摘要：本文主要介绍湖北省十堰市体育场双曲铝板幕墙及双曲铝合金装饰格栅的设计。重点介绍了双曲幕墙主要材料的优化思路和利用BIM设计优化幕墙主要材料的过程，以及应用BIM设计进行材料订购和辅助施工。
关键词：BIM设计；双曲面铝板幕墙；双曲线铝合金装饰格栅；双曲面幕墙主要材料优化
一、前言
随着建筑业的不断发展，建筑物的造型也日益复杂。幕墙作为建筑物的外壳，对建筑效果起着决定性的作用。近年来，双曲面幕墙建筑异军突起，广受建筑师和业主青睐。为了满足建筑设计师和业主对建筑效果和幕墙造价的期望，建筑幕墙的设计和施工显得尤为重要。然而，一些设计师是双曲面建筑新手，对双曲面幕墙的设计、施工和成本控制不熟悉。有些设计师可能多次接触过双曲面幕墙的设计和施工，但仍缺乏相应的经验。给业主和幕墙承包商造成了一些难以挽回的损失。本文通过真实案例向您讲解：如何利用BIM设计完成双曲面幕墙的设计和成本优化；如何利用BIM设计下材料订单并协助施工。希望能给正在或即将做双曲面幕墙设计与施工的工程师一些启发和参考。
二、项目概况
十堰青少年户外训练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（见下图一）。这些场馆的外幕墙和金属屋顶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，综合体育馆是最大的场馆，建筑面积30466.22平方米。主体空间为一层，部分设计为五层。可提供看台固定座位约6000个、内场活动座位约2100个、常规座位约8100个，最多可容纳10000多名观众。
图1 十堰青少年户外训练基地整体效果图
与其他几个场馆相比，综合体育馆的外观也最具特色。它的形状像一朵开放的石榴花和一个高速旋转的车轮。其形状寓意“石榴花开，车轮滚滚”。石榴花是十堰的市花，寓意十堰繁荣昌盛。此外，十堰还是一座汽车城。采用这一设计，将其打造成十堰的标志性建筑。
综合体育馆的造型由12片花瓣组成，呈螺旋状环绕。 “花瓣”采用9420块3毫米厚的双曲面穿孔铝单板和924块直径200毫米的空间扭曲弧形装饰铝合金圆管格栅现场组装，使整个建筑显得轻盈、优雅、独特。场馆建筑高度38.9米，相当于10层以上住宅楼的高度（见下图2）。
图2 立面效果图
三、体育场馆幕墙简介
从平面图上看，最外层由12片花瓣组成。花瓣的横截面是12个弧形。 12条弧线不同心，交错成锯齿状。向内有幕墙钢结构、建筑钢结构和内幕墙门窗百叶窗系统（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延伸至屋顶，并与屋顶排水沟相连。排水沟内环为立缝屋面系统，屋面中心为夹层中空玻璃采光屋面（见下图4）。
图4 屋顶平面图和剖面图
穿孔铝板横向接缝错开，纵向网格分为两块铝板。一组螺旋式上升。当铝板达到一定高度时，铝板的曲率随着海拔的增加而增大。与此同时，各组之间的身高差逐渐拉开，增大到200度，然后逐渐缩小。当铝板旋转到向屋顶水平旋转时，铝板的间隙收缩成一条缝（见下图5）。
图5 体育馆局部图
4、利用BIM设计优化体育场幕墙主要材料
现在大家对项目的形态已经有了基本的了解。大家都知道，这种双曲面幕墙的深入设计和施工必须使用三维建模软件，并利用其参数化插件导出设计和施工所需的各种数据，获得这些数据后，进行后续工作可实现材料加工、现场测量放样、施工等。
在深化幕墙设计时，我们发现建筑设计院提供的犀牛模型太小。幕墙表皮干扰了建筑物的主体钢结构。我们需要根据建筑物钢结构的尺寸重新创建模型。考虑到该项目的工期非常紧张，整个幕墙的工期只有100天，所以在建模过程中我们重点关注了幕墙主要材料的以下几个方面：
A、材料必须易于加工、易于安装；
B、材料加工周期必须满足施工工期，安装施工过程中必须方便赶工；
C、材料的加工成本必须控制在预期范围内。
4.1 双曲幕墙框架及铝合金装饰格栅优化
基于以上要求，我们发现，如果按照原来的犀牛模型，冲孔铝幕墙中的主要骨架将全部是空间三维曲线。每片花瓣有20列主骨架。这20列骨架的曲率各不相同。同时，每列骷髅的总长度约为百米，在这百米之内，任何地方都没有标准的中心弧线。因此，骨架的加工难度很大。即使加工，加工周期也会很长，无法满足工期要求。太多的曲率规格也会给安装带来很大的麻烦。赶工方便，加工成本也会比预想的高很多。
