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摘要：空间异形钢结构体系上的幕墙、屋面系统工程应充分考虑建筑钢结构与幕墙系统不同技术的差异，设计上两者之间应有补偿、调整连接构造;应采用全面站位检测及BIM参数化设计、提供施工依据;应考虑钢结构在后加荷载作用下形变带来的影响。
关键词：空间异形钢结构幕墙、屋面系统补偿、调整连接构造BIM参数化设计
工程概述
本工程位于四川省成都市天府新区成都直管区兴隆湖湖畔,鹿溪智谷核心区，为扎哈哈迪德事务所设计的整个成都独角兽项目众多造型各异的办公写字楼中第一个建筑项目，成都独角兽项目方案设计形态创新多变，可以适应多种不同需求，规划上也强调生态和科技的结合，旨在打造高品质、全周期、全要素的良性发展为目标的产业生态圈。
本项目的外观造型设计理念构想
在独角兽岛规划方案上，扎哈哈迪德事务所整个采取了睡莲的概念，建筑单体形态独特，形态上犹如一朵朵绽放的莲花，与生态学结构十分贴切，许多单体中心都是雨水花园，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，该示范区建筑形态上犹如一朵展开的睡莲，中心的漏斗结构，可以很好的收集雨水，同时该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做为主承力系统，建筑由主楼和地下室组成，主要功能包括展示大厅、媒体发布大厅、工程建设指挥部、办公、会议室、停车场、设备机房等其他配套服务设施。主楼地上2层，地下1层，建筑总高度20m，该楼屋面以下主体结构采用钢框架结构;
屋盖平面形状为71m×44m近似椭圆形，屋盖最高点标高为14.m。根据建筑选型、空间使用和视觉美观要求，屋面及内部支撑筒体采用单层空间交叉钢结构网格构造系统。整个屋面网格结构由内部支撑网格筒+外围8个钢管柱+周边立体环桁架支撑;节点均采用相贯焊接节点，支撑筒柱脚采用铰接节点。表皮为双曲面，主要材料采用了铝蜂窝板(檐口部位)、铝塑板(屋顶部位)、夹胶玻璃(屋顶及漏斗下凹部位)共同形成整个外形。
幕墙、屋面系统的实现设计
异形建筑的结构框架及表皮设计也是一种建构艺术，幕墙及金属屋面在原始建筑模型基础上，用犀牛等软件进行模型的深化设计、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。通过参数化进行优化，既保证每一块面板尺寸都在可施工面积范围内，同时也能与后期加工及施工预制化息息相关，并可以在施工前期对结构进行碰撞检测，发现施工可能出现的问题，这些技术手段极大的提高了在设计、加工和施工过程中的效率。
BIM参数化设计步骤过程：
1、技术手段的选取：输入数据为建筑表皮的定位点坐标、表皮为典型的非线性高阶曲面、需求的数据量非常大且涵盖面广;为了优化设计流程，更好的体现参数化特征，幕墙建模并没有采用流行的GrassHopper方式建模，而采用了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、提取数据功能强大灵活，尤其适合设计中的参数调整。
2、幕墙实施步骤(以屋面及竖筒部位为例)：依据设计单位和建筑师的设计意图，根据定位点，将分格线建立出模型，并且与建筑师的建筑表皮进行拟合度校对，再依据建筑师的效果以及确定的幕墙系统图纸，将面板和主龙骨等构件生成模型。
