BIM 建造技術在異形場館幕墻施工中的應用

羅 興

大型場館（如體育館、展廳等）是建筑行業(yè)的重要組成部分，此類建筑通常具有造型復雜、異形構造多、精度要求高等項目特征。針對于異形項目的特征，采用Grasshopper 平臺上的程序式設計，這種BIM 設計方法，可以將傳統(tǒng)的二維圖紙，轉化為一種可視化的數(shù)據(jù)，通過編寫對應程序自動生成三維模型，將生成好的三維模型數(shù)據(jù)化，用于指導現(xiàn)場施工和工廠生產(chǎn)[1]。

1 工程概況及重難點分析

1.1 項目概況

江山虎山運動公園項目是江山市貫徹落實衢州市委“1433”發(fā)展戰(zhàn)略體系，建設江山大花園的重點建設項目，項目位于江山市城南，虎山東面濱江中學以東，江濱南路以西，江變路以北。項目用地面積為26.8 hm2，建設內容包括體育中心和體育公園兩大部分，其中體育中心用地面積為145.5 hm2，包括體育館（幕墻高度23.9 m）、全民體育健身中心（幕墻高度26.4 m）和體育運動配套用房（幕墻高度49.6 m）。幕墻總面積約為5.9 萬m2，均為構建式幕墻體系，其中主要幕墻系統(tǒng)為玻璃幕墻面積2.3 萬m2、3 mm 厚 氟 碳 鋁 單 板2.6萬m2、4mm厚氟碳鋁板（含穿孔板）0.7 萬m2（圖1）。

圖1 設計效果圖（來源：招標附件）

體育館整體外形采用方形建筑設計方案，總建筑面積96501 m2，包括4000 座體育館，全民健身中心，體育運動配套用房，商業(yè)平臺等。項目以打造成國家舉重訓練基地、國家攀巖訓練基地以及4A 級景區(qū)為目標，將有效整合虎山、江濱南路沿線綠地景觀工程，濱江中學體育場地等，成為集賽事、培訓、休閑、旅游、商業(yè)為一體的體育綜合體。全民健身中心內設有游泳池，舉重訓練場，羽毛球場、室內攀巖館、青少年培訓中心等設施。體育運動配套用房設置約300 間標準房間，滿足賽事運營時運動員、裁判、官員、工作人員住宿需求，賽后也可以為旅客及市民提供度假休閑住宿的場所。

1.2 難點分析

場館類項目以及配套建筑，均為異型曲面造型，造型分布在主立面、層間、轉角、吊頂以及屋面，相對規(guī)整的標準立面很少。常規(guī)的CAD 設計技術、現(xiàn)場測量放線技術以及常規(guī)幕墻施工工藝無法完成，無法滿足設計要求、進度和質量要求。其中健身中心折線玻璃幕墻與外傾鋁板的放線精度控制通過三維掃描配合逆向建模技術過程中校對糾偏。使用參數(shù)化對特殊位置進行建模，并生成好的三維模型數(shù)據(jù)化，指導現(xiàn)場施工。項目幕墻構造種類多，設計下單過程需逐個放樣，效率低，錯誤率高。鑒于此，只有基于BIM 平臺的數(shù)字化智能建造技術才能解決此類復雜異型場館類幕墻施工。

1.3 國內外研究應用現(xiàn)狀

隨著國內城市化的高速發(fā)展，建筑不僅僅滿足于功能需求，也追求個性化外立面效果，于是出現(xiàn)了大量異形場館類建筑幕墻系統(tǒng)。現(xiàn)代化商業(yè)特色建筑是一種國內外發(fā)展趨勢，不僅對使用功能有較高要求，同時要求具備各式外立面美觀效果，其中場館類建筑曲面異形造型尤為突出，賦予了建筑莊重而強烈的藝術美感，使傳統(tǒng)原料與現(xiàn)代建筑巧妙的結合。然而普通CAD 設計技術和腳手架措施施工無法滿足異形幕墻施工要求，采用CAD 出圖不精準和腳手架搭設費時費力而且慢，如遇到高度較大或者無法落地情況更加難以搭設，且容易遇到腳手架影響幕墻施工情況[2]。

