BIM技术在异形曲面建筑结构设计中的应用

黄馥萱，丁华标，王 鹏，张明通，胡锦伟，王 莹

（1、深圳市华阳国际工程设计股份有限公司 深圳 518000；2、中国建筑第二工程局有限公司华南分公司 深圳 518045）

1 工程概况

深圳某项目建筑总面积约12.8万m2，是一座大型的综合性科技展示与创新科技体验的公共建筑。本项目地上6层，总建筑高度57 m。

建筑整体造型酷似一艘停靠在发射台上的太空飞船，其外立面由异形曲面幕墙组成，室外地面通过大台阶、汽车坡道及景观草坡自然延伸至二层裙房屋面。二层的外立面由曲面幕墙，曲面景观草坡和垂直绿化3 种形态相互连接组成，呈现出异形曲面的效果。

曲面幕墙和垂直绿化需要钢筋混凝土梁作为支座才能安装，曲面景观草坡和大台阶需要做钢筋混凝土梁板。因此，曲面立面的效果需要转换成曲面结构控制表皮，才能根据控制表皮布置结构梁板，最终保证建筑立面曲面效果的实现［1］。本文主要介绍如何运用BIM 技术实现异形曲面结构的准确表达。项目整体方案效果和二层平台的犀牛模型分别如图1、图2所示。

图1 方案效果Fig.1 Scheme Effect

图2 二层平台犀牛模型Fig.2 The Rhinoceros Model of Second Platform

2 曲面结构控制表皮导入Revit模型

不同形态的立面效果有不同的建筑面层要求，经与建筑和景观专业确定，曲面幕墙和垂直绿化的面层是350 mm，曲面景观草坡为种植绿化花池，需要考虑覆土，其面层为1 100 mm，大台阶处台阶和平台处的面层分别是450 mm和600 mm。

从方案单位提供的犀牛模型中提取建筑完成面表皮。在犀牛模型中，根据不同的建筑面层厚度将建筑完成面表皮进行偏移得到结构控制表皮，再将各个结构曲面进行延伸或剪切处理，得到连续的完整的曲面结构控制表皮。最后将其导入Revit模型中。

图3为导入Revit模型中的曲面结构表皮。

图3 Revit模型中提取的曲面结构表皮Fig.3 Curved Structure Skin Extracted from Revit Models

3 Revit模型中根据曲面结构控制表皮绘制结构梁

结构控制表皮是个不规则的异形曲面且范围很大，实际工程中如果采用曲面的钢筋混凝土梁板，从设计的角度来说，梁板标高及定位的表达将十分复杂，设计效率低下，从施工角度来说施工难度增大，施工周期加长以及施工成本增高［2-3］。

考虑到结构设计的效率和施工的方便，本工程通过绘制贴近曲面结构控制表皮的斜梁或者折梁，在梁与梁之间形成斜板，使结构梁板不超出曲面，局部增加建筑面层的方法，以保证建筑完成面的整体曲面效果。

下面列举3处典型位置，介绍如何在Revit模型中利用曲面结构控制表皮生成结构梁。

3.1 东北角处曲面垂直绿化

东北角处坡道与垂直绿化如图4 所示，消防坡道从首层地面到二层平台，巨幕影院的底部与消防坡道侧面通过垂直绿化相连。因此，此处的垂直绿化斜梁的设计比较复杂，斜梁的一端应与坡道侧面的梁搭接，另一端应与巨幕影院底部的梁搭接。按正常的设计意图，得到的斜梁与两端支座关系应如图5所示。

图4 东北角处坡道与垂直绿化Fig.4 Ramp and Vertical Greening at the Northeast Corner

图5 斜梁上下端与两侧梁关系Fig.5 Relationship between the Upper and Lower Ends of the Inclined Beam and the Beams on Both Sides

如果用BIM 常规的命令去绘制梁，得到的斜梁的端部情况如图6 所示。1 处梁顶面的端点延伸入梁侧面中，而2 处梁顶面端点无法延伸到梁侧面。此时实际得到的斜梁两端梁顶标高并不准确。

图6 使用Dynamo插件前斜梁左右梁顶面情况Fig.6 The Top Surface of the Left and Right Inclined Beams before Use the Dynamo Plugin

