基于BIM的双曲面异形幕墙解决方案

周肖飞 俞 露 卢 昕

随着建筑行业的快速发展，建筑物已不再单纯追求实用性，在保障结构稳定的同时更追求整体的美观度。异形曲面幕墙应运而生，建筑师通过运用曲面造型来达到新颖独特的建筑幕墙效果。BIM技术的出现使这些新颖的幕墙效果得以落地呈现，发挥最佳的视觉效果。

传统技术在解决异形曲面幕墙设计深化与施工中遇到的问题上困难重重，本项目通过BIM 参数化设计来实现。参数化设计通过控制变量的输入值来优化建筑形态、空间，以及模型数据的自动生成，对其进行直观的控制[1]。异形曲面幕墙参数化设计的关键内容是通过改变幕墙参数来控制生成效果，也能提高异形曲面幕墙的建造效率、质量和获利能力[2]。

1 工程概况

杭州奥体中心主体育馆、游泳馆和综合训练PPP 项目是杭州市政府在钱塘江南岸兴建的大型城市公共设施，也是2022 年举办亚运会的主场馆。它将为杭州市举办国内外大型体育活动提供一个具有国际知名度的现代化场馆。

项目是一个以全民健身和配套服务为主，集体育、休闲、商业、娱乐为一体的大型体育建筑综合体。该项目地址在浙江省杭州市萧山区奥体博览城，总占地面积28 万m2，幕墙约30 万m2，总建筑面积为48 万m2。建设结构为钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系。项目效果图如图1 所示。

图1 效果图（来源：建筑设计师提供）

2 专业工程特点及难点

本项目是国家重点工程，工艺质量要求高；再加上占地面积大，平面规划管理难度提高。该项目幕墙体系种类多，施工面积大，工艺复杂。对双曲面异形幕墙来说，造型复杂、技术难度大，深化设计技术要求很高。

3 组织与环境

3.1 BIM 应用目标

在传统幕墙工作中，常常会遇到分格尺寸不标准、深化验证低效、加工数据庞大、提取数据困难、构件图纸众多、出图审核繁复、施工定位不准、现场复核困难等问题。通过运用BIM 技术可以优化设计、强化交流、减少错漏碰缺、优化资源配置、保证生产加工精度、优化工期、降低成本等。

首先利用BIM 模型的可模拟性，对复杂施工技术方案、节点、施工工序进行模拟；其次强化创效导向，利用BIM技术进行各专业的深化设计和管线综合，形成全专业的BIM 模型。通过综合协调碰撞检查，提高深化设计工作的质量和效率，减少设计问题对施工的影响;随后进行BIM5D 管理，将BIM 模型与施工现场管理紧密结合;并且利用BIM 模型结合测量机器人、三维激光扫描仪、无人机倾斜摄影等技术解决本项目测量定位、幕墙施工下料等难题；同时结合中建八局BIM 协同管理平台进行全过程控制。

3.2 制度建设

根据国家BIM 技术应用规范以及中建八局总部颁发的BIM 应用细则，结合本项目的特点和具体要求编制BIM 总体实施方案，并严格贯彻落实各项指标。

3.3 团队构成

本项目组建了专业的BIM 团队，设有BIM 团队总指挥、专家顾问、BIM 项目经理、BIM 工程师等为项目的BIM 工作顺利实施提供人员保障。

4 双曲面异形幕墙BIM 技术应用方案

4.1 设计方案优化

本项目游泳馆，体育馆双曲面幕墙由于原设计院设计的方案只是停留在概念阶段，对现场施工带来了很大的难度。该幕墙设计造型复杂，系统种类繁多，各工作交叉作业面大，为了避免在施工过程中出现大量的设计变更而影响整个项目的进度，BIM 团队对原方案图纸进行模型搭建，然后根据现场施工的实际情况和工作条件运用BIM 软件进行参数化建模以及优化设计。对重要部位搭建不同的方案模型和原创设计师进行讨论和沟通，并确定最终的方案，为后期项目部进行现场施工创造了有利条件。图2为游泳馆、体育馆幕墙概念设计整体BIM模型，图3 为游泳馆、体育馆幕墙优化设计整体BIM 模型。

图2 两馆幕墙概念设计整体BIM 模型（来源：建筑设计师提供）

图3 两馆幕墙优化设计整体BIM 模型（来源：作者自绘）

4.1.1 东西主入口T 形钢玻璃幕墙系统BIM 优化流程

东西主入口玻璃幕墙为框架式竖明横隐幕墙，龙骨跨度大（最大处长达17 m），每根T 形钢的长度尺寸均不同。收边收口处的异形玻璃较多且尺寸均不一，给材料下单工作带来挑战。

