BIM 建造技术在异形场馆幕墙施工中的应用

罗 兴

大型场馆（如体育馆、展厅等）是建筑行业的重要组成部分，此类建筑通常具有造型复杂、异形构造多、精度要求高等项目特征。针对于异形项目的特征，采用Grasshopper 平台上的程序式设计，这种BIM 设计方法，可以将传统的二维图纸，转化为一种可视化的数据，通过编写对应程序自动生成三维模型，将生成好的三维模型数据化，用于指导现场施工和工厂生产[1]。

1 工程概况及重难点分析

1.1 项目概况

江山虎山运动公园项目是江山市贯彻落实衢州市委“1433”发展战略体系，建设江山大花园的重点建设项目，项目位于江山市城南，虎山东面滨江中学以东，江滨南路以西，江变路以北。项目用地面积为26.8 hm2，建设内容包括体育中心和体育公园两大部分，其中体育中心用地面积为145.5 hm2，包括体育馆（幕墙高度23.9 m）、全民体育健身中心（幕墙高度26.4 m）和体育运动配套用房（幕墙高度49.6 m）。幕墙总面积约为5.9 万m2，均为构建式幕墙体系，其中主要幕墙系统为玻璃幕墙面积2.3 万m2、3 mm 厚 氟 碳 铝 单 板2.6万m2、4mm厚氟碳铝板（含穿孔板）0.7 万m2（图1）。

图1 设计效果图（来源：招标附件）

体育馆整体外形采用方形建筑设计方案，总建筑面积96501 m2，包括4000 座体育馆，全民健身中心，体育运动配套用房，商业平台等。项目以打造成国家举重训练基地、国家攀岩训练基地以及4A 级景区为目标，将有效整合虎山、江滨南路沿线绿地景观工程，滨江中学体育场地等，成为集赛事、培训、休闲、旅游、商业为一体的体育综合体。全民健身中心内设有游泳池，举重训练场，羽毛球场、室内攀岩馆、青少年培训中心等设施。体育运动配套用房设置约300 间标准房间，满足赛事运营时运动员、裁判、官员、工作人员住宿需求，赛后也可以为旅客及市民提供度假休闲住宿的场所。

1.2 难点分析

场馆类项目以及配套建筑，均为异型曲面造型，造型分布在主立面、层间、转角、吊顶以及屋面，相对规整的标准立面很少。常规的CAD 设计技术、现场测量放线技术以及常规幕墙施工工艺无法完成，无法满足设计要求、进度和质量要求。其中健身中心折线玻璃幕墙与外倾铝板的放线精度控制通过三维扫描配合逆向建模技术过程中校对纠偏。使用参数化对特殊位置进行建模，并生成好的三维模型数据化，指导现场施工。项目幕墙构造种类多，设计下单过程需逐个放样，效率低，错误率高。鉴于此，只有基于BIM 平台的数字化智能建造技术才能解决此类复杂异型场馆类幕墙施工。

1.3 国内外研究应用现状

随着国内城市化的高速发展，建筑不仅仅满足于功能需求，也追求个性化外立面效果，于是出现了大量异形场馆类建筑幕墙系统。现代化商业特色建筑是一种国内外发展趋势，不仅对使用功能有较高要求，同时要求具备各式外立面美观效果，其中场馆类建筑曲面异形造型尤为突出，赋予了建筑庄重而强烈的艺术美感，使传统原料与现代建筑巧妙的结合。然而普通CAD 设计技术和脚手架措施施工无法满足异形幕墙施工要求，采用CAD 出图不精准和脚手架搭设费时费力而且慢，如遇到高度较大或者无法落地情况更加难以搭设，且容易遇到脚手架影响幕墙施工情况[2]。

1.4 BIM目标

通过运用BIM 技术，加强项目设计与施工的协调，降低施工现场碰撞冲突的发生概率，优化施工进度计划及流程，提高施工效率和安全性。同时，可视化模型还可以指导现场施工，提升施工质量和精准度。BIM 技术还能够快速评估变更引起的成本变化，并优化工厂制造质量和物料跟踪管理。最重要的是，BIM 技术可以为物业提供准确的工程信息，帮助管理方便捷地掌握建筑维护保养等方面的信息，从而更好地提高物业管理的效率和质量[3]。总之，BIM 技术的应用将极大地推进建筑行业数字化、智能化、集成化的进程[4]。

2 BIM 基础运用

根据提供的幕墙图纸，建立幕墙表皮，并进行立面分格的划分。同时利用犀牛插件Grashopper 对幕墙龙骨进行模型建立，并把龙骨编号、长度、切角角度等对应的加工信息存入模型，方便后期材料加工过程中对加工数据的提取。整体模型建成后，将主体钢结构及土建结构的模型转入Rhino中，与幕墙模型进行碰撞检测，经计算理论钢结构龙骨与幕墙面无碰撞，在后续施工过程中将继续保持跟踪（图2）。

