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摘要：建筑工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)輔助建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，雖發(fā)展時(shí)間短，發(fā)展速度卻令人嘆為觀止。目前，在建或已建成的形態(tài)各異的建筑中，或多或少都有應(yīng)用BIM軟件輔助建筑設(shè)計(jì)。在各種常用的BIM軟件當(dāng)中，Rhinoceros 軟件和Grasshopper插件組成的設(shè)計(jì)平臺(tái)是目前使用最為廣泛、最為流行的一套BIM軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，這主要得益于Rhinoceros 軟件強(qiáng)大的建模能力和Grasshopper插件獨(dú)特的可視化編程方式。
本文以江蘇園博園未來(lái)花園云池舞臺(tái)項(xiàng)目的石籠幕墻、銹蝕鋼板幕墻、水波紋板幕墻、UHPC墻板（詞條“墻板”由行業(yè)大百科提供）等工程實(shí)例，闡述石籠幕墻、銹蝕鋼板幕墻、水波紋板幕、墻UHPC墻板的設(shè)計(jì)經(jīng)歷，以及Rhinoceros 軟件結(jié)合Grasshopper插件，在幕墻工程中的實(shí)際用。
關(guān)鍵詞：石籠幕墻。銹蝕鋼板幕墻。水波紋板幕墻。UHPC墻板。BIM技術(shù)。精準(zhǔn)下料。精準(zhǔn)施工。保質(zhì)。保量。保時(shí)。
1 引言
中國(guó)幕墻自1984年北京長(zhǎng)城飯店首個(gè)單元式玻璃幕墻建造到現(xiàn)在為止，我國(guó)的建筑幕墻經(jīng)過了近四十年的發(fā)展，特別是近二十年建筑幕墻在各大工程項(xiàng)目上的廣泛應(yīng)用，使得各項(xiàng)技術(shù)都逐步成熟，相關(guān)各類幕墻的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范也都紛紛出臺(tái)。對(duì)現(xiàn)代幕墻從設(shè)計(jì)、加工制作到施工技術(shù)質(zhì)量都有了相應(yīng)的要求和規(guī)范，使得設(shè)計(jì)單位和幕墻公司在進(jìn)行新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工時(shí)有章可循。在一定程度上保障了建筑幕墻的安全性、可靠性，也推動(dòng)了建筑幕墻的發(fā)展。然而，由于時(shí)代的發(fā)展，各種形態(tài)各異的建筑造型和建筑風(fēng)格，無(wú)疑增加了建筑幕墻設(shè)計(jì)的難度和精度。各幕墻設(shè)計(jì)單位和幕墻企業(yè)的技術(shù)能力上的差異，使得在對(duì)各類幕墻在設(shè)計(jì)和施工不可避免的會(huì)在技術(shù)層面上出現(xiàn)認(rèn)識(shí)上的差異，特別是對(duì)于各類復(fù)雜的建筑造型，采用BIM技術(shù)輔助幕墻設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的技術(shù)上，還存在不少認(rèn)識(shí)上的差異和經(jīng)驗(yàn)不足的情況，需要強(qiáng)調(diào)技術(shù)的重點(diǎn)，以確保建筑工程項(xiàng)目的安全使用。
本文以工程項(xiàng)目為例(如下圖)，結(jié)合工程特點(diǎn)、形式，闡述石籠幕墻、銹蝕鋼板幕墻、水波紋板幕墻設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程，同時(shí)對(duì)石籠幕墻、銹蝕鋼板幕墻、水波紋板幕墻的抗風(fēng)、抗震、溫度變形等各項(xiàng)物理性能的實(shí)現(xiàn)和安全保障作深入介紹。
2.工程概況：
江蘇園博園孔山礦片區(qū)(未來(lái)花園)工程位于江蘇省南京市江寧孔山礦廢棄采石坑礦區(qū)域，基地北側(cè)山坡下為園博園二號(hào)入口，南側(cè)為現(xiàn)狀崖壁，西側(cè)山坡下為空中花園(13 個(gè)城市展園)。未來(lái)花園包括崖壁劇院及看臺(tái)、觀景平臺(tái)、云池舞臺(tái)。崖壁劇院及看臺(tái)地上三層，總座位數(shù)2418座，主要功能包括：兩組室外標(biāo)準(zhǔn)看臺(tái)(共650座)、貴賓包廂(71座)、三層室外臨時(shí)看臺(tái)(107座)、室外景觀看臺(tái)(約1590座)、觀眾休閑區(qū)、配套服務(wù)商業(yè)、輕餐飲、設(shè)備機(jī)房等相關(guān)設(shè)施。觀景平臺(tái)主要以觀景休憩和交通功能引導(dǎo)功能為主，云池舞臺(tái)主要服務(wù)于演出及秀場(chǎng)。
