基于BIM技术的大空间多重曲面蜂窝铝板吊顶施工方法

于洋洋 曾德华 庞 维 邵 洋

（中建深圳装饰有限公司 天津市 300308）

1 绪论

1.1 工程概况

长春龙嘉国际机场T2航站楼建筑平面呈“人”字型布置，分为主楼和三个指廊组成，为两层半式航站楼。航站楼面积为12.8万m2。航站楼屋盖为焊接球节点钢网架结构，二层吊顶系统为大空间多重曲面蜂窝铝板。整个吊顶投影面积5.4万m2，由1.4万余块三角形蜂窝铝板系统形成多重曲面。整个吊顶系统造型与屋面钢结构形体基本平衡。曲面天花，曲线平滑，拼缝处圆滑过渡，整体无明显凹凸。单元板块间预留100mm宽的明缝，明缝顺直。

图1 蜂窝铝板吊顶饰面模型

1.2 整体思路

采用微积分原理与网格控制思维，以建筑信息模型技术为核心，以全站仪测绘技术为助力，化整为零，由点成面。

具体方法为：全站仪测绘为建立建筑信息模型提供数据支撑、建立建筑信息模型、运用建筑信息模型号料、运用建筑信息模型控制整体曲面、运用建筑信息模型控制板间明缝、铝板单元形成单元组控制板间顺滑度。

2 全站仪测绘为BIM建模提供数据支撑

本工程为网架结构下挂三角形单元蜂窝铝板，整体表皮为多重曲面，造型复杂多变。

网架球节点3400个，须对每个球形节点精确测量定位，形成三维坐标，为BIM建模提供依据。

与总包单位交接两个三维控制点。测量工程师根据这两个三维控制点建立坐标系，使用全站仪测量3400个网架球节点三维坐标，精确测量，确保闭环，测量误差须在允许值范围之内。并将这些测量好的三维坐标落在CAD图纸上，为模型工程师的BIM建模工作提供支撑。

全站仪的使用，测量工程师的技术水平是决定该项工作完成情况的关键因素。

3 建立建筑信息模型

屋面网架由于加工制作精度、安装定位偏差、沉降变形等因素影响，不可避免的存在结构偏差，即蜂窝铝板吊顶表皮与网架球节点表皮不吻合。因此有必要运用BIM技术新建大空间多重曲面蜂窝铝板吊顶表皮模型。本文所用软件为CATIA、Rhino。

3.1 建立球节点波面

模型工程师根据测量工程师移交的网架球节点三维坐标建立网架球节点的曲面模型。该模型曲面波动大，整体为波阵面，任意剖面都是无规律的波线。这是由施工偏差造成的。此种状态无任何美感。此为第一次波面，称之为球节点波面。

3.2 优化球节点波面

模型工程师应根据设计意图，对球节点的波阵面模型进行优化，使之成为一个顺滑的曲面。这个过程可以称为“去波成面”，此项工作将耗费模型工程师大量的精力，约占其工作量的70%。此为第二层曲面，称之为虚拟球节点曲面。

3.3 调整优化后球节点曲面标高

去波成面后形成一个虚拟的球节点曲面。部分虚拟球节点标高高于实际球节点标高，部分虚拟球节点标高低于实际球节点标高。通过CATIA软件导出这部分低的点。通过EXCEL软件处理数据，选出最大值L1。虚拟曲面按此数值整体降低标高。确保所有的实际球节点高于虚拟曲面。此项工作的目的是确保所有球节点位于蜂窝铝板完成曲面之上。此为第三层曲面，称之为虚拟球节点二次曲面。

3.4 形成蜂窝铝板表皮曲面

根据蜂窝铝板基层钢架的节点图量出主龙骨转接件圆管底部钢板到蜂窝铝板完成面的距离L2，此距离为蜂窝铝板安装所必须的安装距离。将第三层曲面按L2降低标高。确保所有的转接件与钢骨架有足够的安装空间。由此形成了第四层曲面，称之为蜂窝铝板表皮曲面。

通过上述步骤，多重曲面蜂窝铝板模型就形成了。主要采用微积分思维。实现铝板完成面的优化，得到可视化、精细化、可测量化、可导出化、可施工化的模型。作为整个工程的核心，用于指导设计、施工。为实现设计意图，顺利完成履约，提供有效支撑。

图2 三层曲面叠加状态

运用BIM技术，使用模型导出数据指导施工，在加快现场施工效率、简化现场放线流程，提高生产效率的同时，能够更好的保持施工与图纸的一致性。同时，也是对前期全站仪测绘工作、蜂窝铝板完成面建模工作成果的检验与补充。利用自动控制原理形成反馈调节生态，避免出现无法挽回的质量问题。