图2 整体模型创建（来源：作者自绘）

2.1 铝板面板曲率深化

体育馆弯弧区域处为双曲铝板，通过Grasshopper 提取原始面板上的UV 坐标，并以该点位于曲面上的法线方向为y轴，该点为坐标原点建立坐标系；通过程序找到曲面与坐标系交线，并将该曲线段优化为圆弧线，同时将该圆弧线两端延长到足够长度，确保后续寻找相交面能与双曲板完全重合（图3）将坐标系z轴方向为向量方向，交线为曲面截面，沿两端挤出，建立优化后的曲面（图4）。

图3 单曲截面建立（来源：作者自绘）

图4 单曲面建立（来源：作者自绘）

提取优化前曲面边线，拉回至新曲面之上做布尔运算，通过判断面积大小的方式自动提取需要的曲面，该曲面即为单弧板。通过提取优化后的单曲板边线，并于该曲线上提取若干点，通过计算该点至原曲面最大距离，并通过遗传算法进行计算，找到新曲面至原曲面最大距离之中的最优解（即以任意一UV 坐标所建立的新曲面至原曲面最大距离中的最小距离），通过计算，单曲板与原双曲板误差仅为1.2 mm，完全满足施工要求，同时能够降低材料加工成本。基于Grasshopper 参数化进行翘曲分析，将体育馆面板进行分类，其中黄色区域优化为单曲板，其余区域均为平板，青色区域翘曲最大为7.2 mm，现场通过压弯工艺使其达到安装工艺要求），如图5 所示。

图5 优化后面板分类（来源：作者自绘）

2.2 设计方案提出合理化建议

根据提供的幕墙图纸，从模型中提取折线幕墙部分面板，通过对该处面板编写程序，进行面板的翘曲分析（图6），经过分析折线幕墙位置连接方案中玻璃面板翘曲率较大，存在正负近60 mm 的翘曲，需加工为双曲板，从项目工期紧，双曲板加工难度大，生产周期长，加工成本高等角度出发。经过与业主、设计院沟通，通过三维模型对前后方案进行比对，最终确定标准位置采用原连接方案，折线幕墙位置更改为渐变形补长料连接方案，双曲板变为平板。

图6 健身中心折线幕墙翘曲分析（来源：作者自绘）

2.3 龙骨、面板数据提取

在建筑设计和施工过程中，龙骨是一种非常重要的构件之一。它们不仅支撑着屋顶和墙壁，还起到了强化建筑结构的作用。然而，在现实的建筑工程中，由于龙骨数量众多、形状各异，传统的CAD 出图效率较低，难以满足工程需求。为了解决这一问题，运用犀牛Grasshopper 参数化编程。Grasshopper 可以在建筑设计的早期阶段对建筑物进行三维建模，并将各构件的信息整合到一个数据库中，从而提高设计和施工效率、降低总成本和风险。针对龙骨的制作，在Grasshopper 中提前储存龙骨编号、长度等信息，并导出龙骨剖面图提供龙骨安装点位。这样，就可以轻松地提取龙骨的相关信息，大大简化了后续制作过程，并且避免了数据混乱和错误。同时，利用Grasshopper，可以批量输出编号图、加工数据表等相关文件。相对于传统的CAD 出图方式，犀牛结合Grasshopper 在处理龙骨制作方面具有丰富的优势。采用参数化的表达方式，只需3 张加工图便足以处理所有大面的加工，而且输出速度更快、准确度更高（图7）。

图7 面板数据提取（来源：作者自绘）

3 BIM 创新应用点

3.1 3D扫描应用

体育馆由于前期劳务班组缺少异形龙骨放线人员，施工过程中龙骨精度无法达到要求，且整改难度较大，综合考量在施工阶段，通过引进莱卡三维扫描仪，对现场结构进行复测，采用逆向建模的方式将现场结构与模型相互联系起来，了解实际偏差从而解决问题。通过现场扫描出的结构导入到理论模型中，运用GH 程序进行对比分析，比对现场与理论偏差，并结合现场龙骨模型进行重新放样，修改幕墙完成面。从而减少现场复尺工作量，同时能够对面板进行批量化下单，大大降低了项目及设计人员的工作量（图8、图9）。

图8 现场结构扫描（来源：现场照片）

图9 扫描电云（来源：作者自绘）

3.2 3D扫描应用总结

在BIM 团队的思考和实践中，发现了一些问题和挑战。例如，扫描人员反馈现场坐标轴缺失，导致点云无世界坐标信息、未清理干扰物件导致扫描的点云存在无效物件、导出的点云模型未处理导致BIM 软件内存消耗要求过大等。针对这些问题，提出了以下解决措施：第1，针对坐标轴缺失的问题，提供特殊位置现场照片，让翻模人员进行交底，以保证逆向建模精准度。第2，对于未清理干扰物件的问题，建议在关键点位做标记物再进行扫描，以确保精度，并减少不必要的翻模处理工作。第3，为解决导出的点云模型未处理的问题，可以适当做抽稀处理，以减小内存消耗和提高软件处理效率。

