Research and Application of Control Method for Space Irregular Track Forming Based on BIM Technology
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摘要: 国家雪车雪橇中心是空间扭曲的异形赛道，对赛道内曲面平滑度的施工质量要求极高。利用BIM技术对地形逆向建模、空间异形赛道参数化建模、赛道模型深化应用及赛道内曲面成型检测等关键内容进行研究，可为同类型工程的施工和检测提供参考。首先，整合原始地貌模型和设计地形模型进行分析，计算出土方挖填工程量，有利于减少土方开挖和环境破坏；其次，采用Rhino软件拾取关键数据并进行纠偏处理，对异形赛道的夹具、钢筋、表面进行参数化建模及优化，解决赛道夹具安装定位与内曲面平整度控制的难题；最后，采用三维激光扫描技术对赛道内曲面平滑度进行动态控制，保证工程建造品质。Abstract: The twisted anomalous track in the National Sliding Center is of extremely high construction quality for its track surface smoothness. BIM technology was used to study the key contents including reverse terrain modeling, parametric modeling of space shaped track, further application of track model, and surface forming inspection inside the track, which can provide reference for the construction and inspection of the similar projects later. Firstly, the earthwork excavation and filling engineering amount was calculated by integrating the original landform model and the designed terrain model for analysis, which was beneficial to reduce earthwork excavation. Secondly, Rhino software was used to pick up the key data and correct the deviation, then parametric models of the fixture, steel bar, and surface of the track were created and optimized to solve the problem of track fixture installation positioning and internal surface flatness control. Finally, the three-dimensional laser scanning technology was used to dynamically control the track surface smoothness, which effectively guaranteed the construction quality of the project.
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引言
近年来，城市化进程迅速，标志性建筑越来越受关注，异形建筑不断地刷新人们的艺术审美，也成为一个城市的名片[1]。市政类、大型公建类中存在大量的异形建筑及多曲面结构，参数化设计作为建筑数字设计的一个研究方向正逐渐成为大家关注的焦点，用参数和程序控制三维模型，使模糊调整比手工建模更精确、更合理，提高模型生成和修改速度，快速实现建筑、结构模型的有效互动，提高设计效率[2, 3]。
目前，国内对于异形建筑的结构、幕墙、钢结构等模型建立方面大多停留在纯粹的三维模型[4]，并不包含其应有的设计施工等信息，而将BIM技术引入异形建筑的建设能够提高建模效率。本文结合2022年冬奥会国家雪车雪橇中心项目，提出了基于BIM技术的空间三维扭曲异形赛道创建方法，并使用三维扫描技术完成赛道地形土方测算及赛道结构质量偏差检测，实现了空间异形赛道模型分析与建立、坐标提取与使用，解决了项目大型空间异形建筑的建造难题。
