于設計翻模、誤差碰撞檢測等只存在于施工后期的應用局限；另一方面也為拓展BIM設計平臺、設計方法提供了啟發(fā)性的實踐案例。

5.2 BIM應用的效果

BIM技術在青島萬達東方影都大劇院及秀場的應用，體現(xiàn)了BIM技術在提升方案優(yōu)化效率、增加施工精度、增強多工種協(xié)同性及實現(xiàn)對項目成本風險的有效管控方面的作用。在兩座主要建筑的外立面平板優(yōu)化一個專項的BIM應用上，其實現(xiàn)的具體經(jīng)濟效益超過6000萬人民幣，并大大加快了整個設計-反饋的工作流程。在整個項目上，大量BIM平臺研發(fā)和施工應用也為后續(xù)類似工程建設提供了重要參考。

結語

青島萬達東方影都大劇院及秀場工程為我國重要的大型復雜異形公共建筑的代表，其在幾何形態(tài)和施工過程的復雜度也使其成為了我國類似大型公共建筑和工業(yè)建筑的重要參考。本研究從多個角度介紹了一種正向BIM設計手段在此類建筑設計施工一體化流程中的應用案例，提供了一種基于模型的、利用現(xiàn)代參數(shù)化設計手段的復雜建筑設計施工的重要方法。隨著BIM技術在我國建筑產(chǎn)業(yè)中慢慢成為重要的發(fā)展目標和方向，本研究中結合前沿技術和實際工程的具體落地應用，也將為我國類似工程項目的發(fā)展提供重要的實踐經(jīng)驗，以形成BIM在設計一體化流程中全面應用的良性循環(huán)。

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文中圖片均為作者自繪。