在龙骨上进行切角、打孔等处理，因为项目的特殊性，每一根龙骨的切角尺寸和角度、打孔的位置以及辅助连接构件等，其尺寸和距离都是不一样的，需要根据幕墙系统的尺寸逻辑，对每一根龙骨进行处理。其多跟龙骨按照编制的参数化驱动的程序，由软件全自动处理。配合加工图和工艺图，从模型中提取导出加工尺寸，供生产单位加工制造。通过BIM参数化设计，所有构件的加工信息、料单以及施工定位数据可以在不到一个月时间即完成。
空间交叉网格钢结构及幕墙、屋面系统的实施过程
由于本项目主体钢结构设计、施工是按照建筑钢结构独立进行的，基于一般建筑钢结构的应用理解及施工工期要求，实施中忽略了其大部分由单层矩钢(~x80x10)形成的空间交叉网格结构，最终是作为建筑内部活动空间可视、具有装饰效果的并与其外表幕墙、屋面协调的构件系统，因而，其矩钢构件没有按照空间曲面造型拼装要求进行弯曲、扭转、塑形处理，只是简单采用直线的杆件进行空间拼接，在较大的空间弯曲处甚至在杆件中部切断、转折再焊接，勉强形成空间交叉网格系统，造成了空间交叉网格曲面的不平顺、空间位置偏差大、交叉点内外面错位不一致、可视感观效果不佳的情况。
针对这种状况，幕墙公司在主体钢结构施工完成后立即进行空间交叉网格结构现场施工偏差分析。现场扫描步骤如下图
施工偏差分析：中间漏斗处钢结构均为矩形截面，每个交点处由6根不同方向的空间钢管拼接而成，由于原设计方案中幕墙分格走向需要与主体钢结构的钢梁方向完全一致，因此对主体钢结构的施工精度要求非常高。
但由于实际上钢结构是由具有截面厚度达~mm的矩钢、以直线段来简单拟合空间曲面，其内外形面存在形位差，交接点无法内外兼顾，就形成了如下状况：
从上图中可以看出，此位置外表面的钢结构节点与理论节点基本一致，原设计的幕墙分格可以实现。
从上图中可以看出，此位置外表面的钢结构节点与理论节点偏差较大，有的钢框完全偏离了原设计的方向，原设计的幕墙分格无法实现。为此，在采用三维扫描仪对整个钢结构进行了扫描和测量，得到大量点云数据，运用GeomagicControlX软件进行了数据处理，与原理论模型进行分析对比，发现现场钢结构与理论模型产生了大量的错位、干涉等偏差，在喇叭口曲面变化最大区域偏差最大值达到了mm。
幕墙节点及表皮调整
经过项目各方分析、协调达成意见：原表皮模型必须要通过调整、重新塑形以适应现有已经成型的空间钢结构的形位偏差。
原幕墙方案图如下所示，采光顶玻璃龙骨与主体钢结构之间由铝单板衔接，铝单板与主体结构间仅保留20mm缝隙，原设计理念中幕墙龙骨与主体结构完全对齐，缝隙均匀一致，室内观感平顺且构件简洁，此为扎哈设计初衷。
但由于空间异形构造的特殊性，由双曲面表皮生成的龙骨如需与钢结构完全一致对应，幕墙龙骨及主体结构均需要按扭曲+弯弧加工工艺方能实现，且需要钢结构及龙骨的定位安装与模型提供的理论位置完全一致。此加工及安装方式难度极大，并且现有空间造型钢结构实施中是采用以折代曲加工安装，则必然出现幕墙龙骨与钢结构龙骨无法完全对应的现象。同时，由于现场施工的误差，部分主体钢龙骨均偏移了原理论位置，按照方案节点做法，将出现连接耳板无法连接至钢结构上的情形，因此需要重新来设计幕墙铝框与主体钢结构的连接节点，并以此新节点来调整幕墙表皮。
调整设计后，新的幕墙连接节点通过在钢结构交接点处挑出一个钢圆球，幕墙铝框通过连接耳板和螺栓连接于钢圆球上。增加钢圆球后，连接点由距交点1/5处改为交点中心，且取消衔接铝板，主体结构与铝龙骨间距加大，弱化了因主体结构与幕墙龙骨导致的错位观感。连接耳板中心线与钢圆球中心对齐，可以适应钢框的各种调节角度。且连接耳板和钢圆球均可做成同一规格，方便批量化加工。