1. 工程概况
1.1 工程简介
国家雪车雪橇中心位于北京冬奥会延庆赛区核心区，沿山脊线蜿蜒分布，是中国首条空间异形竞速型赛道，世界上唯一拥有360°回旋弯的赛道，建成需经两个国际单项组织进行认证，属于国家级重点项目。本赛道是空间三维扭曲异形赛道，总长度约1 975m，最大高差126m，设计比赛最高时速134km/h，为满足雪车雪橇的高速滑行，在施工过程中对赛道内曲面平滑度的控制要求极高。工程效果图如图 1所示。
1.2 BIM应用难点
本赛道为空间扭曲结构，是冬奥会中设计难度最高、施工难度最大、施工工艺最为复杂的新建比赛场馆之一。BIM实施过程中，涉及以下几个难点问题。
（1）地形复杂，土方算量难且环保要求高
赛道处于松山国家级自然保护区，依山而建，植被茂密，环境要求高，现场地质条件复杂，土方开挖及二次搬运难，精准土方测算是难点。
（2）赛道空间不规则、建模及深化难度大
多变的赛道轮廓是复杂空间双曲面造型，传统Revit建模技术很难建立赛道模型，无法满足模型精度不宜低于LOD450。赛道单元的长度、内曲面弧度变化形式、弯道大小、断面形式都不相同，深化工作量巨大。
（3）赛道施工精度毫米级，质量控制要求高
空间扭曲的赛道内曲面空间成型精度为毫米级，采用三维扫描测量技术如何保证赛道结构表面的毫米级精度控制要求是本项目质量控制至关重要的难题。
2. BIM总体实施策划
2.1 BIM实施目标
在工程开工前，进行了BIM总体实施策划，根据本工程重难点有针对性地确定项目BIM应用目标及具体应用内容。项目建立全专业BIM实施规划，坚持BIM模型为根本，用信息化平台为手段，施工应用为主线，务实落地为重点的原则，实现数据协同共享、提升精细化管理、提高工程品质等目标[5, 6]。
2.2 软件选择配置
考虑到本工程具有空间三维扭曲异形的工程特点，从BIM软件功能、市场占有率、数据交换能力、软件性价比及技术支持服务能力等方面深入调研软件平台，最终确定以Rhino+Grasshopper插件为核心建模平台，以Revit、Civil 3D、Tekla、Realworks为辅的软件配置方案，实现各软件优势互补，信息传递与模型交互，确保模型数据准确真实。
3. 赛道地形逆向建模及优化
针对项目山高林密，复杂的地形，通过搭建精准的土方开挖及支护模型，优化基坑边坡施工方案，最大限度减少土方开挖量，降低土方开挖对山体的破坏。
3.1 地形设计模型创建方法
地形模型参建方法主要包括基于Revit的地形模型创建方法、基于Rhino生成的地形模型创建方法两种方法，但均不符合原设计地形实际情况，最终选择基于设计院给的建筑红线范围内的场地平整图，导入到Civil3D中进行场地地形的调整，再准确地反映设计图纸的信息，保存成DWG格式后再导入到Rhino中，能够精准地反映设计形态，如图 2所示。
3.2 原始地形模型逆向建模方法
采用倾斜摄影技术对原始地貌逆向实景三维建模，首先，由于现场地形复杂，四周环境陡峭，根据航拍范围确定航拍分区、路线布置、区域重叠及曝光间隔等参数，制定航拍路线，并在航拍控制器中设置好最低和最高高层和航线范围，完成整个地形航拍摄影，获取的照片进行空三加密处理；其次，导入自动化三维模型构件软件，对区域重叠、噪点控制等参数设置，生成实景地形模型；最后，将倾斜摄影获得的原始地貌模型与BIM模型整合分析，将点云数据保存成txt格式导入到Rhino中直接进行网格面处理，创建原始地形模型，如图 3所示。
3.3 土方平衡优化
将原始地貌模型与BIM模型在Rhino中进行整合分析，统一导入同一个坐标系，与实景模型的叠加显示，划分基坑开挖及填方区域。利用参数化程序组获取扫描地形网格面，每个网格面的中心点与设计平整地面之间的垂直距离，批量计算每个扫描地形网格面面积对应的待开挖土体体积，进行叠加之后得到挖方量，如图 4所示。利用相同的方法，将每个分区的挖方填方数据进行计算，可以得到整个场地的挖填方量，减少土方开挖近5 000m3，减少土方倒运20 000m3，降低土方开挖对山体的破坏，避免土方二次倒运减少扬尘[7]。
4. 异形赛道参数化建模及优化
针对异形赛道无技术标准、无实际工程借鉴的高精度建造难题，提出了基于BIM技术的复杂三维曲面赛道创建方法，实现了赛道全要素空间双曲面模型分析与建立、坐标提取与使用，解决了项目技术难题。
4.1 赛道模型参数化设计流程