本文主要以云池舞臺(tái)為工程案例，系統(tǒng)講解云池舞臺(tái)子項(xiàng)中建筑幕墻設(shè)計(jì)及施工過程中采用的一些技術(shù)措施。
云池舞臺(tái)外形宛如空著飄逸的“祥云”，橫躺著的 “金魚”祥瑞。金魚乃祥龍化身的前身，故“金魚”肚底為“水波蕩漾”的龍鱗狀水波紋不銹鋼板吊頂。“金魚”橫臥上部為三個(gè)LED（詞條“LED”由行業(yè)大百科提供）舞臺(tái)，不銹鋼鑲邊，立面為層次分明的石籠幕墻和銹蝕鋼板造型曲面。云池舞臺(tái)作為未來(lái)花園中的子項(xiàng)，是未來(lái)花園的的點(diǎn)睛之作。
3.云池舞臺(tái)子項(xiàng)幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹
云池舞臺(tái)子項(xiàng)中的建筑幕墻主要包括水波紋不銹鋼金屬板幕墻、石籠墻幕墻、UHPC墻板、銹蝕鋼板幕墻、不銹鋼金屬板幕墻以及包括部分金屬鋁板、鋁合金格柵百葉、石材幕墻等，是未來(lái)花園所有子項(xiàng)中幕墻精品之作。水波紋不銹鋼金屬板幕墻、石籠墻幕墻、UHPC墻板作為云池舞臺(tái)子項(xiàng)的主要建筑幕墻，比重約占本子項(xiàng)幕墻總體的90%，約7500㎡。
3.1、水波紋不銹鋼板幕墻
水波紋不銹鋼金屬板幕墻為云池舞臺(tái)吊頂幕墻，整個(gè)吊頂面為一扭曲的三維空間翹曲向上造型體，主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，施工完成后局部吊頂如下圖：
云池舞臺(tái)頂面為三個(gè)LED舞臺(tái)，舞臺(tái)周邊為碧波蕩漾的水池，南京地區(qū)雨水多，下雨天或池水外溢時(shí)，部分雨水順著舞臺(tái)檐口流向頂部吊頂，為此，吊頂面板采用3mm水波紋不銹鋼板，龍骨為120x80x6不銹鋼龍骨。所有面板為三角錐彎曲板，順著吊頂造型扭曲排列，形成“龍鱗”效果。三錐板之間開縫處理，翹曲側(cè)面穿孔，夜間可通過側(cè)面孔散發(fā)燈光效果，夜間效果更為壯觀。
3.2、石籠幕墻
石籠幕墻為云池舞臺(tái)子項(xiàng)的另一重點(diǎn)幕墻，其特色是與周圍天然礦坑石壁融為一體，渾然天成，獨(dú)顯建筑師的匠心精神和設(shè)計(jì)智慧。石籠幕墻面材選材原則為就地取材。
石籠幕墻主要由不銹鋼圓鋼筋編制的不銹鋼石籠，裝載礦壁碎石組裝成石籠幕墻面板材料。主要受力體系由不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)和UHPC墻板結(jié)構(gòu)組成。不銹鋼石籠加工示意圖如下：
石籠幕墻結(jié)構(gòu)受力體系為不銹鋼鋼架組成的鋼結(jié)構(gòu)，與主體結(jié)構(gòu)連接形成的受力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如下圖：
石籠幕墻承托體系主要由UHPC(超高性能混泥土墻板)板組成的墻板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如下圖：
石籠幕墻安裝示意下圖：
3.3、不銹鋼金屬板幕墻
不銹鋼金屬板幕墻可看作為云池舞臺(tái)子項(xiàng)外衣鑲嵌的邊條，主要分布于舞池檐口和舞臺(tái)檐口。如下圖鳥瞰示意。
不銹鋼金屬板幕墻面板采用3mm厚8K鏡面不銹鋼板，板塊之間采用無(wú)縫密拼對(duì)接處理。考慮舞池因常年蓄水，各檐口幕墻和水常年接觸，所有檐口不銹鋼金屬板幕墻受力龍骨采用不銹鋼龍骨，主受力龍骨為120x60x5不銹鋼鋼管。舞池檐口基本做法如下圖所示：
舞臺(tái)檐口基本做法如下圖所示：
4. 水波紋不銹鋼吊頂幕墻BIM設(shè)計(jì)
云池舞臺(tái)作為一個(gè)空間構(gòu)造復(fù)制的建筑幕墻設(shè)計(jì)，必須完善建筑幕墻的施工圖紙。但通過常規(guī)的二維平板（詞條“平板”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)圖紙，很難在二維的平面上看出該造型的幾何模型，也無(wú)法準(zhǔn)確的定位、放線、施工。因此，必須進(jìn)行三維空間建模設(shè)計(jì)，確定準(zhǔn)確的建筑最終模型。我們采用Rhinoceros軟件對(duì)建筑師的設(shè)計(jì)意圖及相關(guān)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)完善和校對(duì)。
4.1、基礎(chǔ)控制線與控制面處理與分析優(yōu)化
根據(jù)建筑提供的控制線條件進(jìn)行處理，首先檢查曲線的控制點(diǎn)分布是否均勻，并對(duì)其進(jìn)行在一定的誤差范圍內(nèi)的重建優(yōu)化設(shè)計(jì)工作;
