CATIA参数化设计在单元式幕墙工程中的应用

张洪岩 杨佳昊 李洪军

中建八局第二建设有限公司 山东 济南 250014

随着建筑行业的发展及参数化设计技术的应用，人们对建筑审美的要求提高，建筑造型越来越奇特、现代、新颖。多变的建筑形态给建筑幕墙的设计、加工、施工带来了巨大挑战，尤其是异形单元幕墙系统。

为解决异形单元式幕墙在设计、加工、施工阶段的难题，基于CATIA参数化设计软件研究出了一套设计工具和工作流程，实现了以下目标：异形单元式幕墙参数化设计，自动化参数修改及更新，自适应批量生成不同单元体模型；由单元体模型批量导出构件模型，用于数控加工；施工工序模拟和空间定位。

CATIA是法国达索公司的高端CAD/CAE/CAM应用软件，是一个先进的产品生命周期管理（PLM）的解决方案，也是一个高端的BIM软件，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成品的全过程[1]，应用范围涉及航天与国防、机械、船舶与海洋工程、工业设备、建筑、工程与施工和电子等诸多领域。CATIA于20世纪90年代开始应用于建筑行业，其中应用较早且比较知名的是Gehry Technologies公司以CATIA V5为基础开发的Digital Project软件。

在本工程中，基于CATIA创新并开发了一整套的设计及管理工具，较好地解决了设计和管理难题，设计效率提高约40%，设计质量提升25%以上，管理成本降低约20%。CATIA参数化设计软件在异形单元式幕墙工程中的实践与应用，为解决异形单元式幕墙工程难题提供了新的工具和思路，为更快、更好地解决异形难题奠定基础。

1 工程概况

阜阳市大剧院位于安徽省阜阳市城南新区，建筑高度46.50 m，幕墙面积6.4万 m2，主要幕墙形式为鱼鳞状渐变曲面单元玻璃幕墙，单元式幕墙面积2.4万 m2。

阜阳大剧院建筑立意为“七彩玫瑰”，整体为一个曲面结构的非线性形体（图1），外幕墙弧面的流动感及卷曲的屋面造型，从里至外逐层展开，寓意着剧院的文化艺术气质。

图1 建筑效果

为了呈现出灵动精美的造型，阜阳大剧院玻璃幕墙均为装配式大板块双曲单元体构造，各板块之间通过横向进深渐变，呈鱼鳞状翘曲效果，工程造型复杂，渐变双曲面较多，设计及施工难度极大。该项目建筑设计单位为清华大学建筑设计研究院有限公司，幕墙工程由本公司负责设计和施工。

该项目共计约3 300樘不同的单元板块，在工厂加工组装部分有6万多个构件，且每个构件都需要出工程图交付工厂进行加工。为保证工程进度，若采用传统CAD平面放样方法需要投入十余人，而利用CATIA软件参数化建模预计仅需投入3人。

2 工程重、难点

该项目各单元板块竖向排列呈鱼鳞状翘曲效果且与地面有渐变的内外倾角，曲面呈花瓣形高低渐变，上下相邻板块翘曲差值最大为150 mm，所有单元体各组成构件无任何相同尺寸。项目的造型及设计特点导致项目具有以下重难点：

1）结构复杂、造型新颖，总平面形状大致呈3片花瓣形（图2），飘逸的造型导致每个单元板块的尺寸都不相同。

图2 3片花瓣造型

2）建筑立面效果呈上下左右交错的鱼鳞状（图3），相邻上下两板块的进出尺寸为0～362 mm不等，下面单元板块的铝合金插芯位置需依据上面单元板块的位置而定（图4），定位难度很大。

图3 鱼鳞状表面

图4 单元板块上下插接节点

3）建筑立面有内倾和外倾，使玻璃的配置不同，防水构造也不同。

4）建筑立面的弧面造型导致左右两相邻板块的夹角不同，装饰铝板的尺寸也不尽相同。

3 施工工艺流程/研究的过程

3.1 CATIA软件简介

CATIA软件具有优秀的建模功能，它的曲面建模能力是所有三维CAD软件中最强大的，能够满足异形建筑的建模需求。同时，CATIA软件的精度很高，能够满足建筑幕墙的精度要求。CATIA提供了强大的二次开发接口，目前CATIA开发主要有2种方式，即进程内应用程序方式和进程外应用程序方式[2-3]。该项目采用进程内应用程序方式对CATIA进行二次开发。