由于安装钢球，铝龙骨室内侧必然会形成六角形空腔，为堵住空腔，龙骨与主体结构间用圆柱形铝板包裹，室内效果更为简洁。
根据新的节点，在漏斗处原幕墙表皮需要往外退mm才可满足安装设计要求。由于幕墙表皮为异型双曲面造型，在顶部与檐口铝板的交接线不能有变动，因此新的幕墙表皮不能整体往外偏移mm，而应该在漏斗处至檐口铝板交接处为不等量的渐变偏移，偏移量由mm渐变至0，再通过采用python编程方式找出原曲面的控制点、生成新的曲面，偏移后得到的新曲面跟原曲面一样光滑顺畅，得到了扎哈哈迪德设计团队的一致认可。
幕墙分格调整
根据扎哈哈迪德设计团队的要求，新的幕墙分格需要按照现场实际的钢结构来做相应的调整，务必使每根铝框与主体钢结构的偏移量尽可能小，且调整后的分格线需要在径向上与原分格径向保持同一直线，以漏斗竖桶处分格线为铅垂线，上下分格点不允许存在左右方向的偏差。为此采取了以下python编程建模，利用扫描后得到的主体结构模型，求出每段钢梁的中心线。一共有段钢梁，共生成条对应的中心线。再以原分格点为参考点，找出这个参考点附近的6条钢梁的中心线，求出这6条钢梁的中心线与原分格点所在径向面的等效交点，一共生成×6=个交点。
以原分格点为参考点，找出这个参考点附近的6个钢梁中心线与径向面的交点，以这6个交点再求出一个加权平均点的座标值，最后找出以此加权平均点到调整后曲面的最近点即为新的分格点。将新的分格点连线，即得出了幕墙新的分格线模型。在建模的过程中，对各条线、点以及线所在的三角形等进行编号、分类处理，以便进行下一步的模型BIM参数化下料。
根据原建筑表皮设计，三角形板块面材可分为5种组合类型：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厚铝复合板、三角形中间为10Low-e+12Ar+8+1.52PVB+8钢化中空夹胶玻璃其余为4mm铝复合板、三角形中间为4mm铝复合板其余为4mm铝复合板。由于阳角处的玻璃需要悬边处理，因此在下料时首先需要测量每条边相邻两个面的角度，以区分玻璃的加工方式。
在建立分格线时已经区分好了面材的类别，此时只用python编程测量各条边相邻两个面的角度，并提取相应的各个个边长数据，然后一并导出、用于面材加工。同时可以生成面材的实际板块，便于查看和校对。
阳角处玻璃节点、提取各面材边长尺寸参数及各种角度、从模型中导出面材的加工数据
铝副框BIM参数化下料
玻璃与铝复合板均通过铝副框固定于铝合金主框上，根据各条分格线相邻的两个三角形的角度，所采用的铝副框也不同。
在此可以重复利用上一步中测量角度及边长的python程序模块，再经过数据处理就可得出对应每个面材板块的各个铝副框的加工参数。同时，模型中还可生成1：1的副框模型，以便查看和校对。
铝合金主龙骨BIM参数化下料
铝合金主龙骨的下料是整个项目当中最复杂的一个环节，在一个交点处有6根铝框相交，各个铝框之间需要两两相切，所切的角度无一相同。根据所切角度的方式不同，铝框的加工类型可分为以下等8种形式：
再考虑耳板处铝框开孔等其他参数，单根铝框的加工参数多达28个。
其他连接件BIM参数化下料
钢圆球的定位决定了铝合金主龙骨的安装精度，因此需要对钢圆球采用三维座标来定位。
