BIM在成都东部新区规划展示中心幕墙工程中的应用
时间：2023-02-22 08:00:06 来源：千叶帆 本文已影响人
陆林枫 孙志刚
(中建深圳装饰有限公司，深圳 518035)
参数化设计是指一种将全部设计要素作为某个函数的变量，通过设计函数或者算法将相关变量关联起来，通过输入参数便可自动生成模型的设计方法[1]。在信息化发展的大背景下，非线性建筑设计正由过去的边缘状态逐渐走上主流的设计舞台[2]。在各大项目逐渐趋于曲面渐变和自由机理造型的今天，参数化设计已是一个不能避开的设计手段。本文通过采用Rhino及其参数化设计插件Grasshopper，并辅以相关的二次开发工具，对异型建筑项目的设计、下料、施工等方面的应用实施进行深入介绍。相对于传统的设计建模，基于Grasshopper的设计特点包括：可编译性、可视性、可扩展性[3]。希望以此抛砖引玉，能够为广大幕墙BIM设计师在异型曲面项目中提供经验，并能带来实质效率提升。
1.1 项目介绍
成都东部新区规划展示中心幕墙工程位于四川省成都市空港新城绛溪南片区，机场南线北侧，总建筑面积为1.62万m2，幕墙面积约2万m2。本工程的设计理念来源于成都的市花——芙蓉花，结合中国古老元素，通过建筑体现绽放于成都东部新区。建筑底部设计为矩形底座，上面承托5个结合新发展理念建造的“花瓣”小展厅(创新新城展厅、协调新城展厅、绿色新城展厅、开放新城展厅、共享新城展厅)，项目顶部方案设计图如图1所示。
图1 项目顶部方案设计图
1.2 工程特点和难点
与规则型体设计不同的是，复杂型体设计会出现许多无法用以往工程设计经验直接套用的轴线、网格系统[4]。本项目主要有如下几处特点和难点：
(1)造型复杂系统繁多
幕墙系统主要分为以下多种类型：花瓣造型位置采用了双曲幻彩蜂窝铝板的双层幕墙系统和外倾双曲玻璃幕墙系统；
幻彩蜂窝铝板幕墙护栏系统；
穿孔铝板幕墙系统；
直面吊挂全玻璃幕墙系统；
直面T型钢玻璃幕墙系统。整体造型无明显规律，系统交接面异常繁多，不仅方案设计困难，而且全双曲材料的加工和安装也同样具有挑战性。由于异形曲面结构具有复杂的三维关系，建模时容易出错[5]。
(2)深化下料周期短
项目工期紧张，对于深化下料的周期要求非常紧迫，故本项目采用深化设计与BIM模型同步开展。前期先进行表皮梳理和板块划分，并制作主要构件的初始模型，同时通过模型研究各个交接面的方案设计，并检查幕墙构件与结构及其他构件之间的干涉关系，及时变更图纸方案。确认无明显问题后，通过原参数化程序图逐步将模型细节升级达到最终下料的程度，并直接从模型中提取相关数据和图表，大大缩短了设计下单的周期，为后续加工生产提供了更充裕的时间。
(3)施工难度较大
项目的花瓣造型为完全双曲造型，且无明显规律特征，因此对施工精度要求非常高。项目采用节点优化设计与BIM施工模拟相结合，所有杆件的定位数据完全由模型导出，以保证现场安装与模型在可调节的误差范围内。
2.1 表皮优化
优化设计的目的就是控制工程造价。在前期幕墙板块划分之前，先对建筑模型进行曲率分析，以此来判断曲面的质量，从而分析出曲面是否满足生产的最低要求[6]。
建筑形体表面是有若干张自由组合而成的连通曲面[7]，如图2所示。采用曲面控制点柔化算法，对有明显问题的曲面先进行适当优化，使其外观平顺、结构线合理，如图3～图4所示，同时检测表皮与结构之间的空间关系，以避免后续严重的碰撞干涉问题。
图2 局部表皮曲率图(优化前)
图3 局部表皮曲率图(优化后)
图4 板块分缝后效果图
对于外倾的双曲玻璃系统则采用单曲圆柱面拟合的方式，在误差允许的范围内将其优化，从而提高生产效率，降低生产周期和成本。同时将玻璃板优化情况在模型中用颜色加以区分，以可视化的方式将优化情况展示出来，方便设计和加工人员进行直观地检查，如图5～图6所示。
图6 玻璃曲面优化程序图
图5 玻璃曲面优化过程图