1.4 BIM目標

通過運用BIM 技術，加強項目設計與施工的協(xié)調，降低施工現(xiàn)場碰撞沖突的發(fā)生概率，優(yōu)化施工進度計劃及流程，提高施工效率和安全性。同時，可視化模型還可以指導現(xiàn)場施工，提升施工質量和精準度。BIM 技術還能夠快速評估變更引起的成本變化，并優(yōu)化工廠制造質量和物料跟蹤管理。最重要的是，BIM 技術可以為物業(yè)提供準確的工程信息，幫助管理方便捷地掌握建筑維護保養(yǎng)等方面的信息，從而更好地提高物業(yè)管理的效率和質量[3]?？傊珺IM 技術的應用將極大地推進建筑行業(yè)數(shù)字化、智能化、集成化的進程[4]。

2 BIM 基礎運用

根據(jù)提供的幕墻圖紙，建立幕墻表皮，并進行立面分格的劃分。同時利用犀牛插件Grashopper 對幕墻龍骨進行模型建立，并把龍骨編號、長度、切角角度等對應的加工信息存入模型，方便后期材料加工過程中對加工數(shù)據(jù)的提取。整體模型建成后，將主體鋼結構及土建結構的模型轉入Rhino中，與幕墻模型進行碰撞檢測，經(jīng)計算理論鋼結構龍骨與幕墻面無碰撞，在后續(xù)施工過程中將繼續(xù)保持跟蹤（圖2）。

圖2 整體模型創(chuàng)建（來源：作者自繪）

2.1 鋁板面板曲率深化

體育館彎弧區(qū)域處為雙曲鋁板，通過Grasshopper 提取原始面板上的UV 坐標，并以該點位于曲面上的法線方向為y軸，該點為坐標原點建立坐標系；通過程序找到曲面與坐標系交線，并將該曲線段優(yōu)化為圓弧線，同時將該圓弧線兩端延長到足夠長度，確保后續(xù)尋找相交面能與雙曲板完全重合（圖3）將坐標系z軸方向為向量方向，交線為曲面截面，沿兩端擠出，建立優(yōu)化后的曲面（圖4）。

圖3 單曲截面建立（來源：作者自繪）

圖4 單曲面建立（來源：作者自繪）

提取優(yōu)化前曲面邊線，拉回至新曲面之上做布爾運算，通過判斷面積大小的方式自動提取需要的曲面，該曲面即為單弧板。通過提取優(yōu)化后的單曲板邊線，并于該曲線上提取若干點，通過計算該點至原曲面最大距離，并通過遺傳算法進行計算，找到新曲面至原曲面最大距離之中的最優(yōu)解（即以任意一UV 坐標所建立的新曲面至原曲面最大距離中的最小距離），通過計算，單曲板與原雙曲板誤差僅為1.2 mm，完全滿足施工要求，同時能夠降低材料加工成本?；贕rasshopper 參數(shù)化進行翹曲分析，將體育館面板進行分類，其中黃色區(qū)域優(yōu)化為單曲板，其余區(qū)域均為平板，青色區(qū)域翹曲最大為7.2 mm，現(xiàn)場通過壓彎工藝使其達到安裝工藝要求），如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后面板分類（來源：作者自繪）

2.2 設計方案提出合理化建議

根據(jù)提供的幕墻圖紙，從模型中提取折線幕墻部分面板，通過對該處面板編寫程序，進行面板的翹曲分析（圖6），經(jīng)過分析折線幕墻位置連接方案中玻璃面板翹曲率較大，存在正負近60 mm 的翹曲，需加工為雙曲板，從項目工期緊，雙曲板加工難度大，生產(chǎn)周期長，加工成本高等角度出發(fā)。經(jīng)過與業(yè)主、設計院溝通，通過三維模型對前后方案進行比對，最終確定標準位置采用原連接方案，折線幕墻位置更改為漸變形補長料連接方案，雙曲板變?yōu)槠桨濉?/p>

