基于BIM技術(shù)的大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂施工方法

于洋洋 曾德華 龐 維 邵 洋

（中建深圳裝飾有限公司 天津市 300308）

1 緒論

1.1 工程概況

長春龍嘉國際機(jī)場T2航站樓建筑平面呈“人”字型布置，分為主樓和三個(gè)指廊組成，為兩層半式航站樓。航站樓面積為12.8萬m2。航站樓屋蓋為焊接球節(jié)點(diǎn)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，二層吊頂系統(tǒng)為大空間多重曲面蜂窩鋁板。整個(gè)吊頂投影面積5.4萬m2，由1.4萬余塊三角形蜂窩鋁板系統(tǒng)形成多重曲面。整個(gè)吊頂系統(tǒng)造型與屋面鋼結(jié)構(gòu)形體基本平衡。曲面天花，曲線平滑，拼縫處圓滑過渡，整體無明顯凹凸。單元板塊間預(yù)留100mm寬的明縫，明縫順直。

圖1 蜂窩鋁板吊頂飾面模型

1.2 整體思路

采用微積分原理與網(wǎng)格控制思維，以建筑信息模型技術(shù)為核心，以全站儀測繪技術(shù)為助力，化整為零，由點(diǎn)成面。

具體方法為：全站儀測繪為建立建筑信息模型提供數(shù)據(jù)支撐、建立建筑信息模型、運(yùn)用建筑信息模型號料、運(yùn)用建筑信息模型控制整體曲面、運(yùn)用建筑信息模型控制板間明縫、鋁板單元形成單元組控制板間順滑度。

2 全站儀測繪為BIM建模提供數(shù)據(jù)支撐

本工程為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下掛三角形單元蜂窩鋁板，整體表皮為多重曲面，造型復(fù)雜多變。

網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)3400個(gè)，須對每個(gè)球形節(jié)點(diǎn)精確測量定位，形成三維坐標(biāo)，為BIM建模提供依據(jù)。

與總包單位交接兩個(gè)三維控制點(diǎn)。測量工程師根據(jù)這兩個(gè)三維控制點(diǎn)建立坐標(biāo)系，使用全站儀測量3400個(gè)網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)，精確測量，確保閉環(huán)，測量誤差須在允許值范圍之內(nèi)。并將這些測量好的三維坐標(biāo)落在CAD圖紙上，為模型工程師的BIM建模工作提供支撐。

全站儀的使用，測量工程師的技術(shù)水平是決定該項(xiàng)工作完成情況的關(guān)鍵因素。

3 建立建筑信息模型

屋面網(wǎng)架由于加工制作精度、安裝定位偏差、沉降變形等因素影響，不可避免的存在結(jié)構(gòu)偏差，即蜂窩鋁板吊頂表皮與網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)表皮不吻合。因此有必要運(yùn)用BIM技術(shù)新建大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂表皮模型。本文所用軟件為CATIA、Rhino。

3.1 建立球節(jié)點(diǎn)波面

模型工程師根據(jù)測量工程師移交的網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)建立網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的曲面模型。該模型曲面波動(dòng)大，整體為波陣面，任意剖面都是無規(guī)律的波線。這是由施工偏差造成的。此種狀態(tài)無任何美感。此為第一次波面，稱之為球節(jié)點(diǎn)波面。

3.2 優(yōu)化球節(jié)點(diǎn)波面

模型工程師應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，對球節(jié)點(diǎn)的波陣面模型進(jìn)行優(yōu)化，使之成為一個(gè)順滑的曲面。這個(gè)過程可以稱為“去波成面”，此項(xiàng)工作將耗費(fèi)模型工程師大量的精力，約占其工作量的70%。此為第二層曲面，稱之為虛擬球節(jié)點(diǎn)曲面。

