BIM 建造技術(shù)在異形場(chǎng)館幕墻施工中的應(yīng)用

羅 興

大型場(chǎng)館（如體育館、展廳等）是建筑行業(yè)的重要組成部分，此類(lèi)建筑通常具有造型復(fù)雜、異形構(gòu)造多、精度要求高等項(xiàng)目特征。針對(duì)于異形項(xiàng)目的特征，采用Grasshopper 平臺(tái)上的程序式設(shè)計(jì)，這種BIM 設(shè)計(jì)方法，可以將傳統(tǒng)的二維圖紙，轉(zhuǎn)化為一種可視化的數(shù)據(jù)，通過(guò)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)程序自動(dòng)生成三維模型，將生成好的三維模型數(shù)據(jù)化，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和工廠(chǎng)生產(chǎn)[1]。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 項(xiàng)目概況

江山虎山運(yùn)動(dòng)公園項(xiàng)目是江山市貫徹落實(shí)衢州市委“1433”發(fā)展戰(zhàn)略體系，建設(shè)江山大花園的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目位于江山市城南，虎山東面濱江中學(xué)以東，江濱南路以西，江變路以北。項(xiàng)目用地面積為26.8 hm2，建設(shè)內(nèi)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(yùn)動(dòng)配套用房（幕墻高度49.6 m）。幕墻總面積約為5.9 萬(wàn)m2，均為構(gòu)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(wàn)m2、3 mm 厚 氟 碳 鋁 單 板2.6萬(wàn)m2、4mm厚氟碳鋁板（含穿孔板）0.7 萬(wàn)m2（圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)效果圖（來(lái)源：招標(biāo)附件）

體育館整體外形采用方形建筑設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)配套用房，商業(yè)平臺(tái)等。項(xiàng)目以打造成國(guó)家舉重訓(xùn)練基地、國(guó)家攀巖訓(xùn)練基地以及4A 級(jí)景區(qū)為目標(biāo)，將有效整合虎山、江濱南路沿線(xiàn)綠地景觀(guān)工程，濱江中學(xué)體育場(chǎng)地等，成為集賽事、培訓(xùn)、休閑、旅游、商業(yè)為一體的體育綜合體。全民健身中心內(nèi)設(shè)有游泳池，舉重訓(xùn)練場(chǎng)，羽毛球場(chǎng)、室內(nèi)攀巖館、青少年培訓(xùn)中心等設(shè)施。體育運(yùn)動(dòng)配套用房設(shè)置約300 間標(biāo)準(zhǔn)房間，滿(mǎn)足賽事運(yùn)營(yíng)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)所。

1.2 難點(diǎn)分析

場(chǎng)館類(lèi)項(xiàng)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(zhuǎn)角、吊頂以及屋面，相對(duì)規(guī)整的標(biāo)準(zhǔn)立面很少。常規(guī)的CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線(xiàn)技術(shù)以及常規(guī)幕墻施工工藝無(wú)法完成，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度和質(zhì)量要求。其中健身中心折線(xiàn)玻璃幕墻與外傾鋁板的放線(xiàn)精度控制通過(guò)三維掃描配合逆向建模技術(shù)過(guò)程中校對(duì)糾偏。使用參數(shù)化對(duì)特殊位置進(jìn)行建模，并生成好的三維模型數(shù)據(jù)化，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。項(xiàng)目幕墻構(gòu)造種類(lèi)多，設(shè)計(jì)下單過(guò)程需逐個(gè)放樣，效率低，錯(cuò)誤率高。鑒于此，只有基于BIM 平臺(tái)的數(shù)字化智能建造技術(shù)才能解決此類(lèi)復(fù)雜異型場(chǎng)館類(lèi)幕墻施工。

1.3 國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)城市化的高速發(fā)展，建筑不僅僅滿(mǎn)足于功能需求，也追求個(gè)性化外立面效果，于是出現(xiàn)了大量異形場(chǎng)館類(lèi)建筑幕墻系統(tǒng)?，F(xiàn)代化商業(yè)特色建筑是一種國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，不僅對(duì)使用功能有較高要求，同時(shí)要求具備各式外立面美觀(guān)效果，其中場(chǎng)館類(lèi)建筑曲面異形造型尤為突出，賦予了建筑莊重而強(qiáng)烈的藝術(shù)美感，使傳統(tǒng)原料與現(xiàn)代建筑巧妙的結(jié)合。然而普通CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)和腳手架措施施工無(wú)法滿(mǎn)足異形幕墻施工要求，采用CAD 出圖不精準(zhǔn)和腳手架搭設(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且慢，如遇到高度較大或者無(wú)法落地情況更加難以搭設(shè)，且容易遇到腳手架影響幕墻施工情況[2]。

