論利用參數化三維技術精確控制雙曲面異型結構

劉莎莎

摘要：國家雪車雪橇中心項目的核心工程是賽道結構工程。賽道為雙曲面異形結構，由主賽道和訓練道兩個工程組成，主賽道全長1935m，16個彎道;訓練道全長約320m。賽道采用噴射混凝土技術完成，是整個項目設計、施工難度最大的項目。該結構形體的不規則性、多樣性等特性，采用基于Rhino的Grasshopper參數化建模，對每個節點的位置進行準確的定位，利用其精準性，來指導現場施工并進行實時監控，實現建筑設計與施工的銜接。過程中通過控制變量和設計參數編程，將復雜的雙曲面異型結構采用參數定義，以邏輯關系的參數設計，建立精準的設計模型，達到實現方案可視化的動態管理的目的。

關鍵詞：參數化;Grasshopper;空間雙曲面異型結構

一、引言

隨著BIM技術的快速發展，越來越多的建筑施工開始采用數字化工具建立復雜的幾何結構形式。當結構形式是復雜的異型結構時，參數化建模作為一種建模手段，配合參數化工具Rhino—Grasshopper，借助Grasshopper的平臺與建筑施工中多專業交叉作業更好的結合。Grasshopper平臺的多專業多學科的參數插件以及平臺內高度適應性使多專業可以在同一個平臺上交互進行，而Grasshopper作為Rhino平臺內的參數化輔助插件，它可以很好的完成項目中異型雙曲面賽道的建筑信息模型的構建，并保證了高度的精準性。

二、項目背景

（一）項目概況

國家雪車雪橇中心項目是北京2022年冬奧會新建比賽場館之一，賽道為雙曲面異形結構，由主賽道和訓練道兩個工程組成，主賽道全長1935m，16個彎道;訓練道全長約320m。是中國首條、全球第十六條，世界上唯一擁有回旋彎的雪車雪橇賽道，需兩個國際單項組織（IBSF國際雪車聯合會、FIL國際雪橇聯合會）進行認證，目前國際組織認證的賽道為15條（亞洲2條、北美4條、歐洲9條）。賽道最高點高程：1017.00m，最低點高程：891.00m，賽道長度：1975m，最大速度：135㎞/h，屬于國家級重點項目。

（二）項目難點

多變的賽道結構，流暢的曲線，使建筑充滿動感的節奏，在帶給我們賞心悅目的比賽同時，也使施工的難度增大。賽道的功能面為空間異型曲面，賽道的弧度、曲度、高度，都不斷變化。由于賽道的滑行速度極快，也使混凝土施工工藝在要求上更加嚴格，賽道曲面精度的誤差必須控制在10㎜以內。另外賽道結構在噴射混凝土前，還需要進行制冷管安裝、雙曲面鋼筋網綁扎安裝、找平管定位以及季候防護棚安裝和噴射操作平臺搭設等工作。因為施工場地在山區，場地和路況都很復雜，材料的運輸和堆放都不方便，所以施工的難度更大。

三、基于Rhino—Grasshopper參數化建模

（一）賽道參數控制——鋼筋骨架

曲面鋼筋變化多樣，不易控制;不規則的異型鋼筋制作安裝。賽道呈雙曲面空間異型結構，即長度、高度、寬度三個方向的每個弧度、長度都不相同，每一根鋼筋的長度，彎曲弧度都不一樣，每根鋼筋都必須單獨下料，賽道鋼筋為雙層45°網狀，鋼筋網中間是賽道制冷管，賽道精度要求為毫米級，每根鋼筋必須結合現場制冷管定位做精確安裝和調整，安裝精度要求極高且難度和工程量巨大。鋼筋通過Rhino—Grasshopper參數化平臺，設置一系列的邏輯模塊組成“電池組”編寫邏輯算法“電池組”，通過使用REBUILD命令重建曲面，將曲面的骨架線調整均勻，使得鋼筋網格均勻排布，輸入方向值，建立雙曲面鋼筋網狀結構的設計模型，并通過計算參數可提取鋼筋參數，包括長度、重量等，通過這些數據為現場的鋼筋下料安裝提供依據。

