空間大扭曲玻璃幕墻工程設計實施及BIM技術運用

胡忠明，皮白波，肖文杰（武漢凌云建筑裝飾工程有限公司， 湖北 武漢 430040）

1 工程背景

恒大海花島是一座人工島，位于海南省儋州市排浦港與洋浦港之間的海灣區域。海花島 1號博物館群藝術館（簡稱“藝術館”）位于海花島 1號島博物館群入口處。

藝術館造型奇特，基本形體是由空間的 5 個正三角形（與水平面夾角各異，大小依次變小，中心點相同）和 1 個正六邊形放樣而成。與此同時，地面正六邊形和 4 個正三角形，將藝術館的表皮分成 5 個環面，從下到上分別稱為一層、二層、三層、四層、五層。

三角形與六邊形按長度等分，相鄰三角形對應的等分點連接起來，形成直紋面的幕墻表皮。三角形與六邊形的空間錯位極大，使得藝術館形成的 5 個環面扭曲劇烈，但整體建筑表皮卻優雅流暢，宛如一朵盛開的海花。藝術館效果圖見圖1。

圖1 藝術館效果圖

藝術館幕墻工程可分為 5 個系統：①空間大扭曲全隱玻璃幕墻系統，藝術館最主要的幕墻系統；②豎明橫隱玻璃幕墻系統，天井位置的玻璃幕墻；③玻璃百葉幕墻系統；④門廳系統；⑤收口鋁板系統。

2 項目難點

（1）藝術館造型復雜，外立面三角形玻璃間夾角各異，且變化范圍極大（165 °～216 °）。

（2）三角形玻璃的每條邊上均需布置鋼龍骨，次龍骨兩端均需切2個空間角（與豎龍骨相關線、與相鄰次龍骨）；鋼龍骨的加工與焊接量大，且難以保證安裝后室內效果。

（3）材料數量、種類繁多，加工數據量大，若采用傳統下料方法，必然無法保證提料的效率與準確性。

（4）藝術館各個成型面均為空間大扭曲面，需定位大量空間點，才能確保放線精準；由于放線數據量大，導致施工難度很高。

3 BIM技術應用與方案設計

鑒于藝術館的難點，靈活運用 BIM（本項目采用犀牛軟件）技術，將其貫穿于工程始末。從與建筑設計單位溝通，完成對原始BIM建筑表皮的優化，到與主體鋼結構模型進行干涉碰撞分析，完成建筑模型的調整。從深化BIM模型，完成幕墻實體建模，到提取主要材料的加工數據，完成材料的下料與加工任務。從提取幕墻放線點位的坐標，完成施工放線的工作，到配合施工現場，完成幕墻最終的安裝。BIM技術的應用，推進了施工方案的設計，驗證了施工方案的可行性，保證了施工的進度與質量，同時也節約了施工成本。

3.1 建筑表皮優化

藝術館建筑表皮由 5 個扭曲劇烈的直紋環面組成，每個曲面均劃分為若干列玻璃，每列玻璃再劃分為若干相互交錯的三角板塊。

組成建筑表皮的 5 個直紋環面從第一層至第五層，依次變小。若按照原方案（每個直紋環面劃分列數一定）實施，就會使得第五層每列的分格變得極其小。BIM 分析表明：頂部三層玻璃分格面積＜ 0.5 m2，室內龍骨密集，外觀效果并不理想。

另一方面，大量三角形板塊角度＜ 30 °。考慮到玻璃特性，尖角角度＜ 30 ° 時玻璃需斷角處理。斷角后，在玻璃尖角6點交匯處會形成比較大的封堵膠洞，嚴重影響外立面效果和防水功能。

與設計院、業主溝通后，對表皮玻璃分格進行了優化：①合并上層表皮主分格，減少了分格數量，加大了單塊玻璃面積；②微調整玻璃分格，減少尖角＜ 30 ° 的玻璃數量。

經表皮分格優化后，減少玻璃數量近 1 500 塊（原表皮共 6 000 多塊），極大提高了玻璃生產、組裝、運輸、安裝的時間，加快了項目施工進度。

3.2 與相關專業進行碰撞檢測

根據現場基準控制點，對主體結構進行了全方位復核。依據復測結果調整主體鋼結構理論模型，并與幕墻BIM模型合模進行碰撞檢驗。碰撞位置與業主、設計院協商提出解決方案。與主體鋼結構進行碰撞檢驗，發現有5處結構干涉，由主體鋼結構單位調整鋼龍骨。保證幕墻表皮不變。依據BIM分析結果，對幕墻開窗位置和面積核對與調整，使其滿足綠建要求和消防排煙要求；對進、出風口位置與幕墻玻璃百葉位置核對與調整；對排水口與落水管位置的核對與調整，使其滿足建筑排水功能。

