论利用参数化三维技术精确控制双曲面异型结构

刘莎莎

摘要：国家雪车雪橇中心项目的核心工程是赛道结构工程。赛道为双曲面异形结构，由主赛道和训练道两个工程组成，主赛道全长1935m，16个弯道;训练道全长约320m。赛道采用喷射混凝土技术完成，是整个项目设计、施工难度最大的项目。该结构形体的不规则性、多样性等特性，采用基于Rhino的Grasshopper参数化建模，对每个节点的位置进行准确的定位，利用其精准性，来指导现场施工并进行实时监控，实现建筑设计与施工的衔接。过程中通过控制变量和设计参数编程，将复杂的双曲面异型结构采用参数定义，以逻辑关系的参数设计，建立精准的设计模型，达到实现方案可视化的动态管理的目的。

关键词：参数化;Grasshopper;空间双曲面异型结构

一、引言

随着BIM技术的快速发展，越来越多的建筑施工开始采用数字化工具建立复杂的几何结构形式。当结构形式是复杂的异型结构时，参数化建模作为一种建模手段，配合参数化工具Rhino—Grasshopper，借助Grasshopper的平台与建筑施工中多专业交叉作业更好的结合。Grasshopper平台的多专业多学科的参数插件以及平台内高度适应性使多专业可以在同一个平台上交互进行，而Grasshopper作为Rhino平台内的参数化辅助插件，它可以很好的完成项目中异型双曲面赛道的建筑信息模型的构建，并保证了高度的精准性。

二、项目背景

（一）项目概况

国家雪车雪橇中心项目是北京2022年冬奥会新建比赛场馆之一，赛道为双曲面异形结构，由主赛道和训练道两个工程组成，主赛道全长1935m，16个弯道;训练道全长约320m。是中国首条、全球第十六条，世界上唯一拥有回旋弯的雪车雪橇赛道，需两个国际单项组织（IBSF国际雪车联合会、FIL国际雪橇联合会）进行认证，目前国际组织认证的赛道为15条（亚洲2条、北美4条、欧洲9条）。赛道最高点高程：1017.00m，最低点高程：891.00m，赛道长度：1975m，最大速度：135㎞/h，属于国家级重点项目。

（二）项目难点

多变的赛道结构，流畅的曲线，使建筑充满动感的节奏，在带给我们赏心悦目的比赛同时，也使施工的难度增大。赛道的功能面为空间异型曲面，赛道的弧度、曲度、高度，都不断变化。由于赛道的滑行速度极快，也使混凝土施工工艺在要求上更加严格，赛道曲面精度的误差必须控制在10㎜以内。另外赛道结构在喷射混凝土前，还需要进行制冷管安装、双曲面钢筋网绑扎安装、找平管定位以及季候防护棚安装和喷射操作平台搭设等工作。因为施工场地在山区，场地和路况都很复杂，材料的运输和堆放都不方便，所以施工的难度更大。

三、基于Rhino—Grasshopper参数化建模

（一）赛道参数控制——钢筋骨架

曲面钢筋变化多样，不易控制;不规则的异型钢筋制作安装。赛道呈双曲面空间异型结构，即长度、高度、宽度三个方向的每个弧度、长度都不相同，每一根钢筋的长度，弯曲弧度都不一样，每根钢筋都必须单独下料，赛道钢筋为双层45°网状，钢筋网中间是赛道制冷管，赛道精度要求为毫米级，每根钢筋必须结合现场制冷管定位做精确安装和调整，安装精度要求极高且难度和工程量巨大。钢筋通过Rhino—Grasshopper参数化平台，设置一系列的逻辑模块组成“电池组”编写逻辑算法“电池组”，通过使用REBUILD命令重建曲面，将曲面的骨架线调整均匀，使得钢筋网格均匀排布，输入方向值，建立双曲面钢筋网状结构的设计模型，并通过计算参数可提取钢筋参数，包括长度、重量等，通过这些数据为现场的钢筋下料安装提供依据。

