航站楼双曲屋面参数化设计

钱凯法 潘一平 吴新泉 李远晟

(1 南京禄口国际机场二期工程建设指挥部，南京 211113;2 华东建筑设计研究总院，上海 200002)

1 项目简介

南京禄口国际机场二期工程为江苏省重点项目，新建T2 航站楼，建筑面积为26 万m2，满足年处理旅客1 800 万人次规模。工程已于2014 年7 月投入使用，全面满足青奥会的运营需求，同时打造江苏省及南京市全新的门户形象，如图1 所示。

南京是六朝古都、十朝都会，素有“虎踞龙盘”之称，T2 航站楼以“风从虎，云从龙”为设计理念，形体轻盈通透，充满张力。飘逸舒展的复杂曲面顶盖，如行云流水，气势非凡，整体采用“大跨度、小曲率、多变化”的结构形式，属国内首创。

2 屋盖系统设计施工一体化

图1 鸟瞰效果图

南京禄口国际机场二期航站楼屋盖曲面极为复杂，屋盖体系分为四个层次，从上至下分别为金属屋面、钢结构桁架、吊顶和下部支撑结构(如图2)。

屋盖系统基于BIM 技术的设计施工一体化理念具体实施流程如下:

1)利用参数化技术手段完成复杂屋盖形体的找形;

2)在BIM 模型中构建结构计算单线模型，并导入专业分析软件中进行演算，完成结构设计;

3)将结构设计数据整合到BIM 模型中进行设计校核，并进行三维协调、修改设计;

4)利用BIM 模型直接导出屋盖部分施工图(屋盖部分建筑平立剖面图、部分大样及三维定位图)，如图3;

图2 纬向剖面示意图

图3 屋盖大样及三维定位点图

图4 BIM 模型与现场实际比对

5)将屋盖BIM 模型提供给施工深化单位进行深化设计，并对其深化BIM 模型进行校核。施工单位依据BIM 模型进行下料、加工、安装;

6)当现场安装出现问题时，利用BIM 模型比对现场照片，结合现场实地测量，找出问题责任方，快速解决现场问题，如图4。

在屋盖系统的设计流程中，BIM 模型做为一个信息传递的统一载体贯穿了项目的全过程，各参与方通过这一载体完成了交互式协同，提高了工作效率，保证了项目高品质地顺利实施。

图5 主楼屋面几何形态构成图

3 双曲屋盖参数化设计

屋盖造型如同一片云彩中变化出龙的背脊，为构建这一复杂的曲面造型，我们运用了Rhino5.0 软件及其参数化插件Grasshopper，利用软件在曲面表达、参数化关联方面的优势，实现了建筑设计意图的完美表现。

首先我们确定“云彩”的边界条件，并绘制参数可调的简单曲线作为主楼屋盖的轮廓。“龙的背脊”可以用横波来描述，利用单弧线控制波峰波谷高度，并将波峰波谷的平面位置与轴线一一对应。通过横波线和轮廓线可以确定屋盖造型的经向控制线，从而生成屋盖的参数化三维模型，如图5所示。

对于复杂异形屋面，排水设计尤为关键。通过编写GH 程序，我们可以在屋面Rhino 模型中平均选取一些采样点进行排水坡度的分析，找出排水不利点，通过调整曲面造型或者增加排水设施等方法满足屋面排水设计的要求。同时，利用BIM 模型可以快捷地统计出汇水面积，为排水设计提供准确的数据支撑，如图6 所示。

为实现屋面造型完整性的效果，在实际施工时需将屋面划分为条板，进行错缝平铺安装。通过GH 参数化的控制手段，调整设定的板宽数据和板缝数据，可及时反映完工效果，方便设计人员判定是否达到预期。由于屋面造型极其复杂、板块单元超长等原因，容易导致平板铺设时板缝不齐，安装时需对材料进行拉伸操作以调整间隙。因此，在设计过程中需考虑材料的延展性，对划分方案进行可实施性分析。运用参数化程序，可获取空间板块间缝隙变化，计算出理论延展系数，将其与材料实际参数进行比对验证，如图7 所示。

图6 屋面排水分析图

图7 板块分析图

为保证完工效果，通过BIM 模型出具屋面控制点定位图，从而指导施工方精确地完成屋面安装，体现设计意图。明确控制点采样方法和坐标系原点后，在BIM 模型中利用参数化技术确定控制点坐标，并为其按一定逻辑进行编号，同时导出含有点编号和点坐标的Excel 表格，完成屋面控制点定位图，连同BIM模型一起交付给施工方进行深化设计及安装。

4 结语

南京禄口国际机场二期T2 航站楼采用国内首创的“大跨度、小曲率、多变化”结构金属屋盖系统，通过合适的材料选型、优化的三维设计、创新的屋面构造等手段，金属屋盖部分的建安费用为每平方米1200 元，与同类建筑相比节省造价约20%。在复杂曲面设计、施工和协同工作方面，BIM 技术均展示出其强大的优势。我们相信BIM 技术是引领信息技术走向更高层次的一项创新，会在不久的将来成为工程建设行业的主流设计工具。

［1］Cooperative Research Centre for Construction Innovation，Adopting BIM for facilities management Solution for managing the Sydney Opera House，2007.

［2］李德超，张瑞芝.BIM 技术在数字城市三维建模中的应用研究［J］.土木建筑工程信息技术.2012，4(1):47-51.

［3］葛青等.BIM 第一维度-项目不同阶段的BIM 应用［J］.中国建筑工业出版社，2013.

［4］De Laat R，var Berlo L.Integration of BIM and GIS:The development of the CityGML GeoBIM extension［M］.Advances in 3D geo -information sciences，Springer，2011，211-225.

［5］Paul Teichilz.BIM for Facility Managers，2013

［6］何波.大型项目BIM 模型组织方法与实践［J］.土木建筑工程信息技术，2012，4(4):7-14.

［7］Autodesk Navisworks 2014.Net API Reference Guide

［8］秦洪现，崔惠岚，孙剑等.Autodesk 系统产品开发培训教程，化工工业出版社，2008.

［9］Val Berlo L.CityGML extension for Building Information Modelling(BIM)and IFC［J］.Free and Open Source Software for Geospatial(FOSS4G)，Sydney.209.

［10］张立群，周平槐等.基于软件Rhino 的异型建筑几何造型方法，浙江建筑，2013(3).