基于BIM 平臺(tái)的復(fù)雜曲面幕墻工程設(shè)計(jì)探析

段連軍

（太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院（有限公司），山西 太原 030027）

1 復(fù)雜曲面幕墻分類

當(dāng)前，建筑使用的幕墻材料種類越來(lái)越多，材質(zhì)可分為金屬幕墻、玻璃幕墻、玻璃纖維高強(qiáng)混凝土（下文簡(jiǎn)稱GRC）、石材幕墻等，施工方式可分為單元、半單元以及框架式。不同幕墻的優(yōu)勢(shì)不同，設(shè)計(jì)過(guò)程利用BIM 平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞，降低設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度，縮短設(shè)計(jì)周期，保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 BIM 平臺(tái)復(fù)雜曲面幕墻工程設(shè)計(jì)策略

2.1 設(shè)計(jì)流程

通常而言，GRC 類幕墻和建筑裝飾不屬于主體結(jié)構(gòu)，因此不會(huì)承受結(jié)構(gòu)荷載，但其安裝位置較高，因此需要設(shè)計(jì)過(guò)程保證幕墻的安全性和牢固性，及設(shè)計(jì)的合理性。

使用BIM 平臺(tái)展開復(fù)雜曲面幕墻設(shè)計(jì)，需遵循以下步驟：第一，當(dāng)GRC 設(shè)計(jì)構(gòu)件完成之后，需要按照構(gòu)件規(guī)格、形狀及主題等確認(rèn)是否需要龍骨、節(jié)點(diǎn)等，建筑主體和構(gòu)件對(duì)應(yīng)關(guān)系，明確二次結(jié)構(gòu)的需要與否；第二，設(shè)計(jì)過(guò)程按照預(yù)先設(shè)定材質(zhì)、尺寸、強(qiáng)度等對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、失穩(wěn)和變形等效應(yīng)列出；第三，按照各個(gè)效應(yīng)簡(jiǎn)圖，逐一列舉結(jié)構(gòu)荷載清單，經(jīng)分析和計(jì)算后，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。

如：GRC 幕墻、裝飾構(gòu)件處于荷載環(huán)境下時(shí)，幕墻為受彎狀態(tài)，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮其力學(xué)性能，利用參數(shù)化的BIM模型，將信息提取出來(lái)，建立有限元參數(shù)模型，計(jì)算出GRC對(duì)的抗彎強(qiáng)度[1]。

2.2 難點(diǎn)分析

利用BIM 平臺(tái)主要是快速傳遞和共享信息，利用BIM建模軟件Revit，借助其創(chuàng)建模型，描述建筑幾何信息、材料參數(shù)等，在分析階段，由于復(fù)雜曲面GRC 幕墻當(dāng)中，存在多種不規(guī)則形狀GRC 板，將信息輸入到分析模型中，可發(fā)揮BIM 平臺(tái)價(jià)值。

2.3 參數(shù)處理

通常而言，使用Midas-Gen 展開結(jié)構(gòu)分析流程如下：定義初始參數(shù)、材料截面、節(jié)點(diǎn)和單元等，建立構(gòu)件單元，之后將荷載邊界值添加其中，對(duì)荷載組合進(jìn)行定義，最后運(yùn)行分析并查看、輸出分析結(jié)果。

如：使用Dynamo 將面板節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行提取，利用Gemetry-point-X，Y，Z 來(lái)獲取點(diǎn)坐標(biāo)分量，使用流程代碼將信息創(chuàng)建在Excel 表格中。獲取到GRC 定位信息后，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)復(fù)制到MGT 文件中，創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。在處理參數(shù)過(guò)程，將數(shù)據(jù)設(shè)置2 行，其中定義第一行為節(jié)點(diǎn)調(diào)用模塊，第二行是子命令模塊，信息包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)X 向坐標(biāo)、Y 向坐標(biāo)、Z 向坐標(biāo)。

