浅议建筑工程弯曲表面与计算机三维模型分析技术

【摘 要】本文介绍了外帷幕工程的设计中，各种弯曲表面工程的技术特点和可以针对各种弯曲表面进行计算机三维分析的常用软件。

【关键词】弯曲表面工程；单曲面；双曲面；数学曲面；非数学曲面；BIM；工程外帷幕设计

随着建筑工程领域新技术新材料迅猛发展，以及新的艺术化的设计思想和现代设计理念的更新变化，现代建筑工程造型越来越丰富、复杂甚至特异化。2010年上海世博会的建筑群即典型例证。事实上，作为世界上最大的建筑新技术、新理念的实验场，中国建筑市场正有幸实践和探索着大量的世界级建设工程领域的新工艺、新技术和新材料。国内工程技术的发展必然从中获取丰富的经验和人才储备。

建筑工程的复杂表面是指建筑立面及屋顶的整体或局部位置的外表面相对于场地水平面呈现出的非平直状态的几何表面。而弯曲表面是建筑帷幕工程各种复杂表面中最具工程技术难度的一种表面形态类别。

弯曲表面按普通几何学概念可以分为：

单向曲率表面（俗称单曲面）包括如拱面、圆锥面、椭圆锥面、变曲率（或任意曲率）拱面或锥面等。

双向曲率表面（俗称双曲面）是指当使用路径和母线通过放样来生成面时，母线和路径都为曲线而形成的面（如波浪面、马鞍面等），或以曲线母线沿旋转轴做圆形或椭圆形旋转形成的曲面（如球面，类球面等）。在工程领域中对双曲面这一概念的理解，更像是一种计算机中软件操作性质的概念。也可以从字面上简单的理解双向曲率表面的概念为：沿曲面表面在两个或两个以上的方向以纵向平面剖切曲面所得的交线为曲线的曲面。

弯曲表面也可以按其数学属性分为：可以进行函数表达的数学性曲面（简称数学曲面）和不能用函数表达的非数学性曲面（简称非数学曲面）两种。

大多数曲面外表面建筑工程是球面或圆弧拱面这样的数学曲面。还有一些更复杂的数学曲面工程，比如北京的中国国家大剧院外表面函数公式为：X2.2次方/长轴+ Y2.2次方/短轴= Z2.2次方/高度。这个公式很像椭球体公式但因为2.2次方和2次方的差别，大剧院工程整个外表面呈现出一个类椭球而非标准椭球的形态（图1）。数学化的建筑表面不管怎样复杂，因其参数化坐标系统的可控性加之计算机技术，在其结构布置，面材的优化下料、加工、安装等工作中要“方便”许多。

非数学曲面且兼具双向曲率属性的表面是工程表面可分析性和技术实现性最难的工程表面。这类工程的产生大多是在其方案设计初期阶段，由设计师使用三维辅助设计软件，在计算机中象“捏泥巴”一样随意塑造而生成的“形体”。非数学属性使这类工程表面唯一的技术参照仅是计算机中一个虚拟的模型。注定这类项目在工程结构、帷幕系统的实施中面临巨大的挑战。国内比较知名的项目有：广州歌剧院（图2）、深圳欢乐海岸创新展示中心、哈尔滨大剧院等等。

以往很多建筑工程弯曲表面的实现是混泥土现场浇铸成形。其技术难度体现在模板设计及安装技术上。现代建筑工程推崇以龙骨“找形对位”加上板材拼接这种工业化程度更高的工程技术。这是由各种新构造方式和各种新型材料整合而成的建筑幕墙（含屋面）工程技术。各种装饰幕墙、功能幕墙加上屋面、采光窗等等所有这些涉及建筑外表皮的工程技术现在统称为建筑帷幕工程技术。

建筑工程的弯曲表面形态不一定要用弯曲的板材来实现。在大部分建筑帷幕工程中和大部分建筑帷幕工程的大部分作业面上，主要是以平面板材来拟合弯曲表面或单曲表面板材拟合双曲表面来实现的。这个结果要通过工程深化设计实现，其中利用计算机三维技术进行表皮分析，选定板材材料、板材分割方式和拟合方式关键步骤。

