针对机场指廊异型曲面吊顶的参数化下单的研究

李兴宝

摘要：随着建筑设计理念的更新，现代机场航站楼等大型基础设施建设越来越注重建筑的美观性和标志性，尤其在室内大吊顶设计方面尤为突出，因此设计师会采用更多的异型设计来体现建筑的独特性和艺术感。异型铝板可以创造出独特的视觉效果和空间感受，提升旅客在机场内的体验，这也是设计越来越多异型铝板的一个重要原因。与此同时，随着建筑技术的发展，尤其是BIM三维建模、激光三维扫描等先进技术的应用，使得复杂空间曲面的设计和施工变得更加精确和可行。为了确保吊顶施工质量，施工技术也在不断优化，包括对瓦楞板、铝单板和蜂窝板的施工技术进行改进，以适应不同形状和风格的设计需求。本文就此介绍一种针对机场指廊异型曲面吊顶的参数化下单的流程。

关键字：机场；铝板；异型；参数化

一、工艺原理

从设计院、施工单位到铝板厂，大吊顶区域均采用Rhino（犀牛软件）7.0版本软件进行建模和沟通，保证工具的统一。过程中施工单位配合使用Grasshopper（犀牛软件内置插件）进行模型优化和分格，铝板加工厂配合使用Grasshopper进行出图和加工。

Grasshopper是一款基于Rhino的视觉编程语言插件，它允许设计师通过创建算法和规则来生成复杂的三维几何形状。在机场指廊这样的大型项目中，由于其跨度大、结构复杂，传统的设计方法难以满足项目的精确性和效率要求。而使用Grasshopper进行参数化设计可以达到以下目标：

（1）快速迭代

设计师可以快速调整参数，实时查看设计变更的效果，这有助于设计方案的快速迭代和优化。

（2）生产加工准备

设计完成后，Grasshopper可以方便快速的输出生产加工所需的数据文件，从而简化准备工作。

（3）满足旅客心理需求

在航站楼内部，旅客通过视觉观察到周围空间的颜色、材质、尺度等，同时通过听觉接收到各种相关的信息，经过大脑分析，从而全面了解周围环境。在旅客对空间产生认知心理过程同时，空间环境也会对旅客心理产生影响[1]。优美的韵律感是曲线型异形装饰造型最为突出的一个艺术形态特征。曲线型异形装饰造型流畅、圆润的线条和形态能够使室内空间更加柔和，更加贴合人的审美心理，给人以轻快、灵动、新奇的视觉感受，具有较强的延伸感[2]。

综上所述，在实际应用中，设计师首先会根据项目需求和现场条件，制定出合理的设计参数和构造逻辑。然后，利用Grasshopper的算法工具，生成满足这些条件的三维模型。最后，将设计模型转化为具体的制造指令，用于指导后续的生产和施工。这样的工艺原理不仅提高了设计的效率和质量，也为施工和制造带来了便利。

二、工艺流程及操作要点

1、前期准备

设计人员，根据业主提供的设计蓝图，结合现场情况，做好图纸审核和深化工作，对原设计图中缺失节点进行补充，同时把整体的分布排版尺寸与现场实际尺寸进行对比，按实际情况进行调整。对各相关专业的机电末端点位布局，制作综合天花布置图，在满足使用功能的前提下，做到有序排列，美观大方。

2、方案推敲

对钢架转换层的形式进行建模分析，模型应能代表所有范围，并按照最不利因素进行设计，选择最优方案。同时进行结构受力计算，确保钢架基层具有足够的承载力和稳定性，能够承受自重、附加载荷（如装饰材料、设备等）以及可能出现的动态载荷（如人流、风压等）。在满足结构安全性的前提下，对方案的成本进行优化，包括材料成本、人工成本和后期维护成本等。同时也要考虑施工过程中的便利性和效率，包括施工工艺的简化、施工周期的缩短以及施工现场的安全性等。

图1 指廊异型曲面吊顶钢架基层模型

3、结构受力计算

结构受力计算的目的是多方面的，不仅关乎结构的安全和稳定，还涉及到经济性、功能性、耐久性等多个层面。通过精确的计算，可以确保项目的顺利进行，并为未来类似项目提供宝贵的经验和数据支持。成功的受力计算和施工工艺可为后续类似项目提供参考依据，具有广泛的指导意义。

（1）荷载计算

1）风荷载标准值计算

基本风压 ω0 = 0.55 kN/m2

局部体型系数 μs1 = 0.20

计算风压处高度 z = 16.0 m

地面粗糙度 B 类

根据《荷载规范》表8.2.1，高度变化系数μz = 1.151

根据《荷载规范》表8.6.1，阵风系数βgz = 1.652

风压标准值 ωk = βgz*μs1*μz*ω0

= 1.652*0.20*1.151*0.55

= 0.21 kN/m2

2）自重荷载标准值计算

铝板自重取 0.2KN/ m2

（2）龙骨计算

采用SAP2000有限元模型进行分析计算结果如下：

1）龙骨强度计算

截面100*50*3方管应力17.8MPa≤f=215 MPa(Q235)