（二）赛道精度控制——找平管

根据赛道空间双曲面异形结构的特点，将赛道划分为赛道下檐口、底部、高墙、上檐口四大部位，对每个大部位又进行细分，如下檐口则细分为下檐口外侧、下檐口三角区、下檐口内侧基层、下檐口内侧面层及下檐口顶部。

（三）赛道精度控制——混凝土

雪车雪橇项目是冬奥会中滑行速度最快的项目，被誉为冬奥会“雪上F1”，最大速度135km/h，因此，对赛道混凝土表面的精度要求极高。赛道全长约2公里，要求赛道曲面任何一点的误差不能超过±10mm，表面必须整体平滑过渡。并且赛道结构为空间双曲面壳体异形结构，每个部位的高度、曲率都不相同，无法采用固定的参考面进行参照。

所以在对赛道进行施工之前，采用参数化建模，利用Rhino—Grasshopper的参数化平台，通过对设计图纸上每隔2.5m距离的赛道断面图，进行图形识别，获取每一个断面曲线数据，并写入Grasshopper中，通过参数间的“电池组”进行逻辑运算，可使赛道设计模型的精准度极高，三维空间立体精准定位，运用Grasshopper中Curve功能拾取赛道断面线条数据，录入曲线参数，通过Merge集合功能整合赛道曲面线段，形成完整的赛道断面。

在Grasshopper中将赛道断面曲线的参数汇总修整，通过参数Loft和参數CapHoles等参数编写的“电池组”逻辑运算将各类参数曲线放样成完整的双曲面异型赛道，因为赛道是混凝土实体结构，所以，需要将曲面参数转化成封闭的实体结构。

赛道结构施工的最大的难点在于，其混凝土的喷射成型。赛道内部有密集的制冷管道、钢筋、钢织网等错综复杂。

整个赛道施工对混凝土喷射的工艺要求极为严苛;混凝土喷射完成后，需要依靠纯人工对赛道混凝土进行精加工修面，使赛道表面精度达到毫米级，施工难度极高。

通过制冷管夹具、制冷管、找平管等的参数控制，使赛道在精加工修面的时候，有了大量的数据参考，为操作人员提供了可靠的参考数据。

（四）赛道精度复核——测量

雪车雪橇赛道为典型的半封闭空间双曲面薄壳体结构，是采用国内首次结构混凝土喷射成型技术。赛道内曲面成型精度和平滑度均达到毫米级，精确度直接决定运动员在进行高速滑行时的安全系数。赛道完成精加工后，由专业的测量队伍，采用三维激光扫描仪对赛道进行3D扫描，提取赛道结构表面的测量点云数据。

四、结语

在本项目中，充分运用Rhino-Grasshopper参数化设计方法，完成了双曲面异型赛道参数化设计模型，并且其完成度、精确度均达到所要求的毫米级精度，整个BIM技术实施与现场施工管理过程契合度极高，实现了BIM技术与施工管理相结合的应用效果，做到了提前出具相关工程量、出数据、出方案规划并以模型数据与审计单位进行工程量核算，数据全部提供给现场，达到了有效控制施工材料，节约成本以及合理的施工方案的采用。

参数化的应用概念，近几年受到越来越多的关注，也被广泛的应用在各类复杂建筑结构中，其参数平台具备的高度精准性更是受到青睐。Rhino-Grasshopper的有效结合，不但实现了对复杂结构的模型处理，且同时让设计模型与参数完整对接，特别是在处理本项目中的空间双曲面异型赛道这样复杂多变的曲线、曲面结构中有这不可替代的优势。

参考文献：

[1]岂凡，《基于Grasshopper的参数化方法在结构设计中的应用》，2018年第1期

[2]魏颖、赵海涛、李健、庞丽娟，《基于Rhino的结构参数化建模》，2014年10月

[3]陈康、魏菲菲、程宣恺、陆琛亮，《基于参数化建模的优化设计方法》，2012年3月

[4]戴欣伟，《基于Grasshopper的参数化设计在产品设计中的应用探索》，2016年