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复杂建筑表皮中数字化技术的应用研究
摘要：在现代建筑中，自由曲面类复杂建筑表皮项目越来越多，规模越来越大。由于自由曲面曲率变化的无规律性，传统平面和弧形的建造经验不再适用复杂建筑表皮，设计和施工面临诸多挑战，如非线性的动态变化、多样化的复杂特征以及高效的信息管理和协调需求。数字化技术在这种背景下显得尤为重要，它们能够极大地提升设计精度、施工效率，并优化建筑性能。
关键词：复杂建筑表皮;数字化技术;应用
1引言
建筑表皮是指建筑外部的围护结构，包括墙面、屋顶和其他覆盖物。它不仅是建筑的外观，也是连接室内与室外环境的重要界面。我司在近年来的工程实践中完成了多个复杂建筑表皮项目，以数字化设计、生产、管理为核心支撑，为特异形幕墙、复杂表皮提供一站式解决方案。
2 数字化技术应用
2.1 在现代建筑设计中，建筑师对复杂建筑表皮需要通过数字化设计手段来完成。
2.1.1几何分形与涌现生成
在复杂建筑表皮的设计过程中，几何分形和涌现生成是两个重要的设计理念。几何分形通过自相似的几何图案，创造出复杂的美感和结构性质。涌现生成则是通过局部规则，逐步演化出整体的复杂形态。
在我司完成的某大型体育活动场馆的外立面设计中，建筑设计师通过几何分形和涌现生成理念，创造出富有动感且复杂的建筑表皮。这种设计不仅能增强建筑的视觉冲击力，还能优化其空气动力学性能，减少风荷载（词条“风荷载”由行业大百科提供）(图1)。
2.1.2参数化与信息化
参数化设计允许设计师通过定义变量和约束条件，生成多种设计方案，并可以根据参数调整进行优化。信息化技术则通过数据交换和共享，实现各专业的协同工作，提高设计和施工效率。在我司完成的嘉兴某大型公共建筑异形建筑表皮的设计和施工过程中，建筑设计师通过参数化设计，可以精确地定义每个构件的位置和形状。
2.2 建筑信息模型(BIM)
BIM技术通过创建详细的三维模型，将建筑的所有方面整合到一个统一的系统中，支持从设计到施工再到运维的全生命周期管理。BIM技术的核心优势在于其高度的可视化和协调能力，它能够显著减少传统二维图纸中的冲突和误解，提高工作效率和工程质量。BIM提供了可视化的思路，让人们将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前。可视化的结果不仅可以用效果图展示及报表生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。BIM的协调性服务可以帮助处理各专业间的碰撞问题，由于建筑、结构、幕墙施工图纸是各自绘制在各自的专业图纸上的，特别是对于异形建筑，在真正施工过程中，可能在幕墙位置正好有结构设计的梁等构件阻碍，像这样的碰撞问题的协调解决如果不借助BIM技术就只能在问题出现之后再进行解决。BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期对各专业的碰撞问题进行协调，生成协调数据并提供出来。模拟性并不是只能模拟设计出建筑物的模型，还可以模拟不能够在真实世界中进行操作的事物。在设计阶段，BIM可以对设计上需要进行模拟的一些东西进行模拟实验，例如：节能模拟、日照模拟、排水模拟、热能传导模拟等;在招投标和施工阶段可以进行4D模拟(三维模型加项目的发展时间)，也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟(基于4D模型加造价控制)，从而实现成本控制。BIM模型不仅能绘制常规的建筑设计图纸及构件加工的图纸，还能通过对建筑物进行可视化展示、协调、模拟、优化，并出具各专业图纸及深化图纸，使工程表达更加详细。
我司承建的嘉兴某大型公共活动场馆项目的外墙工程中，BIM技术在异形建筑表皮设计和施工中发挥了重要作用。BIM技术允许建筑师创建精确的三维建筑模型，包括曲面和复杂的几何形状。这些模型可以准确地反映建筑的实际外观和结构，为雨水排导路径的模拟提供了基础。BIM技术提供了直观的可视化展示功能，使建筑师能够清晰地看到雨水在建筑曲面上的流动情况。BIM模型的实时更新功能允许建筑师在设计过程中随时修改建筑曲面的设计，并立即看到这些修改对雨水排导路径的影响(图2)。
2.3 自由曲面表皮有理化分析
由于自由曲面表皮曲率变化的无规律性，传统平面和弧形的建造经验不再适用，这一技术特点使建造难度加大，虽投入较多的人力、时间、资金，建成效果却不尽如人意。针对这一问题，我司抓住自由曲面的曲率变化在于“顺滑”而不在于“精度”这一本质诉求，对自由曲面表皮曲率进行有理化分析，形成可实施的设计模型。在嘉兴某大型公共活动场馆项目中，我司采用陶瓦次檩条（词条“檩条”由行业大百科提供）冷弯成型工艺依托三维扫描数字仿真及正向纠偏技术，完美实现了整个建筑立面的曲面，达到浑然天成的效果。
