羅 興

大型場(chǎng)館（如體育館、展廳等）是建筑行業(yè)的重要組成部分，此類建筑通常具有造型復(fù)雜、異形構(gòu)造多、精度要求高等項(xiàng)目特征。針對(duì)于異形項(xiàng)目的特征，采用Grasshopper 平臺(tái)上的程序式設(shè)計(jì)，這種BIM 設(shè)計(jì)方法，可以將傳統(tǒng)的二維圖紙，轉(zhuǎn)化為一種可視化的數(shù)據(jù)，通過編寫對(duì)應(yīng)程序自動(dòng)生成三維模型，將生成好的三維模型數(shù)據(jù)化，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和工廠生產(chǎn)[1]。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 項(xiàng)目概況

江山虎山運(yùn)動(dòng)公園項(xiàng)目是江山市貫徹落實(shí)衢州市委“1433”發(fā)展戰(zhàn)略體系，建設(shè)江山大花園的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目位于江山市城南，虎山東面濱江中學(xué)以東，江濱南路以西，江變路以北。項(xiàng)目用地面積為26.8 hm2，建設(shè)內(nèi)容包括體育中心和體育公園兩大部分，其中體育中心用地面積為145.5 hm2，包括體育館（幕墻高度23.9 m）、全民體育健身中心（幕墻高度26.4 m）和體育運(yùn)動(dòng)配套用房（幕墻高度49.6 m）。幕墻總面積約為5.9 萬m2，均為構(gòu)建式幕墻體系，其中主要幕墻系統(tǒng)為玻璃幕墻面積2.3 萬m2、3 mm 厚 氟 碳 鋁 單 板2.6萬m2、4mm厚氟碳鋁板（含穿孔板）0.7 萬m2（圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)效果圖（來源：招標(biāo)附件）

體育館整體外形采用方形建筑設(shè)計(jì)方案，總建筑面積96501 m2，包括4000 座體育館，全民健身中心，體育運(yùn)動(dòng)配套用房，商業(yè)平臺(tái)等。項(xiàng)目以打造成國家舉重訓(xùn)練基地、國家攀巖訓(xùn)練基地以及4A 級(jí)景區(qū)為目標(biāo)，將有效整合虎山、江濱南路沿線綠地景觀工程，濱江中學(xué)體育場(chǎng)地等，成為集賽事、培訓(xùn)、休閑、旅游、商業(yè)為一體的體育綜合體。全民健身中心內(nèi)設(shè)有游泳池，舉重訓(xùn)練場(chǎng)，羽毛球場(chǎng)、室內(nèi)攀巖館、青少年培訓(xùn)中心等設(shè)施。體育運(yùn)動(dòng)配套用房設(shè)置約300 間標(biāo)準(zhǔn)房間，滿足賽事運(yùn)營(yíng)時(shí)運(yùn)動(dòng)員、裁判、官員、工作人員住宿需求，賽后也可以為旅客及市民提供度假休閑住宿的場(chǎng)所。

1.2 難點(diǎn)分析

場(chǎng)館類項(xiàng)目以及配套建筑，均為異型曲面造型，造型分布在主立面、層間、轉(zhuǎn)角、吊頂以及屋面，相對(duì)規(guī)整的標(biāo)準(zhǔn)立面很少。常規(guī)的CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線技術(shù)以及常規(guī)幕墻施工工藝無法完成，無法滿足設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度和質(zhì)量要求。其中健身中心折線玻璃幕墻與外傾鋁板的放線精度控制通過三維掃描配合逆向建模技術(shù)過程中校對(duì)糾偏。使用參數(shù)化對(duì)特殊位置進(jìn)行建模，并生成好的三維模型數(shù)據(jù)化，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。項(xiàng)目幕墻構(gòu)造種類多，設(shè)計(jì)下單過程需逐個(gè)放樣，效率低，錯(cuò)誤率高。鑒于此，只有基于BIM 平臺(tái)的數(shù)字化智能建造技術(shù)才能解決此類復(fù)雜異型場(chǎng)館類幕墻施工。

