基于BIM的雙曲面異形幕墻解決方案

周肖飛 俞 露 盧 昕

隨著建筑行業的快速發展，建筑物已不再單純追求實用性，在保障結構穩定的同時更追求整體的美觀度。異形曲面幕墻應運而生，建筑師通過運用曲面造型來達到新穎獨特的建筑幕墻效果。BIM技術的出現使這些新穎的幕墻效果得以落地呈現，發揮最佳的視覺效果。

傳統技術在解決異形曲面幕墻設計深化與施工中遇到的問題上困難重重，本項目通過BIM 參數化設計來實現。參數化設計通過控制變量的輸入值來優化建筑形態、空間，以及模型數據的自動生成，對其進行直觀的控制[1]。異形曲面幕墻參數化設計的關鍵內容是通過改變幕墻參數來控制生成效果，也能提高異形曲面幕墻的建造效率、質量和獲利能力[2]。

1 工程概況

杭州奧體中心主體育館、游泳館和綜合訓練PPP 項目是杭州市政府在錢塘江南岸興建的大型城市公共設施，也是2022 年舉辦亞運會的主場館。它將為杭州市舉辦國內外大型體育活動提供一個具有國際知名度的現代化場館。

項目是一個以全民健身和配套服務為主，集體育、休閑、商業、娛樂為一體的大型體育建筑綜合體。該項目地址在浙江省杭州市蕭山區奧體博覽城，總占地面積28 萬m2，幕墻約30 萬m2，總建筑面積為48 萬m2。建設結構為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構體系。項目效果圖如圖1 所示。

圖1 效果圖（來源：建筑設計師提供）

2 專業工程特點及難點

本項目是國家重點工程，工藝質量要求高；再加上占地面積大，平面規劃管理難度提高。該項目幕墻體系種類多，施工面積大，工藝復雜。對雙曲面異形幕墻來說，造型復雜、技術難度大，深化設計技術要求很高。

3 組織與環境

3.1 BIM 應用目標

在傳統幕墻工作中，常常會遇到分格尺寸不標準、深化驗證低效、加工數據龐大、提取數據困難、構件圖紙眾多、出圖審核繁復、施工定位不準、現場復核困難等問題。通過運用BIM 技術可以優化設計、強化交流、減少錯漏碰缺、優化資源配置、保證生產加工精度、優化工期、降低成本等。

首先利用BIM 模型的可模擬性，對復雜施工技術方案、節點、施工工序進行模擬；其次強化創效導向，利用BIM技術進行各專業的深化設計和管線綜合，形成全專業的BIM 模型。通過綜合協調碰撞檢查，提高深化設計工作的質量和效率，減少設計問題對施工的影響;隨后進行BIM5D 管理，將BIM 模型與施工現場管理緊密結合;并且利用BIM 模型結合測量機器人、三維激光掃描儀、無人機傾斜攝影等技術解決本項目測量定位、幕墻施工下料等難題；同時結合中建八局BIM 協同管理平臺進行全過程控制。

3.2 制度建設

根據國家BIM 技術應用規范以及中建八局總部頒發的BIM 應用細則，結合本項目的特點和具體要求編制BIM 總體實施方案，并嚴格貫徹落實各項指標。

3.3 團隊構成

本項目組建了專業的BIM 團隊，設有BIM 團隊總指揮、專家顧問、BIM 項目經理、BIM 工程師等為項目的BIM 工作順利實施提供人員保障。

4 雙曲面異形幕墻BIM 技術應用方案

4.1 設計方案優化

本項目游泳館，體育館雙曲面幕墻由于原設計院設計的方案只是停留在概念階段，對現場施工帶來了很大的難度。該幕墻設計造型復雜，系統種類繁多，各工作交叉作業面大，為了避免在施工過程中出現大量的設計變更而影響整個項目的進度，BIM 團隊對原方案圖紙進行模型搭建，然后根據現場施工的實際情況和工作條件運用BIM 軟件進行參數化建模以及優化設計。對重要部位搭建不同的方案模型和原創設計師進行討論和溝通，并確定最終的方案，為后期項目部進行現場施工創造了有利條件。圖2為游泳館、體育館幕墻概念設計整體BIM模型，圖3 為游泳館、體育館幕墻優化設計整體BIM 模型。

圖2 兩館幕墻概念設計整體BIM 模型（來源：建筑設計師提供）

圖3 兩館幕墻優化設計整體BIM 模型（來源：作者自繪）

4.1.1 東西主入口T 形鋼玻璃幕墻系統BIM 優化流程

東西主入口玻璃幕墻為框架式豎明橫隱幕墻，龍骨跨度大（最大處長達17 m），每根T 形鋼的長度尺寸均不同。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挑戰。