圖6 健身中心折線幕墻翹曲分析（來源：作者自繪）

2.3 龍骨、面板數(shù)據(jù)提取

在建筑設計和施工過程中，龍骨是一種非常重要的構件之一。它們不僅支撐著屋頂和墻壁，還起到了強化建筑結構的作用。然而，在現(xiàn)實的建筑工程中，由于龍骨數(shù)量眾多、形狀各異，傳統(tǒng)的CAD 出圖效率較低，難以滿足工程需求。為了解決這一問題，運用犀牛Grasshopper 參數(shù)化編程。Grasshopper 可以在建筑設計的早期階段對建筑物進行三維建模，并將各構件的信息整合到一個數(shù)據(jù)庫中，從而提高設計和施工效率、降低總成本和風險。針對龍骨的制作，在Grasshopper 中提前儲存龍骨編號、長度等信息，并導出龍骨剖面圖提供龍骨安裝點位。這樣，就可以輕松地提取龍骨的相關信息，大大簡化了后續(xù)制作過程，并且避免了數(shù)據(jù)混亂和錯誤。同時，利用Grasshopper，可以批量輸出編號圖、加工數(shù)據(jù)表等相關文件。相對于傳統(tǒng)的CAD 出圖方式，犀牛結合Grasshopper 在處理龍骨制作方面具有豐富的優(yōu)勢。采用參數(shù)化的表達方式，只需3 張加工圖便足以處理所有大面的加工，而且輸出速度更快、準確度更高（圖7）。

圖7 面板數(shù)據(jù)提?。▉碓矗鹤髡咦岳L）

3 BIM 創(chuàng)新應用點

3.1 3D掃描應用

體育館由于前期勞務班組缺少異形龍骨放線人員，施工過程中龍骨精度無法達到要求，且整改難度較大，綜合考量在施工階段，通過引進萊卡三維掃描儀，對現(xiàn)場結構進行復測，采用逆向建模的方式將現(xiàn)場結構與模型相互聯(lián)系起來，了解實際偏差從而解決問題。通過現(xiàn)場掃描出的結構導入到理論模型中，運用GH 程序進行對比分析，比對現(xiàn)場與理論偏差，并結合現(xiàn)場龍骨模型進行重新放樣，修改幕墻完成面。從而減少現(xiàn)場復尺工作量，同時能夠對面板進行批量化下單，大大降低了項目及設計人員的工作量（圖8、圖9）。

圖8 現(xiàn)場結構掃描（來源：現(xiàn)場照片）

圖9 掃描電云（來源：作者自繪）

3.2 3D掃描應用總結

在BIM 團隊的思考和實踐中，發(fā)現(xiàn)了一些問題和挑戰(zhàn)。例如，掃描人員反饋現(xiàn)場坐標軸缺失，導致點云無世界坐標信息、未清理干擾物件導致掃描的點云存在無效物件、導出的點云模型未處理導致BIM 軟件內存消耗要求過大等。針對這些問題，提出了以下解決措施：第1，針對坐標軸缺失的問題，提供特殊位置現(xiàn)場照片，讓翻模人員進行交底，以保證逆向建模精準度。第2，對于未清理干擾物件的問題，建議在關鍵點位做標記物再進行掃描，以確保精度，并減少不必要的翻模處理工作。第3，為解決導出的點云模型未處理的問題，可以適當做抽稀處理，以減小內存消耗和提高軟件處理效率。

通過這些措施的實施，能夠更好地應對BIM 設計和施工中出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)，提高工作效率和精度，實現(xiàn)高品質的建筑項目交付。

4 BIM 拓展應用點

穿孔鋁板排孔程序編寫思路的實現(xiàn)需要一定的技術和計算能力。該過程可以通過Grasshopper 程序實現(xiàn)，使得傳統(tǒng)面板排孔的時間得以精簡，具體為：

1）根據(jù)布孔原則提取鋁板邊界，并向內偏移25 mm（布孔原則）生成新的穿孔邊界，并將四邊進行排序，使其具有普適性。這一步驟的目的是為了將鋁板的邊界提取出來，并生成新的穿孔邊界，以方便后續(xù)的計算。同時，將四邊進行排序也是為了讓鋁板的穿孔邊界具有普適性，以適應不同種類的鋁板。

2）提取長邊及相鄰直角邊，并將孔直徑與孔距之和為等分距離，計算等分數(shù)量，并以兩邊進行偏移。同時進行布爾計算切除邊線以外的部分。這一步驟的目的是將鋁板上的孔進行等分，以達到美觀、均勻的效果。同時，通過布爾計算，將不需要穿孔的區(qū)域切除，以減少后續(xù)計算的復雜度。

