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摘要：本文主要介紹湖北省十堰市體育館雙曲面鋁板幕墻、雙曲鋁合金裝飾格柵的設(shè)計，著重介紹雙曲幕墻主材的優(yōu)化思路并利用BIM（詞條“BIM”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計對幕墻主要材料進(jìn)行優(yōu)化的過程，以及運(yùn)用BIM設(shè)計進(jìn)行材料下單和輔助施工。
關(guān)鍵詞：BIM設(shè)計;雙曲面鋁板幕墻;雙曲鋁合金裝飾格柵;雙曲面幕墻主材優(yōu)化
1、前言
隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑的造型也跟隨著變得日趨復(fù)雜，幕墻作為建筑的外衣，對建筑效果起著決定性的作用。近些年來，雙曲面幕墻建筑異軍突起，受到建筑師和業(yè)主的廣泛青睞，為了滿足建筑設(shè)計師（詞條“建筑設(shè)計師”由行業(yè)大百科提供）和業(yè)主對建筑效果、幕墻造價的期望，建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）的設(shè)計、施工就顯得尤為重要。但有些設(shè)計師是初次接觸雙曲面建筑，對雙曲面幕墻的設(shè)計、施工及成本控制都比較陌生，有些設(shè)計師可能已經(jīng)多次接觸過雙曲面幕墻的設(shè)計和施工，但仍然缺少相應(yīng)經(jīng)驗，進(jìn)而給業(yè)主和幕墻承包單位造成了一些無法挽回的損失。本文通過真實(shí)案例給大家講解：如何利用BIM設(shè)計完成雙曲面幕墻的設(shè)計和成本優(yōu)化;如何運(yùn)用BIM設(shè)計進(jìn)行材料下單和輔助施工。希望給正在或?qū)⒁鲭p曲面幕墻設(shè)計、施工的工程師們一些啟發(fā)和借鑒。
2、工程概況
十堰市青少年戶外培訓(xùn)基地分為：綜合體育館、游泳跳水館、青少年活動館、綜合訓(xùn)練館四個主場館(見下圖1)，這幾個場館的外幕墻及金屬屋面均由北京凌云宏達(dá)幕墻工程有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計和施工。其中綜合體育館是面積最大的場館，建筑面積達(dá)30466.22平方米，主要空間為一層，局部設(shè)計五層。可提供看臺固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）座約6000個，內(nèi)場活動座約2100個，常規(guī)座椅約8100個，最多可容納一萬多名觀眾。
圖1 十堰市青少年戶外培訓(xùn)基地整體效果圖
綜合體育館相較于其他幾個場館，其外觀也最具特色，其形態(tài)猶如一朵開放的石榴花，又像一只高速旋轉(zhuǎn)的車輪，外形寓意“石榴花開，車輪滾滾”。石榴花是十堰的市花，寓意十堰興旺發(fā)達(dá)、繁榮昌盛，加上十堰又是車城，采用這樣的設(shè)計，將它打造成為十堰的地標(biāo)性建筑。
綜合體育館外形由12片花瓣組成，花瓣環(huán)繞簇?fù)砺菪归_。“花瓣”用9420塊3mm厚雙曲面穿孔鋁單板（詞條“鋁單板”由行業(yè)大百科提供）和924支直徑200的空間扭曲弧型裝飾鋁合金圓管格柵在現(xiàn)場組裝而成，使整個建筑形體顯得輕盈飄逸，獨(dú)具匠心。場館建筑高度為38.9米，相當(dāng)于10多層的住宅樓高度(見下圖2)。
圖2 立面效果圖
3、體育館幕墻介紹
從平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）圖上看，最外層是由12個花瓣，花瓣橫截面是12個弧線，12個弧線各不同心，相互錯開成鋸齒形，再向內(nèi)依次是幕墻鋼結(jié)構(gòu)、建筑鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)層幕墻門窗百葉系統(tǒng)(見下圖3)。