3.2 传统单元式幕墙设计方法

传统单元式幕墙基本上是采用AutoCAD软件进行二维放样，依据平立面图纸确定单元板块的外形尺寸，根据大样、节点图纸确定细部构造做法，然后对单元板块的每一个构件进行一一放样，确定每个构件的外形尺寸、豁口位置及大小、孔的位置及大小等加工信息，最终得到每个构件的加工图纸。

传统方法只能解决造型简单、建筑轮廓规则的单元式幕墙的设计工作，对于结构复杂、造型新颖的建筑幕墙工程，传统方法无法准确表达，只能依靠三维软件建模准确表达每个细节。同时，传统设计方法无法使设计内容前后关联，若设计发生变更，就需花费大量时间进行修改，重新放样出加工图纸，从而大大增加了设计工作量，延长了设计周期。

3.3 CATIA参数化研究与应用

3.3.1 CATIA参数化建模应用流程

CATIA参数化建模应用流程涵盖从建筑表皮及二维施工图纸到单元体成品的整个流程。一般以建筑表皮模型和幕墙施工图纸为初始条件，设计师先根据初始条件利用CATIA创建模板模型，再采用批量实例化的方法生成各种类型的所有单元体模型，最后由设计师导出清单、细目、数控加工模型等数据，交付生产车间进行加工、组装。

1）参数化建模在机械设计中有2种设计方法。

①自上而下：先进行整体布置，确定各零件间的空间位置关系，明确工作性质和受力特征，再进行零件设计。

②自下而上：先进行零件设计，再将各个零件装配在一起，形成产品。

通常机械设计时不拘泥于某种方法，而是穿插应用，力求高效。自上而下的设计方法适用于建筑幕墙中框架幕墙的建模，自下而上适用于门窗的建模，但是这2种方法都不是特别适用于单元体模型的创建。

目前，利用CATIA设计的主要方法是在一个零件文档中利用CATIA的超级副本将多个单元体模型实例化，然后根据需要将各个单元体模型拆分到单个零件文档，再将各个单元体模型的构件拆分到单个零件文档。这种方法对建模能力要求很高，对于复杂的模型很难调试超级副本；如果单元板块很多，会造成零件文档巨大，难以维护，打开和保存需要比较长的时间，影响工作效率。

为有效避免上述设计方法存在的问题，采用另一种建模方法：以一个单元体模型为一个零件文档，通过程序批量修改驱动参数生成各个单元体模型，最终得到若干零件文档，向上可以组成装配体，向下可以得到单元体的每个构件模型。

利用CATIA创建模板模型时，首先根据工程特点创建骨架（图5），包括点、线、面、轴系、参数，建模工作都以此骨架为基础；然后根据骨架模型创建各构件，型材截面可以从二维施工图中导入；接着进行切割、打孔；最后根据工程特点及参数需求在模型中设置必要的参数信息，完成模板模型的创建（图6）。

图5 骨架模型

图6 模板模型

模板模型创建是最重要的一步，建模过程中一定要从全局出发，充分考虑可能的情况，尽量使模板模型适用所有情况。

2）控制参数提取。利用Rhino & Grasshopper从建筑表皮中提取控制参数，控制参数的名称要与模板模型中的参数相同，将控制参数生成Excel表格，用于批量实例化。

3）批量实例化。实例化（与Power Copy的实例化本质一样）是通过修改模板模型的参数，将模板文档另存为指定名称的零件文档（*.CATPart）。为提高模型实例化效率，利用CATIA Automation二次开发编写批量实例化程序（图7、图8）。该程序会根据用户选择的参数表里的模板文件名称自动查找模板路径下对应的模板文件，然后对模板文件里与参数表名称一致的对应参数进行修改，最后以对应的单元体编号为文档名称保存文件，得到相应的单元体模型。其中的“快速模式-适用大内存机器”选项，用户可以根据计算机的配置自主选择，快速模式的速度是普通模式的2倍左右。

图7 二次开发程序主界面

图8 批量实例化界面

4）模型参数导出与更新。批量实例化得到的模型检查无误后，就可以导出存储在统一设定的“Curtain Wall”目录下的幕墙参数至Excel表格。利用Excel强大的编辑功能，可以方便地填写物料编码、工程属性、加工件编号、加工图编号等参数，也可以对已有参数进行修改，修改好的参数表保存后，可以利用更新参数功能对模型里的参数进行更新。参数更新功能需要用户选择参数表路径和模型路径，程序会读取用户选择的参数表里的信息，然后逐个对相应模型里的对应同名参数进行修改、更新。

