參數(shù)化設計在幕墻全程設計中應用研究

楊曉林，龔 凱

重慶市設計院,重慶 400015

0 引言

隨著BIM(Building information modeling,英文縮寫為BIM)技術的飛速發(fā)展,幕墻構造及功能形式日漸復雜多樣,建筑方案設計中異形幕墻如雙曲面等復雜造型的幕墻越來越多,而且多數(shù)幕墻工程都承擔著節(jié)能的功能,需要進行分析與計算[1].因此，傳統(tǒng)的設計方法和流程難以滿足現(xiàn)有的幕墻設計需求.另外,對于采用復雜的新材料、復雜造型的幕墻工程,采用傳統(tǒng)的施工方法,在埋件精準定位、材料下單、構件加工和運輸安全等方面都難以實施.本文基于BIM參數(shù)化技術建立幕墻模型,進行綜合模擬分析及可行性驗證,以提高幕墻設計的精確性、合理性與經濟性,進而得出最優(yōu)化的幕墻設計綜合結果,并完成施工圖三維正向設計,配合施工現(xiàn)場施工[2].

1 概述

BIM技術是一種應用于工程設計建造管理的數(shù)據(jù)化工具,通過參數(shù)模型整合各種項目的相關信息,在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞,使工程技術人員對各種建筑信息做出正確理解和高效應對,為設計團隊以及包括建筑運營單位在內的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎,在提高生產效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用.BIM目前主要應用效果有:輔助建筑設計人員更高效的控制設計,更好地與參數(shù)化設計對接,更真實的建筑環(huán)境模擬分析,動線虛擬現(xiàn)實系統(tǒng),防災與逃生模擬,三維空間設計核查,更便捷的圖紙生成及管理,工程計算量與成本控制,建筑生命期的數(shù)據(jù)協(xié)同與應用等[3],其中參數(shù)化設計是BIM 模型的基礎,各個設計階段不斷深化的數(shù)據(jù)基石.本文擬圍繞參數(shù)化化設計發(fā)展及應用,結合實際案例應用,分析參數(shù)化與傳統(tǒng)設計優(yōu)勢,分析參數(shù)化設計在各個階段重難點應用.

2 參數(shù)化設計發(fā)展及應用

在參數(shù)化軟件問世之前,設計工作大多還是靠人力手工創(chuàng)建,當然可使用插件,但是插件只能解決一些固定問題或提高某一類型構建的建模效率,無法針對個人需求提出解決方案[4].再者插件的開發(fā)時間很長,成本很高,無法應付短時間項目的需求.

使用參數(shù)化設計之后,很多大批量與機械化的工作可以交給軟件自動創(chuàng)建,使設計師們可以有更多的時間關注設計本身,從而提高了設計質量和效率,也就是技術革命引起了從手工繪圖向程序自動設計的重大飛躍.同時在異形建筑上,參數(shù)化設計應用更為突出,主要應用包括三維可視化設計、曲面有理化分析、幕墻分割、曲面定位和曲面出圖等.

3 參數(shù)化設計流程

基于外立面幕墻參數(shù)化設計項目經驗,總結出外立面幕墻全過程參數(shù)化設計流程與幕墻BIM全過程設計流程.主要從參數(shù)化設計各階段應用、應用成果、幕墻專業(yè)與其他專業(yè)全過程設計中的關系、專業(yè)間提資、專業(yè)間協(xié)調等方面進行匯總梳理歸納,形成如下流程體系.如表1～表2所示.

表1 外立面幕墻參數(shù)化設計全過程流程

表2 幕墻BIM設計全過程流程

4 參數(shù)化設計案例應用

4.1 BIM參數(shù)化應用

參數(shù)化應用主要體現(xiàn)在設計師更高效的參數(shù)化控制設計、更好地與參數(shù)化設計對接、更真實的建筑環(huán)境模擬分析、動線虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、防災與逃生模擬、三維空間設計核查、更便捷的圖紙生成及管理、工程計算量與成本控制、進度控制、建筑全生命期的數(shù)據(jù)協(xié)同與應用等方面.以下結合項目案例分析參數(shù)化設計在各階段重難點應用，模型效果如圖1所示.

