参数化设计在幕墙全程设计中应用研究

杨晓林，龚 凯

重庆市设计院,重庆 400015

0 引言

随着BIM(Building information modeling,英文缩写为BIM)技术的飞速发展,幕墙构造及功能形式日渐复杂多样,建筑方案设计中异形幕墙如双曲面等复杂造型的幕墙越来越多,而且多数幕墙工程都承担着节能的功能,需要进行分析与计算[1].因此，传统的设计方法和流程难以满足现有的幕墙设计需求.另外,对于采用复杂的新材料、复杂造型的幕墙工程,采用传统的施工方法,在埋件精准定位、材料下单、构件加工和运输安全等方面都难以实施.本文基于BIM参数化技术建立幕墙模型,进行综合模拟分析及可行性验证,以提高幕墙设计的精确性、合理性与经济性,进而得出最优化的幕墙设计综合结果,并完成施工图三维正向设计,配合施工现场施工[2].

1 概述

BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具,通过参数模型整合各种项目的相关信息,在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递,使工程技术人员对各种建筑信息做出正确理解和高效应对,为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础,在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用.BIM目前主要应用效果有:辅助建筑设计人员更高效的控制设计,更好地与参数化设计对接,更真实的建筑环境模拟分析,动线虚拟现实系统,防灾与逃生模拟,三维空间设计核查,更便捷的图纸生成及管理,工程计算量与成本控制,建筑生命期的数据协同与应用等[3],其中参数化设计是BIM 模型的基础,各个设计阶段不断深化的数据基石.本文拟围绕参数化化设计发展及应用,结合实际案例应用,分析参数化与传统设计优势,分析参数化设计在各个阶段重难点应用.

2 参数化设计发展及应用

在参数化软件问世之前,设计工作大多还是靠人力手工创建,当然可使用插件,但是插件只能解决一些固定问题或提高某一类型构建的建模效率,无法针对个人需求提出解决方案[4].再者插件的开发时间很长,成本很高,无法应付短时间项目的需求.

使用参数化设计之后,很多大批量与机械化的工作可以交给软件自动创建,使设计师们可以有更多的时间关注设计本身,从而提高了设计质量和效率,也就是技术革命引起了从手工绘图向程序自动设计的重大飞跃.同时在异形建筑上,参数化设计应用更为突出,主要应用包括三维可视化设计、曲面有理化分析、幕墙分割、曲面定位和曲面出图等.

3 参数化设计流程

基于外立面幕墙参数化设计项目经验,总结出外立面幕墙全过程参数化设计流程与幕墙BIM全过程设计流程.主要从参数化设计各阶段应用、应用成果、幕墙专业与其他专业全过程设计中的关系、专业间提资、专业间协调等方面进行汇总梳理归纳,形成如下流程体系.如表1～表2所示.

表1 外立面幕墙参数化设计全过程流程

表2 幕墙BIM设计全过程流程

4 参数化设计案例应用

4.1 BIM参数化应用

参数化应用主要体现在设计师更高效的参数化控制设计、更好地与参数化设计对接、更真实的建筑环境模拟分析、动线虚拟现实系统、防灾与逃生模拟、三维空间设计核查、更便捷的图纸生成及管理、工程计算量与成本控制、进度控制、建筑全生命期的数据协同与应用等方面.以下结合项目案例分析参数化设计在各阶段重难点应用，模型效果如图1所示.

图1 项目效果

4.2 重难点分析

(1)本项目整体大空间大跨度设计,结构支撑设计复杂,空间曲面变化大.

(2)椭圆形顶棚设计,一端抬高设计,幕墙上下对称,左右非对称,增加曲面安装难度.

(3)异型幕墙划分,幕墙曲面优化,获取最佳模数,便于加工生产.

(4)龙骨空间定位,龙骨随幕墙曲面变化而变化,空间关系难以把控,需进行三维节点坐标定位,便于出施工定位图.

(5)三维幕墙出图,曲面幕墙平面化,可借助Grasshopper或者Dynamo等参数化设计软件进行快速生成,再进行编号与标注出图.

4.3 方案分析

IM的介入可以让设计更加多元化,逻辑性也更强,复杂建筑的形体,通过参数化的改变可以对建筑的形态进行参数化改变[5].

本项目因场馆外立面幕墙曲面复杂,椭圆设计理念,在概念方案阶段设计师可借助Rhino+Grasshopper或者Revit+Dynamo等设计软件进行参数化设计,可视化编程,辅助设计师快速准确表达设计意图,快速切换方案等,便于业主选择最优方案.

