劉莎莎

摘要：國家雪車雪橇中心項目的核心工程是賽道結(jié)構(gòu)工程。賽道為雙曲面異形結(jié)構(gòu)，由主賽道和訓(xùn)練道兩個工程組成，主賽道全長1935m，16個彎道;訓(xùn)練道全長約320m。賽道采用噴射混凝土技術(shù)完成，是整個項目設(shè)計、施工難度最大的項目。該結(jié)構(gòu)形體的不規(guī)則性、多樣性等特性，采用基于Rhino的Grasshopper參數(shù)化建模，對每個節(jié)點的位置進行準(zhǔn)確的定位，利用其精準(zhǔn)性，來指導(dǎo)現(xiàn)場施工并進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)建筑設(shè)計與施工的銜接。過程中通過控制變量和設(shè)計參數(shù)編程，將復(fù)雜的雙曲面異型結(jié)構(gòu)采用參數(shù)定義，以邏輯關(guān)系的參數(shù)設(shè)計，建立精準(zhǔn)的設(shè)計模型，達(dá)到實現(xiàn)方案可視化的動態(tài)管理的目的。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化;Grasshopper;空間雙曲面異型結(jié)構(gòu)

一、引言

隨著BIM技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的建筑施工開始采用數(shù)字化工具建立復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)結(jié)構(gòu)形式是復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)時，參數(shù)化建模作為一種建模手段，配合參數(shù)化工具Rhino—Grasshopper，借助Grasshopper的平臺與建筑施工中多專業(yè)交叉作業(yè)更好的結(jié)合。Grasshopper平臺的多專業(yè)多學(xué)科的參數(shù)插件以及平臺內(nèi)高度適應(yīng)性使多專業(yè)可以在同一個平臺上交互進行，而Grasshopper作為Rhino平臺內(nèi)的參數(shù)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(gòu)建，并保證了高度的精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，由主賽道和訓(xùn)練道兩個工程組成，主賽道全長1935m，16個彎道;訓(xùn)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(lián)合會、FIL國際雪橇聯(lián)合會）進行認(rèn)證，目前國際組織認(rèn)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(jié)構(gòu)，流暢的曲線，使建筑充滿動感的節(jié)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(yán)格，賽道曲面精度的誤差必須控制在10㎜以內(nèi)。另外賽道結(jié)構(gòu)在噴射混凝土前，還需要進行制冷管安裝、雙曲面鋼筋網(wǎng)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(shè)等工作。因為施工場地在山區(qū)，場地和路況都很復(fù)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(shù)化建模

（一）賽道參數(shù)控制——鋼筋骨架

曲面鋼筋變化多樣，不易控制;不規(guī)則的異型鋼筋制作安裝。賽道呈雙曲面空間異型結(jié)構(gòu)，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(wǎng)狀，鋼筋網(wǎng)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(jié)合現(xiàn)場制冷管定位做精確安裝和調(diào)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(shù)化平臺，設(shè)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(diào)整均勻，使得鋼筋網(wǎng)格均勻排布，輸入方向值，建立雙曲面鋼筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型，并通過計算參數(shù)可提取鋼筋參數(shù)，包括長度、重量等，通過這些數(shù)據(jù)為現(xiàn)場的鋼筋下料安裝提供依據(jù)。

（二）賽道精度控制——找平管

根據(jù)賽道空間雙曲面異形結(jié)構(gòu)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(xì)分，如下檐口則細(xì)分為下檐口外側(cè)、下檐口三角區(qū)、下檐口內(nèi)側(cè)基層、下檐口內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)為空間雙曲面殼體異形結(jié)構(gòu)，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(shù)化建模，利用Rhino—Grasshopper的參數(shù)化平臺，通過對設(shè)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(shù)據(jù)，并寫入Grasshopper中，通過參數(shù)間的“電池組”進行邏輯運算，可使賽道設(shè)計模型的精準(zhǔn)度極高，三維空間立體精準(zhǔn)定位，運用Grasshopper中Curve功能拾取賽道斷面線條數(shù)據(jù)，錄入曲線參數(shù)，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(shù)匯總修整，通過參數(shù)Loft和參數(shù)CapHoles等參數(shù)編寫的“電池組”邏輯運算將各類參數(shù)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(jié)構(gòu)，所以，需要將曲面參數(shù)轉(zhuǎn)化成封閉的實體結(jié)構(gòu)。

賽道結(jié)構(gòu)施工的最大的難點在于，其混凝土的噴射成型。賽道內(nèi)部有密集的制冷管道、鋼筋、鋼織網(wǎng)等錯綜復(fù)雜。

整個賽道施工對混凝土噴射的工藝要求極為嚴(yán)苛;混凝土噴射完成后，需要依靠純?nèi)斯惖阑炷吝M行精加工修面，使賽道表面精度達(dá)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(shù)控制，使賽道在精加工修面的時候，有了大量的數(shù)據(jù)參考，為操作人員提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。

（四）賽道精度復(fù)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(jié)構(gòu)，是采用國內(nèi)首次結(jié)構(gòu)混凝土噴射成型技術(shù)。賽道內(nèi)曲面成型精度和平滑度均達(dá)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(shù)。賽道完成精加工后，由專業(yè)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(jié)構(gòu)表面的測量點云數(shù)據(jù)。

四、結(jié)語

在本項目中，充分運用Rhino-Grasshopper參數(shù)化設(shè)計方法，完成了雙曲面異型賽道參數(shù)化設(shè)計模型，并且其完成度、精確度均達(dá)到所要求的毫米級精度，整個BIM技術(shù)實施與現(xiàn)場施工管理過程契合度極高，實現(xiàn)了BIM技術(shù)與施工管理相結(jié)合的應(yīng)用效果，做到了提前出具相關(guān)工程量、出數(shù)據(jù)、出方案規(guī)劃并以模型數(shù)據(jù)與審計單位進行工程量核算，數(shù)據(jù)全部提供給現(xiàn)場，達(dá)到了有效控制施工材料，節(jié)約成本以及合理的施工方案的采用。

參數(shù)化的應(yīng)用概念，近幾年受到越來越多的關(guān)注，也被廣泛的應(yīng)用在各類復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)中，其參數(shù)平臺具備的高度精準(zhǔn)性更是受到青睞。Rhino-Grasshopper的有效結(jié)合，不但實現(xiàn)了對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型處理，且同時讓設(shè)計模型與參數(shù)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(fù)雜多變的曲線、曲面結(jié)構(gòu)中有這不可替代的優(yōu)勢。

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