摘要：空间异形钢结构体系上的幕墙及屋面系统工程，应充分考虑建筑钢结构与幕墙体系不同技术的差异性，设计中应对二者之间的连接构造进行补偿与调整；采用综合位置检测、BIM参数化设计，为施工提供依据；应考虑后荷载作用下钢结构变形的影响。
关键词：空间异形钢结构幕墙、屋面系统补偿、调整连接结构、BIM参数化设计
项目概况
该项目位于四川省成都市天府新区成都直辖区兴隆湖畔，地处泸溪智谷核心区，是扎哈·哈迪德建筑事务所设计的整个成都独角兽项目中众多形态各异的办公楼宇中的第一个建筑项目。成都独角兽项目的设计创新多变，可适应多种不同的需求。规划也强调生态与科技的结合，旨在打造以高质量、全周期、全要素良性发展为目标的产业生态圈。
本项目外观设计理念
在独角兽岛的规划中，扎哈·哈迪德建筑事务所采用了睡莲的概念，建筑单元造型独特，犹如盛开的莲花，与生态结构十分契合。其中不少单元中央为雨水花园，用于收集雨水，起到自然环保的作用。以独角兽岛启动区项目为例，示范区的建筑形态犹如一朵展开的睡莲，中央的漏斗结构可以很好地收集雨水，同时中庭也能为建筑办公提供良好的自然采光和环境景观。
独角兽岛启动区项目主体结构为钢结构作为主要承重体系，建筑由主楼及地下室组成，主要功能包括展厅、媒体发布厅、工程建设指挥部、办公室、会议室、停车场、设备用房及其他配套服务设施。主楼地上2层、地下1层，总高度20m。建筑屋面以下主体结构采用钢框架结构；
屋面平面呈71m×44m近似椭圆形，屋面最高处为14.100m。根据建筑选型、空间使用及视觉美观的要求，屋面及内部支撑筒采用单层空间十字钢结构网架建造体系。整个屋面网架结构由内部支撑网筒+8根外围钢管柱+外围立体环桁架支撑；节点均为相贯焊接节点，支撑筒柱脚为铰接节点。表皮为双曲面，主要材料为铝蜂窝板（檐口部分）、铝塑板（屋面部分）、夹层玻璃（屋面及漏斗凹面部分）构成整个外观造型。
幕墙及屋面系统实施设计
异形建筑的结构框架和表皮设计也是一种建筑艺术。幕墙、金属屋面在原有建筑模型的基础上，利用Rhino等软件进行深度设计、参数建模、数据输出等工作，进一步深化表皮、龙骨等所有加工、安装信息。通过参数化优化，保证每块面板尺寸在施工面积范围内，也与后期加工、施工预制息息相关。此外，在施工前期可以对结构进行碰撞，发现施工中可能出现的问题。这些技术手段在设计、加工、施工过程中，都大大提高了效率。
BIM参数化设计流程步骤：
1、技术手段选取：输入数据为建筑表面各定位点坐标，表面为典型的非线性高阶曲面，所需数据量非常大且涵盖范围广；为了优化设计流程，更好地体现参数化特点，幕墙建模并未采用当下流行的GrassHopper建模方式，而是采用了Rhino软件平台及其内部集成的Python开发环境的技术路线。其显著特点是集成度高、运行稳定、数据提取功能强大灵活，特别适合设计中的参数调整。
2、幕墙实施步骤（以屋面及立管为例）：根据设计单位及建筑师的设计意图，按照定位点进行网格线建模，并与建筑师的建筑表皮检查契合度。然后根据建筑师的效果图和确定的幕墙系统图，进行面板、主龙骨等部件的建模。
龙骨的加工采用切角、打孔的方式，由于项目的特殊性，每根龙骨的切割尺寸、角度、打孔位置、辅助连接构件的尺寸、距离等都不一样，每根龙骨都需要按照幕墙系统的尺寸逻辑进行加工。3000多根龙骨由软件根据编制的参数化驱动程序自动加工，结合加工图、工艺图，从模型中提取加工尺寸并导出，方便生产单位加工制造。通过BIM参数化设计，不到一个月就能完成所有构件的加工信息、材料清单、施工定位数据。
空间交叉网格钢结构及幕墙、屋面体系实施过程
由于本项目主体钢结构设计与施工均按照建筑钢结构独立进行，基于一般建筑钢结构的应用理解与工期要求，在实施过程中忽略了单层矩形钢（~400x80x10）所形成的空间交叉网格结构，最终将其视为建筑内部活动空间中具有可视性、装饰性，并与其外幕墙、屋面相协调的构件体系。因此其矩形钢构件并未按照空间曲面组装的要求进行弯曲、扭转、造型，而是采用直杆件进行简单的空间拼接，在较大的空间弯曲处甚至杆件中间部位，通过切割、翻边、再焊接，勉强形成空间交叉网格体系，导致空间交叉网格面不平整，空间位置偏差较大，交叉处内外错位不一致，视觉观感不佳。
针对此情况，幕墙公司在主体钢结构施工完成后，立即对空间交叉网格结构进行现场施工偏差分析，现场扫描步骤如下
