張洪巖 楊佳昊 李洪軍

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟(jì)南 250014

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展及參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，人們對建筑審美的要求提高，建筑造型越來越奇特、現(xiàn)代、新穎。多變的建筑形態(tài)給建筑幕墻的設(shè)計(jì)、加工、施工帶來了巨大挑戰(zhàn)，尤其是異形單元幕墻系統(tǒng)。

為解決異形單元式幕墻在設(shè)計(jì)、加工、施工階段的難題，基于CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件研究出了一套設(shè)計(jì)工具和工作流程，實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：異形單元式幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)，自動化參數(shù)修改及更新，自適應(yīng)批量生成不同單元體模型；由單元體模型批量導(dǎo)出構(gòu)件模型，用于數(shù)控加工；施工工序模擬和空間定位。

CATIA是法國達(dá)索公司的高端CAD/CAE/CAM應(yīng)用軟件，是一個(gè)先進(jìn)的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的解決方案，也是一個(gè)高端的BIM軟件，其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出，到生產(chǎn)加工成品的全過程[1]，應(yīng)用范圍涉及航天與國防、機(jī)械、船舶與海洋工程、工業(yè)設(shè)備、建筑、工程與施工和電子等諸多領(lǐng)域。CATIA于20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于建筑行業(yè)，其中應(yīng)用較早且比較知名的是Gehry Technologies公司以CATIA V5為基礎(chǔ)開發(fā)的Digital Project軟件。

在本工程中，基于CATIA創(chuàng)新并開發(fā)了一整套的設(shè)計(jì)及管理工具，較好地解決了設(shè)計(jì)和管理難題，設(shè)計(jì)效率提高約40%，設(shè)計(jì)質(zhì)量提升25%以上，管理成本降低約20%。CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件在異形單元式幕墻工程中的實(shí)踐與應(yīng)用，為解決異形單元式幕墻工程難題提供了新的工具和思路，為更快、更好地解決異形難題奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

阜陽市大劇院位于安徽省阜陽市城南新區(qū)，建筑高度46.50 m，幕墻面積6.4萬 m2，主要幕墻形式為魚鱗狀漸變曲面單元玻璃幕墻，單元式幕墻面積2.4萬 m2。

阜陽大劇院建筑立意為“七彩玫瑰”，整體為一個(gè)曲面結(jié)構(gòu)的非線性形體（圖1），外幕墻弧面的流動感及卷曲的屋面造型，從里至外逐層展開，寓意著劇院的文化藝術(shù)氣質(zhì)。

圖1 建筑效果

為了呈現(xiàn)出靈動精美的造型，阜陽大劇院玻璃幕墻均為裝配式大板塊雙曲單元體構(gòu)造，各板塊之間通過橫向進(jìn)深漸變，呈魚鱗狀翹曲效果，工程造型復(fù)雜，漸變雙曲面較多，設(shè)計(jì)及施工難度極大。該項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)單位為清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，幕墻工程由本公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和施工。

該項(xiàng)目共計(jì)約3 300樘不同的單元板塊，在工廠加工組裝部分有6萬多個(gè)構(gòu)件，且每個(gè)構(gòu)件都需要出工程圖交付工廠進(jìn)行加工。為保證工程進(jìn)度，若采用傳統(tǒng)CAD平面放樣方法需要投入十余人，而利用CATIA軟件參數(shù)化建模預(yù)計(jì)僅需投入3人。

2 工程重、難點(diǎn)

該項(xiàng)目各單元板塊豎向排列呈魚鱗狀翹曲效果且與地面有漸變的內(nèi)外傾角，曲面呈花瓣形高低漸變，上下相鄰板塊翹曲差值最大為150 mm，所有單元體各組成構(gòu)件無任何相同尺寸。項(xiàng)目的造型及設(shè)計(jì)特點(diǎn)導(dǎo)致項(xiàng)目具有以下重難點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型新穎，總平面形狀大致呈3片花瓣形（圖2），飄逸的造型導(dǎo)致每個(gè)單元板塊的尺寸都不相同。

圖2 3片花瓣造型

2）建筑立面效果呈上下左右交錯(cuò)的魚鱗狀（圖3），相鄰上下兩板塊的進(jìn)出尺寸為0～362 mm不等，下面單元板塊的鋁合金插芯位置需依據(jù)上面單元板塊的位置而定（圖4），定位難度很大。