3.3 調(diào)整優(yōu)化后球節(jié)點(diǎn)曲面標(biāo)高

去波成面后形成一個(gè)虛擬的球節(jié)點(diǎn)曲面。部分虛擬球節(jié)點(diǎn)標(biāo)高高于實(shí)際球節(jié)點(diǎn)標(biāo)高，部分虛擬球節(jié)點(diǎn)標(biāo)高低于實(shí)際球節(jié)點(diǎn)標(biāo)高。通過CATIA軟件導(dǎo)出這部分低的點(diǎn)。通過EXCEL軟件處理數(shù)據(jù)，選出最大值L1。虛擬曲面按此數(shù)值整體降低標(biāo)高。確保所有的實(shí)際球節(jié)點(diǎn)高于虛擬曲面。此項(xiàng)工作的目的是確保所有球節(jié)點(diǎn)位于蜂窩鋁板完成曲面之上。此為第三層曲面，稱之為虛擬球節(jié)點(diǎn)二次曲面。

3.4 形成蜂窩鋁板表皮曲面

根據(jù)蜂窩鋁板基層鋼架的節(jié)點(diǎn)圖量出主龍骨轉(zhuǎn)接件圓管底部鋼板到蜂窩鋁板完成面的距離L2，此距離為蜂窩鋁板安裝所必須的安裝距離。將第三層曲面按L2降低標(biāo)高。確保所有的轉(zhuǎn)接件與鋼骨架有足夠的安裝空間。由此形成了第四層曲面，稱之為蜂窩鋁板表皮曲面。

通過上述步驟，多重曲面蜂窩鋁板模型就形成了。主要采用微積分思維。實(shí)現(xiàn)鋁板完成面的優(yōu)化，得到可視化、精細(xì)化、可測量化、可導(dǎo)出化、可施工化的模型。作為整個(gè)工程的核心，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，順利完成履約，提供有效支撐。

圖2 三層曲面疊加狀態(tài)

運(yùn)用BIM技術(shù)，使用模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，在加快現(xiàn)場施工效率、簡化現(xiàn)場放線流程，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，能夠更好的保持施工與圖紙的一致性。同時(shí)，也是對前期全站儀測繪工作、蜂窩鋁板完成面建模工作成果的檢驗(yàn)與補(bǔ)充。利用自動(dòng)控制原理形成反饋調(diào)節(jié)生態(tài)，避免出現(xiàn)無法挽回的質(zhì)量問題。

4 運(yùn)用BIM技術(shù)控制整體曲面效果

本工程屋面為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、墻面為玻璃幕墻、地面正在鋪設(shè)地暖及澆筑地暖保護(hù)層?，F(xiàn)場不具備放線條件，完成面線無法現(xiàn)場彈出。且本分項(xiàng)工程完成面為大空間多重曲面。一般的放線方法，即由控制軸線、控制標(biāo)高，圖紙標(biāo)注尺寸彈出完成面線的方法，并不適用。

結(jié)合本分項(xiàng)工程特點(diǎn)，借鑒微積分與網(wǎng)格控制思維，將與3400個(gè)球節(jié)點(diǎn)焊接的主龍骨轉(zhuǎn)接件作為整體曲面的控制點(diǎn)，由點(diǎn)成面，來控制模型與現(xiàn)場的一致性。

前節(jié)提到由BIM技術(shù)指導(dǎo)號料能夠算出所有3400個(gè)主龍骨轉(zhuǎn)接件圓管長度。這些主龍骨轉(zhuǎn)接件焊接完成后其托底鋼板形成了第五層曲面，稱之為轉(zhuǎn)接件曲面。這個(gè)曲面與第二、三、四層曲面是相互平行的。由這層在現(xiàn)場最先施工完成的曲面控制了蜂窩鋁板完成曲面，保證蜂窩鋁板完成曲面與設(shè)計(jì)模型的一致性。

5 運(yùn)用BIM技術(shù)控制板間明縫

本工程蜂窩鋁板單元間預(yù)留100mm寬的明縫。在CAD平面圖上，三角板的明縫寬度一致，均為100mm。但將這些三角板投影到曲面上，在保持正三角形邊長不變的前提下，板間明縫的寬度將變大。曲面吊頂?shù)耐队懊娣e為54000m2，但根據(jù)模型計(jì)算其曲面面積為54400m2，這400m2的差值需要由板間明縫來補(bǔ)償。即，曲面上的明縫變寬了。經(jīng)初略計(jì)算，曲面上蜂窩鋁板板間明縫平均值為106mm。

