空间大扭曲玻璃幕墙工程设计实施及BIM技术运用

胡忠明，皮白波，肖文杰（武汉凌云建筑装饰工程有限公司， 湖北 武汉 430040）

1 工程背景

恒大海花岛是一座人工岛，位于海南省儋州市排浦港与洋浦港之间的海湾区域。海花岛 1号博物馆群艺术馆（简称“艺术馆”）位于海花岛 1号岛博物馆群入口处。

艺术馆造型奇特，基本形体是由空间的 5 个正三角形（与水平面夹角各异，大小依次变小，中心点相同）和 1 个正六边形放样而成。与此同时，地面正六边形和 4 个正三角形，将艺术馆的表皮分成 5 个环面，从下到上分别称为一层、二层、三层、四层、五层。

三角形与六边形按长度等分，相邻三角形对应的等分点连接起来，形成直纹面的幕墙表皮。三角形与六边形的空间错位极大，使得艺术馆形成的 5 个环面扭曲剧烈，但整体建筑表皮却优雅流畅，宛如一朵盛开的海花。艺术馆效果图见图1。

图1 艺术馆效果图

艺术馆幕墙工程可分为 5 个系统：①空间大扭曲全隐玻璃幕墙系统，艺术馆最主要的幕墙系统；②竖明横隐玻璃幕墙系统，天井位置的玻璃幕墙；③玻璃百叶幕墙系统；④门厅系统；⑤收口铝板系统。

2 项目难点

（1）艺术馆造型复杂，外立面三角形玻璃间夹角各异，且变化范围极大（165 °～216 °）。

（2）三角形玻璃的每条边上均需布置钢龙骨，次龙骨两端均需切2个空间角（与竖龙骨相关线、与相邻次龙骨）；钢龙骨的加工与焊接量大，且难以保证安装后室内效果。

（3）材料数量、种类繁多，加工数据量大，若采用传统下料方法，必然无法保证提料的效率与准确性。

（4）艺术馆各个成型面均为空间大扭曲面，需定位大量空间点，才能确保放线精准；由于放线数据量大，导致施工难度很高。

3 BIM技术应用与方案设计

鉴于艺术馆的难点，灵活运用 BIM（本项目采用犀牛软件）技术，将其贯穿于工程始末。从与建筑设计单位沟通，完成对原始BIM建筑表皮的优化，到与主体钢结构模型进行干涉碰撞分析，完成建筑模型的调整。从深化BIM模型，完成幕墙实体建模，到提取主要材料的加工数据，完成材料的下料与加工任务。从提取幕墙放线点位的坐标，完成施工放线的工作，到配合施工现场，完成幕墙最终的安装。BIM技术的应用，推进了施工方案的设计，验证了施工方案的可行性，保证了施工的进度与质量，同时也节约了施工成本。

3.1 建筑表皮优化

艺术馆建筑表皮由 5 个扭曲剧烈的直纹环面组成，每个曲面均划分为若干列玻璃，每列玻璃再划分为若干相互交错的三角板块。

组成建筑表皮的 5 个直纹环面从第一层至第五层，依次变小。若按照原方案（每个直纹环面划分列数一定）实施，就会使得第五层每列的分格变得极其小。BIM 分析表明：顶部三层玻璃分格面积＜ 0.5 m2，室内龙骨密集，外观效果并不理想。

另一方面，大量三角形板块角度＜ 30 °。考虑到玻璃特性，尖角角度＜ 30 ° 时玻璃需断角处理。断角后，在玻璃尖角6点交汇处会形成比较大的封堵胶洞，严重影响外立面效果和防水功能。

与设计院、业主沟通后，对表皮玻璃分格进行了优化：①合并上层表皮主分格，减少了分格数量，加大了单块玻璃面积；②微调整玻璃分格，减少尖角＜ 30 ° 的玻璃数量。

经表皮分格优化后，减少玻璃数量近 1 500 块（原表皮共 6 000 多块），极大提高了玻璃生产、组装、运输、安装的时间，加快了项目施工进度。

3.2 与相关专业进行碰撞检测

根据现场基准控制点，对主体结构进行了全方位复核。依据复测结果调整主体钢结构理论模型，并与幕墙BIM模型合模进行碰撞检验。碰撞位置与业主、设计院协商提出解决方案。与主体钢结构进行碰撞检验，发现有5处结构干涉，由主体钢结构单位调整钢龙骨。保证幕墙表皮不变。依据BIM分析结果，对幕墙开窗位置和面积核对与调整，使其满足绿建要求和消防排烟要求；对进、出风口位置与幕墙玻璃百叶位置核对与调整；对排水口与落水管位置的核对与调整，使其满足建筑排水功能。