1.3 國內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)城市化的高速發(fā)展，建筑不僅僅滿足于功能需求，也追求個(gè)性化外立面效果，于是出現(xiàn)了大量異形場(chǎng)館類建筑幕墻系統(tǒng)?，F(xiàn)代化商業(yè)特色建筑是一種國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，不僅對(duì)使用功能有較高要求，同時(shí)要求具備各式外立面美觀效果，其中場(chǎng)館類建筑曲面異形造型尤為突出，賦予了建筑莊重而強(qiáng)烈的藝術(shù)美感，使傳統(tǒng)原料與現(xiàn)代建筑巧妙的結(jié)合。然而普通CAD 設(shè)計(jì)技術(shù)和腳手架措施施工無法滿足異形幕墻施工要求，采用CAD 出圖不精準(zhǔn)和腳手架搭設(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且慢，如遇到高度較大或者無法落地情況更加難以搭設(shè)，且容易遇到腳手架影響幕墻施工情況[2]。

1.4 BIM目標(biāo)

通過運(yùn)用BIM 技術(shù)，加強(qiáng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工的協(xié)調(diào)，降低施工現(xiàn)場(chǎng)碰撞沖突的發(fā)生概率，優(yōu)化施工進(jìn)度計(jì)劃及流程，提高施工效率和安全性。同時(shí)，可視化模型還可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，提升施工質(zhì)量和精準(zhǔn)度。BIM 技術(shù)還能夠快速評(píng)估變更引起的成本變化，并優(yōu)化工廠制造質(zhì)量和物料跟蹤管理。最重要的是，BIM 技術(shù)可以為物業(yè)提供準(zhǔn)確的工程信息，幫助管理方便捷地掌握建筑維護(hù)保養(yǎng)等方面的信息，從而更好地提高物業(yè)管理的效率和質(zhì)量[3]?？傊?，BIM 技術(shù)的應(yīng)用將極大地推進(jìn)建筑行業(yè)數(shù)字化、智能化、集成化的進(jìn)程[4]。

2 BIM 基礎(chǔ)運(yùn)用

根據(jù)提供的幕墻圖紙，建立幕墻表皮，并進(jìn)行立面分格的劃分。同時(shí)利用犀牛插件Grashopper 對(duì)幕墻龍骨進(jìn)行模型建立，并把龍骨編號(hào)、長(zhǎng)度、切角角度等對(duì)應(yīng)的加工信息存入模型，方便后期材料加工過程中對(duì)加工數(shù)據(jù)的提取。整體模型建成后，將主體鋼結(jié)構(gòu)及土建結(jié)構(gòu)的模型轉(zhuǎn)入Rhino中，與幕墻模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)，經(jīng)計(jì)算理論鋼結(jié)構(gòu)龍骨與幕墻面無碰撞，在后續(xù)施工過程中將繼續(xù)保持跟蹤（圖2）。

圖2 整體模型創(chuàng)建（來源：作者自繪）

2.1 鋁板面板曲率深化

體育館彎弧區(qū)域處為雙曲鋁板，通過Grasshopper 提取原始面板上的UV 坐標(biāo)，并以該點(diǎn)位于曲面上的法線方向?yàn)閥軸，該點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系；通過程序找到曲面與坐標(biāo)系交線，并將該曲線段優(yōu)化為圓弧線，同時(shí)將該圓弧線兩端延長(zhǎng)到足夠長(zhǎng)度，確保后續(xù)尋找相交面能與雙曲板完全重合（圖3）將坐標(biāo)系z(mì)軸方向?yàn)橄蛄糠较?，交線為曲面截面，沿兩端擠出，建立優(yōu)化后的曲面（圖4）。