截面40*20*2方管应力112MPa≤f=215 MPa(Q235)

截面C100*50*50*3应力1MPa≤f=215 MPa(Q235)

截面L50*50*5应力28.5MPa≤f=215 MPa(Q235)

截面8吊杆应力54MPa≤f=170 Mpa

截面16吊杆应力9.1MPa≤f=170 MPa

2）龙骨挠度计算

最大变形为u=5.0mm

挠度限值为：U=2000mm/250=8mm

U＜U,故挠度满足计算要求。

4、三维扫描

三维激光扫描系统主要包括四个部分，它们是三维激光扫描仪、配套的系统软件、电源、附属设备。三维激光扫描技术区别于传统测绘的单点式测量，作为全新的获取空间三维数据的一种手段和方法，让空间三维数据地获取方法得到改变，朝着实时化、动态化、数字化、集成化和智能化方向发展，其获得的点云数据称为点云数据[3]。

（1）数据采集

项目初期将现场的钢结构和混凝土结构进行三维扫描，然后与吊顶模型进行对比，能够快速、直观、准确的发现模型设计问题，达到精确设计并控制质量的目的。

（2）数据处理和分析

将扫描的数据进行处理和分析,并将数据整合到吊顶模型中，找出吊顶模型和三维扫描得到的土建结构的偏差。最后对吊顶模型进行调整。

图2 三维扫描数据与模型对比分析

5、面层表皮整体优化

对设计院提供的原始表皮进行优化，优化位置有：

（1）指廊大吊顶一般由2个或2个以上的设计组共同来完成，每个区域由相应的设计组独立来完成，在经过不断优化，反复修改的过程中，交接部位会出现一定的偏差，这个时候需要对偏差部位进行拟合处理，把2个部分合并成一个整体。

（2）表皮与钢结构之间的钢架基层需要一定的操作空间，原始表皮个别部位不能满足这个净空要求，需要进行优化。

（3）考虑到后期的维护和清洁的方便性，需要设置检修口，原始表皮没有考虑检修口的设置，需要对原始表皮进行检修口标注。

6、面层表皮分格

从设计蓝图平面图分析，每个轴号之间10块板作为一个单元，设置一道凹槽，其中每5块板设置一道伸缩缝，每块板之间再设置一道更小的伸缩缝，设计蓝图不对凹槽和伸缩缝进行任何说明。经过多次与设计院沟通，最终明确每个轴号之间10块板设置一道100宽的凹槽，每5块板设置一道20mm宽的伸缩缝，其它板间设置3mm的伸缩缝。在明确了基本原则的前提下，编写Grasshopper程序，对表皮进行切割。

图3 面层表皮分格处理

7、抱箍和基层龙骨布置

钢架基层由上至下依次为：抱箍件、Φ16吊杆、C100*50*50*3 C型钢（上）、100*50*3方管、C100*50*50*3 C型钢（下）、Φ8吊杆、L50*50*5角钢。

（1）抱箍件

抱箍件采用栓接的方式固定到土建钢结构上，避免焊接对土建钢结构造成破坏，同时栓接更加方便快捷。土建钢结构宽度有200、250、300、350、400、450共计六种宽度，因此抱箍件对应也有六种宽度，两端设置L型角码下吊Φ16吊杆。

抱箍件是第一生根点，因此抱箍件的点位布置一定要准确。在纵向延工字钢布置，在横向需要参考受力计算结果和铝板大小来布置，铝板临近挂点在横向间距不能超过1200mm，灯箱铝板和设备带铝板两侧均应布置一道抱箍件。

（2）Φ16吊杆

Φ16吊杆固定到抱箍件两端L型角码上，Φ16吊杆的位置是固定的，唯一可变参数是长度，通过面层完成面反推长度，按照长度≤1500mm的原则进行设计，得到所有Φ16吊杆长度，按照长度进行分组下料。

（3）C100*50*50*3 C型钢（上）

C100*50*50*3 C型钢（上）与Φ16吊杆一一对应，主要用来固定100*50*3方管。

（4）100*50*3方管

100*50*3方管十分重要，起到呈上启下的作用。标准方管6m一根，采用插芯进行连接。方管走向与抱箍点连线保持一致，在每条线上连续不断档。

（5）C100*50*50*3 C型钢（下）

C100*50*50*3 C型钢（下）与Φ8吊杆一一对应。

（6）Φ8吊杆

Φ8吊杆可以在方管上通过C100*50*50*3 C型钢（下）进行滑动，遇到两块瓦楞板交接处，进行固定连接。Φ8吊杆的可变参数是位置和长度，位置在现场进行固定，长度通过面层完成面反推，按照长度≤1500mm的原则进行设计，得到所有Φ8吊杆长度，按照长度进行分组下料。

（7）L50*50*5角钢

L50*50*5角钢分为横向和纵向两种，用来固定灯箱铝板和设备带铝板，横向角钢横跨灯箱和设备带，固定到其两侧方管上方，间距1m进行布置，竖向角钢上端固定到横向角钢上，下端用来固定灯箱和设备带，竖向角钢需要根据面层完成面反推长度，按照长度进行分组下料。