圖3首層平面圖
穿孔鋁板和裝飾鋁合金格柵從二層一直蜿蜒延伸到屋面，與屋面排水（詞條“排水”由行業(yè)大百科提供）溝相連，排水溝內(nèi)圈是直立鎖邊屋面系統(tǒng)，屋面圓心位置是夾膠中空玻璃采光頂(見下圖4)。
圖4屋頂平面圖和剖面圖
穿孔鋁板橫縫為錯縫設(shè)置，豎向分格為兩塊鋁板一組螺旋向上，當(dāng)鋁板達(dá)一定標(biāo)高后鋁板曲率便隨著標(biāo)高的增高而增大，同時組與組之間的鋁板高差縫隙逐漸掀開加大至200后再逐漸縮小，鋁板旋至向屋面平轉(zhuǎn)處時鋁板縫隙縮小至縫合(見下圖5)。
圖5體育館局部圖
4、利用BIM設(shè)計對體育館幕墻主材進(jìn)行優(yōu)化
現(xiàn)在大家已經(jīng)對該項目外形有了基本的了解,大家都知道這種雙曲面幕墻深化設(shè)計及施工必須借助三維建模軟件，利用其參數(shù)化插件導(dǎo)出設(shè)計和施工所需的各種數(shù)據(jù)，得到這些數(shù)據(jù)后才能實(shí)現(xiàn)材料加工、現(xiàn)場測量放線和施工等等后續(xù)的工作。
在幕墻深化設(shè)計時我們發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)計院提供的犀牛模型偏小，幕墻表皮已經(jīng)與建筑主體鋼結(jié)構(gòu)相互干涉，我們需要根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)尺寸重新立建模，考慮到此項目工期非常緊，整個幕墻施工工期只有100天時間，因此建模過程中我們對幕墻主材著重從以下幾個方面作了考量：
A，材料必須方便加工，方便安裝;
B，材料加工周期能必須滿足工期，安裝施工過程中必須方便搶工;
C，材料的加工成本必須控制在預(yù)期范圍內(nèi)。
4.1 雙曲幕墻骨架和鋁合金裝飾格柵優(yōu)化
如果依據(jù)上述要求，我們發(fā)現(xiàn)如果按照原犀牛模型，穿孔鋁板幕墻內(nèi)的主骨架將全部是空間三維曲線，每個花瓣有20列主骨架，這20列骨架曲率都不一樣，同時每列骨架總長約100米，這100米內(nèi)也沒有一處有標(biāo)準(zhǔn)的圓心弧，因此，骨架的加工難度非常大，即使加工出來了，加工周期也會很長，滿足不了工期要求，曲率規(guī)格太多也會對安裝產(chǎn)生很大困擾，不方便搶工，加工成本也將超出預(yù)期很多。
我們在進(jìn)行新模型建立時，雙曲面幕墻內(nèi)部骨架緊跟著建立，保證內(nèi)部骨架要有標(biāo)準(zhǔn)半徑，同時平面外扭曲高差不大于7.5mm(見下圖6)，7.5mm的扭曲高差考慮通過優(yōu)化幕墻節(jié)點(diǎn)消化，如達(dá)到上述要求，就將雙曲幕墻骨架加工成標(biāo)準(zhǔn)二維圓弧。
圖6 體育館雙曲幕墻骨架建模原則示意圖
骨架模型建立后，將骨架模型導(dǎo)入編制的Grasshopper電池組檢測(見下圖7)，如果達(dá)不到上述原則的骨架會變成預(yù)設(shè)的紅色，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的骨架會變成預(yù)設(shè)的綠色，優(yōu)化的骨架模型全部達(dá)到預(yù)設(shè)要求(見下圖8)。
圖7Grasshopper電池組檢測骨架模型
圖8
圖9
骨架優(yōu)化后，均可加工成標(biāo)準(zhǔn)圓弧，骨架加工一共分為12個彎弧半徑，(見上圖9)紅色部分為1個半徑，此半徑彎弧總長度約18000米;綠色部位為1個半徑，此半徑彎弧總長度約5600米;藍(lán)色為分成10種半徑，此半徑彎弧總長度約3300米。如此優(yōu)化后，大大減輕了骨架加工和安裝難度，加工成本低于預(yù)期。鋁合金裝飾格柵也是按上述過程進(jìn)行優(yōu)化建模，不再贅述。
4.2 雙曲幕墻面材優(yōu)化