采用BIM 技術進行下單工作，在模型深度深化到滿足下單要求后，采用三維模型進行下料尺寸導出，既保證了下單的準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 對不同規格玻璃面板生成的編號圖。

圖4 東西入口效果圖（來源：作者自繪）

圖5 玻璃編號圖 （來源：作者自繪）

4.1.2 中央大廳大小漏斗格柵鋁板BIM優化流程

中央大廳大小漏斗的鋁板飾面所有飾面造型都是雙曲面，鋼結構部分經過優化一部分改為直桿鋼結構。由于飾面板均為130 ～150 mm 寬的窄長條造型的雙曲板，所有建模、安裝定位、導出數據手工操作難度極大且出錯率較高，因此采用BIM 軟件進行參數化處理。

兩館中央大廳雙曲面異形幕墻造型為漏斗狀，其方案造型復雜多變，為了保證設計方案能夠真正落地施工，團隊對概念方案進行了多次對比優化。如圖6為大小漏斗從設計之初到中期再到最后定稿的優化模型。

圖6 大小漏斗優化模型圖（來源：作者自繪）

模型定稿之后，對大小漏斗進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程，如圖8 所示為小漏斗安裝工序分解過程。

圖7 大漏斗安裝工序分解圖（來源：作者自繪）

圖8 小漏斗安裝工序分解圖（來源：作者自繪）

通過BIM 軟件進行裝飾構建曲率優化分析和可視化編程，找出翹曲度過大的地方，進行優化設計。優化前如圖9 所示，紅色顯示的平板面占70%，黃色顯示的單曲面占20%，藍色顯示的雙曲面占10%。優化后如圖10 所示，紅色顯示的平板面占90%，黃色顯示的單曲面占10%，藍色顯示的雙曲面占0%。在不影響整體效果的情況下，通過優化將雙曲面優化成平板面，減小了施工難度。

圖9 曲率優化前（來源：作者自繪）

圖10 曲率優化后（來源：作者自繪）

4.2 深化設計

在深化階段,應用BIM 技術全系統建模和協同作業,進行碰撞檢測、輔助深化、結構計算、節點模擬、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

提取鋼構中線，修改優化制作外層鋁板飾面主分格線。本步驟深化難點在于模型上每組分格需要對應主體鋼結構，由于鋼結構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行優化調整至視覺順暢，同時需要可以對應至背面鋼結構面的中心。

接著根據主分格線對整體進行細分，本階段需要將主分段之間的鋁板進行細分，進一步分格為間隔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，需保證整個造型只有一端被切割線切割。全過程在參數化軟件Grasshopper 里進行參數化處理，最終完成整個雙曲面分格的設計效果。如圖11 為參數化處理雙曲面分格過程。

圖11 參數化處理雙曲面分格過程（來源：作者自繪）

4.2.2 中央大廳幕墻漏斗造型—內裝飾面鋁板及龍骨深化

異形曲面構件式幕墻模型深化設計，其外觀裝飾線條造型獨特，內部結構構造復雜，需要復雜內部空間結構支撐。龍骨作為空間結構的主要支撐構件，同時也是幕墻系統最主要的受力構件，龍骨安裝定位的精準度決定了整個幕墻質量的優劣[4]。

首先由外層完成面反推建立內層飾面，本階段工作內容與外表面制作手法相同，不同之處為間隔變為150 mm，寬度改為150 mm，接著根據內層飾面反向建立鋼結構龍骨層。龍骨有兩種：主龍骨以及連桿龍骨直徑分別為121 mm 和108 mm。主龍骨在鋁板內外360 mm 的空間內調整，鋁板內表面的鋁條間距只有150 mm，連桿距離兩邊只有21 mm的活動調節范圍，也就是說連接桿需要放置在兩根鋁條的中間才能保證調節時在可控范圍內。此外，連桿的一端需要準確連接到現場的主鋼結構內表面的中心上，這樣從地面往上觀察時，龍骨能夠形成視覺上的統一。

4.2.3 中央大廳幕墻漏斗造型—進一步優化次鋼結構龍骨

根據造型生成的龍骨基本上都是扭曲的，沒有規律的走向，會導致廠家無法生產制作，因此龍骨需要進一步的優化。利用Grasshopper 軟件對弦高進行分類，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—進一步優化鋁板面材

所有拱高小于15 mm 的鋁板均進行優化，將其轉變為平板造型。考慮到鋁板不太好變形，與廠家溝通之后，將翹曲值定位為15 mm，也就是說鋁板在安裝時這些優化平鋁板在變形度15 mm 范圍內是可以保證壓到原始位置的。如圖12 所示，棕色顯示的為優化平板。

