仿生異型斜向開合建筑建造關鍵技術研究

【摘要】熊貓塔為造型酷似“春筍”仿生異形建筑，整體由形狀各異的鋼結構弧形構件及月牙格柵編織而成。其造型獨特、結構復雜、構件數量眾多，導致其設計、材料加工、現場安裝中遇到諸多技術難題；從仿生異型空間結構建造技術、斜向開合體系建造技術、異形建筑結構精度控制技術三個維度解析整個仿生異形斜向開合建筑涉及的關鍵建造技術。

【關鍵詞】仿生異形建筑; “春筍”結構; 斜向開合體系; 可開啟格柵

【中圖分類號】TU242.6A

0 引言

仿生建筑是動、植物界某些功能組織和形象構成為研究對象，探尋自然界中科學合理的建造規律，并通過這些研究成果的運用來豐富和完善建筑的形態的處理手法，促進建筑形體結構及建筑功能布局等［1］的更為合理和美觀。

仿生建筑是一種貼近自然、符合科學規律的建筑形式。因其設計巧妙、外觀獨特、結構合理及節約能源等優勢被廣泛應用［2］。

在全球仿生建筑掠影［3］中介紹了部分知名仿生建筑，已知的仿生建筑有仿四葉草、花瓣、鳥巢等，仿生建筑結構涵蓋膜結構、殼結構、拱形結構、螺旋結構等。

本論文依托熊貓塔項目作為研究載體，熊貓塔塔身由720塊形狀各異的鋼結構弧形構件編織而成，外部柱網為由下向上逐漸向后收緊的斜交網格結構構建而成。形狀類似“春筍”造型，寓意熊貓最愛的竹筍，與整個熊貓基地主題文化相互呼應。

其外部柱網采用空間斜交曲面網格結構，由螺旋扭轉的多根空間彎曲圓管桿件交叉組成而成，彎曲圓管徑厚較大，且鋼柱布置必須與建筑雙曲面形態相吻合，對構件加工精度要求較高。受鋼結構空間定位、自穩定性差、焊接變形等多因素影響，現場裝配定位困難、裝配定位精度低、裝配效率低等諸多問題，導致鋼結構部分施工難度較大。

在熊貓塔頂部設計有形狀類似芙蓉花瓣的懸挑觀光平臺，內部懸挑觀光平臺外包裹金色GPR裝飾材料，整體呈芙蓉花瓣狀造型；涉及面積5117 m2，是目前國內單體GRP用量最大的建筑。花瓣設計造型復雜，且每層觀景平臺由大小不同的芙蓉花瓣構成使得每個觀景平臺的GRP裝飾板尺寸均為“唯一性”，導致深化設計、材料精加工，現場實施過程復雜，施工效率低，安裝精度難以控制等。

整個仿生異型斜向開合建筑構件數量眾多，以現場拼接、組裝為主，曲面桿件多、構件長度大、空間曲線各異，對材料加工及現場施工提出了較高技術要求。

仿生建筑中關于建筑設計和結構設計研究的較多，但是關于施工類研究偏少，特別是建造技術研究。現場設計、材料加工及安裝過程中必然使用多項建造技術，因篇幅有限，本論文著重從施工技術的角度對仿“春筍”就主要核心的關鍵技術進行研究。

1 工程概況

熊貓觀光瞭望塔位于成都大熊貓繁育研究基地核心區域，建筑總高度為70 m，其中建筑標準層高度為49.95 m，建筑層數為地下1層，地上9層。是城北地區的制高點、地標和視覺中心。

塔身由720塊形狀各異的鋼結構弧形構件編織而成，后部豎直，前部傾斜逐漸內收，外形猶如一個偏置的“春筍”；通體重達1300 t，建筑總高度為70 m，其中建筑標準層高度為49.95 m，建筑層數為地下1層，地上9層。

內部有懸挑觀光平臺，平臺外包裹金色GPR裝飾材料，整體呈芙蓉花瓣狀造型。樓板共計81片，按等差遞減排列的樓板，簇擁形成一朵朵金色芙蓉花。

外圍設計月牙格柵幕墻，格柵總數為672根，其中塔冠由75根可活動的桿件組成，最長桿件約13 m，每根桿件按照一定規律進行開啟和關閉，形成完美的開啟效果（圖1）。

2 項目存在的關鍵技術難題

2.1 仿生異型斜向空間結構建造難度大

熊貓塔結構外部春筍狀柱網屬于空間斜交曲面網格結構，由螺旋扭轉的多根桿件交叉組成而成，其單根構件屬于空間彎曲圓管，徑厚較大，且鋼柱布置必須與建筑雙曲面形態相吻合，導致對構件加工精度要求高；單根的空間彎曲圓管裝配定位困難、裝配效率低、以及裝配定位精度低。

