楊曉林，龔 凱

重慶市設(shè)計(jì)院,重慶 400015

0 引言

隨著BIM(Building information modeling,英文縮寫為BIM)技術(shù)的飛速發(fā)展,幕墻構(gòu)造及功能形式日漸復(fù)雜多樣,建筑方案設(shè)計(jì)中異形幕墻如雙曲面等復(fù)雜造型的幕墻越來越多,而且多數(shù)幕墻工程都承擔(dān)著節(jié)能的功能,需要進(jìn)行分析與計(jì)算[1].因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和流程難以滿足現(xiàn)有的幕墻設(shè)計(jì)需求.另外,對(duì)于采用復(fù)雜的新材料、復(fù)雜造型的幕墻工程,采用傳統(tǒng)的施工方法,在埋件精準(zhǔn)定位、材料下單、構(gòu)件加工和運(yùn)輸安全等方面都難以實(shí)施.本文基于BIM參數(shù)化技術(shù)建立幕墻模型,進(jìn)行綜合模擬分析及可行性驗(yàn)證,以提高幕墻設(shè)計(jì)的精確性、合理性與經(jīng)濟(jì)性,進(jìn)而得出最優(yōu)化的幕墻設(shè)計(jì)綜合結(jié)果,并完成施工圖三維正向設(shè)計(jì),配合施工現(xiàn)場(chǎng)施工[2].

1 概述

BIM技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)建造管理的數(shù)據(jù)化工具,通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息,在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞,使工程技術(shù)人員對(duì)各種建筑信息做出正確理解和高效應(yīng)對(duì),為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑運(yùn)營(yíng)單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ),在提高生產(chǎn)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(yīng)用效果有:輔助建筑設(shè)計(jì)人員更高效的控制設(shè)計(jì),更好地與參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)接,更真實(shí)的建筑環(huán)境模擬分析,動(dòng)線虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),防災(zāi)與逃生模擬,三維空間設(shè)計(jì)核查,更便捷的圖紙生成及管理,工程計(jì)算量與成本控制,建筑生命期的數(shù)據(jù)協(xié)同與應(yīng)用等[3],其中參數(shù)化設(shè)計(jì)是BIM 模型的基礎(chǔ),各個(gè)設(shè)計(jì)階段不斷深化的數(shù)據(jù)基石.本文擬圍繞參數(shù)化化設(shè)計(jì)發(fā)展及應(yīng)用,結(jié)合實(shí)際案例應(yīng)用,分析參數(shù)化與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì),分析參數(shù)化設(shè)計(jì)在各個(gè)階段重難點(diǎn)應(yīng)用.

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)發(fā)展及應(yīng)用

在參數(shù)化軟件問世之前,設(shè)計(jì)工作大多還是靠人力手工創(chuàng)建,當(dāng)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(gòu)建的建模效率,無法針對(duì)個(gè)人需求提出解決方案[4].再者插件的開發(fā)時(shí)間很長(zhǎng),成本很高,無法應(yīng)付短時(shí)間項(xiàng)目的需求.

使用參數(shù)化設(shè)計(jì)之后,很多大批量與機(jī)械化的工作可以交給軟件自動(dòng)創(chuàng)建,使設(shè)計(jì)師們可以有更多的時(shí)間關(guān)注設(shè)計(jì)本身,從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率,也就是技術(shù)革命引起了從手工繪圖向程序自動(dòng)設(shè)計(jì)的重大飛躍.同時(shí)在異形建筑上,參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用更為突出,主要應(yīng)用包括三維可視化設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)流程

基于外立面幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出外立面幕墻全過程參數(shù)化設(shè)計(jì)流程與幕墻BIM全過程設(shè)計(jì)流程.主要從參數(shù)化設(shè)計(jì)各階段應(yīng)用、應(yīng)用成果、幕墻專業(yè)與其他專業(yè)全過程設(shè)計(jì)中的關(guān)系、專業(yè)間提資、專業(yè)間協(xié)調(diào)等方面進(jìn)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(shè)計(jì)全過程流程

表2 幕墻BIM設(shè)計(jì)全過程流程

4 參數(shù)化設(shè)計(jì)案例應(yīng)用

4.1 BIM參數(shù)化應(yīng)用

參數(shù)化應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)師更高效的參數(shù)化控制設(shè)計(jì)、更好地與參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)接、更真實(shí)的建筑環(huán)境模擬分析、動(dòng)線虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、防災(zāi)與逃生模擬、三維空間設(shè)計(jì)核查、更便捷的圖紙生成及管理、工程計(jì)算量與成本控制、進(jìn)度控制、建筑全生命期的數(shù)據(jù)協(xié)同與應(yīng)用等方面.以下結(jié)合項(xiàng)目案例分析參數(shù)化設(shè)計(jì)在各階段重難點(diǎn)應(yīng)用，模型效果如圖1所示.