采用BIM 技术进行下单工作，在模型深度深化到满足下单要求后，采用三维模型进行下料尺寸导出，既保证了下单的准确性又大大提高了效率。图4 为东西入口T 形钢玻璃幕墙深化模型，图5 为采用Rhino & Grasshopper 对不同规格玻璃面板生成的编号图。

图4 东西入口效果图（来源：作者自绘）

图5 玻璃编号图 （来源：作者自绘）

4.1.2 中央大厅大小漏斗格栅铝板BIM优化流程

中央大厅大小漏斗的铝板饰面所有饰面造型都是双曲面，钢结构部分经过优化一部分改为直杆钢结构。由于饰面板均为130 ～150 mm 宽的窄长条造型的双曲板，所有建模、安装定位、导出数据手工操作难度极大且出错率较高，因此采用BIM 软件进行参数化处理。

两馆中央大厅双曲面异形幕墙造型为漏斗状，其方案造型复杂多变，为了保证设计方案能够真正落地施工，团队对概念方案进行了多次对比优化。如图6为大小漏斗从设计之初到中期再到最后定稿的优化模型。

图6 大小漏斗优化模型图（来源：作者自绘）

模型定稿之后，对大小漏斗进行施工工艺安装工序分解。如图7 所示为大漏斗安装工序分解过程，如图8 所示为小漏斗安装工序分解过程。

图7 大漏斗安装工序分解图（来源：作者自绘）

图8 小漏斗安装工序分解图（来源：作者自绘）

通过BIM 软件进行装饰构建曲率优化分析和可视化编程，找出翘曲度过大的地方，进行优化设计。优化前如图9 所示，红色显示的平板面占70%，黄色显示的单曲面占20%，蓝色显示的双曲面占10%。优化后如图10 所示，红色显示的平板面占90%，黄色显示的单曲面占10%，蓝色显示的双曲面占0%。在不影响整体效果的情况下，通过优化将双曲面优化成平板面，减小了施工难度。

图9 曲率优化前（来源：作者自绘）

图10 曲率优化后（来源：作者自绘）

4.2 深化设计

在深化阶段,应用BIM 技术全系统建模和协同作业,进行碰撞检测、辅助深化、结构计算、节点模拟、出施工图[3]。

4.2.1 中央大厅幕墙漏斗造型—外装饰铝板面深化

提取钢构中线，修改优化制作外层铝板饰面主分格线。本步骤深化难点在于模型上每组分格需要对应主体钢结构，由于钢结构提出的中线反映到外层大面上的曲线并不流畅，所以需要将投影的分格曲线进行优化调整至视觉顺畅，同时需要可以对应至背面钢结构面的中心。

接着根据主分格线对整体进行细分，本阶段需要将主分段之间的铝板进行细分，进一步分格为间隔20 mm，宽度为130 mm 的铝板条造型，在每组的末端与下一组连接的位置，需保证整个造型只有一端被切割线切割。全过程在参数化软件Grasshopper 里进行参数化处理，最终完成整个双曲面分格的设计效果。如图11 为参数化处理双曲面分格过程。

图11 参数化处理双曲面分格过程（来源：作者自绘）

4.2.2 中央大厅幕墙漏斗造型—内装饰面铝板及龙骨深化

异形曲面构件式幕墙模型深化设计，其外观装饰线条造型独特，内部结构构造复杂，需要复杂内部空间结构支撑。龙骨作为空间结构的主要支撑构件，同时也是幕墙系统最主要的受力构件，龙骨安装定位的精准度决定了整个幕墙质量的优劣[4]。

首先由外层完成面反推建立内层饰面，本阶段工作内容与外表面制作手法相同，不同之处为间隔变为150 mm，宽度改为150 mm，接着根据内层饰面反向建立钢结构龙骨层。龙骨有两种：主龙骨以及连杆龙骨直径分别为121 mm 和108 mm。主龙骨在铝板内外360 mm 的空间内调整，铝板内表面的铝条间距只有150 mm，连杆距离两边只有21 mm的活动调节范围，也就是说连接杆需要放置在两根铝条的中间才能保证调节时在可控范围内。此外，连杆的一端需要准确连接到现场的主钢结构内表面的中心上，这样从地面往上观察时，龙骨能够形成视觉上的统一。

4.2.3 中央大厅幕墙漏斗造型—进一步优化次钢结构龙骨

根据造型生成的龙骨基本上都是扭曲的，没有规律的走向，会导致厂家无法生产制作，因此龙骨需要进一步的优化。利用Grasshopper 软件对弦高进行分类，弦高大于20 mm 的，用固定圆弧方式生成弯管；弦高小于20 mm 的，直接以直管作为龙骨。