圖3 魚鱗狀表面

圖4 單元板塊上下插接節(jié)點(diǎn)

3）建筑立面有內(nèi)傾和外傾，使玻璃的配置不同，防水構(gòu)造也不同。

4）建筑立面的弧面造型導(dǎo)致左右兩相鄰板塊的夾角不同，裝飾鋁板的尺寸也不盡相同。

3 施工工藝流程/研究的過程

3.1 CATIA軟件簡介

CATIA軟件具有優(yōu)秀的建模功能，它的曲面建模能力是所有三維CAD軟件中最強(qiáng)大的，能夠滿足異形建筑的建模需求。同時(shí)，CATIA軟件的精度很高，能夠滿足建筑幕墻的精度要求。CATIA提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口，目前CATIA開發(fā)主要有2種方式，即進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序方式[2-3]。該項(xiàng)目采用進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)。

3.2 傳統(tǒng)單元式幕墻設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)單元式幕墻基本上是采用AutoCAD軟件進(jìn)行二維放樣，依據(jù)平立面圖紙確定單元板塊的外形尺寸，根據(jù)大樣、節(jié)點(diǎn)圖紙確定細(xì)部構(gòu)造做法，然后對單元板塊的每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行一一放樣，確定每個(gè)構(gòu)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，最終得到每個(gè)構(gòu)件的加工圖紙。

傳統(tǒng)方法只能解決造型簡單、建筑輪廓規(guī)則的單元式幕墻的設(shè)計(jì)工作，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造型新穎的建筑幕墻工程，傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確表達(dá)，只能依靠三維軟件建模準(zhǔn)確表達(dá)每個(gè)細(xì)節(jié)。同時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法使設(shè)計(jì)內(nèi)容前后關(guān)聯(lián)，若設(shè)計(jì)發(fā)生變更，就需花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行修改，重新放樣出加工圖紙，從而大大增加了設(shè)計(jì)工作量，延長了設(shè)計(jì)周期。

3.3 CATIA參數(shù)化研究與應(yīng)用

3.3.1 CATIA參數(shù)化建模應(yīng)用流程

CATIA參數(shù)化建模應(yīng)用流程涵蓋從建筑表皮及二維施工圖紙到單元體成品的整個(gè)流程。一般以建筑表皮模型和幕墻施工圖紙為初始條件，設(shè)計(jì)師先根據(jù)初始條件利用CATIA創(chuàng)建模板模型，再采用批量實(shí)例化的方法生成各種類型的所有單元體模型，最后由設(shè)計(jì)師導(dǎo)出清單、細(xì)目、數(shù)控加工模型等數(shù)據(jù)，交付生產(chǎn)車間進(jìn)行加工、組裝。

1）參數(shù)化建模在機(jī)械設(shè)計(jì)中有2種設(shè)計(jì)方法。

①自上而下：先進(jìn)行整體布置，確定各零件間的空間位置關(guān)系，明確工作性質(zhì)和受力特征，再進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。

②自下而上：先進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，再將各個(gè)零件裝配在一起，形成產(chǎn)品。

通常機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)不拘泥于某種方法，而是穿插應(yīng)用，力求高效。自上而下的設(shè)計(jì)方法適用于建筑幕墻中框架幕墻的建模，自下而上適用于門窗的建模，但是這2種方法都不是特別適用于單元體模型的創(chuàng)建。

目前，利用CATIA設(shè)計(jì)的主要方法是在一個(gè)零件文檔中利用CATIA的超級副本將多個(gè)單元體模型實(shí)例化，然后根據(jù)需要將各個(gè)單元體模型拆分到單個(gè)零件文檔，再將各個(gè)單元體模型的構(gòu)件拆分到單個(gè)零件文檔。這種方法對建模能力要求很高，對于復(fù)雜的模型很難調(diào)試超級副本；如果單元板塊很多，會造成零件文檔巨大，難以維護(hù)，打開和保存需要比較長的時(shí)間，影響工作效率。

為有效避免上述設(shè)計(jì)方法存在的問題，采用另一種建模方法：以一個(gè)單元體模型為一個(gè)零件文檔，通過程序批量修改驅(qū)動參數(shù)生成各個(gè)單元體模型，最終得到若干零件文檔，向上可以組成裝配體，向下可以得到單元體的每個(gè)構(gòu)件模型。