方案模型参数化设计流程:

(1)打开Rhino软件,在平面视图中拾取一点作为项目基点,基于这一点画椭圆;

(2)向Z轴方向移动这个椭圆至不同标高上,并分别进行缩放椭圆;

(3)旋转顶部两个椭圆至指定角度,旋转中心为其中一段端点；

(4)基于这5条边界线进行Divide(分段),每个椭圆被72个点划分;

(5)对椭圆上点进行转置,使竖向五点位于同一列表,进行连线,创建中间轮廓线,同理再对椭圆上点进行Shift(移动),使用Merge(合并)使其进入同一个列表,进行连线,创建两条边界线;

(6)中部曲面创建,对两条边界线和中间轮廓线进行LOFT(放样)生成曲面;

(7)对中部曲面进行着色,使用Preview(着色)为曲面进行着色;

(8)同理创建下部曲面,首先创建线,再进行放样生成曲面;

(9)同理创建上部曲面,首先创建线,再进行放样生成曲面,并进行着色;

(10)基于顶部椭圆,往Z轴方向复制9个椭圆,并按数列从大到小分别进行缩放;

(11)基于椭圆进行分段,每个椭圆被72个点划分,便于后期创建杆件支撑;

(12)基于曲线进行放样生成顶部曲面,并进行着色,完成模型创建.如图2～图3所示.

图2 方案设计流程

图3 Grasshopper方案参数化设计流程

确定方案造型后,可把Grasshopper或者Dynamo模型导出DXF等格式文件,再导入Ecotect Analysis或CFD等分析软件,对光照、太阳能、温度效应及风环境进行模拟,对方案进行能耗分析,通过计算机模拟分析进行方案比选,实现建筑设计方案的优化和提升,避免建筑设计后期变更方案,帮助建筑设计师从建筑设计早期就引入生态和节能理念,实现舒适度高而又生态节能的建筑方案设计[6].

4.4 扩初设计

扩初设计基于方案模型进行优化,目的是论证工程项目的技术可行性和经济合理性.此阶段需要明确设计原则、标准和重大技术问题等,详细考虑和研究结构和机电专业的设计方案,协调各专业方案的技术矛盾,并合理确定总投资和经济技术指标等.

主要内容:设计师进行建筑表皮优化、桁架设计优化、顶棚设计优化等参数化设计、表皮支撑杆件设计优化、可视化建模和数据化分析工作.

4.4.1 建筑表皮形体优化

曲面光滑性控制:斑马纹主要作用就是判断曲面走势和辅助判断质量,判断曲面走势就是根据上面线条的方向、密集程度来解读它的朝向,曲率变化.

对形体在Rhino中进行斑马纹分析优化,对曲面的连续性进行修正与完善.通过斑马纹可以判断曲面的G 0,G 1,G 2连续,并针对其连续性进行分析修正[7].

4.4.2 桁架设计与优化

建筑表皮形体确定后,进行桁架设计,桁架设计需满足结构设计荷载要求,还需满足建筑设计美观要求,同时要满足幕墙支撑设计要求.设计完成后对桁架进行优化设计,满足工厂加工、施工安装等要求.

桁架设计:设计弧形曲面支撑,在原有结构线基础上,进行复制、偏移、缩放生成桁架结构线,再把结构线进行分组,间隔3根为一组,作为主杆件,主杆件用于曲面主要受力点支撑,其他为次杆件,次杆件主要作为边界线支撑.

桁架优化:由于最初设计杆件为曲线,加工、施工困难,故需调整曲线为直线.在原曲线上进行拆分,找出等分点,把这些点用直线连接,再进行实体化,修改杆件直径满足结构受力要求.

4.4.3 表皮支撑杆件设计优化

建筑表皮设计完成后,支撑杆件需满足结构荷载要求,建筑形体美观要求进行设计.杆件沿着表皮轮廓线进行放置,轮廓线是曲线需拉直优化,拆分指定段数,直线连接各端点,生成计算尺寸的实体形状,验证结构受力情况.

4.4.4 顶棚设计优化

顶棚桁架设计优化:原设计维持顶部两条曲线划分点数与下部一致,则创建的杆件重合,无法进行安装,故需单独进行分割,重新设计.

设计师首先需要提取最顶部两条曲线,再对曲线进行划分,获取划分后的点,再把这些点进行转置,两两成组,进行连线,生成杆件控制线,通过杆件控制线来创建实体杆件.如图4所示.

