BIM參數化在變曲面魚鱗狀單元體幕墻上的應用

張 凱 張昌奇 張洪巖 趙 越

中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250014

曲面單元體幕墻是當今建筑的發展趨勢，有廣闊的市場前景和效益增長點。BIM參數化建模也是國家主推的技術形式，隨著計算機技術在幕墻行業的快速發展，BIM三維技術必將引領未來建筑向可視化、一體化、裝配化快速發展[1-4]。

本文結合阜陽市大劇院幕墻工程，對BIM參數化在實際工程中變曲面魚鱗狀單元體加工、施工的應用進行全過程闡述和分析，展現了BIM參數化建模對曲面單元體幕墻的設計、加工、施工各環節效率提升的效果。

1 工程概況

阜陽市大劇院位于安徽阜陽城南新區，建筑高度46.50 m，建筑面積56 000 m2，主要幕墻形式為變曲面魚鱗狀單元體（圖1）。設計理念源于“莫比烏斯環”，造型為整體多曲面的環形結構，從天空俯視，建筑形狀類似于玫瑰。其中變曲面魚鱗狀單元體約2 600塊，單元體的尺寸各不一樣，單塊面積約8 m2，總面積約2萬 m2。

圖1 工程效果圖

2 工程重難點分析

工程各單元板塊豎向呈魚鱗狀翹曲效果，且與地面有漸變的內外傾角，曲面呈花瓣形高低漸變，上下相鄰板塊翹曲差值最大為150 mm，所有單元體各組成構件無任何相同尺寸。工程造型復雜，工期有限，工作量大，需在短時間內完成所有單元體各構件的提料、加工圖、裝配明細表等工藝文件，并協助項目現場在復雜的曲面結構上實現單元體的準確定位和安裝，加工和施工難度極大。

本工程采用BIM參數化三維建模，全程可視化，易于溝通、展示，調整參數即可快速更新模型，易于糾錯、修改。所有加工信息借助參數化從模型中提取，整理形成全套提料、加工、組框等工藝文件。采用與導出數據表配套的通用帶參數加工圖，輸出圖紙量小，便于生產加工，解決了加工圖參數多、工作量大、傳統人工放樣出圖錯誤率高的問題，有效保證準確性和工作效率。通過模型導出空間點位數據，實現不規則曲面上單元體的測量定位、掛接，保證安裝定位的準確性。通過在加工廠完成絕大多數工序，從而使現場工作量小，施工速度快，能夠減少現場勞動力配置、降低成本、縮短工期。

3 BIM參數化工藝流程

3.1 主體結構復測與曲面優化

采用全站儀、放線機器人等測量放線工具，對主體結構復測，得到三維坐標值，與主體結構模型理論值作對比，找出偏差值較大數據，校核并調整模型表皮，重生成幕墻曲面。

在設計院原始幕墻表皮模型基礎上，根據建筑圖和結構圖，深化補充模型中各幕墻面，加入主體土建結構、鋼結構及其他附屬結構，完善模型。

利用BIM軟件Rhino和參數化插件Grasshopper對幕墻曲面進行高斯曲率分析、魚鱗狀翹曲分析。根據分析結果將模型單元曲面分類，對不平整順滑的曲面重新擬合生成，達到順滑的曲面效果，并將所有曲面板塊優化為平板，方便后續建模及加工。

調整完善好模型后，借助碰撞檢測，找出施工干涉點，結合施工順序，協調、組織項目各參與方進行多方會議，共同提出和解決問題。結合模型曲面分布和現場施工組織策劃、勞務安排，合理劃分批次，并在三維模型中按施工順序編號。

3.2 單元體參數化建模

借助三維建模軟件Rhino、參數化工具Grasshopper，編制出一整套編程組，實現基于單元體四邊分格線，批量生成單元體三維實體，并自動按編程組對型材進行切角、開孔等操作。配合帶參數通用加工圖，各加工參數輸出為Excel表格，整理形成全套加工工藝文件。

3.3 參數化信息提取與歸集

每批次單元體有多種類型，每種類型各組成構件都生成單獨的參數表，參數表數量多，數據龐大，需要整理和歸集。借助Excel辦公軟件及其二次開發工具、型材套裁軟件等，完成包括參數表匯總合并、糾錯、編號、檢索替換、排序、統一格式、批量輸出等工作，最終生成實際加工廠及項目部可直接利用的完善工藝文件。

3.4 工廠一體化加工與組裝

按批次進行型材、面材、輔材等信息輸出，并交予加工廠。加工廠依據工序明細表確定每批需組裝單元體編號及數量，按提料單、套裁單進行材料入庫，采用鋸切設備進行切割、下料，首樣檢驗合格方可批量加工。型材下料后，按編號合理存放，車間劃分不同工序班組和場地。采用數控加工中心機床編程，由電腦程序控制整個加工過程，可以一次性、精確無誤地完成鉆、銑、沖壓等操作，依次完成型材加工組框、裝面材、裝輔料、注膠等工序。