圖3 單曲截面建立（來源：作者自繪）

圖4 單曲面建立（來源：作者自繪）

提取優(yōu)化前曲面邊線，拉回至新曲面之上做布爾運(yùn)算，通過判斷面積大小的方式自動(dòng)提取需要的曲面，該曲面即為單弧板。通過提取優(yōu)化后的單曲板邊線，并于該曲線上提取若干點(diǎn)，通過計(jì)算該點(diǎn)至原曲面最大距離，并通過遺傳算法進(jìn)行計(jì)算，找到新曲面至原曲面最大距離之中的最優(yōu)解（即以任意一UV 坐標(biāo)所建立的新曲面至原曲面最大距離中的最小距離），通過計(jì)算，單曲板與原雙曲板誤差僅為1.2 mm，完全滿足施工要求，同時(shí)能夠降低材料加工成本?；贕rasshopper 參數(shù)化進(jìn)行翹曲分析，將體育館面板進(jìn)行分類，其中黃色區(qū)域優(yōu)化為單曲板，其余區(qū)域均為平板，青色區(qū)域翹曲最大為7.2 mm，現(xiàn)場(chǎng)通過壓彎工藝使其達(dá)到安裝工藝要求），如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化后面板分類（來源：作者自繪）

2.2 設(shè)計(jì)方案提出合理化建議

根據(jù)提供的幕墻圖紙，從模型中提取折線幕墻部分面板，通過對(duì)該處面板編寫程序，進(jìn)行面板的翹曲分析（圖6），經(jīng)過分析折線幕墻位置連接方案中玻璃面板翹曲率較大，存在正負(fù)近60 mm 的翹曲，需加工為雙曲板，從項(xiàng)目工期緊，雙曲板加工難度大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，加工成本高等角度出發(fā)。經(jīng)過與業(yè)主、設(shè)計(jì)院溝通，通過三維模型對(duì)前后方案進(jìn)行比對(duì)，最終確定標(biāo)準(zhǔn)位置采用原連接方案，折線幕墻位置更改為漸變形補(bǔ)長(zhǎng)料連接方案，雙曲板變?yōu)槠桨濉?/p>

圖6 健身中心折線幕墻翹曲分析（來源：作者自繪）

2.3 龍骨、面板數(shù)據(jù)提取

在建筑設(shè)計(jì)和施工過程中，龍骨是一種非常重要的構(gòu)件之一。它們不僅支撐著屋頂和墻壁，還起到了強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的作用。然而，在現(xiàn)實(shí)的建筑工程中，由于龍骨數(shù)量眾多、形狀各異，傳統(tǒng)的CAD 出圖效率較低，難以滿足工程需求。為了解決這一問題，運(yùn)用犀牛Grasshopper 參數(shù)化編程。Grasshopper 可以在建筑設(shè)計(jì)的早期階段對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模，并將各構(gòu)件的信息整合到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，從而提高設(shè)計(jì)和施工效率、降低總成本和風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)龍骨的制作，在Grasshopper 中提前儲(chǔ)存龍骨編號(hào)、長(zhǎng)度等信息，并導(dǎo)出龍骨剖面圖提供龍骨安裝點(diǎn)位。這樣，就可以輕松地提取龍骨的相關(guān)信息，大大簡(jiǎn)化了后續(xù)制作過程，并且避免了數(shù)據(jù)混亂和錯(cuò)誤。同時(shí)，利用Grasshopper，可以批量輸出編號(hào)圖、加工數(shù)據(jù)表等相關(guān)文件。相對(duì)于傳統(tǒng)的CAD 出圖方式，犀牛結(jié)合Grasshopper 在處理龍骨制作方面具有豐富的優(yōu)勢(shì)。采用參數(shù)化的表達(dá)方式，只需3 張加工圖便足以處理所有大面的加工，而且輸出速度更快、準(zhǔn)確度更高（圖7）。

圖7 面板數(shù)據(jù)提取（來源：作者自繪）

3 BIM 創(chuàng)新應(yīng)用點(diǎn)

3.1 3D掃描應(yīng)用

體育館由于前期勞務(wù)班組缺少異形龍骨放線人員，施工過程中龍骨精度無法達(dá)到要求，且整改難度較大，綜合考量在施工階段，通過引進(jìn)萊卡三維掃描儀，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測(cè)，采用逆向建模的方式將現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與模型相互聯(lián)系起來，了解實(shí)際偏差從而解決問題。通過現(xiàn)場(chǎng)掃描出的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到理論模型中，運(yùn)用GH 程序進(jìn)行對(duì)比分析，比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與理論偏差，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)龍骨模型進(jìn)行重新放樣，修改幕墻完成面。從而減少現(xiàn)場(chǎng)復(fù)尺工作量，同時(shí)能夠?qū)γ姘暹M(jìn)行批量化下單，大大降低了項(xiàng)目及設(shè)計(jì)人員的工作量（圖8、圖9）。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)掃描（來源：現(xiàn)場(chǎng)照片）

