周肖飛 俞 露 盧 昕

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑物已不再單純追求實(shí)用性，在保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)更追求整體的美觀度。異形曲面幕墻應(yīng)運(yùn)而生，建筑師通過(guò)運(yùn)用曲面造型來(lái)達(dá)到新穎獨(dú)特的建筑幕墻效果。BIM技術(shù)的出現(xiàn)使這些新穎的幕墻效果得以落地呈現(xiàn)，發(fā)揮最佳的視覺(jué)效果。

傳統(tǒng)技術(shù)在解決異形曲面幕墻設(shè)計(jì)深化與施工中遇到的問(wèn)題上困難重重，本項(xiàng)目通過(guò)BIM 參數(shù)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。參數(shù)化設(shè)計(jì)通過(guò)控制變量的輸入值來(lái)優(yōu)化建筑形態(tài)、空間，以及模型數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成，對(duì)其進(jìn)行直觀的控制[1]。異形曲面幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容是通過(guò)改變幕墻參數(shù)來(lái)控制生成效果，也能提高異形曲面幕墻的建造效率、質(zhì)量和獲利能力[2]。

1 工程概況

杭州奧體中心主體育館、游泳館和綜合訓(xùn)練PPP 項(xiàng)目是杭州市政府在錢塘江南岸興建的大型城市公共設(shè)施，也是2022 年舉辦亞運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館。它將為杭州市舉辦國(guó)內(nèi)外大型體育活動(dòng)提供一個(gè)具有國(guó)際知名度的現(xiàn)代化場(chǎng)館。

項(xiàng)目是一個(gè)以全民健身和配套服務(wù)為主，集體育、休閑、商業(yè)、娛樂(lè)為一體的大型體育建筑綜合體。該項(xiàng)目地址在浙江省杭州市蕭山區(qū)奧體博覽城，總占地面積28 萬(wàn)m2，幕墻約30 萬(wàn)m2，總建筑面積為48 萬(wàn)m2。建設(shè)結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。項(xiàng)目效果圖如圖1 所示。

圖1 效果圖（來(lái)源：建筑設(shè)計(jì)師提供）

2 專業(yè)工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

本項(xiàng)目是國(guó)家重點(diǎn)工程，工藝質(zhì)量要求高；再加上占地面積大，平面規(guī)劃管理難度提高。該項(xiàng)目幕墻體系種類多，施工面積大，工藝復(fù)雜。對(duì)雙曲面異形幕墻來(lái)說(shuō)，造型復(fù)雜、技術(shù)難度大，深化設(shè)計(jì)技術(shù)要求很高。

3 組織與環(huán)境

3.1 BIM 應(yīng)用目標(biāo)

在傳統(tǒng)幕墻工作中，常常會(huì)遇到分格尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、深化驗(yàn)證低效、加工數(shù)據(jù)龐大、提取數(shù)據(jù)困難、構(gòu)件圖紙眾多、出圖審核繁復(fù)、施工定位不準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核困難等問(wèn)題。通過(guò)運(yùn)用BIM 技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)化交流、減少錯(cuò)漏碰缺、優(yōu)化資源配置、保證生產(chǎn)加工精度、優(yōu)化工期、降低成本等。

首先利用BIM 模型的可模擬性，對(duì)復(fù)雜施工技術(shù)方案、節(jié)點(diǎn)、施工工序進(jìn)行模擬；其次強(qiáng)化創(chuàng)效導(dǎo)向，利用BIM技術(shù)進(jìn)行各專業(yè)的深化設(shè)計(jì)和管線綜合，形成全專業(yè)的BIM 模型。通過(guò)綜合協(xié)調(diào)碰撞檢查，提高深化設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率，減少設(shè)計(jì)問(wèn)題對(duì)施工的影響;隨后進(jìn)行BIM5D 管理，將BIM 模型與施工現(xiàn)場(chǎng)管理緊密結(jié)合;并且利用BIM 模型結(jié)合測(cè)量機(jī)器人、三維激光掃描儀、無(wú)人機(jī)傾斜攝影等技術(shù)解決本項(xiàng)目測(cè)量定位、幕墻施工下料等難題；同時(shí)結(jié)合中建八局BIM 協(xié)同管理平臺(tái)進(jìn)行全過(guò)程控制。