板块划分后，便可以通过程序将所有面板依次展开，并排列生成加工图以及尺寸标注。此过程完全自动化，当方案修改后，只需局部进行调整后，便可以重新生成新的加工图数据，如图7所示。
图7 玻璃展开加工图
2.2 杆件优化
项目花瓣造型为自由双曲面，因此不仅此位置所有面材均为双曲面，其连接龙骨位置也全部为扭曲杆件。
第一步优化：依据蜂窝铝板的强度，将蜂窝铝板四边固定改为两边固定，如图8 所示，同时将双曲拉弯的矩管龙骨更改为圆管加抱箍组件，如图9所示。由于圆管截面适合多重安装角度，该方案将龙骨的加工和铝板安装难度大大降低。
图8 优化前蜂窝板节点方案
图9 优化后蜂窝板节点方案
第二步优化：截面改为圆管后，其中心线依然为样条曲线，并不适合加工，故使用圆弧逼近来代替曲线更为有利[8-9]， 如图10所示。通过二次开发，创新地采用牛顿迭代法，给定初始条件(圆管最大长度5 500mm，拱高偏差10mm)，然后在计算机的计算下得出分段后的圆弧圆管模型，并通过模型提取相应的加工长度和拉弯半径，如图11所示。
图10 原始圆管中心线曲率分析
图11 圆管中心线分段圆弧化后(不同颜色代表不同的圆管)
2.3 钢架出图
蜂窝板连接的横向钢圆管由钢板支撑于纵向方通之上，但由于项目整体造型奇特且变化多样，所以每一处剖面都不相同，导致纵向分格处的钢架形态也各不相同，给BIM建模增加了难度，如图12～图14所示。在本项目BIM参数化实施过程中，先对每处剖面进行分析，然后归类划分，将剖面样式尽可能地减少，最终提高了参数化建模的优势。
图12 幕墙分区及分格划分依据
图13 幕墙钢龙骨完整模型
图14 幕墙护栏钢龙骨局部模型
模型建立的过程中，将钢架工作平面参数存储于对应的钢架模型中。当参数化BIM模型建立完成后，针对程序生成的部分有问题的位置进行手工修改调整以满足施工要求，如图15所示。最后按施工批次，依次对钢架编号，并批量生成钢架加工图，如图16所示。
图15 钢架局部展开图
图16 钢架局部加工图
2.4 现场安装
在BIM的实施过程中，BIM模型对于现场安装及协调是必不可少的一环，无论是构件安装还是返尺校核，都应有BIM模型的参与。由于前期模型采用了参数化的方式，对构件进行了排序及编号，让构件顺序清晰明了，方便现场工人查找。同时，对需要打点定位的构件，使用模型快速提取关键点位，并对点位进行子序列编号，如图17所示。
图17 型钢控制点模型编号
与传统二维设计相比较，BIM正向设计的水平、质量和效率均有提高，专业协作更加完善，内容表达更加丰富，其优势公共建筑已有明显体现[10]。
本工程基于Rhino软件的模型，通过Grasshopper插件进行适当的优化、调整，基本完美地复原了建筑装饰效果，如图18～图19所示。
图18 项目竣工模型渲染图(二层)
成都东部新区规划展示中心幕墙项目具备较高的复杂性，包含了复杂幕墙、复杂空间、钢结构系统、混合结构等各方面，使用了包括AutoCAD、Rhino、Grasshopper等多个软件。项目注重把握生成思维、曲面设计、逻辑优化、算法研究、数据结构和工程对接这六大环节[11]，确保了在各个设计阶段良好的实用性，同时保持与各专业之间的紧密联系及反馈机制。
本团队应用BIM技术解决了该项目异形造型所带来的各种困难，在保证工期的同时也保证了施工的精度和质量，同时采用二次开发解决了设计优化过程中的难点问题，将参数化设计与应用提升到一个新的高度。整个项目的BIM应用创新点主要可以归纳为以下五点：
(1)复杂的建筑形体、空间的精确定位与信息传递；
(2)双层三维幕墙系统优化设计分析与成本控制；
(3)整体结构体系的建立及一体化表皮设计；
(4)依托BIM模型进行多专业的整合及验证工作；
(5)基于Rhino和Grasshopper平台的二次开发工具。
BIM技术现已成为设计师们需要掌握的必备技能，希望本工程的BIM应用经验能够对其他同类型项目提供启发与借鉴。
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