在某些项目中，建筑师设计的异形建筑表皮往往因其形状复杂无法杜绝双曲板的存在甚至无法降低双曲板的面积占比率。为了将双曲板简化成单曲板，目前采用的方式多是在幕墙板块分割好后对单块双曲板进行优化处理，但是该处理方式只能在一定精度范围内将双曲板优化成单曲板，优化效果有限，且优化后的单曲板块与原双曲板会存在一定偏差，从而与相邻板块间存在一定程度的缝隙，影响建筑效果。为保证立面成型效果，自由曲面幕墙优化设计方法是可在幕墙板块分割前对建筑曲面进行有理化处理，提高曲面质量，然后将优化后的曲面直接分割成单曲面板块，从而实现用单曲面板块拟合双曲面建筑表皮的目的，不仅降低了幕墙板块加工难度和幕墙造价，同时也消除了板块间的翘曲缝隙，保证了建筑效果，具有较高的实用价值。
2.4 参数化批量下单技术
通过参数驱动修改曲面面板的形状，在视觉误差允许的情况下，通过用单曲面代替双曲面、用平板代替单曲，尽量生成标准规格的、简单形状幕墙等方式，同时综合考虑建造成本、施工难易、物理性能、美观(例如需考虑板材（词条“板材”由行业大百科提供）规格的供应情况、数控机床加工参数以计算面板规格最大尺寸)，逐步优化并达到美观和经济的平衡。三维BIM 软件之所以能够进行面板优化，除了利用了它优异的参数化建模能力，还利用了软件的实时的数据提取能力。本着降低成本，缩短工期的要求，在不影响装饰效果的基础上，就需要进行曲面深入分析，然后运用拟合曲面方式可以达到满意效果。
在下单方面，由于异形幕墙面板加工图绘制复杂，建筑专业对幕墙的尺寸主要标注的是分格尺寸，而对于幕墙面板下单尺寸则需要扣除胶缝宽度，因此需根据对应的幕墙节点，对幕墙大面、转角及开启不同位置设置不同的扣缝值。对不同扣缝值交叉组合的项目，如无有效的校核方式，扣缝中的错误不容易被发现，从而导致下单错误、材料损失。而且对于空间异形项目，幕墙面板规格往往都不相同，对于幕墙面板规格多的项目，如果还是通过传统输入表格的方法，光料单页数可能就达到几十页纸，数据链庞大不利于数据传输。在下游生产部门，往往需要再根据纸质版料单表格进行二次手工输入进加工设备，数据量大时间紧的项目也存在输入错误的情况。因此，靠传统方式数据在多方传递过程中容易造成丢失及错误。针对上述难点，我司通过自定义参数化程序，将空间上的净尺寸加工模型，分别进行面板编号、面板加工边长标注及现场安装方向标记，并将空间面板进行拍平得到1：1的净尺寸加工模型(图3)。
在我司承建的某大型公共项目中，屋面金属板分格大部分为三角形，而三角形面板的加工，其原材料多为矩形板材。异形幕墙面板如按外接矩形进行裁板，损耗率高。特殊三角形幕墙面板如无有效排版按矩形板裁切损耗率则达一倍，材料成本高。因此通过我司自主研发的拍平展开算法，提交1：1加工模型，能有效提高原材料的套裁率，降低幕墙施工材料成本。对于幕墙面板下单的方式，我司通过BIM模型生成1：1加工净尺寸图，同时包含幕墙面板套材排版、加工编号及安装方向等因素，下游生产部门根据电子版1：1尺寸图套材裁板，裁剪出的边角料，尝试套另一种规格面板，从而节约材料成本。通过BIM参数化自定义扣缝程序、参数调节面板扣缝数值，效率高。同时可以实时通过三维模型直观、方便地检查、校核扣缝模型，保证扣缝准确率。通过BIM自定义程序将空间上的面板进行摊平，再将摊平的的平面图下发电子版1：1尺寸图，生产部门可以通过电子版直接进行数控加工，保证下单准确率。通过电子版1：1尺寸图结合标准加工图方式，准确表达加工单的加工信息，简化了数据传输。
传统面板的加工方式常用标准加工图+EXCEL表格的表述方式，每块面板都是独立的一串数据，是一个独立的个体，类似鱼缸里的金鱼不知道、见不到海洋里面的同类。没法判断自身的高矮胖瘦，而方格矩阵的表达方式也有类似缺陷。为提高项目的下单准确率，我司采用区块链接的加工图表达方式，再给加工的面板指定统一的排列方向，这样有不合群的可以一眼直观判断，追求数据100%准确率，运用的范围也更广。
2.5智能精准测量技术
三维激光扫描仪是一种先进的测量工具，其通过发射激光并接收反射回来的光信号，从而实现对目标物体的三维坐标、形状、尺寸等信息的快速、精准测量。其特点包括非接触式测量、高精度测量、快速扫描速度、全面数据覆盖、实时数据处理、兼容性和扩展性等。
在我司承建的某大型公共建筑项目中，采用三维激光扫描仪获取现场主体结构的点位数据，将其导入到Rhino模型中并对整体模型中与理论偏差较大的部位根据实际情况进行修正，可实现依据现场结构数据在模型上完成外表皮修正与下单(图4)。
幕墙定位放线阶段借助grasshopper和Rhino系统导出来的模型坐标点及编号图，导入现场全站仪中测得现场三维坐标点。
3 结语
综上所述，数字化技术在复杂建筑表皮的设计和施工中发挥着至关重要的作用，这些技术的应用不仅提升了建筑的美学价值，还增强了其功能性，使其在面对复杂环境和多样化需求时更具适应能力和竞争力;不仅可以大大提高在工程实践中复杂建筑表皮的设计和施工的效率，而且有利于优化建筑的整体性能。在未来的研究和实践中，继续深化和发展这些技术，将进一步推动建筑行业的数字化转型和可持续发展。
作者单位：上海市建筑装饰工程集团有限公司