施工偏差分析：中部漏斗处钢结构截面均为矩形，每个交叉口由6根不同方向的空间钢管组成。由于原设计中幕墙格栅方向需与主体钢结构钢梁方向完全一致，因此对主体钢结构的施工精度要求非常高。
但现实中钢结构采用截面厚度~400mm的矩形型钢，空间表面简单用直线段拟合，内外表面存在形状和位置差异，相交不能同时考虑内、外，导致出现以下情况：
由上图可见，该位置外表面钢结构节点与理论节点基本一致，可以实现原设计的幕墙划分。
从上图可以看出，该位置外表面钢结构节点与理论节点偏差较大，有的钢架完全偏离了原设计方向，原有的幕墙网架设计无法实现。为此，采用三维扫描仪对整个钢结构进行扫描测量，获取了大量的点云数据。利用Geomagic Control X 2018软件对数据进行处理，并与原理论模型进行分析对比，发现现场钢结构与理论模型存在大量错位、干扰等偏差，在喇叭口面变化最大的区域，最大偏差达到了150mm。
幕墙节点及表面调整
经过项目各方的分析、协调，一致同意对原有的表皮模型进行调整重塑，以适应现存空间钢结构的形状和位置偏差。
原始幕墙平面图如下，天窗玻璃龙骨与主体钢结构通过铝板连接，铝板与主体结构之间仅保留20mm的缝隙。在最初的设计理念中，幕墙龙骨与主体结构完全对齐，缝隙均匀，室内观感流畅，构件简洁，这才是扎哈的初衷。
但由于空间异形结构的特殊性，若要使双曲面生成的龙骨与钢结构完全一致，幕墙龙骨与主体结构需要经过扭弯+折弯的加工，钢结构与龙骨的定位安装必须与模型提供的理论位置完全一致。这种加工安装方式难度极大，而现有的空间建模钢结构都是采用折弯代替折弯的加工安装方式，势必导致幕墙龙骨与钢结构龙骨无法完全一致的现象。同时由于现场施工的误差，部分主钢龙骨已经偏离原有的理论位置，按照方案的节点处理方式，连接耳板将无法与钢结构连接。因此需要重新设计幕墙铝框与主体钢结构的连接节点，并以此新增节点来调整幕墙表皮。
设计调整后，新增幕墙连接节点，在钢结构交接处挑出一个钢球，幕墙铝框通过连接耳板、螺栓与钢球连接。增加钢球后，连接点由交接处的1/5处变为交接处的中心，取消了连接铝板。增加了主体结构与铝龙骨之间的距离，减弱了主体结构与幕墙龙骨之间造成的错位。连接耳板中心线与钢球中心对齐，可适应钢框各种调整角度。另外，连接耳板与钢球可制成相同规格，便于批量加工。
由于安装钢球的原因，铝龙骨内侧不可避免地会形成六角形的空腔，为了封堵空腔，采用圆柱形铝板包裹龙骨及主体结构，使室内效果更加简洁。
根据新增节点，原幕墙表皮在漏斗处需后退180mm才能满足安装设计要求。由于幕墙表皮为异形双曲面，与顶部檐口铝板的交线不能改变，因此新的幕墙表皮不能整体偏移180mm，而应从漏斗处向檐口铝板处逐渐偏移，偏移量从180mm逐渐变化为0。然后利用Python编程找到原面的控制点，生成新的面。偏移后得到的新面与原面一样光滑，得到了扎哈·哈迪德设计团队的一致认可。
幕墙网格调整
根据扎哈·哈迪德设计团队的要求，新的幕墙网格需要根据现场实际钢结构进行调整，每个铝框与主体钢结构之间的偏移量要尽可能小，调整后的网格线需要与原网格径向处于同一条直线上。漏斗立筒处的网格线为铅垂线，上下网格点不允许在左右方向上出现偏差。为此，采用了如下python编程建模，利用扫描后得到的主体结构模型计算出每根钢梁的中心线。钢梁一共有2656根成都钢结构屋面防水，一共生成2656条对应的中心线。然后以原网格点为参考点，找到该参考点附近的6根钢梁的中心线，并找到这6根钢梁的中心线与原网格点所在径向平面的等效交点，共生成697×6=4182个交点。
以原网格点为参考点，找到该参考点附近的六条钢梁中心线与径向面的交点，再用这六个交点求一个加权平均点的坐标值。最后，找到这个加权平均点与调整后的表面最近的点作为新的网格点。将新的网格点连接起来，就得到了新的幕墙网格线模型。在建模过程中，对线条所在的线、点、三角形进行编号和分类，以便下一步对模型进行BIM参数化切割。
根据原建筑表皮设计，三角板面材料可分为5种组合方式：6Low-e+12Ar+6钢化中空玻璃、10Low-e+12Ar+8+1.52PVB+8钢化中空夹胶玻璃、4mm厚铝塑板、三角形中间为10Low-e+12Ar+8+1.52PVB+8钢化中空夹胶玻璃其余部分为4mm铝塑板、三角形中间为4mm铝塑板其余部分为4mm铝塑板。由于外角玻璃需做挂边加工，所以在下料时需先测量每条边相邻两面的角度，以区分玻璃的加工方式。