內部懸挑觀光平臺造酷似芙蓉花瓣，其施工難度在于懸挑平臺外部GRP裝飾板的施工，總體GRP板用量約5117 m2，是目前國內單體GRP用量最大的建筑。花瓣設計造型復雜，且每層觀景平臺由大小不同的芙蓉花瓣構成使得每個觀景平臺的GRP裝飾板尺寸均為“唯一性”，每個模具不能復制，若按照傳統方法加工安裝，放樣、深化出圖、拆模、做模、生產、倒模、精加工，整個過程復雜，施工效率低。同時安裝傳統方法GRP板材安裝時需要先安裝龍骨再安裝板材，施工流程復雜，安裝精度難以控制。

2.2 斜向開合體系建造缺乏理論與實際經驗

“春筍”狀的斜向開合體系設計不同于常規的建筑結構，分析過程中每個構件既要考慮在閉合狀態下按照常規建筑物在風荷載、自重荷載等結構荷載下的結構安全分析；又要考慮其在開合過程中構件在動力作用下自身強度變形以及其對主體結構的影響；還要考慮節點反復開合的磨損情況。

依托研究的熊貓觀光瞭望塔頂部是通過頂部69根開合格柵按照一定角度組合合并形成不同的開合效果達到模擬春筍發芽剝殼的擬態效果，所有組成仿生“春筍”狀的格柵構件均為斜向開合（圖5）。

春筍擬態需要結構模擬春筍發芽，而開合結構體系已經不再是純粹的建筑結構體系，是建筑與機械相結合的綜合體系。尤其是斜向開合體系，體系的開合方式、角度，轉動節點受力性能及磨損性，固定節點、機械傳動方式等在傳統的設計和施工資料里無可以直接借鑒的資料，導致現場設計和實施困難。

2.3 獨特的造型導致構件安裝精度控制困難

在傳統結構施工中，大多運用傳統的全站儀、經緯儀、鋼尺等對構件進行測量放線，對于空間曲面結構拼接精度無法把控，施工效率低，精度控制低。

熊貓塔外圈斜柱為彎扭構件，空間定位坐標復雜，整體精度要求較高，既要控制絕對位置又要保證相對精度，三維曲線放樣和空間全三維測量難度很大;結構在自重、環境溫度、日照、焊接影響作用下將產生復雜且不可忽略的變形。

3 涉及的關鍵技術研究思路

3.1 仿生異型斜向空間結構建造技術研究

主要從（①春筍狀立體曲面空間網格結構；②芙蓉花狀內觀景平臺裝飾）加工及安裝兩方面進行建造技術研究。

3.2 斜向開合體系建造技術研究

主要從斜向開合系統的研究試驗及雙曲螺旋大跨月牙開合格施工兩方面進行建造技術研究。

3.3 異形結構精度控制技術研究

主要從BIM＋測量機器人全自動測量放線控制技術及基于三維激光掃描的仿生異型結構安裝精度控制技術進行研究。

4 關鍵技術

4.1 仿生異型斜向空間結構建造技術

本技術主要分為主體鋼結構曲面空間網格結構的建造以及芙蓉花瓣內觀景平臺的建造兩大部分內容。

4.1.1 空間網格模塊拆解

鋼框架結構按照每2層進行模塊分段；鋼柱分段處分在結構樓層上1.3 m處，便于焊接施工；局部分段可依據施工需求適當調整。空間網格結構模塊劃分豎向以每層進行劃分，通過預制節點進行安裝連接（圖3）。

4.1.2 空間網格結構數字化加工技術

4.1.2.1 BIM模型創建

根據建筑設計提供的建筑形態模型，沿用Rhino+Grasshopper參數化創建塔身的空間整體鋼結構模型。由于熊貓塔外形似一個螺旋向上且不斷縮小的春筍，塔體內部的每層的芙蓉花造型不一且尺寸也在不斷縮小，為了實現熊貓塔春筍造型以及觀光瞭望的使用功能要求，采用Rhino+Grasshopper參數化進行“春筍幕墻與芙蓉樓板”的設計找形。將找形模型共享給結構設計師進行分析，在結構設計的協同配合下完成熊貓塔建筑模型。