随着计算机硬件技术的发展和计算机三维图形软件开发的成熟，利用数字化手段，实现对现实场景拟真的虚拟技术和计算机三维模型技术在近年来成为计算机应用领域的热点。原本在游戏的开发，影视传媒，科研、机械加工等方面广泛应用的计算机三维图形技术在建筑工程帷幕设计和施工中相关行业中也得到广泛的运用并展现出广阔的前景。

现代建筑工程与计算机三维技术的碰撞也产生了新的技术行业分支。近几年，国内很多大的设计研究机构都设立了专门的从事技术部门计算机三维模型设计及分析工作。比如最近出现的BIM（building information modeling）即建筑信息模型化技术就是建筑工程计算机模型和建筑工程多种专业整合而成的工程分析技术系统。在计算机技术更成熟的欧美、日本等国家，基于该行业技术发展成熟性的专业性，从事该行业的公司都是作为独立品牌专业技术服务公司存在。

目前工程外帷幕设计领域较为常用的计算机三维设计和分析软件主要有以下几种：

Auto CAD 是应用于工程设计领域中的三维图形辅助设计软件中的经典，具有最广泛的适应性，功能巨大、应用面宽，精度高是它的优势。有人认为其的三维功能较弱，但在很多数学曲面范畴的模型分析中，依然大有作为。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。特点是：设计思路十分清晰，模型采用参数化驱动，用数值参数和几何约束来控制三维几何体建模过程，生成三维模型和装配体模型；从几何体模型直至工程图的全部设计环节，实现全方位的实时编辑修改，能够应对频繁的设计变更。

PRO/E（ Pro/Engineer）操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。

Sketch Up（草图大师）是一款偏重建筑工程前期设计的三维图形软件，特点是参数很少，小巧实用，极易上手。这款软件是将建筑的3D模型与建筑平立面、剖面有机交互使用的最好的一款。缺点是曲面功能较弱，较少作为复杂曲面表面工程技术分析软件。

3DMAX和Maya更偏重于影视和传媒行业，主要用来制作动画的影视效果。也有较少的工程技术人员应用这类软件进行建筑模型设计，但精度不足是这类软件的缺点。

Rhinoceros（Rhino）是一套专为工业产品所发展的概念设计与模型建构工具，是目前应用非常广泛的一款三维设计和弯曲工程表面分析软件。Rhino所提供的曲面工具可以精确地制作所有用来作为彩现、动画、工程图生产用的模型。Rhino也是是第一套将 AGLib NURBS 模型建构技术之强大且完整的能力引进 Windows 操作系统的软件。不管您要建构数学曲面还是非数学曲面都很容易上手。Rhino的界面简单容易学习，是一款难得的操作极具弹性、高精确度的模型建构工具。Rhino 可以在Windows 的环境下创造、编排或是转译NURBS曲线、表面与实体。在复杂度与尺寸上并没有限制。Rhino短短几年就风靡工程设计领域取决与三点：第一，三维曲面功能非常强大；第二，非常有效的曲面分析功能；第三，与其它软件间良好的兼容性；第四，目前特异曲面表面工程越来越多。

上述各种计算机三维软件为现代建筑弯曲表面帷幕工程技术提供了优于以往任何一个时代的技术平台。现代建筑工程借助计算机三维数字模型技术，不仅能更深入的完善建筑表皮设计，也是构成工程外帷幕施工技术分析和实现的重要参照和重要组成部分。

（图2）广州歌剧院外表面为自由面，有平面、拱面、锥面和双曲面组合而成，其极难的表面复杂性几乎只能依靠Rhinoceros软件来分析。

作者简介：

郑家碧；女；1973年7月出生；工程师；就职于珠海市晶艺玻璃工程有限公司

张雪冬，男 ，1974年12月，2000年至今珠海市晶艺玻璃工程有限公司，工程师