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摘 要：隨著科技的不斷進(jìn)步，生產(chǎn)力水平的不斷提高，加工制造業(yè)的飛速發(fā)展，激發(fā)了人們對美好生活的更高追求，人們已不再拘泥于對傳統(tǒng)思維的認(rèn)知，希望通過更先進(jìn)的技術(shù)挑戰(zhàn)創(chuàng)造的極限。于是，在全球各大城市極富想象力與視覺沖擊力的不規(guī)則曲面建筑層出不窮，宛如城市的藝術(shù)品，影響著我們的生活。如何通過先進(jìn)的技術(shù)去打造他們，是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。對于不規(guī)則異形曲面建筑外裝飾構(gòu)件的實(shí)施，BIM的應(yīng)用能夠有效解決因復(fù)雜的建筑外形造成的實(shí)施過程中產(chǎn)生的相關(guān)難題，特別是在當(dāng)今建筑業(yè)飛速發(fā)展的環(huán)境下，其應(yīng)用顯得尤為重要。
關(guān)鍵詞：BIM、異形曲面、曲率分析、優(yōu)化設(shè)計、曲面擬合、樣條曲線、碰撞檢測、模擬安裝
一、概述
本文主要結(jié)合北京望京SOHO不規(guī)則異形曲面雨篷設(shè)計的這個典型案例，對BIM技術(shù)在建筑外裝飾幕墻設(shè)計方面的應(yīng)用作了簡要的分析。重點(diǎn)介紹了BIM在異形曲面建筑裝飾構(gòu)件設(shè)計實(shí)施一體化應(yīng)用的思路及方法。對復(fù)雜建筑構(gòu)件的實(shí)施起到拋磚引玉的作用。
二、不規(guī)則異形曲面建筑外裝飾構(gòu)件的設(shè)計思路及方法
1、分析建筑體型——把握特點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn);
項(xiàng)目簡介：望京SOHO是由國際著名建筑師Zaha Hadid設(shè)計的商業(yè)寫字樓。項(xiàng)目整體造型是由三座山峰狀的復(fù)雜空間幾何體的塔樓構(gòu)成，俯視鳥瞰效果又似三條游動的魚。
(圖一、整體效果圖)
(圖二、整體俯視效果圖)
建筑整體外立面呈現(xiàn)的均為復(fù)雜變化的曲面，造型非常豐富，視覺沖擊力極強(qiáng)。而本項(xiàng)目的一大亮點(diǎn)就是曲面鋁板，所有復(fù)雜曲面造型均是以曲面鋁板面材來實(shí)現(xiàn)。尤其是位于塔樓二層的入口及商業(yè)店面處不規(guī)則異型挑檐雨篷，與主樓采用了相同的建筑表達(dá)語言，對建筑整體起到了錦上添花的作用。
(圖三、望京SOHO整體BIM模型截圖)
(圖四、望京SOHO雨篷BIM模型截圖)
(圖五、望京SOHO T3塔雨篷原始BIM模型截圖)
通過對雨篷模型的分析，雨篷體型呈流體型漸變，最大懸挑距離4170mm,根部高度尺寸為定值1600mm，表皮也為不規(guī)則漸變曲面，特殊的體型使得雨篷的剖面在每個部位都各不相同，如此，雨篷的細(xì)部設(shè)計采用傳統(tǒng)的二維圖紙根本無法全面表達(dá)詳盡，必須借助BIM 參數(shù)化建模來實(shí)現(xiàn)。此部位設(shè)計的重點(diǎn)是異型曲面表皮的優(yōu)化、擬合，難點(diǎn)在于參數(shù)化模型的建立和構(gòu)造設(shè)計。
2、優(yōu)化異形曲面表皮——通過曲率分析、曲面擬合，使曲面鋁板加工方便可行，更有利于保證加工制作質(zhì)量，保證建筑效果;
首先根據(jù)雨篷模型進(jìn)行整體曲率分析，有局部鋁板的曲率由上端到下端呈越來越小漸變(顏色藍(lán)色曲率為最大，紅色為最小)，即為雙曲面。
(圖六、望京SOHO T3塔二層雨棚鋁板曲率分析局部截圖)
不僅如此，部分曲面邊緣線為樣條曲線，這使得我們無法輸出準(zhǔn)確的加工參數(shù)給加工廠指導(dǎo)加工。
(圖七、未擬合雨棚單塊鋁板曲率分布圖)
另外，針對雙曲面的加工，需根據(jù)每塊曲面進(jìn)行單獨(dú)的模具加工，加工工藝復(fù)雜，在保證建筑效果的前提下，通過三維擬合成近似單曲，減小了鋁板加工難度，從而能夠更有效的保證加工質(zhì)量。
我們結(jié)合曲面曲率漸變的特點(diǎn)對曲面進(jìn)行處理，曲率大的地方盡量保持原曲面的彎曲度，從原曲面邊線提點(diǎn)優(yōu)先用三點(diǎn)擬合成弧，并將得出的曲面和原始表皮進(jìn)行比對進(jìn)行調(diào)整以選出最接近原曲面的結(jié)果，曲率小的地方我們根據(jù)擬合得出來的面進(jìn)行延展并與原曲面比對，以保證整塊鋁板的平滑過渡。
(圖八、擬合后雨棚單塊鋁板曲率分布圖)
我們以曲率小的上下兩端邊線作為直線邊，側(cè)邊邊線以一個彎曲度方向掃掠進(jìn)行重建面，擬合后的曲面幾乎近似單曲，曲率都呈現(xiàn)為零。
(圖九、擬合前后重疊圖 紅色為原曲面，黃色為擬合后曲面)
(圖十、擬合前后重疊圖 紅色為原曲面，黃色為擬合后曲面)
根據(jù)上圖的對比，兩曲面重疊幾乎接近。
對整體擬合后的效果進(jìn)行查看分析平滑過渡性，兩相鄰分格之間過渡平滑。
(圖十一、擬合后局部分析圖)
上圖我們能看到有白色，黃色，紅色顏色區(qū)分，這是根據(jù)不同段的曲率特點(diǎn)，我們進(jìn)行了不同半徑的擬合，在模型里，我們把它用圖形集來分類，這樣我們就能直觀的看出每塊曲面的特點(diǎn)，發(fā)給加工廠，他們也能更直觀的進(jìn)行參數(shù)的輸出。