4.2.4 中央大厅幕墙漏斗造型—进一步优化铝板面材

所有拱高小于15 mm 的铝板均进行优化，将其转变为平板造型。考虑到铝板不太好变形，与厂家沟通之后，将翘曲值定位为15 mm，也就是说铝板在安装时这些优化平铝板在变形度15 mm 范围内是可以保证压到原始位置的。如图12 所示，棕色显示的为优化平板。

图12 铝板面材优化（来源：作者自绘）

4.3 参数化下料

4.3.1 参数化下料加工

通过BIM 模型的优化设计，对标准方通与非标准方通进行工程量统计。根据最终确认的方案模型，绘制构件加工图纸。利用Grasshopper 软件，对于同类型构件实现参数化下料，并且为项目部施工提供定位点坐标。

4.3.2 导出施工图纸

根据深化施工BIM 模型导出深化施工图图纸，指导现场施工，提高施工质量和效率。如图13 为根据模型导出的深化图纸。

图13 导出图纸（来源：作者自绘）

4.4 指导现场施工

4.4.1 幕墙埋件坐标提取

本项目为异型项目，放线难度大，无法采用传统轴线放样，须采用BIM 软件将每个埋件坐标点提取出来。如图14为埋件坐标提取过程。

图14 埋件坐标提取过程（来源：作者自绘）

4.4.2 生成安装定位点

通过BIM 参数化设计辅助实现构件批量材料下单与指导不规则放置的材料空间定位[5]。

通过提取BIM 模型中的装饰构件中心点,使用参数化软件自动生成构件安装定位点，指导现场形状复杂的构件定位安装。如图15 为大漏斗定位过程。

图15 大漏斗定位（来源：作者自绘）

4.4.3 控制点校核与布置

根据总承包提供的控制点坐标，首先进行坐标点的校核。由于现场施工条件交错复杂，控制点BM1 与BM4 点无法进行使用，可用的控制点坐标只有BM2和BM3，用高精度全站仪多次对BM2、BM3 进行测量，与总包提供的控制点坐标相比较在满足的误差范围内，即可进行下一步工作。

4.4.4 幕墙埋件测量放样

根据埋件平面图与坐标数据，进行埋件测量放样。使用全站仪放样出埋件的位置，用记号笔画出坐标点，将埋件放在记号点位置，并用铁钉将埋件固定。

当每一层楼土建梁柱钢筋绑扎完毕前（下一层顶埋）/后（本层地埋），按照预埋件点位布置图及标高尺寸，根据坐标数据，在模板或钢筋上视具体情况用记号笔划出预埋件埋设控制线。

4.4.5 三维激光扫描逆向建模

游泳馆、体育馆双曲面异形幕墙的结构是采用钢结构作为支撑体系，整个工程的钢结构空间跨度大，造型复杂，而且整个钢结构安装完成后结构变形较大，为了保证异形幕墙安装的准确性，在幕墙二次钢结构施工前期对现场安装完成的主钢结构进行三维激光扫描，形成点云数据模型，进行逆向建模，和原钢结构模型进行比对，减少后续安装中的误差，保证异形幕墙安装质量的精准管控。

4.4.6 三维激光扫描辅助下料

根据三维扫描技术逆向建模纠偏后生成的BIM 模型进行精准放样，进一步调整原始幕墙BIM 模型。

通过调整后的BIM 模型，提取幕墙数据，并导出下料单，给厂家进行生产加工。

4.4.7 中建八局BIM 协同管理平台

运用八局管理平台对项目进行整体统筹管理，发现问题、解决问题一目了然，将材料属性、安装位置等信息集成于模型构件中，后期使用二维码对材料编号与平台联动，便于项目管理。如图16 为中建八局BIM 协同管理平台界面。

图16 中建八局BIM 协同管理平台界面（来源：作者自绘）

5 结语

杭州奥体中心三馆项目作为2022 年举办亚运会的主场馆，工程品质要求极高。工艺复杂，技术难度大，且工期紧张。

BIM 这一数字化技术为各方沟通搭建起数字化平台，通过BIM 项目管理及BIM 应用双重作用，将BIM 逐渐深入到项目管理的各个方面，为整个项目生命周期提供服务。BIM技术与设计管理联动，做到设计技术创效，准确贯彻设计理念，圆满实现外观效果。对双曲面异形幕墙系统创造性地进行逆向建模、曲率分析，优化幕墙板块，并最终指导加工。利用三维激光扫描技术结合测量机器人，对现场已完成的钢结构进行扫描，与理论模型核对，发现施工偏差，做到在施工前纠偏。提前发现问题，协助项目部对外立面效果、性能提升、质量等进行管控。BIM 模型在以后的应用中包括建筑项目整个生命周期的基础数据及核心内容，因此，应用BIM 参数化在今后的异形幕墙设计施工中尤为重要[6]。BIM 与数字化技术的成功应用，代表了国内建筑业的设计与建造方式的新趋势。