3.3 基于BIM設計空間大扭曲全隱玻璃系統方案

3.3.1 三角形玻璃板塊間夾角分析

藝術館的 5 個直紋扭曲面，扭曲度極大。三角形的分格可以實現的用平面元素來適應這種空間大扭曲。與此同時，相鄰三角形玻璃板塊間的夾角也會紛繁不一。經對表皮模型分析后，得到其角度分布區間。

3.3.2 受力構造的設計

一層位置部分幕墻立面外傾。玻璃破損后存在掉落傷人的危險。綜合考慮后，首層玻璃采用 6+1.52 PVB +6 Low-E+12 A+6+1.52 PVB+6 配置，并設置玻璃防脫塊。二至五層玻璃采用 6 Low-E+12 A+6+1.52 PVB+6 配置。

考慮原方案主次分格均做鋼龍骨，龍骨加工與現場施工量大，且切角復雜，不易實現，鑒于本項目玻璃分格不大，大膽設想、小心求證，提出只在主分格方向布置徑向鋼龍骨的方案：每三角形玻璃組成足夠強三角形板塊，三角形板塊只在主徑向方向安裝上墻，次分格方向采用鋼件與相鄰三角形板塊連接。通過鋼件將力傳遞到相鄰三角形板塊上并最終傳遞到板塊固定點。玻璃主次方向標準節點見圖2。

圖2 玻璃主次方向標準節點

需重點攻克的難點就是結構受力問題：①三角形玻璃邊框能承受較大荷載；②次龍骨鋼件計算能傳遞受力；③三角形邊框組角能傳遞受力；④主龍骨固定點能滿足受力要求。經過結構師對最不利部位建模計算，對各危險部位進行加強后，此方案變得切實可行。

此方案的優點在于：①次龍骨本身沒有規律，取消此方向龍骨可以有效避免次龍骨定位安裝帶來的困難；②從外視效果上看，主龍骨布置有跡可循，協調順暢；③玻璃與型材龍骨在加工廠做成整體，玻璃板塊到現場直接與轉接件連接，減少現場工作量。

3.3.3 適應板塊間大扭曲角度的設計

從BIM分析數據可以看出，藝術館玻璃面板之間夾角的角度變化范圍為 161 ° ～ 205 °，且主龍骨方向和次方向角度變化毫無規律。另一方面，藝術館的三角形玻璃板塊為隱框形式，從外觀上需要保證玻璃膠縫寬度一致。

參考過類似有適應角度的隱框玻璃節點，但是它們都存在共同的缺陷— 無法適應大的角度變化范圍。于是，嘗試“利用模圖形狀變化來實現節點適應角度變化” 的最原始思路，采取每 5 ° 1 種節點形式，保證室外縫 20 mm 不變，室內縫有大有小（由于相鄰玻璃存在扭曲，因此最終室內縫大小不一的效果并不明顯）。

最終利用了 3 種邊框模圖和 4 種護邊模圖，相互組合成6 種邊框的狀態，每種邊框適應一定角度范圍，從而形成了一套完整的適應所有角度的方案。這有點類似于拼積木，原理簡單，卻實實在在地解決了這一難題。

藝術館陽角玻璃夾角也進行了分角度區間設計。層間玻璃間夾角采用層間夾角節點。大于層間夾角通過不同玻璃邊框和出邊距離實現。小于層間夾角通過倒角處理（減少尖角漏水隱患）內外均用鋁板封閉。陰陽角位置處理節點見圖3。

圖3 陰陽角位置處理節點

4 三角形玻璃板塊組角設計

在取消幕墻次方向龍骨的同時，為滿足受力要求，必須將玻璃邊框加大并和玻璃一起組成一個獨立板塊。藝術館的面板存在如下特點：①板塊均為三角形，大小形狀各異；②板塊組角角度變幻不定，且范圍廣；③邊框受力大，角部承受荷載大。這些特點使得組角存在一定的難度。如何才能克服這些難點，使三角板塊組角具有適應性和足夠的力學性能？參考類似項目，并結合藝術館的實際情況，綜合考慮后采用“合頁組角”的方式，即在邊框角部，采用合頁插接到邊框中，打釘固定。組角節點見圖4。

圖4 組角節點

5 BIM實體建模與特殊部位方案補充

對于常規工程，通過二維圖紙就能夠較為清晰地反映出幕墻所有構件的規格以及在工程中的具體位置。但是，對于藝術館這個空間異型的工程，實體建模必不可缺，在方案完善，材料加工，施工定位，竣工結算等方面都有極其重要的指導意義。幕墻鋼龍骨模型見圖5。