然后，找出各自偏移曲線之后通過相交計算提取曲線間的交點，并以該交點為圓心，生成鋁板穿孔布孔。這一步驟的目的是根據(jù)鋁板上等分后的孔位置，在相應位置生成實際的穿孔布孔。

3）對于斜邊較大的穿孔板對邊長等分的方式并兩兩連接，形成交織網(wǎng)，然后計算曲線間相交點，并以該交點為圓心，生成鋁板穿孔布孔。

通過Grasshopper 程序，可以對穿孔鋁板進行排孔操作。這種方法不僅能夠顯著節(jié)省傳統(tǒng)面板排孔的時間，而且在處理較為復雜的異形面板和彩釉玻璃釉面方面表現(xiàn)出優(yōu)異的效果。此外，當面板尺寸較多且需要排孔的數(shù)量較大時，傳統(tǒng)排孔方式往往會消耗大量內存資源，對計算機系統(tǒng)會產(chǎn)生負擔。為了解決這個問題，對程序進行了優(yōu)化，通過對面板進行排序并按順序逐一排孔的方式，有效減少了內存占用，提升了計算系統(tǒng)的效率。因此，通過Grasshopper 程序進行排孔，能夠高效、快速、精準地完成任務，是一種非常值得推薦的方法。

5 總結與展望

隨著BIM 技術的廣泛應用，其在大型場館類建筑的幕墻設計和施工中起到了積極作用。以下是對該應用案例的更深入的分析：

1）提高效率。江山虎山運動公園項目中，通過BIM 技術，設計人員可以快速準確地建立三維模型，并在此基礎上進行幕墻設計。這樣一來，設計過程中出現(xiàn)的問題可以更早地被發(fā)現(xiàn)并解決，避免了在施工期間出現(xiàn)不必要的返工和延遲。此外，BIM 模型還可用來優(yōu)化材料使用、調整物流方案等，從而進一步提高施工效率。

2）節(jié)約材料成本。通過BIM 技術，可以對幕墻的設計和施工進行全面的協(xié)調和優(yōu)化，避免浪費和重復造成的材料浪費。例如，BIM 軟件可以快速生成材料清單，并幫助設計人員在設計中使用更少的材料，從而降低材料成本。同時，在生產(chǎn)幕墻材料時，BIM 技術也可以幫助指導下料和制作，提高生產(chǎn)效率和準確度。

3）精細施工。通過BIM 技術，施工人員可以在3D 模型中得到實時的視覺反饋。這有助于他們更好地理解設計意圖，同時也能夠更準確地測量和定位。通過BIM 技術的精細化施工，能夠提高施工效率，減少誤差，并且在施工完成后，也能夠更快更準確地進行質量檢測[5]。

4）人才培養(yǎng)。為了更好地應用BIM 技術，需要有一批懂得BIM 技術和幕墻設計和施工的專業(yè)人士。因此，對人才的培養(yǎng)非常重要。同時，隨著BIM 技術的不斷更新和發(fā)展，也需要持續(xù)學習和更新知識，以應對新的挑戰(zhàn)?？傊诖笮蛨鲳^類建筑的幕墻設計和施工中，BIM 技術的應用將成為未來建筑行業(yè)的主流趨勢。各方面的專業(yè)人士需要持續(xù)地探索和研究，推動BIM 技術的創(chuàng)新和應用發(fā)展，使其更好地發(fā)揮作用。

6 結語

幕墻設計技術主要在傳統(tǒng)CAD軟件平臺上應用發(fā)展，在新的建筑市場環(huán)境下的各類折線、曲面建筑造型，傳統(tǒng)CAD 技術已經(jīng)力不從心。因此，基于軟件Rhino 中開發(fā)Grasshopper 平臺的幕墻參數(shù)化設計技術研究是幕墻設計領域的及時雨，在異形幕墻、單元體幕墻和構建式幕墻設計應用中，有效解決了多角度拼接面和曲面的構造節(jié)點深化設計，施工階段快速提料、快速完成加工圖，極大提高了設計工效，降低設計人員投入，為項目施工提供精準施工定位坐標[5]，為異型項目工期履約提供了有效基石。通過江山虎山的實踐應用探索，技術突破并得到積累，在后期異型項目施工應用起到了引領和保障作用。