BIM技術(shù)在異形曲面建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃馥萱，丁華標(biāo)，王 鵬，張明通，胡錦偉，王 瑩

（1、深圳市華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)股份有限公司 深圳 518000；2、中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司 深圳 518045）

1 工程概況

深圳某項(xiàng)目建筑總面積約12.8萬m2，是一座大型的綜合性科技展示與創(chuàng)新科技體驗(yàn)的公共建筑。本項(xiàng)目地上6層，總建筑高度57 m。

建筑整體造型酷似一艘停靠在發(fā)射臺(tái)上的太空飛船，其外立面由異形曲面幕墻組成，室外地面通過大臺(tái)階、汽車坡道及景觀草坡自然延伸至二層裙房屋面。二層的外立面由曲面幕墻，曲面景觀草坡和垂直綠化3 種形態(tài)相互連接組成，呈現(xiàn)出異形曲面的效果。

曲面幕墻和垂直綠化需要鋼筋混凝土梁作為支座才能安裝，曲面景觀草坡和大臺(tái)階需要做鋼筋混凝土梁板。因此，曲面立面的效果需要轉(zhuǎn)換成曲面結(jié)構(gòu)控制表皮，才能根據(jù)控制表皮布置結(jié)構(gòu)梁板，最終保證建筑立面曲面效果的實(shí)現(xiàn)［1］。本文主要介紹如何運(yùn)用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)異形曲面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確表達(dá)。項(xiàng)目整體方案效果和二層平臺(tái)的犀牛模型分別如圖1、圖2所示。

圖1 方案效果Fig.1 Scheme Effect

圖2 二層平臺(tái)犀牛模型Fig.2 The Rhinoceros Model of Second Platform

2 曲面結(jié)構(gòu)控制表皮導(dǎo)入Revit模型

不同形態(tài)的立面效果有不同的建筑面層要求，經(jīng)與建筑和景觀專業(yè)確定，曲面幕墻和垂直綠化的面層是350 mm，曲面景觀草坡為種植綠化花池，需要考慮覆土，其面層為1 100 mm，大臺(tái)階處臺(tái)階和平臺(tái)處的面層分別是450 mm和600 mm。

從方案單位提供的犀牛模型中提取建筑完成面表皮。在犀牛模型中，根據(jù)不同的建筑面層厚度將建筑完成面表皮進(jìn)行偏移得到結(jié)構(gòu)控制表皮，再將各個(gè)結(jié)構(gòu)曲面進(jìn)行延伸或剪切處理，得到連續(xù)的完整的曲面結(jié)構(gòu)控制表皮。最后將其導(dǎo)入Revit模型中。

圖3為導(dǎo)入Revit模型中的曲面結(jié)構(gòu)表皮。

圖3 Revit模型中提取的曲面結(jié)構(gòu)表皮Fig.3 Curved Structure Skin Extracted from Revit Models

3 Revit模型中根據(jù)曲面結(jié)構(gòu)控制表皮繪制結(jié)構(gòu)梁

結(jié)構(gòu)控制表皮是個(gè)不規(guī)則的異形曲面且范圍很大，實(shí)際工程中如果采用曲面的鋼筋混凝土梁板，從設(shè)計(jì)的角度來說，梁板標(biāo)高及定位的表達(dá)將十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)效率低下，從施工角度來說施工難度增大，施工周期加長(zhǎng)以及施工成本增高［2-3］。

考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和施工的方便，本工程通過繪制貼近曲面結(jié)構(gòu)控制表皮的斜梁或者折梁，在梁與梁之間形成斜板，使結(jié)構(gòu)梁板不超出曲面，局部增加建筑面層的方法，以保證建筑完成面的整體曲面效果。

下面列舉3處典型位置，介紹如何在Revit模型中利用曲面結(jié)構(gòu)控制表皮生成結(jié)構(gòu)梁。

3.1 東北角處曲面垂直綠化

東北角處坡道與垂直綠化如圖4 所示，消防坡道從首層地面到二層平臺(tái)，巨幕影院的底部與消防坡道側(cè)面通過垂直綠化相連。因此，此處的垂直綠化斜梁的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，斜梁的一端應(yīng)與坡道側(cè)面的梁搭接，另一端應(yīng)與巨幕影院底部的梁搭接。按正常的設(shè)計(jì)意圖，得到的斜梁與兩端支座關(guān)系應(yīng)如圖5所示。

圖4 東北角處坡道與垂直綠化Fig.4 Ramp and Vertical Greening at the Northeast Corner

圖5 斜梁上下端與兩側(cè)梁關(guān)系Fig.5 Relationship between the Upper and Lower Ends of the Inclined Beam and the Beams on Both Sides

如果用BIM 常規(guī)的命令去繪制梁，得到的斜梁的端部情況如圖6 所示。1 處梁頂面的端點(diǎn)延伸入梁側(cè)面中，而2 處梁頂面端點(diǎn)無法延伸到梁側(cè)面。此時(shí)實(shí)際得到的斜梁兩端梁頂標(biāo)高并不準(zhǔn)確。

圖6 使用Dynamo插件前斜梁左右梁頂面情況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 模型中繪制結(jié)構(gòu)梁，如圖7所示。第一步，選擇要生成的斜梁的截面，點(diǎn)擊周邊與斜梁相同截面的已有的鋼筋混凝土梁即可。第二步，用模型線畫出梁的起點(diǎn)和終點(diǎn)，此步驟可以人為定義梁兩端的范圍，確保生成的斜梁兩端與其支座梁側(cè)面有搭接。繪制模型線后需要調(diào)整線的標(biāo)高在曲面以下。第三步，選擇曲面。點(diǎn)擊運(yùn)行后，插件便能根據(jù)模型線去投影曲面生成斜梁，得到的結(jié)果如圖8所示。斜梁兩端能夠與側(cè)面的梁搭接得到的梁端標(biāo)高才是準(zhǔn)確的［4］。