圖1 項(xiàng)目效果

4.2 重難點(diǎn)分析

(1)本項(xiàng)目整體大空間大跨度設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)復(fù)雜,空間曲面變化大.

(2)橢圓形頂棚設(shè)計(jì),一端抬高設(shè)計(jì),幕墻上下對(duì)稱,左右非對(duì)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(chǎn).

(4)龍骨空間定位,龍骨隨幕墻曲面變化而變化,空間關(guān)系難以把控,需進(jìn)行三維節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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(shè)計(jì)軟件進(jìn)行快速生成,再進(jìn)行編號(hào)與標(biāo)注出圖.

4.3 方案分析

IM的介入可以讓設(shè)計(jì)更加多元化,邏輯性也更強(qiáng),復(fù)雜建筑的形體,通過參數(shù)化的改變可以對(duì)建筑的形態(tài)進(jìn)行參數(shù)化改變[5].

本項(xiàng)目因場(chǎng)館外立面幕墻曲面復(fù)雜,橢圓設(shè)計(jì)理念,在概念方案階段設(shè)計(jì)師可借助Rhino+Grasshopper或者Revit+Dynamo等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),可視化編程,輔助設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流程:

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

(2)向Z軸方向移動(dòng)這個(gè)橢圓至不同標(biāo)高上,并分別進(jìn)行縮放橢圓;

(3)旋轉(zhuǎn)頂部?jī)蓚€(gè)橢圓至指定角度,旋轉(zhuǎn)中心為其中一段端點(diǎn)；

(4)基于這5條邊界線進(jìn)行Divide(分段),每個(gè)橢圓被72個(gè)點(diǎn)劃分;

(5)對(duì)橢圓上點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)置,使豎向五點(diǎn)位于同一列表,進(jìn)行連線,創(chuàng)建中間輪廓線,同理再對(duì)橢圓上點(diǎn)進(jìn)行Shift(移動(dòng)),使用Merge(合并)使其進(jìn)入同一個(gè)列表,進(jìn)行連線,創(chuàng)建兩條邊界線;

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

(7)對(duì)中部曲面進(jìn)行著色,使用Preview(著色)為曲面進(jìn)行著色;

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

(10)基于頂部橢圓,往Z軸方向復(fù)制9個(gè)橢圓,并按數(shù)列從大到小分別進(jìn)行縮放;

(11)基于橢圓進(jìn)行分段,每個(gè)橢圓被72個(gè)點(diǎn)劃分,便于后期創(chuàng)建桿件支撐;

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

圖2 方案設(shè)計(jì)流程

圖3 Grasshopper方案參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

確定方案造型后,可把Grasshopper或者Dynamo模型導(dǎo)出DXF等格式文件,再導(dǎo)入Ecotect Analysis或CFD等分析軟件,對(duì)光照、太陽能、溫度效應(yīng)及風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬,對(duì)方案進(jìn)行能耗分析,通過計(jì)算機(jī)模擬分析進(jìn)行方案比選,實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和提升,避免建筑設(shè)計(jì)后期變更方案,幫助建筑設(shè)計(jì)師從建筑設(shè)計(jì)早期就引入生態(tài)和節(jié)能理念,實(shí)現(xiàn)舒適度高而又生態(tài)節(jié)能的建筑方案設(shè)計(jì)[6].

4.4 擴(kuò)初設(shè)計(jì)

擴(kuò)初設(shè)計(jì)基于方案模型進(jìn)行優(yōu)化,目的是論證工程項(xiàng)目的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性.此階段需要明確設(shè)計(jì)原則、標(biāo)準(zhǔn)和重大技術(shù)問題等,詳細(xì)考慮和研究結(jié)構(gòu)和機(jī)電專業(yè)的設(shè)計(jì)方案,協(xié)調(diào)各專業(yè)方案的技術(shù)矛盾,并合理確定總投資和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等.