下面談?wù)劥┛卒X板面材的優(yōu)化建模。眾所周知雙曲面鋁板加工費(fèi)用昂貴，特別是這個項目的雙曲板塊，在不優(yōu)化的情況下板塊曲率規(guī)格眾多，其加工費(fèi)對工程造價起決定性作用，因此這部分優(yōu)化最為關(guān)鍵。
本工程鋁板大部分長度2000mm寬度1000mm左右，經(jīng)與鋁板廠家技術(shù)人員溝通與了解，并通過幕墻設(shè)計人員反復(fù)研討試驗后，考慮將本工程鋁板加工成兩類，第一類：板塊翹曲度在20mm以內(nèi)的，考慮將鋁板加工成平板;第二類：翹曲度超過20mm的鋁板，將鋁板加工成單曲板(見下圖10)。
圖10 體育館雙曲幕墻鋁板建模原則示意圖
我們根據(jù)上述原則，在不改變建筑外形效果的前提下，通微調(diào)幕墻曲率重新建立幕墻面板模型，如果整體模型里的單塊鋁板能達(dá)到上述兩種要求，就可以將鋁板分別加工成平板和單曲板運(yùn)至現(xiàn)場，鋁板安裝時順著幕墻骨架壓彎成型，實(shí)現(xiàn)整體幕墻雙曲造型。順著這個思路，整體面板模型順利完成，導(dǎo)入編制的Grasshopper電池組檢測(見下圖11)，如果達(dá)到上述第一類的面板會變成預(yù)設(shè)的綠色，達(dá)到上述第二類的面板會變成預(yù)設(shè)的紅色(見下圖12)。
圖11Grasshopper電池組檢測面板模型
圖12
圖13
紅色板塊翹曲超出20mm，綠色板塊翹曲小于20mm，綠色部分鋁板面積約15000平米，將按平板加工運(yùn)至現(xiàn)場，紅色部分3500平米鋁板將按單曲板加工運(yùn)至現(xiàn)場。為了驗證安裝可靠性和效果可靠性特在現(xiàn)場制作試裝一片樣板，業(yè)主各方對樣板的效果都非常滿意(見上圖13)。
通過幕墻主材的優(yōu)化，極大程度的節(jié)約了幕墻成本，同時減小了幕墻骨架和幕墻面材的加工難度和安裝難度，滿足了工期需求，同時也達(dá)到幕墻理想的裝飾效果。
5、運(yùn)用BIM設(shè)計進(jìn)行材料下單和輔助施工
本項目幕墻采用三維軟件建模：A，首先是建立整體幕墻表皮，交業(yè)主、設(shè)計院審核確認(rèn)(見下圖14);B，建立幕墻骨架、轉(zhuǎn)接鋼件等等內(nèi)部構(gòu)件;C，套入主體鋼結(jié)構(gòu)檢查是否與幕墻干涉碰撞;D，建立與幕墻交接的屋面系統(tǒng)及排水系統(tǒng)，為其他分項工程提供技術(shù)支持;E，從三維軟件中導(dǎo)出幕墻轉(zhuǎn)接鋼件、幕墻骨架、面板等安裝數(shù)據(jù)和加工數(shù)據(jù)(見下圖15~18)，分別交項目部和采購部進(jìn)行放線施工和材料采購
圖14整體幕墻表皮三維模型
圖15雙曲面鋁板幕墻骨架三維點(diǎn)位圖和加工尺寸圖
圖16雙曲面鋁合金裝飾格柵三維點(diǎn)位圖和加工尺寸圖鋁
圖17鋁板安裝三維點(diǎn)位圖
圖18鋁板加工尺寸單
圖19鋁板安裝照片
圖20完工照片
6、結(jié)語
本項目幕墻工程工期非常短，從幕墻開始測量放線到竣工驗收，前后一共才100天時間，這么短的時間完成如此體量的雙曲面幕墻
項目，不光要靠強(qiáng)大的項目管理團(tuán)隊，也要靠設(shè)計師在前期對幕墻進(jìn)行成功的優(yōu)化設(shè)計，以及靠BIM設(shè)計提供的強(qiáng)大技術(shù)數(shù)據(jù)作支撐來共同實(shí)現(xiàn)，希望我們的經(jīng)驗?zāi)軐Υ蠹矣兴鶐椭?/P>
參考文獻(xiàn)
[1]《BIM綱要》同濟(jì)大學(xué)出版社 主編;李邵建
[2]《雙曲弧形純鋁板內(nèi)幕墻的施工初探》作者：李羽林
[3]《淺析參數(shù)化BIM技術(shù)在雙曲面帷幔幕墻中的應(yīng)用》 作者：田恒銀 卓晨 郭運(yùn)祥 黃志鵬
[4]《金屬與石材幕墻技術(shù)規(guī)范》 JGJ133-2001
[5]國家現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
作者單位：北京凌云宏達(dá)幕墻工程有限公司