圖1 項目效果

4.2 重難點分析

(1)本項目整體大空間大跨度設計,結構支撐設計復雜,空間曲面變化大.

(2)橢圓形頂棚設計,一端抬高設計,幕墻上下對稱,左右非對稱,增加曲面安裝難度.

(3)異型幕墻劃分,幕墻曲面優(yōu)化,獲取最佳模數(shù),便于加工生產.

(4)龍骨空間定位,龍骨隨幕墻曲面變化而變化,空間關系難以把控,需進行三維節(jié)點坐標定位,便于出施工定位圖.

(5)三維幕墻出圖,曲面幕墻平面化,可借助Grasshopper或者Dynamo等參數(shù)化設計軟件進行快速生成,再進行編號與標注出圖.

4.3 方案分析

IM的介入可以讓設計更加多元化,邏輯性也更強,復雜建筑的形體,通過參數(shù)化的改變可以對建筑的形態(tài)進行參數(shù)化改變[5].

本項目因場館外立面幕墻曲面復雜,橢圓設計理念,在概念方案階段設計師可借助Rhino+Grasshopper或者Revit+Dynamo等設計軟件進行參數(shù)化設計,可視化編程,輔助設計師快速準確表達設計意圖,快速切換方案等,便于業(yè)主選擇最優(yōu)方案.

方案模型參數(shù)化設計流程:

(1)打開Rhino軟件,在平面視圖中拾取一點作為項目基點,基于這一點畫橢圓;

(2)向Z軸方向移動這個橢圓至不同標高上,并分別進行縮放橢圓;

(3)旋轉頂部兩個橢圓至指定角度,旋轉中心為其中一段端點；

(4)基于這5條邊界線進行Divide(分段),每個橢圓被72個點劃分;

(5)對橢圓上點進行轉置,使豎向五點位于同一列表,進行連線,創(chuàng)建中間輪廓線,同理再對橢圓上點進行Shift(移動),使用Merge(合并)使其進入同一個列表,進行連線,創(chuàng)建兩條邊界線;

(6)中部曲面創(chuàng)建,對兩條邊界線和中間輪廓線進行LOFT(放樣)生成曲面;

(7)對中部曲面進行著色,使用Preview(著色)為曲面進行著色;

(8)同理創(chuàng)建下部曲面,首先創(chuàng)建線,再進行放樣生成曲面;

(9)同理創(chuàng)建上部曲面,首先創(chuàng)建線,再進行放樣生成曲面,并進行著色;

(10)基于頂部橢圓,往Z軸方向復制9個橢圓,并按數(shù)列從大到小分別進行縮放;

(11)基于橢圓進行分段,每個橢圓被72個點劃分,便于后期創(chuàng)建桿件支撐;

(12)基于曲線進行放樣生成頂部曲面,并進行著色,完成模型創(chuàng)建.如圖2～圖3所示.

圖2 方案設計流程

圖3 Grasshopper方案參數(shù)化設計流程

確定方案造型后,可把Grasshopper或者Dynamo模型導出DXF等格式文件,再導入Ecotect Analysis或CFD等分析軟件,對光照、太陽能、溫度效應及風環(huán)境進行模擬,對方案進行能耗分析,通過計算機模擬分析進行方案比選,實現(xiàn)建筑設計方案的優(yōu)化和提升,避免建筑設計后期變更方案,幫助建筑設計師從建筑設計早期就引入生態(tài)和節(jié)能理念,實現(xiàn)舒適度高而又生態(tài)節(jié)能的建筑方案設計[6].

4.4 擴初設計

擴初設計基于方案模型進行優(yōu)化,目的是論證工程項目的技術可行性和經濟合理性.此階段需要明確設計原則、標準和重大技術問題等,詳細考慮和研究結構和機電專業(yè)的設計方案,協(xié)調各專業(yè)方案的技術矛盾,并合理確定總投資和經濟技術指標等.

