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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計，著重介紹雙曲幕墻主材的優化思路并利用BIM（詞條“BIM”由行業大百科提供）設計對幕墻主要材料進行優化的過程，以及運用BIM設計進行材料下單和輔助施工。
關鍵詞：BIM設計;雙曲面鋁板幕墻;雙曲鋁合金裝飾格柵;雙曲面幕墻主材優化
1、前言
隨著建筑行業的不斷發展，建筑的造型也跟隨著變得日趨復雜，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，受到建筑師和業主的廣泛青睞，為了滿足建筑設計師（詞條“建筑設計師”由行業大百科提供）和業主對建筑效果、幕墻造價的期望，建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供）的設計、施工就顯得尤為重要。但有些設計師是初次接觸雙曲面建筑，對雙曲面幕墻的設計、施工及成本控制都比較陌生，有些設計師可能已經多次接觸過雙曲面幕墻的設計和施工，但仍然缺少相應經驗，進而給業主和幕墻承包單位造成了一些無法挽回的損失。本文通過真實案例給大家講解：如何利用BIM設計完成雙曲面幕墻的設計和成本優化;如何運用BIM設計進行材料下單和輔助施工。希望給正在或將要做雙曲面幕墻設計、施工的工程師們一些啟發和借鑒。
2、工程概況
十堰市青少年戶外培訓基地分為：綜合體育館、游泳跳水館、青少年活動館、綜合訓練館四個主場館(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幕墻工程有限公司負責設計和施工。其中綜合體育館是面積最大的場館，建筑面積達30466.22平方米，主要空間為一層，局部設計五層。可提供看臺固定（詞條“固定”由行業大百科提供）座約6000個，內場活動座約2100個，常規座椅約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，其形態猶如一朵開放的石榴花，又像一只高速旋轉的車輪，外形寓意“石榴花開，車輪滾滾”。石榴花是十堰的市花，寓意十堰興旺發達、繁榮昌盛，加上十堰又是車城，采用這樣的設計，將它打造成為十堰的地標性建筑。
綜合體育館外形由12片花瓣組成，花瓣環繞簇擁螺旋展開。“花瓣”用9420塊3mm厚雙曲面穿孔鋁單板（詞條“鋁單板”由行業大百科提供）和924支直徑200的空間扭曲弧型裝飾鋁合金圓管格柵在現場組裝而成，使整個建筑形體顯得輕盈飄逸，獨具匠心。場館建筑高度為38.9米，相當于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，再向內依次是幕墻鋼結構、建筑鋼結構和內層幕墻門窗百葉系統(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”由行業大百科提供）溝相連，排水溝內圈是直立鎖邊屋面系統，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置，豎向分格為兩塊鋁板一組螺旋向上，當鋁板達一定標高后鋁板曲率便隨著標高的增高而增大，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設計對體育館幕墻主材進行優化
現在大家已經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計及施工必須借助三維建模軟件，利用其參數化插件導出設計和施工所需的各種數據，得到這些數據后才能實現材料加工、現場測量放線和施工等等后續的工作。
在幕墻深化設計時我們發現建筑設計院提供的犀牛模型偏小，幕墻表皮已經與建筑主體鋼結構相互干涉，我們需要根據建筑鋼結構尺寸重新立建模，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期范圍內。
4.1 雙曲幕墻骨架和鋁合金裝飾格柵優化
如果依據上述要求，我們發現如果按照原犀牛模型，穿孔鋁板幕墻內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米內也沒有一處有標準的圓心弧，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，曲率規格太多也會對安裝產生很大困擾，不方便搶工，加工成本也將超出預期很多。
我們在進行新模型建立時，雙曲面幕墻內部骨架緊跟著建立，保證內部骨架要有標準半徑，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化幕墻節點消化，如達到上述要求，就將雙曲幕墻骨架加工成標準二維圓弧。
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，將骨架模型導入編制的Grasshopper電池組檢測(見下圖7)，如果達不到上述原則的骨架會變成預設的紅色，達到標準的骨架會變成預設的綠色，優化的骨架模型全部達到預設要求(見下圖8)。
圖7Grasshopper電池組檢測骨架模型
圖8
圖9
骨架優化后，均可加工成標準圓弧，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;藍色為分成10種半徑，此半徑彎弧總長度約3300米。如此優化后，大大減輕了骨架加工和安裝難度，加工成本低于預期。鋁合金裝飾格柵也是按上述過程進行優化建模，不再贅述。
4.2 雙曲幕墻面材優化
下面談談穿孔鋁板面材的優化建模。眾所周知雙曲面鋁板加工費用昂貴，特別是這個項目的雙曲板塊，在不優化的情況下板塊曲率規格眾多，其加工費對工程造價起決定性作用，因此這部分優化最為關鍵。
本工程鋁板大部分長度2000mm寬度1000mm左右，經與鋁板廠家技術人員溝通與了解，并通過幕墻設計人員反復研討試驗后，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
我們根據上述原則，在不改變建筑外形效果的前提下，通微調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至現場，鋁板安裝時順著幕墻骨架壓彎成型，實現整體幕墻雙曲造型。順著這個思路，整體面板模型順利完成，導入編制的Grasshopper電池組檢測(見下圖11)，如果達到上述第一類的面板會變成預設的綠色，達到上述第二類的面板會變成預設的紅色(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，將按平板加工運至現場，紅色部分3500平米鋁板將按單曲板加工運至現場。為了驗證安裝可靠性和效果可靠性特在現場制作試裝一片樣板，業主各方對樣板的效果都非常滿意(見上圖13)。
通過幕墻主材的優化，極大程度的節約了幕墻成本，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，同時也達到幕墻理想的裝飾效果。
5、運用BIM設計進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，交業主、設計院審核確認(見下圖14);B，建立幕墻骨架、轉接鋼件等等內部構件;C，套入主體鋼結構檢查是否與幕墻干涉碰撞;D，建立與幕墻交接的屋面系統及排水系統，為其他分項工程提供技術支持;E，從三維軟件中導出幕墻轉接鋼件、幕墻骨架、面板等安裝數據和加工數據(見下圖15~18)，分別交項目部和采購部進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位圖和加工尺寸圖
圖16雙曲面鋁合金裝飾格柵三維點位圖和加工尺寸圖鋁
圖17鋁板安裝三維點位圖
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，不光要靠強大的項目管理團隊，也要靠設計師在前期對幕墻進行成功的優化設計，以及靠BIM設計提供的強大技術數據作支撐來共同實現，希望我們的經驗能對大家有所幫助。
參考文獻
[1]《BIM綱要》同濟大學出版社 主編;李邵建
[2]《雙曲弧形純鋁板內幕墻的施工初探》作者：李羽林
[3]《淺析參數化BIM技術在雙曲面帷幔幕墻中的應用》 作者：田恒銀 卓晨 郭運祥 黃志鵬
[4]《金屬與石材幕墻技術規范》 JGJ133-2001
[5]國家現行的相關標準和規范
作者單位：北京凌云宏達幕墻工程有限公司
