基于BIM技術的大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂施工方法

于洋洋 曾德華 龐 維 邵 洋

（中建深圳裝飾有限公司 天津市 300308）

1 緒論

1.1 工程概況

長春龍嘉國際機場T2航站樓建筑平面呈“人”字型布置，分為主樓和三個指廊組成，為兩層半式航站樓。航站樓面積為12.8萬m2。航站樓屋蓋為焊接球節點鋼網架結構，二層吊頂系統為大空間多重曲面蜂窩鋁板。整個吊頂投影面積5.4萬m2，由1.4萬余塊三角形蜂窩鋁板系統形成多重曲面。整個吊頂系統造型與屋面鋼結構形體基本平衡。曲面天花，曲線平滑，拼縫處圓滑過渡，整體無明顯凹凸。單元板塊間預留100mm寬的明縫，明縫順直。

圖1 蜂窩鋁板吊頂飾面模型

1.2 整體思路

采用微積分原理與網格控制思維，以建筑信息模型技術為核心，以全站儀測繪技術為助力，化整為零，由點成面。

具體方法為：全站儀測繪為建立建筑信息模型提供數據支撐、建立建筑信息模型、運用建筑信息模型號料、運用建筑信息模型控制整體曲面、運用建筑信息模型控制板間明縫、鋁板單元形成單元組控制板間順滑度。

2 全站儀測繪為BIM建模提供數據支撐

本工程為網架結構下掛三角形單元蜂窩鋁板，整體表皮為多重曲面，造型復雜多變。

網架球節點3400個，須對每個球形節點精確測量定位，形成三維坐標，為BIM建模提供依據。

與總包單位交接兩個三維控制點。測量工程師根據這兩個三維控制點建立坐標系，使用全站儀測量3400個網架球節點三維坐標，精確測量，確保閉環，測量誤差須在允許值范圍之內。并將這些測量好的三維坐標落在CAD圖紙上，為模型工程師的BIM建模工作提供支撐。

全站儀的使用，測量工程師的技術水平是決定該項工作完成情況的關鍵因素。

3 建立建筑信息模型

屋面網架由于加工制作精度、安裝定位偏差、沉降變形等因素影響，不可避免的存在結構偏差，即蜂窩鋁板吊頂表皮與網架球節點表皮不吻合。因此有必要運用BIM技術新建大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂表皮模型。本文所用軟件為CATIA、Rhino。

3.1 建立球節點波面

模型工程師根據測量工程師移交的網架球節點三維坐標建立網架球節點的曲面模型。該模型曲面波動大，整體為波陣面，任意剖面都是無規律的波線。這是由施工偏差造成的。此種狀態無任何美感。此為第一次波面，稱之為球節點波面。

3.2 優化球節點波面

模型工程師應根據設計意圖，對球節點的波陣面模型進行優化，使之成為一個順滑的曲面。這個過程可以稱為“去波成面”，此項工作將耗費模型工程師大量的精力，約占其工作量的70%。此為第二層曲面，稱之為虛擬球節點曲面。

3.3 調整優化后球節點曲面標高

去波成面后形成一個虛擬的球節點曲面。部分虛擬球節點標高高于實際球節點標高，部分虛擬球節點標高低于實際球節點標高。通過CATIA軟件導出這部分低的點。通過EXCEL軟件處理數據，選出最大值L1。虛擬曲面按此數值整體降低標高。確保所有的實際球節點高于虛擬曲面。此項工作的目的是確保所有球節點位于蜂窩鋁板完成曲面之上。此為第三層曲面，稱之為虛擬球節點二次曲面。

3.4 形成蜂窩鋁板表皮曲面

根據蜂窩鋁板基層鋼架的節點圖量出主龍骨轉接件圓管底部鋼板到蜂窩鋁板完成面的距離L2，此距離為蜂窩鋁板安裝所必須的安裝距離。將第三層曲面按L2降低標高。確保所有的轉接件與鋼骨架有足夠的安裝空間。由此形成了第四層曲面，稱之為蜂窩鋁板表皮曲面。

通過上述步驟，多重曲面蜂窩鋁板模型就形成了。主要采用微積分思維。實現鋁板完成面的優化，得到可視化、精細化、可測量化、可導出化、可施工化的模型。作為整個工程的核心，用于指導設計、施工。為實現設計意圖，順利完成履約，提供有效支撐。

圖2 三層曲面疊加狀態

運用BIM技術，使用模型導出數據指導施工，在加快現場施工效率、簡化現場放線流程，提高生產效率的同時，能夠更好的保持施工與圖紙的一致性。同時，也是對前期全站儀測繪工作、蜂窩鋁板完成面建模工作成果的檢驗與補充。利用自動控制原理形成反饋調節生態，避免出現無法挽回的質量問題。