3.2 制度建設(shè)

根據(jù)國(guó)家BIM 技術(shù)應(yīng)用規(guī)范以及中建八局總部頒發(fā)的BIM 應(yīng)用細(xì)則，結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)和具體要求編制BIM 總體實(shí)施方案，并嚴(yán)格貫徹落實(shí)各項(xiàng)指標(biāo)。

3.3 團(tuán)隊(duì)構(gòu)成

本項(xiàng)目組建了專業(yè)的BIM 團(tuán)隊(duì)，設(shè)有BIM 團(tuán)隊(duì)總指揮、專家顧問(wèn)、BIM 項(xiàng)目經(jīng)理、BIM 工程師等為項(xiàng)目的BIM 工作順利實(shí)施提供人員保障。

4 雙曲面異形幕墻BIM 技術(shù)應(yīng)用方案

4.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

本項(xiàng)目游泳館，體育館雙曲面幕墻由于原設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的方案只是停留在概念階段，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了很大的難度。該幕墻設(shè)計(jì)造型復(fù)雜，系統(tǒng)種類繁多，各工作交叉作業(yè)面大，為了避免在施工過(guò)程中出現(xiàn)大量的設(shè)計(jì)變更而影響整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)度，BIM 團(tuán)隊(duì)對(duì)原方案圖紙進(jìn)行模型搭建，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況和工作條件運(yùn)用BIM 軟件進(jìn)行參數(shù)化建模以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)重要部位搭建不同的方案模型和原創(chuàng)設(shè)計(jì)師進(jìn)行討論和溝通，并確定最終的方案，為后期項(xiàng)目部進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工創(chuàng)造了有利條件。圖2為游泳館、體育館幕墻概念設(shè)計(jì)整體BIM模型，圖3 為游泳館、體育館幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)整體BIM 模型。

圖2 兩館幕墻概念設(shè)計(jì)整體BIM 模型（來(lái)源：建筑設(shè)計(jì)師提供）

圖3 兩館幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)整體BIM 模型（來(lái)源：作者自繪）

4.1.1 東西主入口T 形鋼玻璃幕墻系統(tǒng)BIM 優(yōu)化流程

東西主入口玻璃幕墻為框架式豎明橫隱幕墻，龍骨跨度大（最大處長(zhǎng)達(dá)17 m），每根T 形鋼的長(zhǎng)度尺寸均不同。收邊收口處的異形玻璃較多且尺寸均不一，給材料下單工作帶來(lái)挑戰(zhàn)。

采用BIM 技術(shù)進(jìn)行下單工作，在模型深度深化到滿足下單要求后，采用三維模型進(jìn)行下料尺寸導(dǎo)出，既保證了下單的準(zhǔn)確性又大大提高了效率。圖4 為東西入口T 形鋼玻璃幕墻深化模型，圖5 為采用Rhino & Grasshopper 對(duì)不同規(guī)格玻璃面板生成的編號(hào)圖。

圖4 東西入口效果圖（來(lái)源：作者自繪）

圖5 玻璃編號(hào)圖 （來(lái)源：作者自繪）

4.1.2 中央大廳大小漏斗格柵鋁板BIM優(yōu)化流程

中央大廳大小漏斗的鋁板飾面所有飾面造型都是雙曲面，鋼結(jié)構(gòu)部分經(jīng)過(guò)優(yōu)化一部分改為直桿鋼結(jié)構(gòu)。由于飾面板均為130 ～150 mm 寬的窄長(zhǎng)條造型的雙曲板，所有建模、安裝定位、導(dǎo)出數(shù)據(jù)手工操作難度極大且出錯(cuò)率較高，因此采用BIM 軟件進(jìn)行參數(shù)化處理。

兩館中央大廳雙曲面異形幕墻造型為漏斗狀，其方案造型復(fù)雜多變，為了保證設(shè)計(jì)方案能夠真正落地施工，團(tuán)隊(duì)對(duì)概念方案進(jìn)行了多次對(duì)比優(yōu)化。如圖6為大小漏斗從設(shè)計(jì)之初到中期再到最后定稿的優(yōu)化模型。