圖12 鋁板面材優化（來源：作者自繪）

4.3 參數化下料

4.3.1 參數化下料加工

通過BIM 模型的優化設計，對標準方通與非標準方通進行工程量統計。根據最終確認的方案模型，繪制構件加工圖紙。利用Grasshopper 軟件，對于同類型構件實現參數化下料，并且為項目部施工提供定位點坐標。

4.3.2 導出施工圖紙

根據深化施工BIM 模型導出深化施工圖圖紙，指導現場施工，提高施工質量和效率。如圖13 為根據模型導出的深化圖紙。

圖13 導出圖紙（來源：作者自繪）

4.4 指導現場施工

4.4.1 幕墻埋件坐標提取

本項目為異型項目，放線難度大，無法采用傳統軸線放樣，須采用BIM 軟件將每個埋件坐標點提取出來。如圖14為埋件坐標提取過程。

圖14 埋件坐標提取過程（來源：作者自繪）

4.4.2 生成安裝定位點

通過BIM 參數化設計輔助實現構件批量材料下單與指導不規則放置的材料空間定位[5]。

通過提取BIM 模型中的裝飾構件中心點,使用參數化軟件自動生成構件安裝定位點，指導現場形狀復雜的構件定位安裝。如圖15 為大漏斗定位過程。

圖15 大漏斗定位（來源：作者自繪）

4.4.3 控制點校核與布置

根據總承包提供的控制點坐標，首先進行坐標點的校核。由于現場施工條件交錯復雜，控制點BM1 與BM4 點無法進行使用，可用的控制點坐標只有BM2和BM3，用高精度全站儀多次對BM2、BM3 進行測量，與總包提供的控制點坐標相比較在滿足的誤差范圍內，即可進行下一步工作。

4.4.4 幕墻埋件測量放樣

根據埋件平面圖與坐標數據，進行埋件測量放樣。使用全站儀放樣出埋件的位置，用記號筆畫出坐標點，將埋件放在記號點位置，并用鐵釘將埋件固定。

當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），按照預埋件點位布置圖及標高尺寸，根據坐標數據，在模板或鋼筋上視具體情況用記號筆劃出預埋件埋設控制線。

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構是采用鋼結構作為支撐體系，整個工程的鋼結構空間跨度大，造型復雜，而且整個鋼結構安裝完成后結構變形較大，為了保證異形幕墻安裝的準確性，在幕墻二次鋼結構施工前期對現場安裝完成的主鋼結構進行三維激光掃描，形成點云數據模型，進行逆向建模，和原鋼結構模型進行比對，減少后續安裝中的誤差，保證異形幕墻安裝質量的精準管控。

4.4.6 三維激光掃描輔助下料

根據三維掃描技術逆向建模糾偏后生成的BIM 模型進行精準放樣，進一步調整原始幕墻BIM 模型。

通過調整后的BIM 模型，提取幕墻數據，并導出下料單，給廠家進行生產加工。

4.4.7 中建八局BIM 協同管理平臺

運用八局管理平臺對項目進行整體統籌管理，發現問題、解決問題一目了然，將材料屬性、安裝位置等信息集成于模型構件中，后期使用二維碼對材料編號與平臺聯動，便于項目管理。如圖16 為中建八局BIM 協同管理平臺界面。

圖16 中建八局BIM 協同管理平臺界面（來源：作者自繪）

5 結語

杭州奧體中心三館項目作為2022 年舉辦亞運會的主場館，工程品質要求極高。工藝復雜，技術難度大，且工期緊張。

BIM 這一數字化技術為各方溝通搭建起數字化平臺，通過BIM 項目管理及BIM 應用雙重作用，將BIM 逐漸深入到項目管理的各個方面，為整個項目生命周期提供服務。BIM技術與設計管理聯動，做到設計技術創效，準確貫徹設計理念，圓滿實現外觀效果。對雙曲面異形幕墻系統創造性地進行逆向建模、曲率分析，優化幕墻板塊，并最終指導加工。利用三維激光掃描技術結合測量機器人，對現場已完成的鋼結構進行掃描，與理論模型核對，發現施工偏差，做到在施工前糾偏。提前發現問題，協助項目部對外立面效果、性能提升、質量等進行管控。BIM 模型在以后的應用中包括建筑項目整個生命周期的基礎數據及核心內容，因此，應用BIM 參數化在今后的異形幕墻設計施工中尤為重要[6]。BIM 與數字化技術的成功應用，代表了國內建筑業的設計與建造方式的新趨勢。