由一般幾何學(xué)知識可知，吊頂曲面與水平面相比，傾斜角度大的區(qū)域，板間明縫較寬，傾斜角度小的區(qū)域，板間明縫較窄，并無限接近100mm。

上述的初略分析可以得出通長明縫為一條平均寬度106mm的帶子，這條帶子在曲面較為平緩的區(qū)域?qū)挾容^窄，曲面較為陡峭的區(qū)域。且在地面某點(diǎn)觀測蜂窩鋁板曲面，應(yīng)有三條夾角為120°的通長明縫帶。不同部位的單元板間明縫寬度是不一致的。因此控制各部位明縫的寬度為控制明縫整體順直的關(guān)鍵。此項(xiàng)工作的方法如下：

在蜂窩鋁板表皮曲面模型上對蜂窩鋁板單元排版分格。明縫的中線水平投影應(yīng)為直線，相交的三條明縫夾角應(yīng)為120°，明縫不宜過寬或過窄，應(yīng)盡量貼近106mm。

5.1 控制網(wǎng)格及控制線的確定

根據(jù)前述內(nèi)容，控制線控制線應(yīng)為蜂窩鋁板間明縫的中線。

任意選擇一條豎向明縫中線，并將該線按15450mm距離進(jìn)行偏移，形成若干條明縫中線，作為豎向控制線。

根據(jù)三角形蜂窩鋁板與北側(cè)收邊蜂窩鋁板的關(guān)系，確定一條橫向控制線。這條橫向控制線與每條豎向控制線有一個(gè)交點(diǎn)。將所有豎向控制線以此交點(diǎn)為中心向同一方向旋轉(zhuǎn)60°，形成斜向板間明縫中線，即斜向控制線。豎向控制線與斜向控制線相互交織，形成若干平行四邊形，即為控制網(wǎng)格。

5.2 蜂窩鋁板曲面分格建模

三角板單元為2.8m固定邊長正三角形。將若干正三角形根據(jù)分格從平面投影到曲面上，在保持三角形中心不變的前提下，相鄰?fù)较蛉切蔚倪厡⒉辉谕粋€(gè)平面，即不平行。這就導(dǎo)致板間明縫錯(cuò)臺。

建立分格模型的目的就是將這些錯(cuò)臺控制到最小，讓明縫整體順滑。本文應(yīng)用Rhino軟件實(shí)現(xiàn)上述意圖，將前述控制網(wǎng)格投影到曲面上，形成若干平行四邊形（嚴(yán)格意義上應(yīng)為四條曲線連接形成的曲面，在此簡述為平行四邊形）。

這個(gè)平行四邊形內(nèi)包含36個(gè)正三角形，豎向6個(gè)，斜向12個(gè)。將這些三角形每4塊作為一個(gè)單元組，即每個(gè)控制網(wǎng)格內(nèi)有9個(gè)單元組。

5.3 板間明縫寬度計(jì)算

（1）將曲面上的平行四邊形斜邊按曲面弦長等分六份（平行四邊形內(nèi)斜向有6個(gè)同向三角形，豎向有3個(gè)同向三角形）；

（2）弦長減去三角形邊長即為斜向相鄰?fù)蛉切蝺身旤c(diǎn)的距離；

（3）同理算出其他三邊相鄰?fù)蛉切蝺身旤c(diǎn)的距離；

（4）運(yùn)用勾股定理計(jì)算各方向明縫間距；

（5）將數(shù)據(jù)標(biāo)注于圖紙。

按此方式，控制網(wǎng)格內(nèi)的36個(gè)三角形能夠均勻的分布在曲面上，形成的板間明縫均勻順滑。

6 結(jié)語

將BIM技術(shù)運(yùn)用于大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂施工極大的提高施工效率，有效規(guī)避施工錯(cuò)誤，同時(shí)縮短工期，減低成本。長春龍嘉國際機(jī)場T2航站樓大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂完工后，裝飾效果美觀，曲面順滑，明縫順直，得到了相關(guān)單位的一致好評。

該方法科學(xué)高效、精細(xì)便捷，為此類工程施工積累了一定的成功經(jīng)驗(yàn)。具有一定的借鑒意義。