图4 抱箍和基层龙骨布置模型

8、面层铝板深化出图并生产加工

面层表皮分格处理后交给铝板厂进行后续处理。针对铝单板、蜂窝板和瓦楞板需要进行不同的处理方式。铝单板采用密拼方式，设置好折边搭接关系，对于曲率小的部分进行拉直处理，对于曲率大的部分按照模型1：1生产加工。蜂窝板根据挂点位置，提前预埋凹槽。瓦楞板由于总数量多，检修口全部采用瓦楞板，所以加工分类也最多。

9、测量放样

测量放样精度控制是重难点。

机场指廊异型曲面吊顶工程专业系统多、技术要求高、施工测量放样的精度控制难度较大。重点是准确测设轴线、基准线及不同标高的准确衔接，控制误差的积累，保证标高、轴线的闭合。既能充分地保证设计效果，又能提升建筑装饰的整体品质。

10、抱箍和基层龙骨安装

1）指廊吊顶系统生根于原屋面工字钢上，根据测量建模数据，输出吊挂系统固定点位，确定抱箍件长度及空间三维位置。

2）根据测量建模数据及吊挂系统固定点位，确定转换层主龙骨（100*50*3方管）空间三维位置，安装转换层主龙骨，主龙骨通过L型角码、Φ16吊杆和C型钢固定于抱箍件上，调平固定。重点控制主龙骨搭接角度及三维位置。

3）根据主龙骨分隔安装Φ8吊杆。重点根据建模要求控制吊杆长度及吊点位置。

4）灯箱和设备带的横向角钢安装完成后进行竖向角钢的安装。利用Grasshopper软件，计算竖向角钢的长度和固定点，在横向角钢上标注竖向角钢的数据，并导出平面布置图，根据相应数据和平面布置图进行竖向角钢的安装工作。

11、铝板安装

（1）指廊吊顶参数如下：

1）铝合金蜂窝板

规格：12mm厚蜂窝板，面板1mm厚

2）铝合金瓦楞板

规格：≥0.8mm厚瓦楞板，瓦楞芯采用材质3003H18铝合金牌号，厚度不小于0.35mm，高度≥6mm，表面聚酯，膜厚≥5μm

3）铝合金单板

规格：3mm厚铝单板。

（2）指廊吊顶施工面积大，如何有序安排缩短施工工期是工程的难点。

1）运用BIM技术，实现面层精准下单，全站仪精准测量定位安装。

2）在图纸深化过程中将铝板接缝处留缝处理，消耗铝板加工中存在的误差。

3）施工工序具体流程为：先安装灯槽铝板、设备带铝板及收边铝板，锁定空间范围，最后以填空的方式安装蜂窝板和瓦楞板，确保满足设计效果。这种施工思路颠覆以往的先施工大面，再收口的思路。

12、机电点位定位打孔

机场指廊吊顶的暖通、消防、强电、弱电等系统点位众多，保证机电末端点位与装饰协调是组织管理重点。

末端点位排布由装饰单位牵头梳理机电安装、消防等专业末端设备，形成末端设备技术安装尺寸一览表，经各方签字确认后进行综合点位排布，形成末端设备定位图。

采用模块化施工，根据各点位的相对位置关系及开孔尺寸，制作木模板对面层材料上各设备点位进行开孔或者将预埋管线引至模块上对应位置，从而实现现场精确定位，安装时省时省力，定位精确。

采用五步放线法，将喷淋、灯具、烟感等位置在现场实际标注，一目了然，便于一线工人快速施工。

三、结束语

机场指廊异型曲面吊顶的参数化下单在未来有望实现更高层次的精确度和自动化，从而进一步提升效率和降低成本。

数字化制造技术的不断进步，将使得异型曲面吊顶的生产和制造过程更加自动化，减少人工干预，提高制造的速度和质量。

施工过程中可能会采用更多的智能化设备和技术，如无人机监测、智能机器人施工等，以提高施工精度和速度。

精装修系统的设计将更加综合，不仅包括吊顶系统，还包括墙面、地面、隔断等多个方面的设计和施工，形成一个统一的室内设计语言和风格。虽然追求个性化，但在未来的发展中，为了提高效率和降低成本，异型曲面吊顶的设计也会趋向于一定程度的标准化和模块化。

总的来说，未来的机场指廊异型曲面吊顶的设计和制造将是一个高效、精准、可持续和高度个性化的过程。随着技术的不断进步，很多技术将逐渐成为现实，为建筑设计和施工带来革命性的变化。

四、参考文献

[1]许天宇. 基于旅客体验的航站楼内部空间多样性设计研究[D].西安建筑科技大学,2021.DOI:10.27393/d.cnki.gxazu.2020.000832.

[2]李郡. BIM技术在公共空间室内异形装饰造型中的应用[D].聊城大学,2023.DOI:10.27214/d.cnki.glcsu.2023.000423.

[3]刘凯. 基于点云的某机场航站楼BIM构建及其应用[D].成都理工大学,2018.