3.3 基于BIM设计空间大扭曲全隐玻璃系统方案

3.3.1 三角形玻璃板块间夹角分析

艺术馆的 5 个直纹扭曲面，扭曲度极大。三角形的分格可以实现的用平面元素来适应这种空间大扭曲。与此同时，相邻三角形玻璃板块间的夹角也会纷繁不一。经对表皮模型分析后，得到其角度分布区间。

3.3.2 受力构造的设计

一层位置部分幕墙立面外倾。玻璃破损后存在掉落伤人的危险。综合考虑后，首层玻璃采用 6+1.52 PVB +6 Low-E+12 A+6+1.52 PVB+6 配置，并设置玻璃防脱块。二至五层玻璃采用 6 Low-E+12 A+6+1.52 PVB+6 配置。

考虑原方案主次分格均做钢龙骨，龙骨加工与现场施工量大，且切角复杂，不易实现，鉴于本项目玻璃分格不大，大胆设想、小心求证，提出只在主分格方向布置径向钢龙骨的方案：每三角形玻璃组成足够强三角形板块，三角形板块只在主径向方向安装上墙，次分格方向采用钢件与相邻三角形板块连接。通过钢件将力传递到相邻三角形板块上并最终传递到板块固定点。玻璃主次方向标准节点见图2。

图2 玻璃主次方向标准节点

需重点攻克的难点就是结构受力问题：①三角形玻璃边框能承受较大荷载；②次龙骨钢件计算能传递受力；③三角形边框组角能传递受力；④主龙骨固定点能满足受力要求。经过结构师对最不利部位建模计算，对各危险部位进行加强后，此方案变得切实可行。

此方案的优点在于：①次龙骨本身没有规律，取消此方向龙骨可以有效避免次龙骨定位安装带来的困难；②从外视效果上看，主龙骨布置有迹可循，协调顺畅；③玻璃与型材龙骨在加工厂做成整体，玻璃板块到现场直接与转接件连接，减少现场工作量。

3.3.3 适应板块间大扭曲角度的设计

从BIM分析数据可以看出，艺术馆玻璃面板之间夹角的角度变化范围为 161 ° ～ 205 °，且主龙骨方向和次方向角度变化毫无规律。另一方面，艺术馆的三角形玻璃板块为隐框形式，从外观上需要保证玻璃胶缝宽度一致。

参考过类似有适应角度的隐框玻璃节点，但是它们都存在共同的缺陷— 无法适应大的角度变化范围。于是，尝试“利用模图形状变化来实现节点适应角度变化” 的最原始思路，采取每 5 ° 1 种节点形式，保证室外缝 20 mm 不变，室内缝有大有小（由于相邻玻璃存在扭曲，因此最终室内缝大小不一的效果并不明显）。

最终利用了 3 种边框模图和 4 种护边模图，相互组合成6 种边框的状态，每种边框适应一定角度范围，从而形成了一套完整的适应所有角度的方案。这有点类似于拼积木，原理简单，却实实在在地解决了这一难题。

艺术馆阳角玻璃夹角也进行了分角度区间设计。层间玻璃间夹角采用层间夹角节点。大于层间夹角通过不同玻璃边框和出边距离实现。小于层间夹角通过倒角处理（减少尖角漏水隐患）内外均用铝板封闭。阴阳角位置处理节点见图3。

图3 阴阳角位置处理节点

4 三角形玻璃板块组角设计

在取消幕墙次方向龙骨的同时，为满足受力要求，必须将玻璃边框加大并和玻璃一起组成一个独立板块。艺术馆的面板存在如下特点：①板块均为三角形，大小形状各异；②板块组角角度变幻不定，且范围广；③边框受力大，角部承受荷载大。这些特点使得组角存在一定的难度。如何才能克服这些难点，使三角板块组角具有适应性和足够的力学性能？参考类似项目，并结合艺术馆的实际情况，综合考虑后采用“合页组角”的方式，即在边框角部，采用合页插接到边框中，打钉固定。组角节点见图4。

图4 组角节点

5 BIM实体建模与特殊部位方案补充

对于常规工程，通过二维图纸就能够较为清晰地反映出幕墙所有构件的规格以及在工程中的具体位置。但是，对于艺术馆这个空间异型的工程，实体建模必不可缺，在方案完善，材料加工，施工定位，竣工结算等方面都有极其重要的指导意义。幕墙钢龙骨模型见图5。