利用CATIA創(chuàng)建模板模型時(shí)，首先根據(jù)工程特點(diǎn)創(chuàng)建骨架（圖5），包括點(diǎn)、線、面、軸系、參數(shù)，建模工作都以此骨架為基礎(chǔ)；然后根據(jù)骨架模型創(chuàng)建各構(gòu)件，型材截面可以從二維施工圖中導(dǎo)入；接著進(jìn)行切割、打孔；最后根據(jù)工程特點(diǎn)及參數(shù)需求在模型中設(shè)置必要的參數(shù)信息，完成模板模型的創(chuàng)建（圖6）。

圖5 骨架模型

圖6 模板模型

模板模型創(chuàng)建是最重要的一步，建模過程中一定要從全局出發(fā)，充分考慮可能的情況，盡量使模板模型適用所有情況。

2）控制參數(shù)提取。利用Rhino & Grasshopper從建筑表皮中提取控制參數(shù)，控制參數(shù)的名稱要與模板模型中的參數(shù)相同，將控制參數(shù)生成Excel表格，用于批量實(shí)例化。

3）批量實(shí)例化。實(shí)例化（與Power Copy的實(shí)例化本質(zhì)一樣）是通過修改模板模型的參數(shù)，將模板文檔另存為指定名稱的零件文檔（*.CATPart）。為提高模型實(shí)例化效率，利用CATIA Automation二次開發(fā)編寫批量實(shí)例化程序（圖7、圖8）。該程序會根據(jù)用戶選擇的參數(shù)表里的模板文件名稱自動查找模板路徑下對應(yīng)的模板文件，然后對模板文件里與參數(shù)表名稱一致的對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，最后以對應(yīng)的單元體編號為文檔名稱保存文件，得到相應(yīng)的單元體模型。其中的“快速模式-適用大內(nèi)存機(jī)器”選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的配置自主選擇，快速模式的速度是普通模式的2倍左右。

圖7 二次開發(fā)程序主界面

圖8 批量實(shí)例化界面

4）模型參數(shù)導(dǎo)出與更新。批量實(shí)例化得到的模型檢查無誤后，就可以導(dǎo)出存儲在統(tǒng)一設(shè)定的“Curtain Wall”目錄下的幕墻參數(shù)至Excel表格。利用Excel強(qiáng)大的編輯功能，可以方便地填寫物料編碼、工程屬性、加工件編號、加工圖編號等參數(shù)，也可以對已有參數(shù)進(jìn)行修改，修改好的參數(shù)表保存后，可以利用更新參數(shù)功能對模型里的參數(shù)進(jìn)行更新。參數(shù)更新功能需要用戶選擇參數(shù)表路徑和模型路徑，程序會讀取用戶選擇的參數(shù)表里的信息，然后逐個(gè)對相應(yīng)模型里的對應(yīng)同名參數(shù)進(jìn)行修改、更新。

5）型材三視圖導(dǎo)出。型材三視圖導(dǎo)出程序（圖9）根據(jù)各物件下參數(shù)“是否出圖”的值判斷是否導(dǎo)出三視圖，如果參數(shù)值為“真”，則導(dǎo)出，否則不導(dǎo)出；然后根據(jù)參數(shù)“參照軸系”的值確定物件的主視圖方向，從而生成主視圖、俯視圖、左視圖；最后以組件編號與物件的加工件編號為文件名導(dǎo)出DWG圖紙，用于加工圖紙生成。用戶可以自定義各視圖之間的距離，根據(jù)需要選擇“是否以文件名創(chuàng)建單獨(dú)文件夾”。

圖9 型材三視圖導(dǎo)出

6）型材模型導(dǎo)出。利用提取幾何體程序（圖10）從模型中導(dǎo)出型材模型為.stp文件，用于數(shù)控加工。

圖10 型材模型導(dǎo)出

工廠數(shù)控加工的能力決定了是否需要出具二維加工圖紙和出圖的詳細(xì)程度；如果加工能力能夠完成型材的切割、打孔、銑豁口等工序，則設(shè)計(jì)師不需要出具二維加工圖紙，只需要交付三維模型即可；如果加工能力欠缺，則需要根據(jù)實(shí)際情況出具補(bǔ)充二維加工圖紙。