圖5 幕墻鋼龍骨模型

BIM 建模過程中會發現一些需要特殊處理的部位，須在補充方案（配計算）后再建立模型。例如，部分三角形板塊邊框在陽角處存在干涉情況，須將三角形板塊型材邊框組成四邊形、合并板塊固定、超小板塊固定等。

6 材料加工數據的提取

對于藝術館這樣一個空間大扭曲的項目，材料加工工作與常規項目有著極大差異。首先，藝術館有玻璃板塊 4 500多塊，每個板塊加工、組裝數據將近 40 多個，僅玻璃板塊這一項，數量就高達 20 萬塊；其次，藝術館所有面板型材的尺寸規格均是唯一的，材料萬一出錯，就無法替換或再利用，難以補救，因此材料訂貨、加工準確性至關重要；最后，藝術館三角板塊是相互固定，依次安裝，類似于單元幕墻。如果安裝過程中出現板塊供應配套性問題，勢必會影響工期，因此怎么組織材料、分批加工也十分重要。

BIM 技術的應用，以其“高效”“精準”“全面”的特點，很好地解決了藝術館材料訂貨、加工難題。

6.1 材料訂貨

對于玻璃，從整體出發考慮，采用分層、分列依次排序方式編號，邏輯清晰。雖然項目異形，卻能使現場施工人員輕松地找到玻璃的安裝位置。

與此同時，玻璃等材料的加工數據利用程序，從已經建好的模型中導出。由于玻璃等材料在整體模型中所呈現的形態，就是它們在三維空間中的 1∶1 放樣，因此按照導出的理論數據加工的玻璃等材料，最終必將和模型保持一致，從而真正實現了材料訂貨加工“零錯誤”。

6.2 三角形玻璃板塊組框

前文提到過，藝術館板塊適應面板間角度變化，是通過邊框模的變化來實現的。也正是這點，使得藝術館三角板塊邊框有 7 種形式。再有三角板塊有 3 條邊，每條邊的形式也不一樣。最后，板塊有 1 條邊為主龍骨方向邊，另外 2 條邊為次龍骨方向邊，邊型材加工形式也不一樣，所有邊毫無通用性。粗略算下來，藝術館三角板塊組框可能存在的類型就有 684 種。

這么多類型的板塊，如果按照常規的板塊組框思路，每1 種板塊做 1 個組框圖，肯定是不行的。組框圖太多畫圖工作量太大，組裝數據匹配工作也很大；組框圖太多不利于加工廠看圖。怎樣才能簡化組框？吸取做樣板時的經驗，結合藝術館節點特點，將藝術館邊框類型以節點索引的形式，索引到組框圖中，類似于大樣圖和節點圖的形式。

7 BIM技術指導放線和施工

7.1 主龍骨安裝定位

藝術館工期緊張，所有材料的訂貨與加工必須和現場施工同步進行。現場的龍骨定位必須和理論模型保持一致，且不存在較大誤差。

對于這種空間大扭曲項目，為保證建筑外觀造型，確保面板可以順利安裝，幕墻龍骨定位的準確性就成了施工重難點，測量放線也成了工程成敗的關鍵。因此，分別給出了主龍骨定位點位來指導安裝主龍骨，確保主龍骨安裝準確。在此基礎上，也給出了面板主方向分格的定位點位，用來控制玻璃板塊安裝的位置。雙重定位提高了放線定位的準確性。為保證龍骨安裝的精度，也會對安裝完畢的龍骨位置進行復測，對誤差較大的龍骨進行整改，從而保證玻璃板塊能正常安裝。

7.2 玻璃板塊安裝定位

安裝板塊也是本工程的一個難點，關鍵就是轉接鋼件需要定位精準。

藝術館每個三角形板塊在主龍骨上均有兩個轉接鋼件。如果每個鋼件均采用三維點定位后，再進行玻璃板塊安裝，會造成現場施工放線工作量巨大；幕墻龍骨定位存在一定的誤差，加之鋼件定位后焊接固定會有一定的熱變形，產生少量誤差。種種因素使得玻璃板塊安裝位置變得不可控，整體安裝效果參差不齊。

實體樣板安裝時，采用先定位鋼件后安裝玻璃板塊的方式安裝，事實證明效果并不理想。經分析，藝術館應主要是要保證主分格，次方向對玻璃板塊整體安裝影響不大。于是，決定采用控制玻璃板塊位置方式進行安裝。先定好玻璃分格線（玻璃分格理論位置），玻璃板塊在安裝位置到位后焊接主龍骨上鋼件。這樣才能保證玻璃塊位置安裝無誤。

8 結 語

恒大海花島藝術館項目，通過采用簡單高效的安裝方案，響應國家大力發展裝配式建筑的號召，結合BIM參數化設計，高質高效地實現了大扭面異形幕墻造型，并產生了一定的社會效益，給同類型幕墻項目提供了借鑒，