圖6 大小漏斗優(yōu)化模型圖（來(lái)源：作者自繪）

模型定稿之后，對(duì)大小漏斗進(jìn)行施工工藝安裝工序分解。如圖7 所示為大漏斗安裝工序分解過(guò)程，如圖8 所示為小漏斗安裝工序分解過(guò)程。

圖7 大漏斗安裝工序分解圖（來(lái)源：作者自繪）

圖8 小漏斗安裝工序分解圖（來(lái)源：作者自繪）

通過(guò)BIM 軟件進(jìn)行裝飾構(gòu)建曲率優(yōu)化分析和可視化編程，找出翹曲度過(guò)大的地方，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前如圖9 所示，紅色顯示的平板面占70%，黃色顯示的單曲面占20%，藍(lán)色顯示的雙曲面占10%。優(yōu)化后如圖10 所示，紅色顯示的平板面占90%，黃色顯示的單曲面占10%，藍(lán)色顯示的雙曲面占0%。在不影響整體效果的情況下，通過(guò)優(yōu)化將雙曲面優(yōu)化成平板面，減小了施工難度。

圖9 曲率優(yōu)化前（來(lái)源：作者自繪）

圖10 曲率優(yōu)化后（來(lái)源：作者自繪）

4.2 深化設(shè)計(jì)

在深化階段,應(yīng)用BIM 技術(shù)全系統(tǒng)建模和協(xié)同作業(yè),進(jìn)行碰撞檢測(cè)、輔助深化、結(jié)構(gòu)計(jì)算、節(jié)點(diǎn)模擬、出施工圖[3]。

4.2.1 中央大廳幕墻漏斗造型—外裝飾鋁板面深化

提取鋼構(gòu)中線，修改優(yōu)化制作外層鋁板飾面主分格線。本步驟深化難點(diǎn)在于模型上每組分格需要對(duì)應(yīng)主體鋼結(jié)構(gòu)，由于鋼結(jié)構(gòu)提出的中線反映到外層大面上的曲線并不流暢，所以需要將投影的分格曲線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整至視覺(jué)順暢，同時(shí)需要可以對(duì)應(yīng)至背面鋼結(jié)構(gòu)面的中心。

接著根據(jù)主分格線對(duì)整體進(jìn)行細(xì)分，本階段需要將主分段之間的鋁板進(jìn)行細(xì)分，進(jìn)一步分格為間隔20 mm，寬度為130 mm 的鋁板條造型，在每組的末端與下一組連接的位置，需保證整個(gè)造型只有一端被切割線切割。全過(guò)程在參數(shù)化軟件Grasshopper 里進(jìn)行參數(shù)化處理，最終完成整個(gè)雙曲面分格的設(shè)計(jì)效果。如圖11 為參數(shù)化處理雙曲面分格過(guò)程。

圖11 參數(shù)化處理雙曲面分格過(guò)程（來(lái)源：作者自繪）

4.2.2 中央大廳幕墻漏斗造型—內(nèi)裝飾面鋁板及龍骨深化

異形曲面構(gòu)件式幕墻模型深化設(shè)計(jì)，其外觀裝飾線條造型獨(dú)特，內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，需要復(fù)雜內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)支撐。龍骨作為空間結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件，同時(shí)也是幕墻系統(tǒng)最主要的受力構(gòu)件，龍骨安裝定位的精準(zhǔn)度決定了整個(gè)幕墻質(zhì)量的優(yōu)劣[4]。

首先由外層完成面反推建立內(nèi)層飾面，本階段工作內(nèi)容與外表面制作手法相同，不同之處為間隔變?yōu)?50 mm，寬度改為150 mm，接著根據(jù)內(nèi)層飾面反向建立鋼結(jié)構(gòu)龍骨層。龍骨有兩種：主龍骨以及連桿龍骨直徑分別為121 mm 和108 mm。主龍骨在鋁板內(nèi)外360 mm 的空間內(nèi)調(diào)整，鋁板內(nèi)表面的鋁條間距只有150 mm，連桿距離兩邊只有21 mm的活動(dòng)調(diào)節(jié)范圍，也就是說(shuō)連接桿需要放置在兩根鋁條的中間才能保證調(diào)節(jié)時(shí)在可控范圍內(nèi)。此外，連桿的一端需要準(zhǔn)確連接到現(xiàn)場(chǎng)的主鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的中心上，這樣從地面往上觀察時(shí)，龍骨能夠形成視覺(jué)上的統(tǒng)一。