根據圖紙使用Tkela軟件進行結構模型的創建，為保證熊貓塔設計的安全性、適用性、耐久性以及經濟性，將熊貓塔結構模型導入Midas等軟件中進行有限元分析。以此判斷塔體結構體系是否合理、整體性是否良好、安全儲備是否充足、結構用鋼量及經濟性是否合理（圖4、圖5）。

4.1.2.2 結構模塊自動拆解

基于BIM軟件模型數據，開發了結構模塊自動拆分程序。該程序可以綜合考慮吊裝能力、運輸能力、分段要求、幾何特征等約束控制參數，對異型空間鋼結構進行數字化自動拆分，智能輸出施工分塊方案、各分塊重量、重心位置等關鍵信息，實現了計算機全自動拆分。

同時該軟件配合鋼結構BIM深化設計，可調用節點庫，對分段位置的節點等實現自動深化，快速形成單元塊模型信息，提高了拆分速度，快速形成加工模型。該軟件采用C#語言進行開發，可以自動調用深化軟件TEKLA 的相關節點庫，對分段節點進行自動坡口等深化，配合TEKLA軟件使用，可以快速生成分段模型，效率比傳統分段提高2個數量級（圖6）。

實施時將結構模型依據簡化高空對接難度的原則進行劃分，同時兼顧考慮運輸、模塊尺寸、模塊重量等，整體上劃分為斜撐模塊、外立面網格模塊、鋼平臺模塊三種類型。

4.1.2.3 數字化加工

基于全過程信息化管控平臺的鋼結構數字化加工，通過主動集成，架構了整合部件制造數字化模型、管理信息化模型等多專業多環節融為一體信息化管理平臺；將制造機器人、工業物聯網技術引入到制造用料、過程監管等細節控制中，通過合理調配，促進資源的優化配置，實現了全流程數字化制造，顯著提升了制造精度和效率，降低制造成本（圖7）。

利用TEKLA模型文件和數據接口，借助二次開發技術自動提取構件幾何、位形和結構特征等數據信息，并生成格式化特征數據文件。然后基于三維建模軟件，利用自動建模函數、開發數據導入、自動建模與裝配等軟件功能模塊，重構和復現鋼結構三維實體模型，實現數據信息的可視化校驗。待深化設計后，將深化數據導入XSuperNEST進行智能鋼板排版下料，下料信息導入切割機床進行板材自動切割。在自動焊接機中導入構件尺寸信息及焊接強度要求，完成構件自動焊接。

基于雙向彎曲圓管鋼結構需要擬合為若干個平面彎圓連續構件的工藝需求，以及鋼結構深化設計階段手工擬合的低效率、不可控、效果差等缺點，采用 PIPE2002 相貫線編程軟件對三維線模型進行編程，生成相貫口的切割數據，并將其輸入數控切割機進行管件的相貫線切割。

4.1.3 曲面空間網格結構模塊化安裝

整個吊裝過程主要分為六個階段：第一步：下部結構吊裝，第二步、內部電梯井吊裝，第三步、第一個模塊單元吊裝，第四步：第二個模塊單元吊裝，第五步：一層模塊單元吊裝完成，第六步：重復上述步驟依次吊裝后續樓層第七步：全部結構單元吊裝完成（圖8～圖13）。

4.1.4 數字化加工及模塊化安裝技術

4.1.4.1 GRP裝飾板模塊化加工技術

芙蓉花狀內觀景平臺裝飾，通過BIM技術，構建異形GRP構件模型，在異形GRP構件制作過程中，將各GRP構件的支撐龍骨預制于GRP構件結構中，通過焊接預埋、優質進口帝斯曼樹脂和玻纖布粘貼包裹成一體。

基于各GRP構件在主體結構上的安裝位置設置，于主體結構上分別設置連接機構，通過各連接機構與各GRP構件中支撐龍骨的連接，實現GRP構件的模塊化快速安裝，同時進行無縫安裝，從而免除了傳統方法中先在主體結構上安裝龍骨的流程，特別是針對各異形GRP構件的異形龍骨的安裝，大大提升了GRP結構的安裝效率。最大限度的還原設計意圖。

4.1.4.2 GRP裝飾板模塊化安裝技術

由于曲面造型引起的每個點位三軸坐標都在變化，GRP板片每片板的形狀尺寸都是不同的，因此每塊板片的定位都必須非常準確，安裝定位圖需要標示每片板片各角點三維坐標（圖14～圖16）。

