张 凯 张昌奇 张洪岩 赵 越

中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250014

曲面单元体幕墙是当今建筑的发展趋势，有广阔的市场前景和效益增长点。BIM参数化建模也是国家主推的技术形式，随着计算机技术在幕墙行业的快速发展，BIM三维技术必将引领未来建筑向可视化、一体化、装配化快速发展[1-4]。

本文结合阜阳市大剧院幕墙工程，对BIM参数化在实际工程中变曲面鱼鳞状单元体加工、施工的应用进行全过程阐述和分析，展现了BIM参数化建模对曲面单元体幕墙的设计、加工、施工各环节效率提升的效果。

1 工程概况

阜阳市大剧院位于安徽阜阳城南新区，建筑高度46.50 m，建筑面积56 000 m2，主要幕墙形式为变曲面鱼鳞状单元体（图1）。设计理念源于“莫比乌斯环”，造型为整体多曲面的环形结构，从天空俯视，建筑形状类似于玫瑰。其中变曲面鱼鳞状单元体约2 600块，单元体的尺寸各不一样，单块面积约8 m2，总面积约2万 m2。

图1 工程效果图

2 工程重难点分析

工程各单元板块竖向呈鱼鳞状翘曲效果，且与地面有渐变的内外倾角，曲面呈花瓣形高低渐变，上下相邻板块翘曲差值最大为150 mm，所有单元体各组成构件无任何相同尺寸。工程造型复杂，工期有限，工作量大，需在短时间内完成所有单元体各构件的提料、加工图、装配明细表等工艺文件，并协助项目现场在复杂的曲面结构上实现单元体的准确定位和安装，加工和施工难度极大。

本工程采用BIM参数化三维建模，全程可视化，易于沟通、展示，调整参数即可快速更新模型，易于纠错、修改。所有加工信息借助参数化从模型中提取，整理形成全套提料、加工、组框等工艺文件。采用与导出数据表配套的通用带参数加工图，输出图纸量小，便于生产加工，解决了加工图参数多、工作量大、传统人工放样出图错误率高的问题，有效保证准确性和工作效率。通过模型导出空间点位数据，实现不规则曲面上单元体的测量定位、挂接，保证安装定位的准确性。通过在加工厂完成绝大多数工序，从而使现场工作量小，施工速度快，能够减少现场劳动力配置、降低成本、缩短工期。

3 BIM参数化工艺流程

3.1 主体结构复测与曲面优化

采用全站仪、放线机器人等测量放线工具，对主体结构复测，得到三维坐标值，与主体结构模型理论值作对比，找出偏差值较大数据，校核并调整模型表皮，重生成幕墙曲面。

在设计院原始幕墙表皮模型基础上，根据建筑图和结构图，深化补充模型中各幕墙面，加入主体土建结构、钢结构及其他附属结构，完善模型。

利用BIM软件Rhino和参数化插件Grasshopper对幕墙曲面进行高斯曲率分析、鱼鳞状翘曲分析。根据分析结果将模型单元曲面分类，对不平整顺滑的曲面重新拟合生成，达到顺滑的曲面效果，并将所有曲面板块优化为平板，方便后续建模及加工。

调整完善好模型后，借助碰撞检测，找出施工干涉点，结合施工顺序，协调、组织项目各参与方进行多方会议，共同提出和解决问题。结合模型曲面分布和现场施工组织策划、劳务安排，合理划分批次，并在三维模型中按施工顺序编号。

3.2 单元体参数化建模

借助三维建模软件Rhino、参数化工具Grasshopper，编制出一整套编程组，实现基于单元体四边分格线，批量生成单元体三维实体，并自动按编程组对型材进行切角、开孔等操作。配合带参数通用加工图，各加工参数输出为Excel表格，整理形成全套加工工艺文件。

3.3 参数化信息提取与归集

每批次单元体有多种类型，每种类型各组成构件都生成单独的参数表，参数表数量多，数据庞大，需要整理和归集。借助Excel办公软件及其二次开发工具、型材套裁软件等，完成包括参数表汇总合并、纠错、编号、检索替换、排序、统一格式、批量输出等工作，最终生成实际加工厂及项目部可直接利用的完善工艺文件。

3.4 工厂一体化加工与组装

按批次进行型材、面材、辅材等信息输出，并交予加工厂。加工厂依据工序明细表确定每批需组装单元体编号及数量，按提料单、套裁单进行材料入库，采用锯切设备进行切割、下料，首样检验合格方可批量加工。型材下料后，按编号合理存放，车间划分不同工序班组和场地。采用数控加工中心机床编程，由电脑程序控制整个加工过程，可以一次性、精确无误地完成钻、铣、冲压等操作，依次完成型材加工组框、装面材、装辅料、注胶等工序。