1.4 BIM目標(biāo)

通過(guò)運(yùn)用BIM 技術(shù)，加強(qiáng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工的協(xié)調(diào)，降低施工現(xiàn)場(chǎng)碰撞沖突的發(fā)生概率，優(yōu)化施工進(jìn)度計(jì)劃及流程，提高施工效率和安全性。同時(shí)，可視化模型還可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，提升施工質(zhì)量和精準(zhǔn)度。BIM 技術(shù)還能夠快速評(píng)估變更引起的成本變化，并優(yōu)化工廠(chǎng)制造質(zhì)量和物料跟蹤管理。最重要的是，BIM 技術(shù)可以為物業(yè)提供準(zhǔn)確的工程信息，幫助管理方便捷地掌握建筑維護(hù)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(zhì)量[3]?？傊珺IM 技術(shù)的應(yīng)用將極大地推進(jìn)建筑行業(yè)數(shù)字化、智能化、集成化的進(jìn)程[4]。

2 BIM 基礎(chǔ)運(yùn)用

根據(jù)提供的幕墻圖紙，建立幕墻表皮，并進(jìn)行立面分格的劃分。同時(shí)利用犀牛插件Grashopper 對(duì)幕墻龍骨進(jìn)行模型建立，并把龍骨編號(hào)、長(zhǎng)度、切角角度等對(duì)應(yīng)的加工信息存入模型，方便后期材料加工過(guò)程中對(duì)加工數(shù)據(jù)的提取。整體模型建成后，將主體鋼結(jié)構(gòu)及土建結(jié)構(gòu)的模型轉(zhuǎn)入Rhino中，與幕墻模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，經(jīng)計(jì)算理論鋼結(jié)構(gòu)龍骨與幕墻面無(wú)碰撞，在后續(xù)施工過(guò)程中將繼續(xù)保持跟蹤（圖2）。

圖2 整體模型創(chuàng)建（來(lái)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(guò)Grasshopper 提取原始面板上的UV 坐標(biāo)，并以該點(diǎn)位于曲面上的法線(xiàn)方向?yàn)閥軸，該點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系；通過(guò)程序找到曲面與坐標(biāo)系交線(xiàn)，并將該曲線(xiàn)段優(yōu)化為圓弧線(xiàn)，同時(shí)將該圓弧線(xiàn)兩端延長(zhǎng)到足夠長(zhǎng)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(biāo)系z(mì)軸方向?yàn)橄蛄糠较?，交線(xiàn)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(lái)源：作者自繪）

圖4 單曲面建立（來(lái)源：作者自繪）

提取優(yōu)化前曲面邊線(xiàn)，拉回至新曲面之上做布爾運(yùn)算，通過(guò)判斷面積大小的方式自動(dòng)提取需要的曲面，該曲面即為單弧板。通過(guò)提取優(yōu)化后的單曲板邊線(xiàn)，并于該曲線(xiàn)上提取若干點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)至原曲面最大距離，并通過(guò)遺傳算法進(jìn)行計(jì)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(biāo)所建立的新曲面至原曲面最大距離中的最小距離），通過(guò)計(jì)算，單曲板與原雙曲板誤差僅為1.2 mm，完全滿(mǎn)足施工要求，同時(shí)能夠降低材料加工成本?；贕rasshopper 參數(shù)化進(jìn)行翹曲分析，將體育館面板進(jìn)行分類(lèi)，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(chǎng)通過(guò)壓彎工藝使其達(dá)到安裝工藝要求），如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后面板分類(lèi)（來(lái)源：作者自繪）

2.2 設(shè)計(jì)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(xiàn)幕墻部分面板，通過(guò)對(duì)該處面板編寫(xiě)程序，進(jìn)行面板的翹曲分析（圖6），經(jīng)過(guò)分析折線(xiàn)幕墻位置連接方案中玻璃面板翹曲率較大，存在正負(fù)近60 mm 的翹曲，需加工為雙曲板，從項(xiàng)目工期緊，雙曲板加工難度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，加工成本高等角度出發(fā)。經(jīng)過(guò)與業(yè)主、設(shè)計(jì)院溝通，通過(guò)三維模型對(duì)前后方案進(jìn)行比對(duì)，最終確定標(biāo)準(zhǔn)位置采用原連接方案，折線(xiàn)幕墻位置更改為漸變形補(bǔ)長(zhǎng)料連接方案，雙曲板變?yōu)槠桨濉?/p>