7）工廠根據(jù)單元體組框圖將加工好的型材、板材及其他附件進(jìn)行組框，得到完整的單元體，最終運(yùn)送至施工現(xiàn)場吊裝。

3.3.2 CATIA參數(shù)化在數(shù)控加工中的應(yīng)用

形態(tài)和類型的多樣造成幕墻構(gòu)件類型和規(guī)格種類繁多，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造成本持續(xù)升高，加工廠落后的管理方式和生產(chǎn)模式（圖11）已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)需求。

圖11 現(xiàn)有生產(chǎn)流程

為解決現(xiàn)有問題，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，使企業(yè)在未來的市場競爭中更具優(yōu)勢，乘著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略計(jì)劃的春風(fēng)，基于BIM的數(shù)字化智能加工技術(shù)研究與應(yīng)用成了必然之路。

為提高加工廠生產(chǎn)效率，本公司基于CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)研發(fā)了新的生產(chǎn)流程（圖12），徹底摒棄了傳統(tǒng)CAD二維加工圖，實(shí)現(xiàn)了由模型直接導(dǎo)出數(shù)控模型，數(shù)控編程軟件自動生成加工代碼，下發(fā)到數(shù)控加工中心自動加工（圖13）與產(chǎn)品質(zhì)檢的新模式。僅僅出CAD加工圖這一步就直接節(jié)省了總體設(shè)計(jì)工作量的60%，效率提升立竿見影。

圖12 創(chuàng)新生產(chǎn)流程

圖13 數(shù)控加工中心自動加工

阜陽大劇院項(xiàng)目大約2 500樘單元體，每個(gè)單元體有4根型材需要數(shù)控編程，總計(jì)約10 000根，新工作模式下綜合生產(chǎn)效率提升3倍，綜合生產(chǎn)成本降低約28%。

3.3.3 CATIA參數(shù)化在施工中的應(yīng)用

CATIA參數(shù)化技術(shù)在施工中起到了重要作用，為現(xiàn)場的測量放線、工序模擬、進(jìn)度管理、工程量統(tǒng)計(jì)等提供了技術(shù)支持。

1）測量放線。針對該工程空間點(diǎn)位多的特點(diǎn)，采取全站儀進(jìn)行放樣，以確保定位的精度，保證建筑效果。先將模型點(diǎn)位信息導(dǎo)出到表格（.csv），然后導(dǎo)入全站儀進(jìn)行現(xiàn)場放樣，根據(jù)放樣結(jié)果校核模型。

2）工序模擬。利用CATIA軟件模擬單元板塊的安裝，模擬施工中吊裝方案并進(jìn)行吊車的臂長模擬，保證施工中方案的可行性及選擇合適的吊車，提前發(fā)現(xiàn)無法安裝的區(qū)域，及早進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，將異形曲面幕墻的現(xiàn)場施工問題降至最少。

3）進(jìn)度管理?；诓牧细櫣芾硐到y(tǒng)結(jié)合BIM軟件-CATIA形成“互聯(lián)網(wǎng)＋BIM”的技術(shù)，實(shí)時(shí)更新各個(gè)環(huán)節(jié)的材料狀態(tài)，根據(jù)材料的安裝信息，將現(xiàn)場進(jìn)度實(shí)時(shí)反映在BIM模型中。

4）工程量統(tǒng)計(jì)。利用參數(shù)化軟件編程，從BIM模型中導(dǎo)出板材、型材、鋼材等材料的工程量，為材料招標(biāo)及商務(wù)預(yù)算提供依據(jù)。

4 結(jié)語

本文提出的CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)方法具有很強(qiáng)的通用性，通過實(shí)踐應(yīng)用得知參數(shù)化給設(shè)計(jì)帶來的不僅僅是效率、準(zhǔn)確性的提升，更是設(shè)計(jì)理念、方法的革命。參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中結(jié)合二次開發(fā)，使程序自動處理數(shù)以萬計(jì)的數(shù)據(jù)信息、構(gòu)件模型，從而避免人工重復(fù)相似繁雜的工作。

在智能制造和工業(yè)4.0快速推進(jìn)的背景下，上游設(shè)計(jì)與下游生產(chǎn)的無縫對接、數(shù)據(jù)的高效共享變得迫在眉睫。CATIA作為一個(gè)先進(jìn)的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的解決方案，在工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)備等行業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，但在建筑行業(yè)中的應(yīng)用寥寥無幾。單元式幕墻作為工廠化加工的產(chǎn)品，可以適用工業(yè)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的解決方案，未來要將CATIA的PLM與公司PLM融合，實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)品生命周期管理。