在建立网格线的时候，就已经区分好了面材种类，此时只需要用Python编程测量每条边相邻两个面的角度，并提取每条边长对应的数据，然后一并导出进行面材处理，同时可以生成该面材的实板，方便查看和校对。
外角处玻璃节点，提取各面材边长尺寸参数及各个角度，从模型中导出面材加工数据
铝副车架BIM参数化切割
玻璃和铝塑板通过铝副框固定在铝合金主框上，根据每条格栅线相邻两个三角形的角度不同，所采用的铝副框也不同。
这里我们可以复用上一步测量角度和边长的Python程序模块，经过数据处理后就可以得到每个面材板对应的每个铝副框的加工参数。同时在模型中还可以生成1：1的副框模型，方便查看和校对。
铝合金主龙骨BIM参数化切割
铝合金主龙骨的切割是整个工程最复杂的部分，一交叉口处有6个铝框，每个铝框需要相互相切，切割角度也不尽相同，根据切割角度不同，铝框的加工类型可分为以下8种形式：
再加上耳板处铝框的孔位等其他参数，单个铝框的加工参数多达28个。
其他连接件BIM参数化切割
钢球的定位决定了铝合金主龙骨的安装精度，因此钢球需要利用三维坐标进行定位。
最终通过Python编程提取出各项加工参数、定位坐标等数据进行现场施工，每一块面材、龙骨都完美定位安装，没有任何加工误差、安装错位。
工程竣工沉降变形及渗漏处理
该项目屋面于3月份完工，在项目交付使用、室内装修前，经过夏季暴雨天气，发现铝板与玻璃板缝隙变化较大，受多种因素影响，屋面胶缝撕裂，出现局部渗漏，需全面排查，彻底消除隐患，满足用户使用功能要求。
从设计来源分析，玻璃天窗顶部钻有两道胶缝，铝蜂窝板外层为开放式结构，除胶水外，还在内层防水板胶缝处粘贴了60mm宽的弹性聚烯烃胶带，理论上屋面防水性能可靠。
主要原因如下：
1、本工程主体钢结构沉降尚未稳定，可能造成钢结构变形与屋面结构变形不一致，造成密封胶撕裂。
2、夏季暴雨、烈日，使屋面金属板因冷热交替而产生热胀冷缩，屋面坡度平缓，不利于排水，同时屋面铝蜂窝板外层为开放式结构，采用多点固定支撑，增加了防水的漏水点。
3、屋面工程完成后开始室内装修，室内装修增加的GRG等材料荷载叠加在钢结构上，钢结构重力荷载加大引起的沉降导致屋面防水密封胶撕裂，也是此次漏水可能原因之一。
为了使屋面适应各种极端气候条件，保证工程安全使用成都钢结构屋面防水，需要对屋面进行防水施工，防水施工步骤如下：
1、全面检查屋面所有可能出现漏水的部位，特别是防水层上的许多支撑点。
2、原屋面设计中的普通防水耐候密封胶应更换为位移能力更大的专用屋面耐候密封胶（+100~-50）并重新施工。
3、屋面开口铝蜂窝板部分改为耐候密封胶密封方式。
结论：
1、应充分了解建筑主要承重钢结构与维护装饰幕墙系统的区别：制作精度、外观性能等，特别是当支撑钢结构不再封堵而将直接作为装饰系统展示时，其构件表面及空间形态的差异应更加细化，并提出施工要求。
2、由于支承钢结构体系的构造、实施工艺、精度等客观问题，要求增设的屋面与幕墙体系之间必须有必要的设计技术措施和手段来补偿、调整安装形状与位置，以弥补二者空间形状之间的误差。
3、对于复杂的空间面——屋面、幕墙、天窗等系统，为保证其设计效果、平整度和流畅度，在建筑承重钢结构体系成型后，空间位置检测、BIM技术的运用、造型重塑、桥接等是必不可少的步骤。在设计过程中，对主体模型进行较大的修改，并没有导致后续的技术缺陷和工期延误。通过python与Rhino的合理结合，同步调整所有相关模型参数（包括面材、龙骨信息），方便准确，充分体现了BIM技术的强大。
4、空间钢结构作为整体建筑体系的承载基础，在内外装修荷载作用下，必然再次发生变形，这是不容忽视的问题，对事先已经定位安装好的外防护面（屋面、幕墙、天窗等）会造成一定的影响，可能造成部分面板的位移、胶缝变化、开裂、渗透等，这是该类结构体系完工后才形成的。因此二次检查、消除渗漏是必不可少的步骤。
5、尽量不要使用开缝屋面系统，因为安装在其上的系统众多支撑件为渗漏提供了更多的可能性，一旦出现渗漏，检查和维修将更加困难。可以使用复合屋面（装饰板开缝），下部屋面最好使用更可靠的系统，如垂直锁缝系统+卷材系统（增加施工成本）。其实，使用优质、大位移密封胶可以提供表面无污染、无开裂的可能性。
作者单位：四川省装配式建筑行业协会
上海旭博建筑装饰工程有限公司