單元體完成立柱、橫梁組框后，需先用鋼卷尺等測量對角線尺寸，與組框圖標示的對角線對比校核，保證總體尺寸在允許誤差范圍之內。質檢員在加工和組裝過程中對每道工序都進行質量檢測，合格后做好單元體擦洗、清除殘膠等清潔工作，貼好標識，固定包裝好，運輸至項目工地現場。

3.5 型材余量跟蹤統計

單元體提料、加工、施工過程中，對每一批提料和實際使用數量進行記錄和統計，對加工廠和項目現場余料處理過程進行跟蹤，嚴格控制庫存余量。所有材料使用信息都有匯總表可隨時查詢，可動態掌握材料使用數量及庫存，便于統籌采購與制定生產計劃。特別是首批和最后一批提料，在保證型材不缺料的情況下，將材料使用率盡可能提高并減少最終剩余量。

3.6 現場裝配式施工

3.6.1 單元體場區存放

單元體加工完成后按照規劃的運輸路線按時、按量運輸，在不影響現場施工的前提下進場卸貨。卸貨地點將視垂直運輸工具的繁忙情況而定。

卸貨方式采用叉車或吊車兩種。卸下后由帶滑輪的周轉架將單元體送入幕墻單元體臨時堆放點妥善放置。裝卸過程中，應采用有足夠承載力和剛度的周轉架，襯墊彈性墊，保證板塊相互隔開并相對固定，不得相互擠壓和串動。

3.6.2 鋼轉接件定位

在BIM模型中，將每一處掛件及轉接件實體，借助參數化按圖紙規則批量生成，按需求制定編號規則并編號。

預先在BIM模型中實體模擬單元體裝配，提前發現問題和做好準備工作，確定項目現場安裝需要的點位坐標數據。利用Rhino軟件Grasshopper插件的參數化，提取每個轉接件兩個定位點的三維坐標，導出參數表和編號圖用于現場定位安裝。

3.6.3 劃分塔吊區域

根據工期較短，安裝難度大的特點，將單元板塊劃分為必須使用塔吊的板塊（如屋面位置）、必須使用吊車的板塊數量（塔吊范圍之外）、可選擇塔吊或吊車的板塊。將單元體幕墻分段施工，并根據塔吊分布位置合理布置施工范圍。

3.6.4 鋼轉接件焊接措施

結合不同施工段，合理選用曲臂車、腳手架、可移動式鋼結構掛籠等焊接鋼轉接件。先按定位點點焊固定，復測安裝精度無誤后再滿焊，清理打磨焊接位置，噴面層漆、防銹漆。

3.6.5 單元體吊裝

單元體運抵項目現場后，根據需要進行垂直運輸安排。高處單元體主要采用塔吊進行垂直運輸，部分低處單元體采用汽車吊吊裝。

每吊運一次，至少應有10人參與吊運，1人進行塔吊操作，3人進行地面輔助，4人在屋面處進行單元體卸貨及安裝，2人指揮。在指揮員的指揮下，塔吊司機放下吊鉤，地面輔助人員將吊鉤鉤住吊點，塔吊司機緩慢收緊吊繩，地面輔助人員穩住吊架。隨著吊件上行，地面輔助人員撤離至安全位置。

3.6.6 單元體精準定位

單元式幕墻單元板塊的三維微調通過單元體上的連接構件來實現，利用主體鋼結構上的鋼制轉接件與鋁合金角碼進行y方向的微調，利用鋁合金角碼與鋁合金單元掛件進行x方向的微調，鋁合金單元掛件之間進行空間z方向上的微調。

單元板塊就位后，應及時校正。單元板塊校正后，應及時與連接部位固定，并應進行隱蔽工程驗收。單元板塊固定后，方可拆除吊具，并應及時清潔單元板塊的型材槽口。安裝前后應對單元體采取適當措施加以保護，防止單元體發生碰撞、污染、變形等現象。

4 結語

BIM參數化建模在阜陽市大劇院幕墻工程得到充分應用，單元體幕墻工程施工工期縮短了3個月，并大大減少了人力成本，工程施工質量優良，得到業主極大認可。通過實際深度應用和工程驗證，BIM參數化適用于各種普通和復雜單元體幕墻工程的施工，特別是在魚鱗狀、翹曲、雙曲面等復雜的單元體工程中更具優勢。

BIM參數化建模對現代工程有顯著輔助和優化作用，能有效實現單元體幕墻的可視化設計、參數化建模、裝配化施工，有較強的專業集成性、全面性和廣泛的適應性，能顯著提高工程質量，降低工程造價，減少施工周期，對類似項目具有一定的指導及借鑒意義，具有良好的社會和經濟效益。