圖7 通過模型線去投影曲面生成梁Fig.7 Generating Beams by Projecting Surfaces through Model Lines

圖8 使用dynamo插件后斜梁左右梁頂面情況Fig.8 The Top Surface of the Left and Right Inclined Beams after Use the Dynamo Plugin

3.2 西側(cè)曲面大臺(tái)階

場(chǎng)地西側(cè)通過大臺(tái)階從首層地面通往二層裙房屋面，大臺(tái)階的左右兩側(cè)分別是曲面幕墻和曲面景觀草坡，如圖9所示。

圖9 西側(cè)曲面大臺(tái)階犀牛模型Fig.9 The Rhinoceros Model of the West Curved Large Steps

大臺(tái)階有踏步斜段和平臺(tái)段，因此大臺(tái)階的結(jié)構(gòu)控制表皮由一段弧形空間曲面和一段平面接連而成。第一步，根據(jù)不同立面形態(tài)的分界位置及其平面投影范圍在合適的位置設(shè)置結(jié)構(gòu)柱，再布置平面的鋼筋混凝土梁板。第二步，使用Dynamo 插件（通過模型線去投影曲面生成梁）自動(dòng)調(diào)整梁頂標(biāo)高。這里要注意的是，當(dāng)一條梁跨越踏步斜段和平臺(tái)段的兩個(gè)曲面時(shí)，選擇曲面應(yīng)采用多選，此時(shí)，根據(jù)曲面結(jié)構(gòu)控制表皮會(huì)自動(dòng)生成折梁。得到的大臺(tái)階處的折梁如圖10 所示。第三步，選擇相鄰兩條折梁轉(zhuǎn)折處和梁端部的點(diǎn)作為樓板的角點(diǎn)，修改子圖元使樓板4 個(gè)角的板面標(biāo)高接近折梁轉(zhuǎn)折處標(biāo)高，得到板面標(biāo)高不超出梁頂標(biāo)高的斜板［5］。斜板只能貼近而且不超出曲面結(jié)構(gòu)控制表皮，通過一塊塊斜板的拼接，在空間上形成整體曲面結(jié)構(gòu)的效果。而斜板與結(jié)構(gòu)控制表皮之間的距離，用建筑面層填充處理。

圖10 西側(cè)大臺(tái)階根據(jù)曲面調(diào)整梁標(biāo)高Fig.10 Adjust the Beam Elevation of the West Step According to the Curved Surface

3.3 西南側(cè)曲面景觀草坡

西南側(cè)的汽車坡道從首層地面通往二層裙房屋面，坡道上方的曲面景觀草坡與裙房屋面邊界連接，坡道的下方是自然堆土的綠化草坡和垂直綠化，如圖11所示。

此處曲面景觀草坡結(jié)構(gòu)梁一端以坡道擋墻為支座，另一端以裙房屋面的梁柱為支座。同樣地，使用Dynamo 插件投影曲面得到折梁。裙房屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為6.900 m，草坡結(jié)構(gòu)控制表皮延伸到與屋面交界處時(shí)標(biāo)高低于6.900 m，兩者存在高差。此高差處設(shè)置一道封邊次梁，次梁的頂部和底部分別兜住裙房屋面板和草坡斜板，在有折梁的位置采用局部梁頂面加高的做法［6］。交界處的Revit 模型如圖12 所示，裙房屋面與景觀草坡交界處的剖面大樣如圖13所示。

圖12 裙房屋面與草坡結(jié)構(gòu)控制表皮交界處Fig.12 The Junction between the Roof of the Podium and the Control Skin of the Grass Slope Structure

圖13 裙房屋面與景觀草坡交界處剖面大樣Fig.13 Detailed Profile of the Intersection between the Podium Roof and the Landscape Grass Slope

4 結(jié)構(gòu)施工圖的表達(dá)

針對(duì)斜梁，在Revit 模型中，自定義標(biāo)記族后框選斜梁，即可自動(dòng)標(biāo)記出斜梁兩端的梁頂面相對(duì)標(biāo)高。在結(jié)構(gòu)施工圖中，通過表達(dá)斜梁兩端的頂面標(biāo)高，即可指導(dǎo)施工。對(duì)折梁來說，需要在Revit 模型中導(dǎo)出轉(zhuǎn)折線拷貝到CAD中，定位和標(biāo)出梁兩端和轉(zhuǎn)折線的位置和標(biāo)高。

5 總結(jié)

從犀牛模型中提取建筑完成面表皮。根據(jù)建筑面層偏移后得到曲面結(jié)構(gòu)控制表皮并將其導(dǎo)入Revit模型中。在Revit 模型中運(yùn)用插件自動(dòng)生成不超出結(jié)構(gòu)控制表皮的斜梁，再自動(dòng)標(biāo)記斜梁兩端的標(biāo)高和導(dǎo)出折梁轉(zhuǎn)折線到CAD中，最后在結(jié)構(gòu)施工圖中表達(dá)梁的定位和標(biāo)高。

通過應(yīng)用BIM 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)異形曲面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確表達(dá)，能夠極大地提高異形曲面建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率及質(zhì)量。