通过这些措施的实施，能够更好地应对BIM 设计和施工中出现的问题和挑战，提高工作效率和精度，实现高品质的建筑项目交付。

4 BIM 拓展应用点

穿孔铝板排孔程序编写思路的实现需要一定的技术和计算能力。该过程可以通过Grasshopper 程序实现，使得传统面板排孔的时间得以精简，具体为：

1）根据布孔原则提取铝板边界，并向内偏移25 mm（布孔原则）生成新的穿孔边界，并将四边进行排序，使其具有普适性。这一步骤的目的是为了将铝板的边界提取出来，并生成新的穿孔边界，以方便后续的计算。同时，将四边进行排序也是为了让铝板的穿孔边界具有普适性，以适应不同种类的铝板。

2）提取长边及相邻直角边，并将孔直径与孔距之和为等分距离，计算等分数量，并以两边进行偏移。同时进行布尔计算切除边线以外的部分。这一步骤的目的是将铝板上的孔进行等分，以达到美观、均匀的效果。同时，通过布尔计算，将不需要穿孔的区域切除，以减少后续计算的复杂度。

然后，找出各自偏移曲线之后通过相交计算提取曲线间的交点，并以该交点为圆心，生成铝板穿孔布孔。这一步骤的目的是根据铝板上等分后的孔位置，在相应位置生成实际的穿孔布孔。

3）对于斜边较大的穿孔板对边长等分的方式并两两连接，形成交织网，然后计算曲线间相交点，并以该交点为圆心，生成铝板穿孔布孔。

通过Grasshopper 程序，可以对穿孔铝板进行排孔操作。这种方法不仅能够显著节省传统面板排孔的时间，而且在处理较为复杂的异形面板和彩釉玻璃釉面方面表现出优异的效果。此外，当面板尺寸较多且需要排孔的数量较大时，传统排孔方式往往会消耗大量内存资源，对计算机系统会产生负担。为了解决这个问题，对程序进行了优化，通过对面板进行排序并按顺序逐一排孔的方式，有效减少了内存占用，提升了计算系统的效率。因此，通过Grasshopper 程序进行排孔，能够高效、快速、精准地完成任务，是一种非常值得推荐的方法。

5 总结与展望

随着BIM 技术的广泛应用，其在大型场馆类建筑的幕墙设计和施工中起到了积极作用。以下是对该应用案例的更深入的分析：

1）提高效率。江山虎山运动公园项目中，通过BIM 技术，设计人员可以快速准确地建立三维模型，并在此基础上进行幕墙设计。这样一来，设计过程中出现的问题可以更早地被发现并解决，避免了在施工期间出现不必要的返工和延迟。此外，BIM 模型还可用来优化材料使用、调整物流方案等，从而进一步提高施工效率。

2）节约材料成本。通过BIM 技术，可以对幕墙的设计和施工进行全面的协调和优化，避免浪费和重复造成的材料浪费。例如，BIM 软件可以快速生成材料清单，并帮助设计人员在设计中使用更少的材料，从而降低材料成本。同时，在生产幕墙材料时，BIM 技术也可以帮助指导下料和制作，提高生产效率和准确度。

3）精细施工。通过BIM 技术，施工人员可以在3D 模型中得到实时的视觉反馈。这有助于他们更好地理解设计意图，同时也能够更准确地测量和定位。通过BIM 技术的精细化施工，能够提高施工效率，减少误差，并且在施工完成后，也能够更快更准确地进行质量检测[5]。

4）人才培养。为了更好地应用BIM 技术，需要有一批懂得BIM 技术和幕墙设计和施工的专业人士。因此，对人才的培养非常重要。同时，随着BIM 技术的不断更新和发展，也需要持续学习和更新知识，以应对新的挑战。总之，在大型场馆类建筑的幕墙设计和施工中，BIM 技术的应用将成为未来建筑行业的主流趋势。各方面的专业人士需要持续地探索和研究，推动BIM 技术的创新和应用发展，使其更好地发挥作用。

6 结语

幕墙设计技术主要在传统CAD软件平台上应用发展，在新的建筑市场环境下的各类折线、曲面建筑造型，传统CAD 技术已经力不从心。因此，基于软件Rhino 中开发Grasshopper 平台的幕墙参数化设计技术研究是幕墙设计领域的及时雨，在异形幕墙、单元体幕墙和构建式幕墙设计应用中，有效解决了多角度拼接面和曲面的构造节点深化设计，施工阶段快速提料、快速完成加工图，极大提高了设计工效，降低设计人员投入，为项目施工提供精准施工定位坐标[5]，为异型项目工期履约提供了有效基石。通过江山虎山的实践应用探索，技术突破并得到积累，在后期异型项目施工应用起到了引领和保障作用。