圖6 健身中心折線(xiàn)幕墻翹曲分析（來(lái)源：作者自繪）

2.3 龍骨、面板數(shù)據(jù)提取

在建筑設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，龍骨是一種非常重要的構(gòu)件之一。它們不僅支撐著屋頂和墻壁，還起到了強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的作用。然而，在現(xiàn)實(shí)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(mǎn)足工程需求。為了解決這一問(wèn)題，運(yùn)用犀牛Grasshopper 參數(shù)化編程。Grasshopper 可以在建筑設(shè)計(jì)的早期階段對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模，并將各構(gòu)件的信息整合到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而提高設(shè)計(jì)和施工效率、降低總成本和風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)龍骨的制作，在Grasshopper 中提前儲(chǔ)存龍骨編號(hào)、長(zhǎng)度等信息，并導(dǎo)出龍骨剖面圖提供龍骨安裝點(diǎn)位。這樣，就可以輕松地提取龍骨的相關(guān)信息，大大簡(jiǎn)化了后續(xù)制作過(guò)程，并且避免了數(shù)據(jù)混亂和錯(cuò)誤。同時(shí)，利用Grasshopper，可以批量輸出編號(hào)圖、加工數(shù)據(jù)表等相關(guān)文件。相對(duì)于傳統(tǒng)的CAD 出圖方式，犀牛結(jié)合Grasshopper 在處理龍骨制作方面具有豐富的優(yōu)勢(shì)。采用參數(shù)化的表達(dá)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(zhǔn)確度更高（圖7）。

圖7 面板數(shù)據(jù)提取（來(lái)源：作者自繪）

3 BIM 創(chuàng)新應(yīng)用點(diǎn)

3.1 3D掃描應(yīng)用

體育館由于前期勞務(wù)班組缺少異形龍骨放線(xiàn)人員，施工過(guò)程中龍骨精度無(wú)法達(dá)到要求，且整改難度較大，綜合考量在施工階段，通過(guò)引進(jìn)萊卡三維掃描儀，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測(cè)，采用逆向建模的方式將現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與模型相互聯(lián)系起來(lái)，了解實(shí)際偏差從而解決問(wèn)題。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)掃描出的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到理論模型中，運(yùn)用GH 程序進(jìn)行對(duì)比分析，比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與理論偏差，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)龍骨模型進(jìn)行重新放樣，修改幕墻完成面。從而減少現(xiàn)場(chǎng)復(fù)尺工作量，同時(shí)能夠?qū)γ姘暹M(jìn)行批量化下單，大大降低了項(xiàng)目及設(shè)計(jì)人員的工作量（圖8、圖9）。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)掃描（來(lái)源：現(xiàn)場(chǎng)照片）

圖9 掃描電云（來(lái)源：作者自繪）

3.2 3D掃描應(yīng)用總結(jié)

在BIM 團(tuán)隊(duì)的思考和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。例如，掃描人員反饋現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)軸缺失，導(dǎo)致點(diǎn)云無(wú)世界坐標(biāo)信息、未清理干擾物件導(dǎo)致掃描的點(diǎn)云存在無(wú)效物件、導(dǎo)出的點(diǎn)云模型未處理導(dǎo)致BIM 軟件內(nèi)存消耗要求過(guò)大等。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了以下解決措施：第1，針對(duì)坐標(biāo)軸缺失的問(wèn)題，提供特殊位置現(xiàn)場(chǎng)照片，讓翻模人員進(jìn)行交底，以保證逆向建模精準(zhǔn)度。第2，對(duì)于未清理干擾物件的問(wèn)題，建議在關(guān)鍵點(diǎn)位做標(biāo)記物再進(jìn)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(dǎo)出的點(diǎn)云模型未處理的問(wèn)題，可以適當(dāng)做抽稀處理，以減小內(nèi)存消耗和提高軟件處理效率。

通過(guò)這些措施的實(shí)施，能夠更好地應(yīng)對(duì)BIM 設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，提高工作效率和精度，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的建筑項(xiàng)目交付。

4 BIM 拓展應(yīng)用點(diǎn)

穿孔鋁板排孔程序編寫(xiě)思路的實(shí)現(xiàn)需要一定的技術(shù)和計(jì)算能力。該過(guò)程可以通過(guò)Grasshopper 程序?qū)崿F(xiàn)，使得傳統(tǒng)面板排孔的時(shí)間得以精簡(jiǎn)，具體為：

1）根據(jù)布孔原則提取鋁板邊界，并向內(nèi)偏移25 mm（布孔原則）生成新的穿孔邊界，并將四邊進(jìn)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(lái)，并生成新的穿孔邊界，以方便后續(xù)的計(jì)算。同時(shí)，將四邊進(jìn)行排序也是為了讓鋁板的穿孔邊界具有普適性，以適應(yīng)不同種類(lèi)的鋁板。