4.2.3 中央大廳幕墻漏斗造型—進(jìn)一步優(yōu)化次鋼結(jié)構(gòu)龍骨

根據(jù)造型生成的龍骨基本上都是扭曲的，沒(méi)有規(guī)律的走向，會(huì)導(dǎo)致廠家無(wú)法生產(chǎn)制作，因此龍骨需要進(jìn)一步的優(yōu)化。利用Grasshopper 軟件對(duì)弦高進(jìn)行分類，弦高大于20 mm 的，用固定圓弧方式生成彎管；弦高小于20 mm 的，直接以直管作為龍骨。

4.2.4 中央大廳幕墻漏斗造型—進(jìn)一步優(yōu)化鋁板面材

所有拱高小于15 mm 的鋁板均進(jìn)行優(yōu)化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逶煨??？紤]到鋁板不太好變形，與廠家溝通之后，將翹曲值定位為15 mm，也就是說(shuō)鋁板在安裝時(shí)這些優(yōu)化平鋁板在變形度15 mm 范圍內(nèi)是可以保證壓到原始位置的。如圖12 所示，棕色顯示的為優(yōu)化平板。

圖12 鋁板面材優(yōu)化（來(lái)源：作者自繪）

4.3 參數(shù)化下料

4.3.1 參數(shù)化下料加工

通過(guò)BIM 模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方通與非標(biāo)準(zhǔn)方通進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)。根據(jù)最終確認(rèn)的方案模型，繪制構(gòu)件加工圖紙。利用Grasshopper 軟件，對(duì)于同類型構(gòu)件實(shí)現(xiàn)參數(shù)化下料，并且為項(xiàng)目部施工提供定位點(diǎn)坐標(biāo)。

4.3.2 導(dǎo)出施工圖紙

根據(jù)深化施工BIM 模型導(dǎo)出深化施工圖圖紙，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，提高施工質(zhì)量和效率。如圖13 為根據(jù)模型導(dǎo)出的深化圖紙。

圖13 導(dǎo)出圖紙（來(lái)源：作者自繪）

4.4 指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工

4.4.1 幕墻埋件坐標(biāo)提取

本項(xiàng)目為異型項(xiàng)目，放線難度大，無(wú)法采用傳統(tǒng)軸線放樣，須采用BIM 軟件將每個(gè)埋件坐標(biāo)點(diǎn)提取出來(lái)。如圖14為埋件坐標(biāo)提取過(guò)程。

圖14 埋件坐標(biāo)提取過(guò)程（來(lái)源：作者自繪）

4.4.2 生成安裝定位點(diǎn)

通過(guò)BIM 參數(shù)化設(shè)計(jì)輔助實(shí)現(xiàn)構(gòu)件批量材料下單與指導(dǎo)不規(guī)則放置的材料空間定位[5]。

通過(guò)提取BIM 模型中的裝飾構(gòu)件中心點(diǎn),使用參數(shù)化軟件自動(dòng)生成構(gòu)件安裝定位點(diǎn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)形狀復(fù)雜的構(gòu)件定位安裝。如圖15 為大漏斗定位過(guò)程。

圖15 大漏斗定位（來(lái)源：作者自繪）

4.4.3 控制點(diǎn)校核與布置

根據(jù)總承包提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)，首先進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的校核。由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件交錯(cuò)復(fù)雜，控制點(diǎn)BM1 與BM4 點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行使用，可用的控制點(diǎn)坐標(biāo)只有BM2和BM3，用高精度全站儀多次對(duì)BM2、BM3 進(jìn)行測(cè)量，與總包提供的控制點(diǎn)坐標(biāo)相比較在滿足的誤差范圍內(nèi)，即可進(jìn)行下一步工作。