图5 幕墙钢龙骨模型

BIM 建模过程中会发现一些需要特殊处理的部位，须在补充方案（配计算）后再建立模型。例如，部分三角形板块边框在阳角处存在干涉情况，须将三角形板块型材边框组成四边形、合并板块固定、超小板块固定等。

6 材料加工数据的提取

对于艺术馆这样一个空间大扭曲的项目，材料加工工作与常规项目有着极大差异。首先，艺术馆有玻璃板块 4 500多块，每个板块加工、组装数据将近 40 多个，仅玻璃板块这一项，数量就高达 20 万块；其次，艺术馆所有面板型材的尺寸规格均是唯一的，材料万一出错，就无法替换或再利用，难以补救，因此材料订货、加工准确性至关重要；最后，艺术馆三角板块是相互固定，依次安装，类似于单元幕墙。如果安装过程中出现板块供应配套性问题，势必会影响工期，因此怎么组织材料、分批加工也十分重要。

BIM 技术的应用，以其“高效”“精准”“全面”的特点，很好地解决了艺术馆材料订货、加工难题。

6.1 材料订货

对于玻璃，从整体出发考虑，采用分层、分列依次排序方式编号，逻辑清晰。虽然项目异形，却能使现场施工人员轻松地找到玻璃的安装位置。

与此同时，玻璃等材料的加工数据利用程序，从已经建好的模型中导出。由于玻璃等材料在整体模型中所呈现的形态，就是它们在三维空间中的 1∶1 放样，因此按照导出的理论数据加工的玻璃等材料，最终必将和模型保持一致，从而真正实现了材料订货加工“零错误”。

6.2 三角形玻璃板块组框

前文提到过，艺术馆板块适应面板间角度变化，是通过边框模的变化来实现的。也正是这点，使得艺术馆三角板块边框有 7 种形式。再有三角板块有 3 条边，每条边的形式也不一样。最后，板块有 1 条边为主龙骨方向边，另外 2 条边为次龙骨方向边，边型材加工形式也不一样，所有边毫无通用性。粗略算下来，艺术馆三角板块组框可能存在的类型就有 684 种。

这么多类型的板块，如果按照常规的板块组框思路，每1 种板块做 1 个组框图，肯定是不行的。组框图太多画图工作量太大，组装数据匹配工作也很大；组框图太多不利于加工厂看图。怎样才能简化组框？吸取做样板时的经验，结合艺术馆节点特点，将艺术馆边框类型以节点索引的形式，索引到组框图中，类似于大样图和节点图的形式。

7 BIM技术指导放线和施工

7.1 主龙骨安装定位

艺术馆工期紧张，所有材料的订货与加工必须和现场施工同步进行。现场的龙骨定位必须和理论模型保持一致，且不存在较大误差。

对于这种空间大扭曲项目，为保证建筑外观造型，确保面板可以顺利安装，幕墙龙骨定位的准确性就成了施工重难点，测量放线也成了工程成败的关键。因此，分别给出了主龙骨定位点位来指导安装主龙骨，确保主龙骨安装准确。在此基础上，也给出了面板主方向分格的定位点位，用来控制玻璃板块安装的位置。双重定位提高了放线定位的准确性。为保证龙骨安装的精度，也会对安装完毕的龙骨位置进行复测，对误差较大的龙骨进行整改，从而保证玻璃板块能正常安装。

7.2 玻璃板块安装定位

安装板块也是本工程的一个难点，关键就是转接钢件需要定位精准。

艺术馆每个三角形板块在主龙骨上均有两个转接钢件。如果每个钢件均采用三维点定位后，再进行玻璃板块安装，会造成现场施工放线工作量巨大；幕墙龙骨定位存在一定的误差，加之钢件定位后焊接固定会有一定的热变形，产生少量误差。种种因素使得玻璃板块安装位置变得不可控，整体安装效果参差不齐。

实体样板安装时，采用先定位钢件后安装玻璃板块的方式安装，事实证明效果并不理想。经分析，艺术馆应主要是要保证主分格，次方向对玻璃板块整体安装影响不大。于是，决定采用控制玻璃板块位置方式进行安装。先定好玻璃分格线（玻璃分格理论位置），玻璃板块在安装位置到位后焊接主龙骨上钢件。这样才能保证玻璃块位置安装无误。

8 结 语

恒大海花岛艺术馆项目，通过采用简单高效的安装方案，响应国家大力发展装配式建筑的号召，结合BIM参数化设计，高质高效地实现了大扭面异形幕墙造型，并产生了一定的社会效益，给同类型幕墙项目提供了借鉴，