圖9 掃描電云（來源：作者自繪）

3.2 3D掃描應(yīng)用總結(jié)

在BIM 團(tuán)隊(duì)的思考和實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)了一些問題和挑戰(zhàn)。例如，掃描人員反饋現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)軸缺失，導(dǎo)致點(diǎn)云無世界坐標(biāo)信息、未清理干擾物件導(dǎo)致掃描的點(diǎn)云存在無效物件、導(dǎo)出的點(diǎn)云模型未處理導(dǎo)致BIM 軟件內(nèi)存消耗要求過大等。針對(duì)這些問題，提出了以下解決措施：第1，針對(duì)坐標(biāo)軸缺失的問題，提供特殊位置現(xiàn)場(chǎng)照片，讓翻模人員進(jìn)行交底，以保證逆向建模精準(zhǔn)度。第2，對(duì)于未清理干擾物件的問題，建議在關(guān)鍵點(diǎn)位做標(biāo)記物再進(jìn)行掃描，以確保精度，并減少不必要的翻模處理工作。第3，為解決導(dǎo)出的點(diǎn)云模型未處理的問題，可以適當(dāng)做抽稀處理，以減小內(nèi)存消耗和提高軟件處理效率。

通過這些措施的實(shí)施，能夠更好地應(yīng)對(duì)BIM 設(shè)計(jì)和施工中出現(xiàn)的問題和挑戰(zhàn)，提高工作效率和精度，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的建筑項(xiàng)目交付。

4 BIM 拓展應(yīng)用點(diǎn)

穿孔鋁板排孔程序編寫思路的實(shí)現(xiàn)需要一定的技術(shù)和計(jì)算能力。該過程可以通過Grasshopper 程序?qū)崿F(xiàn)，使得傳統(tǒng)面板排孔的時(shí)間得以精簡(jiǎn)，具體為：

1）根據(jù)布孔原則提取鋁板邊界，并向內(nèi)偏移25 mm（布孔原則）生成新的穿孔邊界，并將四邊進(jìn)行排序，使其具有普適性。這一步驟的目的是為了將鋁板的邊界提取出來，并生成新的穿孔邊界，以方便后續(xù)的計(jì)算。同時(shí)，將四邊進(jìn)行排序也是為了讓鋁板的穿孔邊界具有普適性，以適應(yīng)不同種類的鋁板。

2）提取長(zhǎng)邊及相鄰直角邊，并將孔直徑與孔距之和為等分距離，計(jì)算等分?jǐn)?shù)量，并以兩邊進(jìn)行偏移。同時(shí)進(jìn)行布爾計(jì)算切除邊線以外的部分。這一步驟的目的是將鋁板上的孔進(jìn)行等分，以達(dá)到美觀、均勻的效果。同時(shí)，通過布爾計(jì)算，將不需要穿孔的區(qū)域切除，以減少后續(xù)計(jì)算的復(fù)雜度。

然后，找出各自偏移曲線之后通過相交計(jì)算提取曲線間的交點(diǎn)，并以該交點(diǎn)為圓心，生成鋁板穿孔布孔。這一步驟的目的是根據(jù)鋁板上等分后的孔位置，在相應(yīng)位置生成實(shí)際的穿孔布孔。

3）對(duì)于斜邊較大的穿孔板對(duì)邊長(zhǎng)等分的方式并兩兩連接，形成交織網(wǎng)，然后計(jì)算曲線間相交點(diǎn)，并以該交點(diǎn)為圓心，生成鋁板穿孔布孔。