4.4.4 幕墻埋件測(cè)量放樣

根據(jù)埋件平面圖與坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行埋件測(cè)量放樣。使用全站儀放樣出埋件的位置，用記號(hào)筆畫出坐標(biāo)點(diǎn)，將埋件放在記號(hào)點(diǎn)位置，并用鐵釘將埋件固定。

當(dāng)每一層樓土建梁柱鋼筋綁扎完畢前（下一層頂埋）/后（本層地埋），按照預(yù)埋件點(diǎn)位布置圖及標(biāo)高尺寸，根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在模板或鋼筋上視具體情況用記號(hào)筆劃出預(yù)埋件埋設(shè)控制線。

4.4.5 三維激光掃描逆向建模

游泳館、體育館雙曲面異形幕墻的結(jié)構(gòu)是采用鋼結(jié)構(gòu)作為支撐體系，整個(gè)工程的鋼結(jié)構(gòu)空間跨度大，造型復(fù)雜，而且整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)安裝完成后結(jié)構(gòu)變形較大，為了保證異形幕墻安裝的準(zhǔn)確性，在幕墻二次鋼結(jié)構(gòu)施工前期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝完成的主鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維激光掃描，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行逆向建模，和原鋼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行比對(duì)，減少后續(xù)安裝中的誤差，保證異形幕墻安裝質(zhì)量的精準(zhǔn)管控。

4.4.6 三維激光掃描輔助下料

根據(jù)三維掃描技術(shù)逆向建模糾偏后生成的BIM 模型進(jìn)行精準(zhǔn)放樣，進(jìn)一步調(diào)整原始幕墻BIM 模型。

通過(guò)調(diào)整后的BIM 模型，提取幕墻數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出下料單，給廠家進(jìn)行生產(chǎn)加工。

4.4.7 中建八局BIM 協(xié)同管理平臺(tái)

運(yùn)用八局管理平臺(tái)對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行整體統(tǒng)籌管理，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題一目了然，將材料屬性、安裝位置等信息集成于模型構(gòu)件中，后期使用二維碼對(duì)材料編號(hào)與平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，便于項(xiàng)目管理。如圖16 為中建八局BIM 協(xié)同管理平臺(tái)界面。

圖16 中建八局BIM 協(xié)同管理平臺(tái)界面（來(lái)源：作者自繪）

5 結(jié)語(yǔ)

杭州奧體中心三館項(xiàng)目作為2022 年舉辦亞運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館，工程品質(zhì)要求極高。工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，且工期緊張。

BIM 這一數(shù)字化技術(shù)為各方溝通搭建起數(shù)字化平臺(tái)，通過(guò)BIM 項(xiàng)目管理及BIM 應(yīng)用雙重作用，將BIM 逐漸深入到項(xiàng)目管理的各個(gè)方面，為整個(gè)項(xiàng)目生命周期提供服務(wù)。BIM技術(shù)與設(shè)計(jì)管理聯(lián)動(dòng)，做到設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)效，準(zhǔn)確貫徹設(shè)計(jì)理念，圓滿實(shí)現(xiàn)外觀效果。對(duì)雙曲面異形幕墻系統(tǒng)創(chuàng)造性地進(jìn)行逆向建模、曲率分析，優(yōu)化幕墻板塊，并最終指導(dǎo)加工。利用三維激光掃描技術(shù)結(jié)合測(cè)量機(jī)器人，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已完成的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，與理論模型核對(duì)，發(fā)現(xiàn)施工偏差，做到在施工前糾偏。提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，協(xié)助項(xiàng)目部對(duì)外立面效果、性能提升、質(zhì)量等進(jìn)行管控。BIM 模型在以后的應(yīng)用中包括建筑項(xiàng)目整個(gè)生命周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及核心內(nèi)容，因此，應(yīng)用BIM 參數(shù)化在今后的異形幕墻設(shè)計(jì)施工中尤為重要[6]。BIM 與數(shù)字化技術(shù)的成功應(yīng)用，代表了國(guó)內(nèi)建筑業(yè)的設(shè)計(jì)與建造方式的新趨勢(shì)。