GRP板安裝之前，先按照面材編號整理，將預制在GRP板內的鍍鋅連接件通過焊接連接在鋼結構上，依據控制線進行標高，左右調節。

4.2 斜向開合體系建造關鍵技術研究

通過理論與試驗研究來要驗證斜向開合體系開啟關閉系統的可行性，驗證桿件的結構強度、活動桿件底座的強度、機械結構運行的效果以及測算支座磨損發展速度等。因涉及已投遞的核心論文，此不在詳細簡紹具體研究，請后續詳見《仿生建筑異形斜向開合體系理論仿真與試驗研究》論文。

4.2.1 雙曲螺旋大跨月牙格柵建造技術

4.2.1.1 數字化加工

因單根格柵最大長度達13.4 m，自重超600 kg。為保證格柵安裝效果及后期的安全性，選用高精度的參數化數字加工技術，將設計確認后的格柵模型進行參數化下料。在Catia中將格柵進行分區編號，按分區編號導出格柵加工圖及料表、鋁合金型材加工圖及料表、格柵支座加工圖及料表（圖17）。

4.2.1.2 數字化加工

為了加快施工進度的同時保證各構件加工質量，在制作變截面焊接矩形鋼板構件時，采用“參數化下料+數控切割機+專用平臺測量定位+技術人員復核”的模式，提升變截面焊接矩形鋼板構件的制作精度。從TEKLA模型中直接提取各構件的材質、尺寸等數據導入XSuperNEST進行智能鋼板排版下料，下料信息導入切割機床進行板材自動切割。在自動焊接機中導入構件尺寸信息及焊接強度要求，完成構件自動焊接。

4.2.1.3 格柵飾面板優化

將整體式鋁型材深化為：型材+鋁板+型材的組合形式。解決原設計外包裝飾層為整體式鋁合金型材，不便于現場安裝及加工難度大、造價高的問題。

4.2.2 雙曲螺旋大跨月牙格柵安裝技術

由于最高作業高度將近70 m，單體格柵跨度過大，且造型復雜多樣，所以在高空作業時，作業人的安全、格柵安裝的精度及速度無法得到很好的保障。因此采用模塊化安裝，對月牙格柵在平整場地內，進行模塊化組裝，即先進行月牙格柵面材（鋁板+鋁型材）及泛光照明設備組裝，后進行月牙格柵整體裝配式吊裝，在保證作業人員安全的同時，大大提高安裝效率及精度。

4.3 斜向開合建筑建造精度控制技術

由于開合體系是機械與建筑結構相結合的混合體系，其安裝精度要求更高于傳統的建筑鋼結構；若結構安裝偏差較大，會加大構件支座磨損，嚴重時可能導致構件運動過程發生偏位，甚至互相碰撞，出現安全事故。

利用測量機器人與激光三維掃描儀相互結合，對仿生擬態斜向開合建筑的建造過程控制點進行精確測定；其次是利用容錯能力高，具有多向轉動調節能力的萬向轉接件進行調節，使得滿足了施工的需要。

4.3.1 BIM＋智能全站儀全自動測量放線控制技術

4.3.1.1 實施思路

在BIM模型中設置現場控制點坐標和建筑物結構控制點坐標。即在BIM模型中創建放樣控制點。將控制點導入全站儀交互軟件。將智能全站儀放入施工現場進行數據采集，確定其現場坐標。

通過軟件將BIM模型中的控制點通過智能全站儀進行放線，利用其發射的紅外激光自動照準實現點位，實現放線功能。

4.3.1.2 具體實施

（1）建立坐標系。

將Tekla深化模型分區輸出為IFC格式文件，使用Revit打開IFC文件，文件保存格式為rvt。打開Autodesk Point Layout面板創建坐標系，在平面圖中任選一點為坐標原點，第二點確定坐標系且輸入兩點實際距離，命名坐標系。

（2）設置控制點、放樣點。在Revit布局選項卡—APL面板—控制點設置模型控制點，構建控制點時必須指定點編號和點描述，此控制點為模型中智能全站儀放置的位置。

（3）導出點模型。在2D平面視圖中完成，導出在該視圖中可見的點。同時在“導出指向文件”對話框中，指定導出精度及想要導出的坐標系統，最后將將放樣點數據模型同步到設備。

（4）現場設站、放樣。將移動應用程序與智能全站儀配對，導入APL/CSV控制點文件到全站儀設備。選擇后方交會和已知點在施工現場進行設站，完成設站后，手持棱鏡和智能全站儀的實際位置將顯示在移動應用程序BIM360 layout中，現實中移動棱鏡，三維模型中虛擬棱鏡同步移動，根據移動端信息模型選擇需要進行放樣的點位，智能全站儀會在需要放樣的柱腳引出激光點，若放樣點位遇到障礙物，可使用移動棱鏡繞開障礙物，當移動棱鏡與設置放樣點的坐標（x，y，z）差值為零時，完成放樣。