通過Grasshopper 程序，可以對(duì)穿孔鋁板進(jìn)行排孔操作。這種方法不僅能夠顯著節(jié)省傳統(tǒng)面板排孔的時(shí)間，而且在處理較為復(fù)雜的異形面板和彩釉玻璃釉面方面表現(xiàn)出優(yōu)異的效果。此外，當(dāng)面板尺寸較多且需要排孔的數(shù)量較大時(shí)，傳統(tǒng)排孔方式往往會(huì)消耗大量?jī)?nèi)存資源，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)問題，對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，通過對(duì)面板進(jìn)行排序并按順序逐一排孔的方式，有效減少了內(nèi)存占用，提升了計(jì)算系統(tǒng)的效率。因此，通過Grasshopper 程序進(jìn)行排孔，能夠高效、快速、精準(zhǔn)地完成任務(wù)，是一種非常值得推薦的方法。

5 總結(jié)與展望

隨著BIM 技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其在大型場(chǎng)館類建筑的幕墻設(shè)計(jì)和施工中起到了積極作用。以下是對(duì)該應(yīng)用案例的更深入的分析：

1）提高效率。江山虎山運(yùn)動(dòng)公園項(xiàng)目中，通過BIM 技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以快速準(zhǔn)確地建立三維模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)。這樣一來，設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題可以更早地被發(fā)現(xiàn)并解決，避免了在施工期間出現(xiàn)不必要的返工和延遲。此外，BIM 模型還可用來優(yōu)化材料使用、調(diào)整物流方案等，從而進(jìn)一步提高施工效率。

2）節(jié)約材料成本。通過BIM 技術(shù)，可以對(duì)幕墻的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行全面的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，避免浪費(fèi)和重復(fù)造成的材料浪費(fèi)。例如，BIM 軟件可以快速生成材料清單，并幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中使用更少的材料，從而降低材料成本。同時(shí)，在生產(chǎn)幕墻材料時(shí)，BIM 技術(shù)也可以幫助指導(dǎo)下料和制作，提高生產(chǎn)效率和準(zhǔn)確度。

3）精細(xì)施工。通過BIM 技術(shù)，施工人員可以在3D 模型中得到實(shí)時(shí)的視覺反饋。這有助于他們更好地理解設(shè)計(jì)意圖，同時(shí)也能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量和定位。通過BIM 技術(shù)的精細(xì)化施工，能夠提高施工效率，減少誤差，并且在施工完成后，也能夠更快更準(zhǔn)確地進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)[5]。

4）人才培養(yǎng)。為了更好地應(yīng)用BIM 技術(shù)，需要有一批懂得BIM 技術(shù)和幕墻設(shè)計(jì)和施工的專業(yè)人士。因此，對(duì)人才的培養(yǎng)非常重要。同時(shí)，隨著BIM 技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，也需要持續(xù)學(xué)習(xí)和更新知識(shí)，以應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)?？傊?，在大型場(chǎng)館類建筑的幕墻設(shè)計(jì)和施工中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用將成為未來建筑行業(yè)的主流趨勢(shì)。各方面的專業(yè)人士需要持續(xù)地探索和研究，推動(dòng)BIM 技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展，使其更好地發(fā)揮作用。

6 結(jié)語

幕墻設(shè)計(jì)技術(shù)主要在傳統(tǒng)CAD軟件平臺(tái)上應(yīng)用發(fā)展，在新的建筑市場(chǎng)環(huán)境下的各類折線、曲面建筑造型，傳統(tǒng)CAD 技術(shù)已經(jīng)力不從心。因此，基于軟件Rhino 中開發(fā)Grasshopper 平臺(tái)的幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究是幕墻設(shè)計(jì)領(lǐng)域的及時(shí)雨，在異形幕墻、單元體幕墻和構(gòu)建式幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)用中，有效解決了多角度拼接面和曲面的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)，施工階段快速提料、快速完成加工圖，極大提高了設(shè)計(jì)工效，降低設(shè)計(jì)人員投入，為項(xiàng)目施工提供精準(zhǔn)施工定位坐標(biāo)[5]，為異型項(xiàng)目工期履約提供了有效基石。通過江山虎山的實(shí)踐應(yīng)用探索，技術(shù)突破并得到積累，在后期異型項(xiàng)目施工應(yīng)用起到了引領(lǐng)和保障作用。