(圖十二、擬合后的半徑圖形集分類圖)
(圖十三、擬合后單塊曲面參數(shù)分布圖)
由上圖我們可以看到原曲面已由兩小塊單曲面加一塊平面組合，單曲面半徑都為整數(shù)，這樣我們可以直接從模型中生成帶參數(shù)的加工圖，簡化了加工工藝，大大提高的生產(chǎn)效率，更有利于保證加工質(zhì)量和建筑效果。
(圖十四、擬合后相鄰曲面參數(shù)分布圖)
最后，我們得出經(jīng)擬合后的完整表皮模型：
(圖十五、擬合后的雨篷表皮模型)
3、確定節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式——結(jié)構(gòu)安全合理、安裝方便快捷;
節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的要以表皮分格為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)擬合后的表皮模型進(jìn)行分格，如下圖：
(圖十六、雨篷表皮分格模型截圖)
根據(jù)分格模型導(dǎo)出分格平面圖，如下圖：
(圖十七、雨篷表皮分格模型截圖)
經(jīng)過模型的剖切可以得到典型部位的節(jié)點(diǎn)剖面，在此剖面基礎(chǔ)上通過節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計作出雨篷典型部位的節(jié)點(diǎn)圖。
(圖十八、雨篷典型節(jié)點(diǎn)圖)
(圖十九、雨篷典型節(jié)點(diǎn)圖)
進(jìn)行雨篷的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計的主要思路就是通過雨篷的表皮模型向內(nèi)偏移一定值，得到一個包絡(luò)曲面，然后再這個曲面以內(nèi)的空間進(jìn)行雨篷結(jié)構(gòu)的布置。
通過表皮模型分析，根據(jù)區(qū)域劃分，確定各區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式。
(圖二十、雨篷鋼架分布圖)
(圖二十一、雨篷鋼架形式圖)
經(jīng)過力學(xué)分析計算后，最終確定結(jié)構(gòu)的截面形式和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。
4、根據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行BIM參數(shù)化建模——模型完整、注重細(xì)節(jié);
建立雨篷結(jié)構(gòu)模型：
(圖二十二、雨篷結(jié)構(gòu)整體BIM模型截圖)
(圖二十三、雨篷結(jié)構(gòu)BIM模型局部截圖)
建立雨篷整體構(gòu)造模型：
(圖二十四、雨篷整體BIM模型截圖)
(圖二十五、雨篷局部BIM模型截圖)
(圖二十六、鋁板安裝構(gòu)造節(jié)點(diǎn)截圖)
5、BIM模型碰撞檢測、3D模型模擬安裝——找出問題，局部調(diào)整，保證系統(tǒng)構(gòu)件自身不沖突、與其他專業(yè)不干涉;
將雨篷整體模型建立完成后與主體結(jié)構(gòu)BIM模型進(jìn)行合模，進(jìn)行碰撞檢測。
(圖二十七、主體結(jié)構(gòu)BIM模型截圖)
(圖二十八、雨篷整體BIM模型截圖)
(圖二十九、主體結(jié)構(gòu)與雨篷整體合模后的BIM模型截圖)
(圖三十、主體結(jié)構(gòu)與雨篷整體合模碰撞檢測截圖)
(圖三十一、3D模擬安裝截圖)
通過碰撞檢測、3D模擬安裝，確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行后續(xù)零件圖輸出的工作。
6、BIM模型導(dǎo)出零件圖，用于加工生產(chǎn)。
通過嚴(yán)格控制模型設(shè)計的各環(huán)節(jié)，使得模型完全還原實(shí)施方案。模型完成后，直接通過軟件將零件導(dǎo)出，進(jìn)行后續(xù)的加工。
(圖三十二、雨篷鋼架模型截圖)
(圖三十三、雨篷鋼架零件截圖)
鋁板的零件輸出也是直接從軟件中將每塊鋁板導(dǎo)出，將鋁板模型發(fā)往鋁板加工廠家，直接輸入數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行面材下料，鋁板背筋及輔助連接件的安裝完全依照模型執(zhí)行。
( 圖三十四、 鋁板零件模型及鋁板二維布筋圖)
待零件加工完成后進(jìn)行后續(xù)的施工安裝。施工過程及完工后實(shí)景照片：
總結(jié)：綜上所述，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，我們對不規(guī)則異形曲面建筑外裝飾構(gòu)件的設(shè)計進(jìn)行了科學(xué)有效的實(shí)施，使建筑創(chuàng)意得到了完美的展現(xiàn)。同時也希望借此案例，使BIM技術(shù)在幕墻行業(yè)內(nèi)得到大力的推廣，使幕墻設(shè)計、施工更加科學(xué)、高效。
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