主要內(nèi)容:設(shè)計(jì)師進(jìn)行建筑表皮優(yōu)化、桁架設(shè)計(jì)優(yōu)化、頂棚設(shè)計(jì)優(yōu)化等參數(shù)化設(shè)計(jì)、表皮支撐桿件設(shè)計(jì)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(shì)和輔助判斷質(zhì)量,判斷曲面走勢(shì)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(duì)形體在Rhino中進(jìn)行斑馬紋分析優(yōu)化,對(duì)曲面的連續(xù)性進(jìn)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(duì)其連續(xù)性進(jìn)行分析修正[7].

4.4.2 桁架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

建筑表皮形體確定后,進(jìn)行桁架設(shè)計(jì),桁架設(shè)計(jì)需滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載要求,還需滿足建筑設(shè)計(jì)美觀要求,同時(shí)要滿足幕墻支撐設(shè)計(jì)要求.設(shè)計(jì)完成后對(duì)桁架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),滿足工廠加工、施工安裝等要求.

桁架設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)弧形曲面支撐,在原有結(jié)構(gòu)線基礎(chǔ)上,進(jìn)行復(fù)制、偏移、縮放生成桁架結(jié)構(gòu)線,再把結(jié)構(gòu)線進(jìn)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(diǎn)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(shè)計(jì)桿件為曲線,加工、施工困難,故需調(diào)整曲線為直線.在原曲線上進(jìn)行拆分,找出等分點(diǎn),把這些點(diǎn)用直線連接,再進(jìn)行實(shí)體化,修改桿件直徑滿足結(jié)構(gòu)受力要求.

4.4.3 表皮支撐桿件設(shè)計(jì)優(yōu)化

建筑表皮設(shè)計(jì)完成后,支撐桿件需滿足結(jié)構(gòu)荷載要求,建筑形體美觀要求進(jìn)行設(shè)計(jì).桿件沿著表皮輪廓線進(jìn)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(diǎn),生成計(jì)算尺寸的實(shí)體形狀,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)受力情況.

4.4.4 頂棚設(shè)計(jì)優(yōu)化

頂棚桁架設(shè)計(jì)優(yōu)化:原設(shè)計(jì)維持頂部?jī)蓷l曲線劃分點(diǎn)數(shù)與下部一致,則創(chuàng)建的桿件重合,無法進(jìn)行安裝,故需單獨(dú)進(jìn)行分割,重新設(shè)計(jì).

設(shè)計(jì)師首先需要提取最頂部?jī)蓷l曲線,再對(duì)曲線進(jìn)行劃分,獲取劃分后的點(diǎn),再把這些點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)置,兩兩成組,進(jìn)行連線,生成桿件控制線,通過桿件控制線來創(chuàng)建實(shí)體桿件.如圖4所示.

擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段是建筑全過程的承前啟后階段,深化方案設(shè)計(jì),為施工圖設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ).相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì),參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠直接通過BIM模型生成各類圖紙,并保證其與模型的關(guān)聯(lián)性、一致性[8].此方式能夠直觀、全面的表達(dá)建筑構(gòu)件空間關(guān)系,實(shí)現(xiàn)專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間的綜合協(xié)調(diào),可以避免或解決大量的設(shè)計(jì)沖突問題,大幅度提升設(shè)計(jì)質(zhì)量.

圖4 頂棚設(shè)計(jì)優(yōu)化

圖5 幕墻編號(hào)標(biāo)注

4.5 施工圖設(shè)計(jì)

施工圖設(shè)計(jì)是對(duì)初設(shè)模型進(jìn)行深化設(shè)計(jì),利用施工圖模型直接生成施工圖,并進(jìn)行二維注釋、標(biāo)注等圖紙細(xì)化工作.

主要包括:幕墻曲面分割、幕墻分格優(yōu)化設(shè)計(jì)、預(yù)制加工圖、加工清單自動(dòng)生成、幕墻曲面編號(hào)、標(biāo)注、龍骨坐標(biāo)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(dá)到方案效果,為異型不規(guī)則形狀.在設(shè)計(jì)過程中,對(duì)屋頂進(jìn)行了模數(shù)化、構(gòu)建化處理,對(duì)曲面進(jìn)行參數(shù)化線性漸變優(yōu)化,同時(shí)對(duì)屋頂?shù)牟Ａ市ЧM(jìn)行模擬分析.

4.5.2 幕墻曲面編號(hào)、標(biāo)注

異型幕墻三維出圖需對(duì)幕墻嵌板進(jìn)行三維編號(hào)、二維標(biāo)注出圖,輔助施工單位快速準(zhǔn)確安裝,加快施工進(jìn)度.