参数化赛道优化实施流程主要分为创建准备、参数化设计及实施应用阶段，如图 5所示。创建准备阶段包含深化内容策划、图纸处理、关键数据抓取；参数化设计阶段主要是程序组设计、参数录入、程序组自审及深化图纸；在实施应用阶段是进行施工交底。
4.2 赛道设计图纸修正处理
在Grasshopper中编辑参数化程序组[8]，实现参数化批量生成模型，必须先找到目标模型对象本质上存在的共通性，才能发挥软件强大的运算功能；基于赛道夹具及管道剖面详图的研究分析，虽表面看每个夹具造型及数据均不相同，但通过夹具截面中心线的处理，能找出夹具之间的逻辑关系及规律。为了能让计算机读懂区分所处理的对象，准确执行运算命令，必须对原设计图纸进行简化分类处理，如图 6所示。
（1）赛道平面图处理。平面图的作用是用来定位平面夹具水平方向位置，从平面图筛选出轴线、中心线、夹具编号信息等有效的基础数据，其它设计信息清除干净，并把中心线设置为一个图层，所有轴线设置为一个图层，从而得到平面定位信息；
（2）赛道夹具剖面图处理。剖面图的作用，是确定夹具造型、凹槽间距、管道位置及竖向高度等。因此，对设计图纸进行有效简化，仅保留每个夹具截面的中心线和两端中心线，以及中间段和两端管道截面轮廓和固定用的滑块轮廓线。所有夹具轮廓中心线、夹具右上部水平段中心线、夹具轮廓左下部水平段中心线、夹具轮廓竖向中心线、管道截面分别设置为指定的图层。
4.3 赛道关键数据拾取及处理
4.3.1 关键数据拾取
将处理后的设计图纸和数据信息导入Rhino软件中，通过Grasshopper图层功能运算器对基础信息进行图层分类汇总、定位坐标整理等二次分析，并读取图层中的点、线、面和定位坐标等信息自动载入参数化程序组，如图 7所示，完成基础数据的拾取及录入。理论上可将1 169个夹具数据添加至Rhino软件中，进行一次性数据拾取及录入工作，但经过实际运行测试，受硬件设备配置限制，只能支持31个夹具的基础数据拾取工作，最终分为54个分段模块进行赛道建模。
4.3.2 关键数据纠偏处理
通过参数化程序组抓取夹具数据后，重建曲线，通过逻辑判断运算器，将31个夹具的矢量方向调整一致，并对夹具剖面依次排序纠偏，如图 8所示，自动创建出各个夹具的剖面轮廓。通过数据拾取分类出来的轴线位置和中心线位置，确定空间位置，将映射到目标平面，如图 9所示，再录入每个夹具的高程数据，形成准确的空间位置。
4.4 参数化模型生成
4.4.1 赛道夹具模型创建
对于赛道夹具模型，利用夹具中心线和管道截面轮廓数据，通过多种参数化程序组拟合运算，从低到高依次生成31个夹具平面轮廓，再批量偏移出20mm厚度的实体模型，最终将各夹具连接成整体，最终获得分段赛道夹具模型，如图 10所示。对于固定在夹具上的管道模型，由已生成的管道轮廓，通过空间拟合参数化程序组批量生成整体管道。
4.4.2 赛道钢筋模型创建
赛道钢筋为异形扭曲，钢筋支架沿制冷管道上下铺设双层钢筋网片，其中赛道内侧钢筋网片为45°交叉铺设，在赛道弯段，内侧钢筋每一个长度都不相同，对各制冷单元中数量庞大且造型逻辑规律性强的钢筋基于赛道夹具模型，编写逻辑算法程序组，如图 11所示，将曲面的骨架线调整均匀，使得钢筋网格均匀排布，输入方向值，建立钢筋模型，如图 12所示，并提取钢筋参数，包括长度、曲率和重量等，指导安装前的钢筋按编号下料和预弯。因设计变更，只需修改运算器中的相关参数，可快速地调整钢筋模型，并直观地分析赛道内的钢筋绑扎密集处的可操作性[9]。
4.4.3 赛道表面模型创建
对于空间异形曲面赛道，基于赛道夹具模型，通过软件自动拟合生成赛道扭曲表面，自动生成结构主体及辅助支撑结构等赛道部分，建立了迅速建立和处理三维曲面的方法，形成高精度赛道表面模型，如图 13所示，提高了复杂曲面的结构建模效率。
经过反复论证，空间拟合参数化程序组中的曲线阶数参数为3阶时，弧形曲面已经很贴近平滑曲线，阶数可以无限放大，无限接近于平滑曲线。同时，3阶和100阶曲线放样而成的曲面对比之后最大误差仅0.1mm，对于建筑施工来说可以忽略，最终确定最优控制参数为3阶，计算量大幅减少90%。
4.5 深化应用
4.5.1 夹具工艺优化
国外同类赛道施工中夹具采取直径20mm管道弯制而成，内侧焊接钢片，焊接量达到10万个焊点，此工艺加工方式周期长、加工精度低、质量控制流程复杂，不利于高效快速施工，且大量焊接导致喷射混凝土在夹具缝隙处密实度不够，影响赛道成型质量。
本工程通过参数化模型方案比选，并经过国际认证机构认可，夹具焊接工艺改为激光一体切割工艺。通过编辑参数化程序组，保留设计图纸的夹具弧度、卡槽落管点位置，对夹具进行深化及批量生成夹具加工图纸，并采用激光切割一次成型加工，无需焊接，此加工方式比国外焊接工艺加工速率提升90%以上，同时保证夹具切割成型出厂精度控制在3mm以内。针对夹具弧度设计变更，调整夹具参数，可快速调整夹具模型及变更出图，降低变更的影响，如图 14所示。
