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摘要：本文主要介绍湖北省十堰市体育馆双曲面铝板幕墙、双曲铝合金装饰格栅的设计，着重介绍双曲幕墙主材的优化思路并利用BIM（词条“BIM”由行业大百科提供）设计对幕墙主要材料进行优化的过程，以及运用BIM设计进行材料下单和辅助施工。
关键词：BIM设计;双曲面铝板幕墙;双曲铝合金装饰格栅;双曲面幕墙主材优化
1、前言
随着建筑行业的不断发展，建筑的造型也跟随着变得日趋复杂，幕墙作为建筑的外衣，对建筑效果起着决定性的作用。近些年来，双曲面幕墙建筑异军突起，受到建筑师和业主的广泛青睐，为了满足建筑设计师（词条“建筑设计师”由行业大百科提供）和业主对建筑效果、幕墙造价的期望，建筑幕墙（词条“建筑幕墙”由行业大百科提供）的设计、施工就显得尤为重要。但有些设计师是初次接触双曲面建筑，对双曲面幕墙的设计、施工及成本控制都比较陌生，有些设计师可能已经多次接触过双曲面幕墙的设计和施工，但仍然缺少相应经验，进而给业主和幕墙承包单位造成了一些无法挽回的损失。本文通过真实案例给大家讲解：如何利用BIM设计完成双曲面幕墙的设计和成本优化;如何运用BIM设计进行材料下单和辅助施工。希望给正在或将要做双曲面幕墙设计、施工的工程师们一些启发和借鉴。
2、工程概况
十堰市青少年户外培训基地分为：综合体育馆、游泳跳水馆、青少年活动馆、综合训练馆四个主场馆(见下图1)，这几个场馆的外幕墙及金属屋面均由北京凌云宏达幕墙工程有限公司负责设计和施工。其中综合体育馆是面积最大的场馆，建筑面积达30466.22平方米，主要空间为一层，局部设计五层。可提供看台固定（词条“固定”由行业大百科提供）座约6000个，内场活动座约2100个，常规座椅约8100个，最多可容纳一万多名观众。
图1 十堰市青少年户外培训基地整体效果图
综合体育馆相较于其他几个场馆，其外观也最具特色，其形态犹如一朵开放的石榴花，又像一只高速旋转的车轮，外形寓意“石榴花开，车轮滚滚”。石榴花是十堰的市花，寓意十堰兴旺发达、繁荣昌盛，加上十堰又是车城，采用这样的设计，将它打造成为十堰的地标性建筑。
综合体育馆外形由12片花瓣组成，花瓣环绕簇拥螺旋展开。“花瓣”用9420块3mm厚双曲面穿孔铝单板（词条“铝单板”由行业大百科提供）和924支直径200的空间扭曲弧型装饰铝合金圆管格栅在现场组装而成，使整个建筑形体显得轻盈飘逸，独具匠心。场馆建筑高度为38.9米，相当于10多层的住宅楼高度(见下图2)。
图2 立面效果图
3、体育馆幕墙介绍
从平面（词条“平面”由行业大百科提供）图上看，最外层是由12个花瓣，花瓣横截面是12个弧线，12个弧线各不同心，相互错开成锯齿形，再向内依次是幕墙钢结构、建筑钢结构和内层幕墙门窗百叶系统(见下图3)。
图3首层平面图
穿孔铝板和装饰铝合金格栅从二层一直蜿蜒延伸到屋面，与屋面排水（词条“排水”由行业大百科提供）沟相连，排水沟内圈是直立锁边屋面系统，屋面圆心位置是夹胶中空玻璃采光顶(见下图4)。
图4屋顶平面图和剖面图
穿孔铝板横缝为错缝设置，竖向分格为两块铝板一组螺旋向上，当铝板达一定标高后铝板曲率便随着标高的增高而增大，同时组与组之间的铝板高差缝隙逐渐掀开加大至200后再逐渐缩小，铝板旋至向屋面平转处时铝板缝隙缩小至缝合(见下图5)。
图5体育馆局部图
4、利用BIM设计对体育馆幕墙主材进行优化
现在大家已经对该项目外形有了基本的了解,大家都知道这种双曲面幕墙深化设计及施工必须借助三维建模软件，利用其参数化插件导出设计和施工所需的各种数据，得到这些数据后才能实现材料加工、现场测量放线和施工等等后续的工作。
在幕墙深化设计时我们发现建筑设计院提供的犀牛模型偏小，幕墙表皮已经与建筑主体钢结构相互干涉，我们需要根据建筑钢结构尺寸重新立建模，考虑到此项目工期非常紧，整个幕墙施工工期只有100天时间，因此建模过程中我们对幕墙主材着重从以下几个方面作了考量：
A，材料必须方便加工，方便安装;
B，材料加工周期能必须满足工期，安装施工过程中必须方便抢工;
C，材料的加工成本必须控制在预期范围内。
4.1 双曲幕墙骨架和铝合金装饰格栅优化
如果依据上述要求，我们发现如果按照原犀牛模型，穿孔铝板幕墙内的主骨架将全部是空间三维曲线，每个花瓣有20列主骨架，这20列骨架曲率都不一样，同时每列骨架总长约100米，这100米内也没有一处有标准的圆心弧，因此，骨架的加工难度非常大，即使加工出来了，加工周期也会很长，满足不了工期要求，曲率规格太多也会对安装产生很大困扰，不方便抢工，加工成本也将超出预期很多。