常規(guī)Revit無法快捷進(jìn)行異型幕墻標(biāo)注出圖,相對(duì)較困難,需借助參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件,利用程序驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),自動(dòng)編號(hào),自動(dòng)出圖,如修改幕墻,程序會(huì)自動(dòng)識(shí)別參數(shù)信息,編號(hào)會(huì)自動(dòng)修改,無需重復(fù)標(biāo)注[9].如圖5所示.

4.5.3 預(yù)制加工圖、加工清單自動(dòng)生成

幕墻完成編號(hào)標(biāo)注,創(chuàng)建程序自動(dòng)生成預(yù)制加工圖,加工清單.預(yù)制加工圖可套指定圖框?qū)С鯠WG或PDF格式文件,滿足出圖規(guī)范要求.加工清單可直接導(dǎo)出EXCEL文件,便于計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、應(yīng)用等.如圖6、表3所示.

圖6 預(yù)制加工圖

表3 預(yù)制加工清單

4.5.4 龍骨坐標(biāo)定位

采用BIM三維建模軟件及參數(shù)化程序設(shè)計(jì),對(duì)整個(gè)外幕墻進(jìn)行面板,龍骨等建模,采集相關(guān)定位坐標(biāo)數(shù)據(jù),用于現(xiàn)場(chǎng)輔助施工.龍骨端點(diǎn)坐標(biāo)定位,首先利用可視化編程將龍骨端點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),生成龍骨定位圖,再通過程序輸出端點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)值,導(dǎo)出EXCEL,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查看.如圖7、表4所示.

圖7 龍骨定位點(diǎn)編號(hào)

表4 龍骨定位點(diǎn)坐標(biāo)

4.5.5 施工圖出圖

施工圖設(shè)計(jì)主要為解決施工中的技術(shù)措施、工藝做法、用料等,為施工安裝、工程量預(yù)算、設(shè)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(nèi)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(dǎo)出SAT文件格式,使用Dynamo獲取SAT文件模型,再導(dǎo)入Revit,進(jìn)行平面、立面和剖面標(biāo)注等細(xì)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(gè)構(gòu)建的尺寸、定位等參數(shù)信息要詳細(xì)、準(zhǔn)確.模型中還包含所需統(tǒng)計(jì)構(gòu)建的明細(xì)表等文件.繪制完成后,進(jìn)行圖紙校審、打印、曬圖等工作.匯總明細(xì)表等其他資料成果,保存最終模型,進(jìn)行最終交付及歸檔工作.

圖8 幕墻平、立面圖出圖

5 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程案例分析BIM參數(shù)化設(shè)計(jì)全過程應(yīng)用情況.參數(shù)化設(shè)計(jì)是在變量化設(shè)計(jì)思想產(chǎn)生以后出現(xiàn)的,是一種新型的設(shè)計(jì)定量計(jì)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(zhì)量[10].在方案設(shè)計(jì)過程中,邏輯思維更強(qiáng),數(shù)據(jù)來源更準(zhǔn)確,分析結(jié)果更加合理.在擴(kuò)初設(shè)計(jì)過程中,能夠直觀、全面地表達(dá)建筑構(gòu)件空間關(guān)系,實(shí)現(xiàn)專業(yè)內(nèi)及專業(yè)間的綜合協(xié)調(diào),可以避免或解決大量的設(shè)計(jì)沖突問題.在施工圖設(shè)計(jì)中,能夠快速進(jìn)行幕墻定位、編號(hào)、標(biāo)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(tái)越發(fā)完善的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,參數(shù)化已成為時(shí)代發(fā)展的大趨勢(shì),BIM參數(shù)化被稱為建筑設(shè)計(jì)的第二次革命.在景觀、規(guī)劃等設(shè)計(jì)中,GIS作為主要的數(shù)據(jù)分析軟件,已經(jīng)獲得了設(shè)計(jì)師的認(rèn)可.Rhino+Grasshopper，Revit+Dynamo參數(shù)化設(shè)計(jì)最重要軟件,采用類似GIS的開源數(shù)據(jù),分析的結(jié)果與GIS相當(dāng),可視化效果優(yōu)于GIS[11].因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)在國(guó)家政策推動(dòng)下會(huì)越來越多地廣泛應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中,為企業(yè)創(chuàng)造更高的價(jià)值.