利用曲率梳工具分析控制線曲率，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)后，如下圖所示;
對(duì)生成曲面的路徑控制線及截面控制線分析及優(yōu)化，截面控制線盡量成為最簡(jiǎn)曲線或優(yōu)化為固定半徑的弧線，方便后期龍骨的有理化工作;
控制面同樣保持曲面結(jié)構(gòu)線的均勻原則，生成的曲面簡(jiǎn)潔光順，方便后期面板的有理化工作;
對(duì)控制面進(jìn)行曲率分析能夠大概知道曲面的平坦彎扭情況，細(xì)節(jié)的話可以對(duì)曲面進(jìn)行采樣點(diǎn)的曲率半徑分析工作;
4.2、吊頂曲面分格線制作及板塊優(yōu)化
根據(jù)建筑師提供的分格方案及板塊控制尺寸大小制作分格控制線;
根據(jù)建筑師提供的板塊造型需求制作獨(dú)立的吊頂板塊，最終板塊為兩個(gè)三角形平板組成的折板，形成龍鱗效果;
4.3、碰撞 檢查
建筑幕墻外表皮完成之后，下一步工作是檢測(cè)建筑幕墻表皮與建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、建筑通風(fēng)管道等之間會(huì)不會(huì)碰撞。
(1)重新抽取各層(建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、建筑通風(fēng)管道等)中的輪廓線，具體的位置對(duì)應(yīng)每層的建筑標(biāo)高。由于各專業(yè)設(shè)計(jì)存在誤差、偏差，使得建筑幕墻超容易超出建筑紅線，因此須重新根據(jù)紅線來(lái)定義建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、建筑通風(fēng)管道等的輪廓線。重新提取的建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、建筑通風(fēng)管道等結(jié)構(gòu)線就是實(shí)際施工的結(jié)構(gòu)線。
(2)抽取完各種結(jié)構(gòu)線之后，對(duì)幕墻的表皮進(jìn)行劃分。根據(jù)幕墻節(jié)點(diǎn)的尺寸進(jìn)行面板板塊的定位，并根據(jù)定位線，提取到Grasshopper插件中。
(3)通過表皮的分割，得到了幕墻表皮板塊。
(4)相關(guān)工作完成后，運(yùn)行軟件及插件，檢查建筑幕墻桿件（詞條“桿件”由行業(yè)大百科提供）、幕墻表皮是否和建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、建筑通風(fēng)管道等碰撞，干涉。若有重新調(diào)整建筑幕墻表皮、桿件。
4.4、施工下單、成品展現(xiàn)
幕墻施工下料是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)性極大的工作。涉及安全、進(jìn)度、質(zhì)量等各種問題，所有不慎，經(jīng)濟(jì)損失不可估量，為了精準(zhǔn)施工下料，保質(zhì)、保量、保時(shí)的完成工程項(xiàng)目，必須對(duì)建筑幕墻的每個(gè)桿件、板塊等進(jìn)行精準(zhǔn)編號(hào)。所有工作都在模型中完成。
(1)為了施工、安裝方便，必須對(duì)板塊進(jìn)行編號(hào)，首先要對(duì)三維空間的板塊進(jìn)行“躺平”工作，如圖11。
(2)由于部分板塊相同，為了減少工作量，可以把相同的板塊進(jìn)行分類。在分類之前，首先給板塊進(jìn)行編號(hào)。圖10
(3)最終，我們得到了不同的板塊。提取每個(gè)板塊的編號(hào)、尺寸、對(duì)角線和角度等信息，生成數(shù)據(jù)表格。圖12。
(4)各種邏輯關(guān)系通過Grasshopper插件表達(dá)清楚之后，后續(xù)工作都可通過系統(tǒng)自動(dòng)生成，批量下單，可大大節(jié)省設(shè)計(jì)師的時(shí)間。
利用參數(shù)化工具對(duì)板塊進(jìn)行批量展平及尺寸標(biāo)注，供加工使用。
5、結(jié)語(yǔ)
回顧整個(gè)建筑幕墻設(shè)計(jì)工作，實(shí)際上就是平、立、剖、節(jié)點(diǎn)圖的導(dǎo)入工作。在確定完建筑輪廓線之后，其它的工作都可以交由Grasshop-per插件來(lái)完成，通過編寫各種邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，極大地提高了幕墻設(shè)計(jì)和施工下單的效率，特別是空間造型比較復(fù)雜的建筑幕墻。
參考文獻(xiàn)
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作者單位：中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司建筑帷幕設(shè)計(jì)咨詢中心