我们在进行新模型建立时，双曲面幕墙内部骨架紧跟着建立，保证内部骨架要有标准半径，同时平面外扭曲高差不大于7.5mm(见下图6)，7.5mm的扭曲高差考虑通过优化幕墙节点消化，如达到上述要求，就将双曲幕墙骨架加工成标准二维圆弧。
图6 体育馆双曲幕墙骨架建模原则示意图
骨架模型建立后，将骨架模型导入编制的Grasshopper电池组检测(见下图7)，如果达不到上述原则的骨架会变成预设的红色，达到标准的骨架会变成预设的绿色，优化的骨架模型全部达到预设要求(见下图8)。
图7Grasshopper电池组检测骨架模型
图8
图9
骨架优化后，均可加工成标准圆弧，骨架加工一共分为12个弯弧半径，(见上图9)红色部分为1个半径，此半径弯弧总长度约18000米;绿色部位为1个半径，此半径弯弧总长度约5600米;蓝色为分成10种半径，此半径弯弧总长度约3300米。如此优化后，大大减轻了骨架加工和安装难度，加工成本低于预期。铝合金装饰格栅也是按上述过程进行优化建模，不再赘述。
4.2 双曲幕墙面材优化
下面谈谈穿孔铝板面材的优化建模。众所周知双曲面铝板加工费用昂贵，特别是这个项目的双曲板块，在不优化的情况下板块曲率规格众多，其加工费对工程造价起决定性作用，因此这部分优化最为关键。
本工程铝板大部分长度2000mm宽度1000mm左右，经与铝板厂家技术人员沟通与了解，并通过幕墙设计人员反复研讨试验后，考虑将本工程铝板加工成两类，第一类：板块翘曲度在20mm以内的，考虑将铝板加工成平板;第二类：翘曲度超过20mm的铝板，将铝板加工成单曲板(见下图10)。
图10 体育馆双曲幕墙铝板建模原则示意图
我们根据上述原则，在不改变建筑外形效果的前提下，通微调幕墙曲率重新建立幕墙面板模型，如果整体模型里的单块铝板能达到上述两种要求，就可以将铝板分别加工成平板和单曲板运至现场，铝板安装时顺着幕墙骨架压弯成型，实现整体幕墙双曲造型。顺着这个思路，整体面板模型顺利完成，导入编制的Grasshopper电池组检测(见下图11)，如果达到上述第一类的面板会变成预设的绿色，达到上述第二类的面板会变成预设的红色(见下图12)。
图11Grasshopper电池组检测面板模型
图12
图13
红色板块翘曲超出20mm，绿色板块翘曲小于20mm，绿色部分铝板面积约15000平米，将按平板加工运至现场，红色部分3500平米铝板将按单曲板加工运至现场。为了验证安装可靠性和效果可靠性特在现场制作试装一片样板，业主各方对样板的效果都非常满意(见上图13)。
通过幕墙主材的优化，极大程度的节约了幕墙成本，同时减小了幕墙骨架和幕墙面材的加工难度和安装难度，满足了工期需求，同时也达到幕墙理想的装饰效果。
5、运用BIM设计进行材料下单和辅助施工
本项目幕墙采用三维软件建模：A，首先是建立整体幕墙表皮，交业主、设计院审核确认(见下图14);B，建立幕墙骨架、转接钢件等等内部构件;C，套入主体钢结构检查是否与幕墙干涉碰撞;D，建立与幕墙交接的屋面系统及排水系统，为其他分项工程提供技术支持;E，从三维软件中导出幕墙转接钢件、幕墙骨架、面板等安装数据和加工数据(见下图15~18)，分别交项目部和采购部进行放线施工和材料采购
图14整体幕墙表皮三维模型
图15双曲面铝板幕墙骨架三维点位图和加工尺寸图
图16双曲面铝合金装饰格栅三维点位图和加工尺寸图铝
图17铝板安装三维点位图
图18铝板加工尺寸单
图19铝板安装照片
图20完工照片
6、结语
本项目幕墙工程工期非常短，从幕墙开始测量放线到竣工验收，前后一共才100天时间，这么短的时间完成如此体量的双曲面幕墙
项目，不光要靠强大的项目管理团队，也要靠设计师在前期对幕墙进行成功的优化设计，以及靠BIM设计提供的强大技术数据作支撑来共同实现，希望我们的经验能对大家有所帮助。
参考文献
[1]《BIM纲要》同济大学出版社 主编;李邵建
[2]《双曲弧形纯铝板内幕墙的施工初探》作者：李羽林
[3]《浅析参数化BIM技术在双曲面帷幔幕墙中的应用》 作者：田恒银 卓晨 郭运祥 黄志鹏
[4]《金属与石材幕墙技术规范》 JGJ133-2001
[5]国家现行的相关标准和规范
作者单位：北京凌云宏达幕墙工程有限公司