4 運用BIM技術控制整體曲面效果

本工程屋面為網架結構、墻面為玻璃幕墻、地面正在鋪設地暖及澆筑地暖保護層?，F場不具備放線條件，完成面線無法現場彈出。且本分項工程完成面為大空間多重曲面。一般的放線方法，即由控制軸線、控制標高，圖紙標注尺寸彈出完成面線的方法，并不適用。

結合本分項工程特點，借鑒微積分與網格控制思維，將與3400個球節點焊接的主龍骨轉接件作為整體曲面的控制點，由點成面，來控制模型與現場的一致性。

前節提到由BIM技術指導號料能夠算出所有3400個主龍骨轉接件圓管長度。這些主龍骨轉接件焊接完成后其托底鋼板形成了第五層曲面，稱之為轉接件曲面。這個曲面與第二、三、四層曲面是相互平行的。由這層在現場最先施工完成的曲面控制了蜂窩鋁板完成曲面，保證蜂窩鋁板完成曲面與設計模型的一致性。

5 運用BIM技術控制板間明縫

本工程蜂窩鋁板單元間預留100mm寬的明縫。在CAD平面圖上，三角板的明縫寬度一致，均為100mm。但將這些三角板投影到曲面上，在保持正三角形邊長不變的前提下，板間明縫的寬度將變大。曲面吊頂的投影面積為54000m2，但根據模型計算其曲面面積為54400m2，這400m2的差值需要由板間明縫來補償。即，曲面上的明縫變寬了。經初略計算，曲面上蜂窩鋁板板間明縫平均值為106mm。

由一般幾何學知識可知，吊頂曲面與水平面相比，傾斜角度大的區域，板間明縫較寬，傾斜角度小的區域，板間明縫較窄，并無限接近100mm。

上述的初略分析可以得出通長明縫為一條平均寬度106mm的帶子，這條帶子在曲面較為平緩的區域寬度較窄，曲面較為陡峭的區域。且在地面某點觀測蜂窩鋁板曲面，應有三條夾角為120°的通長明縫帶。不同部位的單元板間明縫寬度是不一致的。因此控制各部位明縫的寬度為控制明縫整體順直的關鍵。此項工作的方法如下：

在蜂窩鋁板表皮曲面模型上對蜂窩鋁板單元排版分格。明縫的中線水平投影應為直線，相交的三條明縫夾角應為120°，明縫不宜過寬或過窄，應盡量貼近106mm。

5.1 控制網格及控制線的確定

根據前述內容，控制線控制線應為蜂窩鋁板間明縫的中線。

任意選擇一條豎向明縫中線，并將該線按15450mm距離進行偏移，形成若干條明縫中線，作為豎向控制線。

根據三角形蜂窩鋁板與北側收邊蜂窩鋁板的關系，確定一條橫向控制線。這條橫向控制線與每條豎向控制線有一個交點。將所有豎向控制線以此交點為中心向同一方向旋轉60°，形成斜向板間明縫中線，即斜向控制線。豎向控制線與斜向控制線相互交織，形成若干平行四邊形，即為控制網格。

5.2 蜂窩鋁板曲面分格建模

三角板單元為2.8m固定邊長正三角形。將若干正三角形根據分格從平面投影到曲面上，在保持三角形中心不變的前提下，相鄰同方向三角形的邊將不在同一個平面，即不平行。這就導致板間明縫錯臺。

建立分格模型的目的就是將這些錯臺控制到最小，讓明縫整體順滑。本文應用Rhino軟件實現上述意圖，將前述控制網格投影到曲面上，形成若干平行四邊形（嚴格意義上應為四條曲線連接形成的曲面，在此簡述為平行四邊形）。

這個平行四邊形內包含36個正三角形，豎向6個，斜向12個。將這些三角形每4塊作為一個單元組，即每個控制網格內有9個單元組。

5.3 板間明縫寬度計算

（1）將曲面上的平行四邊形斜邊按曲面弦長等分六份（平行四邊形內斜向有6個同向三角形，豎向有3個同向三角形）；

（2）弦長減去三角形邊長即為斜向相鄰同向三角形兩頂點的距離；

（3）同理算出其他三邊相鄰同向三角形兩頂點的距離；

（4）運用勾股定理計算各方向明縫間距；

（5）將數據標注于圖紙。

按此方式，控制網格內的36個三角形能夠均勻的分布在曲面上，形成的板間明縫均勻順滑。

6 結語

將BIM技術運用于大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂施工極大的提高施工效率，有效規避施工錯誤，同時縮短工期，減低成本。長春龍嘉國際機場T2航站樓大空間多重曲面蜂窩鋁板吊頂完工后，裝飾效果美觀，曲面順滑，明縫順直，得到了相關單位的一致好評。

該方法科學高效、精細便捷，為此類工程施工積累了一定的成功經驗。具有一定的借鑒意義。