4 运用BIM技术控制整体曲面效果

本工程屋面为网架结构、墙面为玻璃幕墙、地面正在铺设地暖及浇筑地暖保护层。现场不具备放线条件，完成面线无法现场弹出。且本分项工程完成面为大空间多重曲面。一般的放线方法，即由控制轴线、控制标高，图纸标注尺寸弹出完成面线的方法，并不适用。

结合本分项工程特点，借鉴微积分与网格控制思维，将与3400个球节点焊接的主龙骨转接件作为整体曲面的控制点，由点成面，来控制模型与现场的一致性。

前节提到由BIM技术指导号料能够算出所有3400个主龙骨转接件圆管长度。这些主龙骨转接件焊接完成后其托底钢板形成了第五层曲面，称之为转接件曲面。这个曲面与第二、三、四层曲面是相互平行的。由这层在现场最先施工完成的曲面控制了蜂窝铝板完成曲面，保证蜂窝铝板完成曲面与设计模型的一致性。

5 运用BIM技术控制板间明缝

本工程蜂窝铝板单元间预留100mm宽的明缝。在CAD平面图上，三角板的明缝宽度一致，均为100mm。但将这些三角板投影到曲面上，在保持正三角形边长不变的前提下，板间明缝的宽度将变大。曲面吊顶的投影面积为54000m2，但根据模型计算其曲面面积为54400m2，这400m2的差值需要由板间明缝来补偿。即，曲面上的明缝变宽了。经初略计算，曲面上蜂窝铝板板间明缝平均值为106mm。

由一般几何学知识可知，吊顶曲面与水平面相比，倾斜角度大的区域，板间明缝较宽，倾斜角度小的区域，板间明缝较窄，并无限接近100mm。

上述的初略分析可以得出通长明缝为一条平均宽度106mm的带子，这条带子在曲面较为平缓的区域宽度较窄，曲面较为陡峭的区域。且在地面某点观测蜂窝铝板曲面，应有三条夹角为120°的通长明缝带。不同部位的单元板间明缝宽度是不一致的。因此控制各部位明缝的宽度为控制明缝整体顺直的关键。此项工作的方法如下：

在蜂窝铝板表皮曲面模型上对蜂窝铝板单元排版分格。明缝的中线水平投影应为直线，相交的三条明缝夹角应为120°，明缝不宜过宽或过窄，应尽量贴近106mm。

5.1 控制网格及控制线的确定

根据前述内容，控制线控制线应为蜂窝铝板间明缝的中线。

任意选择一条竖向明缝中线，并将该线按15450mm距离进行偏移，形成若干条明缝中线，作为竖向控制线。

根据三角形蜂窝铝板与北侧收边蜂窝铝板的关系，确定一条横向控制线。这条横向控制线与每条竖向控制线有一个交点。将所有竖向控制线以此交点为中心向同一方向旋转60°，形成斜向板间明缝中线，即斜向控制线。竖向控制线与斜向控制线相互交织，形成若干平行四边形，即为控制网格。

5.2 蜂窝铝板曲面分格建模

三角板单元为2.8m固定边长正三角形。将若干正三角形根据分格从平面投影到曲面上，在保持三角形中心不变的前提下，相邻同方向三角形的边将不在同一个平面，即不平行。这就导致板间明缝错台。

建立分格模型的目的就是将这些错台控制到最小，让明缝整体顺滑。本文应用Rhino软件实现上述意图，将前述控制网格投影到曲面上，形成若干平行四边形（严格意义上应为四条曲线连接形成的曲面，在此简述为平行四边形）。

这个平行四边形内包含36个正三角形，竖向6个，斜向12个。将这些三角形每4块作为一个单元组，即每个控制网格内有9个单元组。

5.3 板间明缝宽度计算

（1）将曲面上的平行四边形斜边按曲面弦长等分六份（平行四边形内斜向有6个同向三角形，竖向有3个同向三角形）；

（2）弦长减去三角形边长即为斜向相邻同向三角形两顶点的距离；

（3）同理算出其他三边相邻同向三角形两顶点的距离；

（4）运用勾股定理计算各方向明缝间距；

（5）将数据标注于图纸。

按此方式，控制网格内的36个三角形能够均匀的分布在曲面上，形成的板间明缝均匀顺滑。

6 结语

将BIM技术运用于大空间多重曲面蜂窝铝板吊顶施工极大的提高施工效率，有效规避施工错误，同时缩短工期，减低成本。长春龙嘉国际机场T2航站楼大空间多重曲面蜂窝铝板吊顶完工后，装饰效果美观，曲面顺滑，明缝顺直，得到了相关单位的一致好评。

该方法科学高效、精细便捷，为此类工程施工积累了一定的成功经验。具有一定的借鉴意义。