单元体完成立柱、横梁组框后，需先用钢卷尺等测量对角线尺寸，与组框图标示的对角线对比校核，保证总体尺寸在允许误差范围之内。质检员在加工和组装过程中对每道工序都进行质量检测，合格后做好单元体擦洗、清除残胶等清洁工作，贴好标识，固定包装好，运输至项目工地现场。

3.5 型材余量跟踪统计

单元体提料、加工、施工过程中，对每一批提料和实际使用数量进行记录和统计，对加工厂和项目现场余料处理过程进行跟踪，严格控制库存余量。所有材料使用信息都有汇总表可随时查询，可动态掌握材料使用数量及库存，便于统筹采购与制定生产计划。特别是首批和最后一批提料，在保证型材不缺料的情况下，将材料使用率尽可能提高并减少最终剩余量。

3.6 现场装配式施工

3.6.1 单元体场区存放

单元体加工完成后按照规划的运输路线按时、按量运输，在不影响现场施工的前提下进场卸货。卸货地点将视垂直运输工具的繁忙情况而定。

卸货方式采用叉车或吊车两种。卸下后由带滑轮的周转架将单元体送入幕墙单元体临时堆放点妥善放置。装卸过程中，应采用有足够承载力和刚度的周转架，衬垫弹性垫，保证板块相互隔开并相对固定，不得相互挤压和串动。

3.6.2 钢转接件定位

在BIM模型中，将每一处挂件及转接件实体，借助参数化按图纸规则批量生成，按需求制定编号规则并编号。

预先在BIM模型中实体模拟单元体装配，提前发现问题和做好准备工作，确定项目现场安装需要的点位坐标数据。利用Rhino软件Grasshopper插件的参数化，提取每个转接件两个定位点的三维坐标，导出参数表和编号图用于现场定位安装。

3.6.3 划分塔吊区域

根据工期较短，安装难度大的特点，将单元板块划分为必须使用塔吊的板块（如屋面位置）、必须使用吊车的板块数量（塔吊范围之外）、可选择塔吊或吊车的板块。将单元体幕墙分段施工，并根据塔吊分布位置合理布置施工范围。

3.6.4 钢转接件焊接措施

结合不同施工段，合理选用曲臂车、脚手架、可移动式钢结构挂笼等焊接钢转接件。先按定位点点焊固定，复测安装精度无误后再满焊，清理打磨焊接位置，喷面层漆、防锈漆。

3.6.5 单元体吊装

单元体运抵项目现场后，根据需要进行垂直运输安排。高处单元体主要采用塔吊进行垂直运输，部分低处单元体采用汽车吊吊装。

每吊运一次，至少应有10人参与吊运，1人进行塔吊操作，3人进行地面辅助，4人在屋面处进行单元体卸货及安装，2人指挥。在指挥员的指挥下，塔吊司机放下吊钩，地面辅助人员将吊钩钩住吊点，塔吊司机缓慢收紧吊绳，地面辅助人员稳住吊架。随着吊件上行，地面辅助人员撤离至安全位置。

3.6.6 单元体精准定位

单元式幕墙单元板块的三维微调通过单元体上的连接构件来实现，利用主体钢结构上的钢制转接件与铝合金角码进行y方向的微调，利用铝合金角码与铝合金单元挂件进行x方向的微调，铝合金单元挂件之间进行空间z方向上的微调。

单元板块就位后，应及时校正。单元板块校正后，应及时与连接部位固定，并应进行隐蔽工程验收。单元板块固定后，方可拆除吊具，并应及时清洁单元板块的型材槽口。安装前后应对单元体采取适当措施加以保护，防止单元体发生碰撞、污染、变形等现象。

4 结语

BIM参数化建模在阜阳市大剧院幕墙工程得到充分应用，单元体幕墙工程施工工期缩短了3个月，并大大减少了人力成本，工程施工质量优良，得到业主极大认可。通过实际深度应用和工程验证，BIM参数化适用于各种普通和复杂单元体幕墙工程的施工，特别是在鱼鳞状、翘曲、双曲面等复杂的单元体工程中更具优势。

BIM参数化建模对现代工程有显著辅助和优化作用，能有效实现单元体幕墙的可视化设计、参数化建模、装配化施工，有较强的专业集成性、全面性和广泛的适应性，能显著提高工程质量，降低工程造价，减少施工周期，对类似项目具有一定的指导及借鉴意义，具有良好的社会和经济效益。