当我们建立新模型时，会立即建立双曲面幕墙的内部骨架，以确保内部骨架具有标准半径钢结构排水沟的尺寸，并且面外畸变高度差不大于7.5mm（见图下 6）。应考虑7.5mm的扭曲高度差通过优化消化幕墙节点，如果满足上述要求，则双曲幕墙骨架将被加工成标准的二维圆弧。
图6 体育馆双曲幕墙骨架建模原理示意图
骨架模型建立后，将骨架模型导入到准备好的Grasshopper电池组中进行测试（见下图7）。如果骨架不符合上述原则，则会变成预设的红色，如果骨架符合上述原则，则会变成预设的绿色。优化后的骨架模型均满足预设要求（见下图8）。
图7 Grasshopper电池组检测骨架模型
图8
图9
骨架优化后即可加工成标准圆弧。骨架加工分为12个圆弧半径（见上图9）。红色部分是1个半径。这个半径的总弧长约为18000米；绿色部分为1个半径，这个半径圆弧的总长度约为5600米；蓝色分为10个半径，这个半径圆弧的总长度约为3300米。经过这样的优化后，骨架加工和安装的难度大大降低，加工成本也低于预期。铝合金装饰格栅也是按照上述流程进行优化建模的，不再赘述。
4.2 双曲幕墙面材优化
下面讲一下冲孔铝板面材的优化建模。众所周知，双曲面铝板的加工成本昂贵，尤其是本项目的双曲面铝板。如果不进行优化，板材的曲率规格很多，加工费对工程成本起着决定性作用，因此这部分的优化最为关键。
本项目大部分铝板长度为2000mm，宽度为1000mm左右。经过与铝板厂家技术人员的沟通和了解，并与幕墙设计师反复讨论和测试后，我们考虑将本项目的铝板加工成两类。第一类：板材翘曲度在20mm以内的话，考虑将铝板加工成平板；第二类：如果翘曲超过20mm，则将铝板加工成单板（见下图10）。
图10 体育馆双曲幕墙铝板造型原理示意图
基于上述原则，我们在不改变建筑外观的情况下，通过微调幕墙的曲率来重新建立幕墙面板模型。如果整体模型中的单块铝板能够满足以上两个要求，则铝板可以加工成平板和单板。弧形面板运输到现场，安装时铝板沿幕墙框架弯曲，实现幕墙整体的双曲线造型。按照这个思路，整体面板模型就顺利完成了。导入编译好的 Grasshopper 电池组测试（参见下图 11）。如果面板达到上面第一类，就会变成预设的绿色，如果达到上面第二类，就会变成绿色。更改为默认的红色（参见下面的图 12）。
图11 Grasshopper电池组检测面板模型
图12
图13
红板翘曲度超过20mm，绿板翘曲度小于20mm。铝板绿色部分面积约15000平方米，将以平板形式加工运往现场。红色部分的3500平方米铝板将作为单板加工后运往现场。为了验证安装的可靠性和效果，现场制作了样品进行试安装。所有业主对样品的效果都非常满意（见上图13）。
通过幕墙主要材料的优化，很大程度上节省了幕墙的成本。同时，降低了幕墙框架和幕墙面材的加工和安装难度，满足了工期要求，也达到了幕墙理想的装饰效果。
5、利用BIM设计进行材料订购和辅助施工
本项目幕墙采用三维软件建模：A、首先建立整体幕墙表皮，提交业主及设计院审核确认（见下图14）； B、幕墙骨架、传递钢件等内部构件建立； C、设置进入主体钢结构，检查是否与幕墙干涉； D、建立与幕墙的关系墙体连接的屋面系统和排水系统，为其他子工程提供技术支撑； E、从3D软件中导出幕墙转接钢件、幕墙骨架、面板等项目的安装数据和加工数据（见下图15~18）。分别提交项目部和采购部进行线路敷设施工和材料采购。
图14 整体幕墙表皮3D模型
图15 双曲铝板幕墙骨架三维点位图及加工尺寸图
图16 双曲面铝合金装饰格栅铝三维点图及加工尺寸图
图17 铝板安装三维点位图
图18 铝板加工尺寸表
图19 铝板安装照片
图20 完成后的照片
六、结论
本工程幕墙施工工期很短。从幕墙测量、铺设到竣工验收，仅用时100天。如此尺寸的双曲面幕墙只需要这么短的时间就可以完成。
该项目不仅依靠强大的项目管理团队，还依靠设计师在前期成功优化幕墙设计钢结构排水沟的尺寸，并依靠BIM设计提供的强大技术数据支持共同实现。希望我们的经验对大家有用。帮助。
作者单位：北京凌云宏达幕墙工程有限公司