2）提取長(zhǎng)邊及相鄰直角邊，并將孔直徑與孔距之和為等分距離，計(jì)算等分?jǐn)?shù)量，并以?xún)蛇呥M(jìn)行偏移。同時(shí)進(jìn)行布爾計(jì)算切除邊線(xiàn)以外的部分。這一步驟的目的是將鋁板上的孔進(jìn)行等分，以達(dá)到美觀(guān)、均勻的效果。同時(shí)，通過(guò)布爾計(jì)算，將不需要穿孔的區(qū)域切除，以減少后續(xù)計(jì)算的復(fù)雜度。

然后，找出各自偏移曲線(xiàn)之后通過(guò)相交計(jì)算提取曲線(xiàn)間的交點(diǎn)，并以該交點(diǎn)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(yīng)位置生成實(shí)際的穿孔布孔。

3）對(duì)于斜邊較大的穿孔板對(duì)邊長(zhǎng)等分的方式并兩兩連接，形成交織網(wǎng)，然后計(jì)算曲線(xiàn)間相交點(diǎn)，并以該交點(diǎn)為圓心，生成鋁板穿孔布孔。

通過(guò)Grasshopper 程序，可以對(duì)穿孔鋁板進(jìn)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(shí)間，而且在處理較為復(fù)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(dāng)面板尺寸較多且需要排孔的數(shù)量較大時(shí)，傳統(tǒng)排孔方式往往會(huì)消耗大量?jī)?nèi)存資源，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)對(duì)面板進(jìn)行排序并按順序逐一排孔的方式，有效減少了內(nèi)存占用，提升了計(jì)算系統(tǒng)的效率。因此，通過(guò)Grasshopper 程序進(jìn)行排孔，能夠高效、快速、精準(zhǔn)地完成任務(wù)，是一種非常值得推薦的方法。

5 總結(jié)與展望

隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其在大型場(chǎng)館類(lèi)建筑的幕墻設(shè)計(jì)和施工中起到了積極作用。以下是對(duì)該應(yīng)用案例的更深入的分析：

1）提高效率。江山虎山運(yùn)動(dòng)公園項(xiàng)目中，通過(guò)BIM 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以快速準(zhǔn)確地建立三維模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)。這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)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(lái)優(yōu)化材料使用、調(diào)整物流方案等，從而進(jìn)一步提高施工效率。

2）節(jié)約材料成本。通過(guò)BIM 技術(shù)，可以對(duì)幕墻的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行全面的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，避免浪費(fèi)和重復(fù)造成的材料浪費(fèi)。例如，BIM 軟件可以快速生成材料清單，并幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中使用更少的材料，從而降低材料成本。同時(shí)，在生產(chǎn)幕墻材料時(shí)，BIM 技術(shù)也可以幫助指導(dǎo)下料和制作，提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確度。

3）精細(xì)施工。通過(guò)BIM 技術(shù)，施工人員可以在3D 模型中得到實(shí)時(shí)的視覺(jué)反饋。這有助于他們更好地理解設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)也能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量和定位。通過(guò)BIM 技術(shù)的精細(xì)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(zhǔn)確地進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)[5]。

4）人才培養(yǎng)。為了更好地應(yīng)用BIM 技術(shù)，需要有一批懂得BIM 技術(shù)和幕墻設(shè)計(jì)和施工的專(zhuān)業(yè)人士。因此，對(duì)人才的培養(yǎng)非常重要。同時(shí)，隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，也需要持續(xù)學(xué)習(xí)和更新知識(shí)，以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)?？傊诖笮蛨?chǎng)館類(lèi)建筑的幕墻設(shè)計(jì)和施工中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用將成為未來(lái)建筑行業(yè)的主流趨勢(shì)。各方面的專(zhuān)業(yè)人士需要持續(xù)地探索和研究，推動(dòng)BIM 技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展，使其更好地發(fā)揮作用。

6 結(jié)語(yǔ)

幕墻設(shè)計(jì)技術(shù)主要在傳統(tǒng)CAD軟件平臺(tái)上應(yīng)用發(fā)展，在新的建筑市場(chǎng)環(huán)境下的各類(lèi)折線(xiàn)、曲面建筑造型，傳統(tǒng)CAD 技術(shù)已經(jīng)力不從心。因此，基于軟件Rhino 中開(kāi)發(fā)Grasshopper 平臺(tái)的幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究是幕墻設(shè)計(jì)領(lǐng)域的及時(shí)雨，在異形幕墻、單元體幕墻和構(gòu)建式幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)用中，有效解決了多角度拼接面和曲面的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)，施工階段快速提料、快速完成加工圖，極大提高了設(shè)計(jì)工效，降低設(shè)計(jì)人員投入，為項(xiàng)目施工提供精準(zhǔn)施工定位坐標(biāo)[5]，為異型項(xiàng)目工期履約提供了有效基石。通過(guò)江山虎山的實(shí)踐應(yīng)用探索，技術(shù)突破并得到積累，在后期異型項(xiàng)目施工應(yīng)用起到了引領(lǐng)和保障作用。