最终现场施工按照通过python编程提取的各个加工参数、定位座标等数据，每块面材和龙骨均完美定位安装，无一出现加工错误或安装错位的情形。
施工完成后沉降形变、渗漏的处理
本工程屋面3月份竣工，在工程尚未交付使用、内部装修进行过程中，经过夏季的暴雨，可见到铝板、玻璃板块之间缝隙变化比较大，因各方面因素导致屋面胶缝撕裂发生局部渗漏，需进行全方面排查，以彻底消除隐患，满足用户使用功能要求。
从设计源头分析，玻璃采光顶部位打两道胶缝，铝蜂窝板部分外层为开放式构造，内层防水板胶缝处除打胶外再粘60mm宽弹性聚烯烃胶带，理论上屋面的防水性能是可靠的。
经分析主要原因如下：
1、本项目主体钢结构自身沉降尚未趋于稳定，也可能会造成钢结构的变形与屋面结构变形不一致导致密封胶的撕裂。
2、经过夏季既有大雨倾盘，又有烈日暴晒，一冷一热间造成屋顶金属面板的热胀冷缩变形;屋面坡度平缓，不利于排水;同时屋面铝蜂窝板部分外层为开放式构造、多点固定支座给防水增加漏点。
3、屋面工程竣工后，内装开始施工，内装附加的GRG等材料荷载叠加到钢结构上，因钢结构重力荷载加大而导致的沉降引起屋面防水密封胶的撕裂，也是可能造成这次漏水的原因之一。
为了使屋面适应各种极端天气，并保证工程的安全使用，有必要对屋面进行防水施工，防水施工的步骤如下：
1、全面排查屋面各处可能会发生渗漏的部位，特别是防水层上众多支座点。
2、在原设计屋面的普通防水耐候密封胶，改用变位能力更大的变位能力+~-50专用屋面耐候密封胶重新施工。
3、屋面开放式铝蜂窝板部分改为耐候密封胶密缝方式。
结语：
1、应充分理解作为建筑承力主体钢结构与维护装饰幕墙系统的差异性：制作精度、外观表现等，特别是当支撑钢结构不再封修，将作为装饰体系直接展现情况下，对其构件的型面、空间形位差异、应做更精细的设计、施工要求。
2、支撑钢结构系统因其构造及实现工艺及准确性客观存在的问题，应要求在其加装的屋面、幕墙系统与其之间一定要设有必要的可补偿、调整安装形位的设计技术措施和手段，以弥补两者空间形面之间的误差。
3、对于复杂的空间表面-屋面、幕墙、采光顶等系统，为保证其设计效果、光滑平顺等，在建筑承力钢结构体系形成后，空间站位检测、采取BIM技术手段，重塑、弥合造型是一个不可缺少的步骤。设计过程中，主模型的较大改动，并没有导致随后的技术缺陷及工期滞后，通过python与Rhino的合理结合，所有相关模型参数(包括面材、龙骨信息)的同步调整便捷而准确。充分体现了BIM技术的强大。
4、空间造型钢结构作为整体建筑体系的承力基础，在其内外装修荷载加载后，必然产生再次形变是不可忽略的问题，它将对先行定位、安装完成的外围护表面(屋面、幕墙、采光顶等)产生一定的影响，可能产生部分板块的移位、胶缝的变化、开裂渗透的现象，是此类构造系统完成后的一种形态，因而二次检查、排除渗漏是一个不可少的步骤。
5、屋面系统尽量不要采用开缝形式，因其上加装系统的众多支座给渗漏提供更多的可能，当产生渗漏时，将对排查、维护产生更大的困难;可采用复合式屋面(装饰面板开缝)，下部屋面最好采用更为可靠的系统，如直立锁边系统+卷材系统(需增加造价)。事实上采用优质的、大变位能力的密封胶可以提供表面无污染不开裂的可能。
作者单位：四川省装配式建筑产业协会
上海旭博建筑装饰工程有限公司
作者：吴智勇 张毅 王雨文 韦现梓 阳玉燕
来源：-分析报告
立足协会服务行业
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