（二）賽道精度控制——找平管

根據賽道空間雙曲面異形結構的特點，將賽道劃分為賽道下檐口、底部、高墻、上檐口四大部位，對每個大部位又進行細分，如下檐口則細分為下檐口外側、下檐口三角區、下檐口內側基層、下檐口內側面層及下檐口頂部。

（三）賽道精度控制——混凝土

雪車雪橇項目是冬奧會中滑行速度最快的項目，被譽為冬奧會“雪上F1”，最大速度135km/h，因此，對賽道混凝土表面的精度要求極高。賽道全長約2公里，要求賽道曲面任何一點的誤差不能超過±10mm，表面必須整體平滑過渡。并且賽道結構為空間雙曲面殼體異形結構，每個部位的高度、曲率都不相同，無法采用固定的參考面進行參照。

所以在對賽道進行施工之前，采用參數化建模，利用Rhino—Grasshopper的參數化平臺，通過對設計圖紙上每隔2.5m距離的賽道斷面圖，進行圖形識別，獲取每一個斷面曲線數據，并寫入Grasshopper中，通過參數間的“電池組”進行邏輯運算，可使賽道設計模型的精準度極高，三維空間立體精準定位，運用Grasshopper中Curve功能拾取賽道斷面線條數據，錄入曲線參數，通過Merge集合功能整合賽道曲面線段，形成完整的賽道斷面。

在Grasshopper中將賽道斷面曲線的參數匯總修整，通過參數Loft和參數CapHoles等參數編寫的“電池組”邏輯運算將各類參數曲線放樣成完整的雙曲面異型賽道，因為賽道是混凝土實體結構，所以，需要將曲面參數轉化成封閉的實體結構。

賽道結構施工的最大的難點在于，其混凝土的噴射成型。賽道內部有密集的制冷管道、鋼筋、鋼織網等錯綜復雜。

整個賽道施工對混凝土噴射的工藝要求極為嚴苛;混凝土噴射完成后，需要依靠純人工對賽道混凝土進行精加工修面，使賽道表面精度達到毫米級，施工難度極高。

通過制冷管夾具、制冷管、找平管等的參數控制，使賽道在精加工修面的時候，有了大量的數據參考，為操作人員提供了可靠的參考數據。

（四）賽道精度復核——測量

雪車雪橇賽道為典型的半封閉空間雙曲面薄殼體結構，是采用國內首次結構混凝土噴射成型技術。賽道內曲面成型精度和平滑度均達到毫米級，精確度直接決定運動員在進行高速滑行時的安全系數。賽道完成精加工后，由專業的測量隊伍，采用三維激光掃描儀對賽道進行3D掃描，提取賽道結構表面的測量點云數據。

四、結語

在本項目中，充分運用Rhino-Grasshopper參數化設計方法，完成了雙曲面異型賽道參數化設計模型，并且其完成度、精確度均達到所要求的毫米級精度，整個BIM技術實施與現場施工管理過程契合度極高，實現了BIM技術與施工管理相結合的應用效果，做到了提前出具相關工程量、出數據、出方案規劃并以模型數據與審計單位進行工程量核算，數據全部提供給現場，達到了有效控制施工材料，節約成本以及合理的施工方案的采用。

參數化的應用概念，近幾年受到越來越多的關注，也被廣泛的應用在各類復雜建筑結構中，其參數平臺具備的高度精準性更是受到青睞。Rhino-Grasshopper的有效結合，不但實現了對復雜結構的模型處理，且同時讓設計模型與參數完整對接，特別是在處理本項目中的空間雙曲面異型賽道這樣復雜多變的曲線、曲面結構中有這不可替代的優勢。

參考文獻：

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[4]戴欣偉，《基于Grasshopper的參數化設計在產品設計中的應用探索》，2016年