4.3.1.3 實施效果

通過現場實施數據采集分析，放樣精度能實現控制在2 mm左右，傳統放樣需要至少兩個人，采用BIM+智能全站儀一體化放樣，一個人每天可以完成數百個點位的精確定位，同時測量放線效率是傳統方法的6～7倍。

4.3.2 基于三維激光掃描安裝精度控制技術

4.3.2.1 三維激光掃描技術

利用行業先進的三維掃描技術，提高測量效率、測量速度、測量精度以及數字化的獨特優勢，避免技術人員在懸空狀態下無法設置反射棱鏡，從而實現就空間測量。通過高密度的數據網格存儲目標測物的空間坐標和表面信息，可以對待測物體進行更詳細地描述。

其工作原理是通過激光測距系統獲取掃描儀到待測物體的距離，再通過測角系統獲取掃描儀至待測物體的水平角和垂直角，進而計算出待測物體的三維坐標信息（圖18）。

4.3.2.2 鋼結構安裝精度控制技術

平均每兩層鋼結構安裝完成后，使用FARO Focuss350三維激光掃描儀對鋼結構進行掃描，基于點云三維方式獲取目標鋼結構的三維數據，從而建立鋼結構實體模型，用于鋼結構現場調差，及各專業模型修正，保證各專業生產的材料在現場順利安裝（圖19）。

將掃描獲取的鋼結構實體模型與鋼結構深化設計模型對比分析，判斷現場鋼結構安裝完成后的實際偏差，從而指導結構安裝進行現場糾偏。將鋼結構安裝偏差控制在允許范圍內，確保后續幕墻、精裝修等專業能順利進行（圖20）。

4.3.2.3 格柵安裝精度控制技術

在鋼結構安裝完成后，為了節省測量時間及提高掃描的精度，我們重新制定掃描計劃，按樓層將三維掃描分為8次進行。（2～3層第一次，4～5層第二次，5～6層第三次，7～8層第四次，9層第五次，首層結構第六次，10層及塔冠第七次，室外景觀樓梯第八次。）

掃描時，首先使用法如FARO Focuss350三維激光掃描儀對鋼結構進行掃描，基于點云三維方式獲取目標鋼結構的三維數據，從而建立鋼結構實體模型。通過掃描后的鋼結構實體模型與下料模型對比分析進行修正。將鋼結構安裝偏差控制在允許范圍內，確保后續格柵幕墻等專業能夠順利進行施工。

5 結束語

本論文主要從仿生異型斜向空間結構建造技術、斜向開合體系建造關鍵技術、仿生異形建筑建造精度控制技術三個維度進行解析整個仿生異形建筑的關鍵建造技術。

仿生異型斜向鋼結構建筑數字化建造技術，在常用國內外類似施工技術的基礎上進行了創新突破，深入研究施工過程模擬、模塊化生產、模塊化吊裝、三維掃描、虛擬預拼裝等多個關鍵施工技術。將復雜螺旋雙曲面空間網格拆分為模塊單元，在工廠進行組裝，同時輔以三維掃描、虛擬預拼裝、自動放線機器人、BIM等技術手段，將原本大量的復雜高空對接轉換為模塊高空組裝，降低施工難度、提高施工精度，縮短安裝工期。

應用基于BIM的虛擬仿真技術+三維掃描復測技術＋BIM智能測量機器人技術等信息技術手段指導建造過程，實現新技術與常規工藝的結合，結構安裝精度符合規范要求，安裝過程安全有序，外觀線型流暢美觀。

通過對仿生擬態斜向開合建筑的施工、設計等建造關鍵技術的研究，解決熊貓塔設計及施工中存在的難題，達到提高工效、降低成本、確保安全和質量的目的，為其他學者今后在類似仿生異形建筑施工中提供借鑒學習和借鑒經驗。

參考文獻

［1］ 周振興，周越，陳貝貝. 從標志性建筑和背景建筑的比較中看仿生建筑的發展［J］. 藝術教育， 2011（8）： 44-45.

［2］ 姚琪. 仿生建筑結構合理性及節能性研究［D］. 西安：西安科技大學， 2017.

［3］ 佚名.全球仿生建筑掠影［J］. 居業， 2015（23）： 64-67.