主要內容:設計師進行建筑表皮優(yōu)化、桁架設計優(yōu)化、頂棚設計優(yōu)化等參數(shù)化設計、表皮支撐桿件設計優(yōu)化、可視化建模和數(shù)據(jù)化分析工作.

4.4.1 建筑表皮形體優(yōu)化

曲面光滑性控制:斑馬紋主要作用就是判斷曲面走勢和輔助判斷質量,判斷曲面走勢就是根據(jù)上面線條的方向、密集程度來解讀它的朝向,曲率變化.

對形體在Rhino中進行斑馬紋分析優(yōu)化,對曲面的連續(xù)性進行修正與完善.通過斑馬紋可以判斷曲面的G 0,G 1,G 2連續(xù),并針對其連續(xù)性進行分析修正[7].

4.4.2 桁架設計與優(yōu)化

建筑表皮形體確定后,進行桁架設計,桁架設計需滿足結構設計荷載要求,還需滿足建筑設計美觀要求,同時要滿足幕墻支撐設計要求.設計完成后對桁架進行優(yōu)化設計,滿足工廠加工、施工安裝等要求.

桁架設計:設計弧形曲面支撐,在原有結構線基礎上,進行復制、偏移、縮放生成桁架結構線,再把結構線進行分組,間隔3根為一組,作為主桿件,主桿件用于曲面主要受力點支撐,其他為次桿件,次桿件主要作為邊界線支撐.

桁架優(yōu)化:由于最初設計桿件為曲線,加工、施工困難,故需調整曲線為直線.在原曲線上進行拆分,找出等分點,把這些點用直線連接,再進行實體化,修改桿件直徑滿足結構受力要求.

4.4.3 表皮支撐桿件設計優(yōu)化

建筑表皮設計完成后,支撐桿件需滿足結構荷載要求,建筑形體美觀要求進行設計.桿件沿著表皮輪廓線進行放置,輪廓線是曲線需拉直優(yōu)化,拆分指定段數(shù),直線連接各端點,生成計算尺寸的實體形狀,驗證結構受力情況.

4.4.4 頂棚設計優(yōu)化

頂棚桁架設計優(yōu)化:原設計維持頂部兩條曲線劃分點數(shù)與下部一致,則創(chuàng)建的桿件重合,無法進行安裝,故需單獨進行分割,重新設計.

設計師首先需要提取最頂部兩條曲線,再對曲線進行劃分,獲取劃分后的點,再把這些點進行轉置,兩兩成組,進行連線,生成桿件控制線,通過桿件控制線來創(chuàng)建實體桿件.如圖4所示.

擴初設計階段是建筑全過程的承前啟后階段,深化方案設計,為施工圖設計打好基礎.相比傳統(tǒng)設計,參數(shù)化設計能夠直接通過BIM模型生成各類圖紙,并保證其與模型的關聯(lián)性、一致性[8].此方式能夠直觀、全面的表達建筑構件空間關系,實現(xiàn)專業(yè)內及專業(yè)間的綜合協(xié)調,可以避免或解決大量的設計沖突問題,大幅度提升設計質量.

圖4 頂棚設計優(yōu)化

圖5 幕墻編號標注

4.5 施工圖設計

施工圖設計是對初設模型進行深化設計,利用施工圖模型直接生成施工圖,并進行二維注釋、標注等圖紙細化工作.

主要包括:幕墻曲面分割、幕墻分格優(yōu)化設計、預制加工圖、加工清單自動生成、幕墻曲面編號、標注、龍骨坐標定位和施工圖出圖等.

4.5.1 幕墻曲面分割

在方案階段,頂棚為了達到方案效果,為異型不規(guī)則形狀.在設計過程中,對屋頂進行了模數(shù)化、構建化處理,對曲面進行參數(shù)化線性漸變優(yōu)化,同時對屋頂?shù)牟Ａ市ЧM行模擬分析.