扩初设计阶段是建筑全过程的承前启后阶段,深化方案设计,为施工图设计打好基础.相比传统设计,参数化设计能够直接通过BIM模型生成各类图纸,并保证其与模型的关联性、一致性[8].此方式能够直观、全面的表达建筑构件空间关系,实现专业内及专业间的综合协调,可以避免或解决大量的设计冲突问题,大幅度提升设计质量.

图4 顶棚设计优化

图5 幕墙编号标注

4.5 施工图设计

施工图设计是对初设模型进行深化设计,利用施工图模型直接生成施工图,并进行二维注释、标注等图纸细化工作.

主要包括:幕墙曲面分割、幕墙分格优化设计、预制加工图、加工清单自动生成、幕墙曲面编号、标注、龙骨坐标定位和施工图出图等.

4.5.1 幕墙曲面分割

在方案阶段,顶棚为了达到方案效果,为异型不规则形状.在设计过程中,对屋顶进行了模数化、构建化处理,对曲面进行参数化线性渐变优化,同时对屋顶的玻璃色彩效果进行模拟分析.

4.5.2 幕墙曲面编号、标注

异型幕墙三维出图需对幕墙嵌板进行三维编号、二维标注出图,辅助施工单位快速准确安装,加快施工进度.

常规Revit无法快捷进行异型幕墙标注出图,相对较困难,需借助参数化设计软件,利用程序驱动数据,自动编号,自动出图,如修改幕墙,程序会自动识别参数信息,编号会自动修改,无需重复标注[9].如图5所示.

4.5.3 预制加工图、加工清单自动生成

幕墙完成编号标注,创建程序自动生成预制加工图,加工清单.预制加工图可套指定图框导出DWG或PDF格式文件,满足出图规范要求.加工清单可直接导出EXCEL文件,便于计算、统计、应用等.如图6、表3所示.

图6 预制加工图

表3 预制加工清单

4.5.4 龙骨坐标定位

采用BIM三维建模软件及参数化程序设计,对整个外幕墙进行面板,龙骨等建模,采集相关定位坐标数据,用于现场辅助施工.龙骨端点坐标定位,首先利用可视化编程将龙骨端点进行编号,生成龙骨定位图,再通过程序输出端点的X，Y，Z坐标值,导出EXCEL,进行统计查看.如图7、表4所示.

图7 龙骨定位点编号

表4 龙骨定位点坐标

4.5.5 施工图出图

施工图设计主要为解决施工中的技术措施、工艺做法、用料等,为施工安装、工程量预算、设备及配件的安放和制作等提供完整的图纸依据,图纸的内容和深度需满足规范要求.

本例施工图在Revit软件中出图.Rhino模型完成后,导出SAT文件格式,使用Dynamo获取SAT文件模型,再导入Revit,进行平面、立面和剖面标注等细化工作,最后完成出图.如图8所示.

此阶段完成施工图模型,建立平面图纸及出图模型视图,图纸深度满足施工图审查要求.此阶段模型中每张图纸需包含完整的二维注释,每个构建的尺寸、定位等参数信息要详细、准确.模型中还包含所需统计构建的明细表等文件.绘制完成后,进行图纸校审、打印、晒图等工作.汇总明细表等其他资料成果,保存最终模型,进行最终交付及归档工作.

图8 幕墙平、立面图出图

5 结语

本文结合实际工程案例分析BIM参数化设计全过程应用情况.参数化设计是在变量化设计思想产生以后出现的,是一种新型的设计定量计算方法,可以大大提高模型的创建和修改的速度,提高工作效率和工作质量[10].在方案设计过程中,逻辑思维更强,数据来源更准确,分析结果更加合理.在扩初设计过程中,能够直观、全面地表达建筑构件空间关系,实现专业内及专业间的综合协调,可以避免或解决大量的设计冲突问题.在施工图设计中,能够快速进行幕墙定位、编号、标注和出图,大大提高数据输出效率.在数据收集等平台越发完善的互联网时代,参数化已成为时代发展的大趋势,BIM参数化被称为建筑设计的第二次革命.在景观、规划等设计中,GIS作为主要的数据分析软件,已经获得了设计师的认可.Rhino+Grasshopper，Revit+Dynamo参数化设计最重要软件,采用类似GIS的开源数据,分析的结果与GIS相当,可视化效果优于GIS[11].因此，参数化设计在国家政策推动下会越来越多地广泛应用于实际项目中,为企业创造更高的价值.