因此，本工程使用Dynamo 插件在Revit 模型中绘制结构梁，如图7所示。第一步，选择要生成的斜梁的截面，点击周边与斜梁相同截面的已有的钢筋混凝土梁即可。第二步，用模型线画出梁的起点和终点，此步骤可以人为定义梁两端的范围，确保生成的斜梁两端与其支座梁侧面有搭接。绘制模型线后需要调整线的标高在曲面以下。第三步，选择曲面。点击运行后，插件便能根据模型线去投影曲面生成斜梁，得到的结果如图8所示。斜梁两端能够与侧面的梁搭接得到的梁端标高才是准确的［4］。

图7 通过模型线去投影曲面生成梁Fig.7 Generating Beams by Projecting Surfaces through Model Lines

图8 使用dynamo插件后斜梁左右梁顶面情况Fig.8 The Top Surface of the Left and Right Inclined Beams after Use the Dynamo Plugin

3.2 西侧曲面大台阶

场地西侧通过大台阶从首层地面通往二层裙房屋面，大台阶的左右两侧分别是曲面幕墙和曲面景观草坡，如图9所示。

图9 西侧曲面大台阶犀牛模型Fig.9 The Rhinoceros Model of the West Curved Large Steps

大台阶有踏步斜段和平台段，因此大台阶的结构控制表皮由一段弧形空间曲面和一段平面接连而成。第一步，根据不同立面形态的分界位置及其平面投影范围在合适的位置设置结构柱，再布置平面的钢筋混凝土梁板。第二步，使用Dynamo 插件（通过模型线去投影曲面生成梁）自动调整梁顶标高。这里要注意的是，当一条梁跨越踏步斜段和平台段的两个曲面时，选择曲面应采用多选，此时，根据曲面结构控制表皮会自动生成折梁。得到的大台阶处的折梁如图10 所示。第三步，选择相邻两条折梁转折处和梁端部的点作为楼板的角点，修改子图元使楼板4 个角的板面标高接近折梁转折处标高，得到板面标高不超出梁顶标高的斜板［5］。斜板只能贴近而且不超出曲面结构控制表皮，通过一块块斜板的拼接，在空间上形成整体曲面结构的效果。而斜板与结构控制表皮之间的距离，用建筑面层填充处理。

图10 西侧大台阶根据曲面调整梁标高Fig.10 Adjust the Beam Elevation of the West Step According to the Curved Surface

3.3 西南侧曲面景观草坡

西南侧的汽车坡道从首层地面通往二层裙房屋面，坡道上方的曲面景观草坡与裙房屋面边界连接，坡道的下方是自然堆土的绿化草坡和垂直绿化，如图11所示。

此处曲面景观草坡结构梁一端以坡道挡墙为支座，另一端以裙房屋面的梁柱为支座。同样地，使用Dynamo 插件投影曲面得到折梁。裙房屋面结构标高为6.900 m，草坡结构控制表皮延伸到与屋面交界处时标高低于6.900 m，两者存在高差。此高差处设置一道封边次梁，次梁的顶部和底部分别兜住裙房屋面板和草坡斜板，在有折梁的位置采用局部梁顶面加高的做法［6］。交界处的Revit 模型如图12 所示，裙房屋面与景观草坡交界处的剖面大样如图13所示。

图12 裙房屋面与草坡结构控制表皮交界处Fig.12 The Junction between the Roof of the Podium and the Control Skin of the Grass Slope Structure

图13 裙房屋面与景观草坡交界处剖面大样Fig.13 Detailed Profile of the Intersection between the Podium Roof and the Landscape Grass Slope

4 结构施工图的表达

针对斜梁，在Revit 模型中，自定义标记族后框选斜梁，即可自动标记出斜梁两端的梁顶面相对标高。在结构施工图中，通过表达斜梁两端的顶面标高，即可指导施工。对折梁来说，需要在Revit 模型中导出转折线拷贝到CAD中，定位和标出梁两端和转折线的位置和标高。

5 总结

从犀牛模型中提取建筑完成面表皮。根据建筑面层偏移后得到曲面结构控制表皮并将其导入Revit模型中。在Revit 模型中运用插件自动生成不超出结构控制表皮的斜梁，再自动标记斜梁两端的标高和导出折梁转折线到CAD中，最后在结构施工图中表达梁的定位和标高。

通过应用BIM 技术，可以实现异形曲面结构的准确表达，能够极大地提高异形曲面建筑结构设计的效率及质量。