4.5.2 数据提取及自检
赛道深化完成后，编写参数化程序组提取夹具数据，并与施工现场人员沟通，确定测量数据提取要求、提取范围及数据检验流程。在夹具制冷管深化模型基础上，根据夹具安装定位的需求，编写程序组抓取矩形块上若干特征点，每个矩形块上抓取3组，共计约70多万组空间坐标XYZ和里程坐标SHL，如图 15所示。同时，将业主提供的参照坐标点位基准，与抽取的参数化提取的坐标进行比对，完成自校工作，经过大量的筛选和复查，核查出业主提供的237组坐标有误，在施工前及时纠正，如图 16所示，避免施工返工整改。
4.5.3 深化出图
传统深化设计往往需要丰富的专业知识和工程经验，难以保证深化效率与质量[10]。基于BIM参数化手段快速出具深化图纸近8 000张，主要包含轴测单线图、夹具深化加工图、管道预制加工图、钢筋下料图等，快速地进行构件加工指导及现场安装，有效地提升了工程质量。
5. 异形赛道内曲面成型检测方法
在混凝土初凝之前，采用三维扫描仪对赛道成型面进行赛道实体数据采集，生成点云模型之后，经过专业软件处理转化为模型数据[11]。通过三维点云模型与深化模型的对比分析，得到赛道内曲面处表面平整度偏差分析数据，最后对误差超出允许范围的区域进行纠正，确保混凝土成型面误差在设计要求范围之内。采用三维激光扫描技术与BIM模型比对验证方法进行检测流程，如图 17所示。
5.1 外业扫描
采用Trimble SX10三维影像扫描仪，根据赛道位置及扫描密度参数，进行测站设立，一般设置6~8个扫描点位。由于赛道场地限制仪器架设不便利，测站采用多点后方交会法，设站架设扫描测量。
5.2 数据处理
外业扫描结束后，即可进行扫描数据内业处理，将扫描数据成果导入Realworks软件，按照规范要求对点云数据进行精度优化和评价，拼接自由测站，自动分类、降噪处理、取样抽稀、导出处理。点云数据处理完成后，按建筑轴线图即可将预处理过的点云和赛道内曲面深化模型导入Realworks软件中进行模型与点云的位置统一，完成平面位置匹配。
5.3 对比检测及分析
采用Polyworks软件中的三维检测功能得到三维检测结果，进行赛道内曲面与深化模型任意三维点的偏差分析，并生成检测报告，以多色彩色谱图表示检测结果。根据测点检测混凝土喷射表面任意点位是否符合设计要求，对超出限差要求的区域需作出标识并组织进行精细修整，以达到设计要求，如图 18所示。
6. 总结
通过BIM技术对异形模型创建、数据提取和纠偏，并进行现场技术交底；同时对赛道支架、赛道钢筋等进行精确深化，可以提前规避大量的施工问题。在施工前，开展图模会审及多方协调例会50余场，发现解决现场及图纸问题达600余处，总计完成深化图纸近8 000张，提取各专业数据100万条，优化钢筋下料6 000多吨，减少浪费30余吨，制冷管道100 000m，减少浪费3 000m，提前解决了各专业现场问题，提高了深化、加工及安装精度，并提升了材料的利用率。
以本项目为经验借鉴，总结如下：
（1）借助Rhino+Grasshopper参数化平台，可将异形多变的建筑快速完成创建及优化工作，但前期需要大量的时间进行参数化逻辑程序开发研究，应用门槛较高。在今后项目中，建议初期统一筹划，组建专门的参数化设计团队，快速研究出精确的程序组，并通过试验区域形式，验证合理性，可以大大减少工作量及避免人为操作误差，给大型异形项目的实施提供可靠的技术保障及数据支持；
（2）在异形结构模型参数化创建过程中，多个线条通过参数化函数进行曲面拟合放样，一般曲线基本上分为2点1阶，4点3阶，6点5阶，N点5阶等。经过反复论证，参数化组合数字分析程序组最优控制参数为3阶曲线。对比试验显示，10阶以上的曲线放样而成的曲面，以3阶曲线对比最大误差仅为0.1mm，计算量大幅减少90%，可为以后其他复杂曲面结构项目提供较好的经验数据支持；
（3）通过本项目研究与应用，引入参数化设计，利用参数化软件强大的计算能力，可以准确快速地构建异形模型，提高设计效率，并通过高精度模型提取混凝土、钢筋等材料用量，方便预算人员对造价的合理控制，提取三维定位数据，协助现场施工安装，将安装精度控制在毫米以内，对异形钢结构、幕墙、屋面、结构等专业内容的数据提取，方便施工人员对异形表面成型的质量控制，以达到业主对建筑产品的要求。
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