4.5.2 幕墻曲面編號、標注

異型幕墻三維出圖需對幕墻嵌板進行三維編號、二維標注出圖,輔助施工單位快速準確安裝,加快施工進度.

常規(guī)Revit無法快捷進行異型幕墻標注出圖,相對較困難,需借助參數(shù)化設計軟件,利用程序驅動數(shù)據(jù),自動編號,自動出圖,如修改幕墻,程序會自動識別參數(shù)信息,編號會自動修改,無需重復標注[9].如圖5所示.

4.5.3 預制加工圖、加工清單自動生成

幕墻完成編號標注,創(chuàng)建程序自動生成預制加工圖,加工清單.預制加工圖可套指定圖框導出DWG或PDF格式文件,滿足出圖規(guī)范要求.加工清單可直接導出EXCEL文件,便于計算、統(tǒng)計、應用等.如圖6、表3所示.

圖6 預制加工圖

表3 預制加工清單

4.5.4 龍骨坐標定位

采用BIM三維建模軟件及參數(shù)化程序設計,對整個外幕墻進行面板,龍骨等建模,采集相關定位坐標數(shù)據(jù),用于現(xiàn)場輔助施工.龍骨端點坐標定位,首先利用可視化編程將龍骨端點進行編號,生成龍骨定位圖,再通過程序輸出端點的X，Y，Z坐標值,導出EXCEL,進行統(tǒng)計查看.如圖7、表4所示.

圖7 龍骨定位點編號

表4 龍骨定位點坐標

4.5.5 施工圖出圖

施工圖設計主要為解決施工中的技術措施、工藝做法、用料等,為施工安裝、工程量預算、設備及配件的安放和制作等提供完整的圖紙依據(jù),圖紙的內容和深度需滿足規(guī)范要求.

本例施工圖在Revit軟件中出圖.Rhino模型完成后,導出SAT文件格式,使用Dynamo獲取SAT文件模型,再導入Revit,進行平面、立面和剖面標注等細化工作,最后完成出圖.如圖8所示.

此階段完成施工圖模型,建立平面圖紙及出圖模型視圖,圖紙深度滿足施工圖審查要求.此階段模型中每張圖紙需包含完整的二維注釋,每個構建的尺寸、定位等參數(shù)信息要詳細、準確.模型中還包含所需統(tǒng)計構建的明細表等文件.繪制完成后,進行圖紙校審、打印、曬圖等工作.匯總明細表等其他資料成果,保存最終模型,進行最終交付及歸檔工作.

圖8 幕墻平、立面圖出圖

5 結語

本文結合實際工程案例分析BIM參數(shù)化設計全過程應用情況.參數(shù)化設計是在變量化設計思想產生以后出現(xiàn)的,是一種新型的設計定量計算方法,可以大大提高模型的創(chuàng)建和修改的速度,提高工作效率和工作質量[10].在方案設計過程中,邏輯思維更強,數(shù)據(jù)來源更準確,分析結果更加合理.在擴初設計過程中,能夠直觀、全面地表達建筑構件空間關系,實現(xiàn)專業(yè)內及專業(yè)間的綜合協(xié)調,可以避免或解決大量的設計沖突問題.在施工圖設計中,能夠快速進行幕墻定位、編號、標注和出圖,大大提高數(shù)據(jù)輸出效率.在數(shù)據(jù)收集等平臺越發(fā)完善的互聯(lián)網時代,參數(shù)化已成為時代發(fā)展的大趨勢,BIM參數(shù)化被稱為建筑設計的第二次革命.在景觀、規(guī)劃等設計中,GIS作為主要的數(shù)據(jù)分析軟件,已經獲得了設計師的認可.Rhino+Grasshopper，Revit+Dynamo參數(shù)化設計最重要軟件,采用類似GIS的開源數(shù)據(jù),分析的結果與GIS相當,可視化效果優(yōu)于GIS[11].因此，參數(shù)化設計在國家政策推動下會越來越多地廣泛應用于實際項目中,為企業(yè)創(chuàng)造更高的價值.