2.4 運(yùn)行流程

按各項(xiàng)規(guī)范，設(shè)置參數(shù)，并建立GRC 單元：第一，GRC 強(qiáng)度，通常其屬于大中型構(gòu)件，因此強(qiáng)度可選擇18MPa，需注意，此標(biāo)準(zhǔn)不可應(yīng)用在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，設(shè)計(jì)強(qiáng)度主要指GRC 衰減之后強(qiáng)度，因此在抗彎強(qiáng)度方面可取8MPa；第二，GRC 厚度，當(dāng)計(jì)算GRC 自重荷載時(shí)，可選擇包含質(zhì)感層總體厚度；當(dāng)計(jì)算應(yīng)力時(shí)，可按照基層厚度，龍骨厚度在12~15mm 之間。第三，錨桿設(shè)計(jì)和可防止產(chǎn)生剛性約束，GRC 板產(chǎn)生裂縫，通常錨桿間距在600~900mm 左右。當(dāng)橫縱間距不同時(shí)，可計(jì)算出跨度、間距最大值，保證長(zhǎng)短跨間距比值≤1.5。在Midas-Gen 當(dāng)中，同一平面3~~4個(gè)節(jié)點(diǎn)組合成平板單元。

由于GRC 尺寸不規(guī)則，在設(shè)置錨桿時(shí)要按照板尺寸、形狀等，設(shè)置錨桿間距及添加節(jié)點(diǎn)，在定位錨桿處約束，保證錨桿定位點(diǎn)處于坐標(biāo)系各個(gè)坐標(biāo)軸方向的平移自由度。在Midas-Gen 中存在網(wǎng)格劃分器，可按需求定義網(wǎng)格形狀和尺寸。

在荷載施加設(shè)計(jì)過(guò)程，可將無(wú)效地震效應(yīng)以及有效地震效應(yīng)考慮其中，按照建筑荷載規(guī)范，計(jì)算出幕墻承載性能，按照公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中代表幕墻結(jié)構(gòu)系數(shù)；代表荷載設(shè)計(jì)值；代表構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。按照幕墻技術(shù)規(guī)范，其受到地震、風(fēng)等荷載影響較小，因此可結(jié)合實(shí)際情況，合理設(shè)計(jì)荷載[2]。

2.5 結(jié)果生成和處理

經(jīng)BIM 平臺(tái)運(yùn)行之后，復(fù)雜曲面幕墻設(shè)計(jì)結(jié)果和要求相符時(shí)，可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行查看，同時(shí)將內(nèi)力、應(yīng)力等單元結(jié)果生成對(duì)應(yīng)文本。在Midas-Gen 表格工具內(nèi)置功能，將Excel 表格輸出，并在電子表格中檢查GRC 單元內(nèi)力、應(yīng)力等。按照計(jì)算需求，手動(dòng)將設(shè)計(jì)內(nèi)力以及設(shè)計(jì)應(yīng)力數(shù)值等填寫到Excel 當(dāng)中，解決傳統(tǒng)手動(dòng)向BIM 平臺(tái)當(dāng)中輸入結(jié)果，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)流程分為三步，第一，使用Dynamo 將Excel 文件讀取出來(lái)，找到節(jié)點(diǎn)信息，并將表格數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻ynamo 中；第二，處理列表數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存，輸出和Excel 表格一致的數(shù)值；第三，關(guān)聯(lián)Excel 和Revit 數(shù)據(jù)，獲取幕墻BIM編碼列表，利用節(jié)點(diǎn)指針和列表中的BIM 編碼進(jìn)行查看，并利用Filter By Boolmask 過(guò)濾表中的BIM 編碼，對(duì)計(jì)算之后的GRC 板進(jìn)行結(jié)果添加，過(guò)濾所選列表內(nèi)的各元素，將Excel中的幕墻嵌板過(guò)濾出去。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，復(fù)雜曲面GRC 幕墻處于環(huán)境、荷載等因素影響下，呈現(xiàn)出受彎狀態(tài)，在設(shè)計(jì)過(guò)程，需根據(jù)幕墻的力學(xué)性能，優(yōu)化抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)，利用BIM 平臺(tái)，及參數(shù)化模型，求解出幕墻的抗彎強(qiáng)度，處理參數(shù)信息，將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)提取至Excel 當(dāng)中，并復(fù)制在MGT 文件內(nèi)，結(jié)合幕墻設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范，合理確認(rèn)有限元參數(shù)，使用Midas-Gen 進(jìn)行文件讀取，建立分析模型求解出計(jì)算結(jié)果，最終利用Dynamo 流程代碼，將數(shù)據(jù)傳回至BIM 模型當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程快速建立模型，保證參數(shù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的順利流通。