5）型材三视图导出。型材三视图导出程序（图9）根据各物件下参数“是否出图”的值判断是否导出三视图，如果参数值为“真”，则导出，否则不导出；然后根据参数“参照轴系”的值确定物件的主视图方向，从而生成主视图、俯视图、左视图；最后以组件编号与物件的加工件编号为文件名导出DWG图纸，用于加工图纸生成。用户可以自定义各视图之间的距离，根据需要选择“是否以文件名创建单独文件夹”。

图9 型材三视图导出

6）型材模型导出。利用提取几何体程序（图10）从模型中导出型材模型为.stp文件，用于数控加工。

图10 型材模型导出

工厂数控加工的能力决定了是否需要出具二维加工图纸和出图的详细程度；如果加工能力能够完成型材的切割、打孔、铣豁口等工序，则设计师不需要出具二维加工图纸，只需要交付三维模型即可；如果加工能力欠缺，则需要根据实际情况出具补充二维加工图纸。

7）工厂根据单元体组框图将加工好的型材、板材及其他附件进行组框，得到完整的单元体，最终运送至施工现场吊装。

3.3.2 CATIA参数化在数控加工中的应用

形态和类型的多样造成幕墙构件类型和规格种类繁多，导致工艺设计和生产制造成本持续升高，加工厂落后的管理方式和生产模式（图11）已经无法满足现在的生产需求。

图11 现有生产流程

为解决现有问题，降低生产成本，提高生产效率与产品质量，使企业在未来的市场竞争中更具优势，乘着“中国制造2025”国家战略计划的春风，基于BIM的数字化智能加工技术研究与应用成了必然之路。

为提高加工厂生产效率，本公司基于CATIA参数化设计研发了新的生产流程（图12），彻底摒弃了传统CAD二维加工图，实现了由模型直接导出数控模型，数控编程软件自动生成加工代码，下发到数控加工中心自动加工（图13）与产品质检的新模式。仅仅出CAD加工图这一步就直接节省了总体设计工作量的60%，效率提升立竿见影。

图12 创新生产流程

图13 数控加工中心自动加工

阜阳大剧院项目大约2 500樘单元体，每个单元体有4根型材需要数控编程，总计约10 000根，新工作模式下综合生产效率提升3倍，综合生产成本降低约28%。

3.3.3 CATIA参数化在施工中的应用

CATIA参数化技术在施工中起到了重要作用，为现场的测量放线、工序模拟、进度管理、工程量统计等提供了技术支持。

1）测量放线。针对该工程空间点位多的特点，采取全站仪进行放样，以确保定位的精度，保证建筑效果。先将模型点位信息导出到表格（.csv），然后导入全站仪进行现场放样，根据放样结果校核模型。

2）工序模拟。利用CATIA软件模拟单元板块的安装，模拟施工中吊装方案并进行吊车的臂长模拟，保证施工中方案的可行性及选择合适的吊车，提前发现无法安装的区域，及早进行施工组织设计，将异形曲面幕墙的现场施工问题降至最少。

3）进度管理。基于材料跟踪管理系统结合BIM软件-CATIA形成“互联网＋BIM”的技术，实时更新各个环节的材料状态，根据材料的安装信息，将现场进度实时反映在BIM模型中。

4）工程量统计。利用参数化软件编程，从BIM模型中导出板材、型材、钢材等材料的工程量，为材料招标及商务预算提供依据。

4 结语

本文提出的CATIA参数化设计方法具有很强的通用性，通过实践应用得知参数化给设计带来的不仅仅是效率、准确性的提升，更是设计理念、方法的革命。参数化设计过程中结合二次开发，使程序自动处理数以万计的数据信息、构件模型，从而避免人工重复相似繁杂的工作。

在智能制造和工业4.0快速推进的背景下，上游设计与下游生产的无缝对接、数据的高效共享变得迫在眉睫。CATIA作为一个先进的产品生命周期管理（PLM）的解决方案，在工业设计、机械设计、工业设备等行业中应用比较广泛，但在建筑行业中的应用寥寥无几。单元式幕墙作为工厂化加工的产品，可以适用工业产品生命周期管理（PLM）的解决方案，未来要将CATIA的PLM与公司PLM融合，实现高效的产品生命周期管理。