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          BIM在曲面建筑裝飾構件實施上的應用

          來源:2021論文集  作者:胡忠明 朱應斌 吳雷方  日期:2021-4-27
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            摘要:隨著科技的不斷進步,生產力水平的不斷提高,加工制造業的飛速發展,激發了人們對美好生活的更高追求,人們已不再拘泥于對傳統思維的認知,希望通過更先進的技術挑戰創造的極限。于是,在全球各大城市極富想象力與視覺沖擊力的不規則曲面建筑層出不窮,宛如城市的藝術品,影響著我們的生活。如何通過先進的技術去打造他們,是一項至關重要的任務。對于不規則異形曲面建筑外裝飾構件的實施,BIM的應用能夠有效解決因復雜的建筑外形造成的實施過程中產生的相關難題,特別是在當今建筑業飛速發展的環境下,其應用顯得尤為重要。
            關鍵詞:BIM、異形曲面、曲率分析、優化設計、曲面擬合、樣條曲線、碰撞檢測、模擬安裝

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            摘 要:隨著科技的不斷進步,生產力水平的不斷提高,加工制造業的飛速發展,激發了人們對美好生活的更高追求,人們已不再拘泥于對傳統思維的認知,希望通過更先進的技術挑戰創造的極限。于是,在全球各大城市極富想象力與視覺沖擊力的不規則曲面建筑層出不窮,宛如城市的藝術品,影響著我們的生活。如何通過先進的技術去打造他們,是一項至關重要的任務。對于不規則異形曲面建筑外裝飾構件的實施,BIM的應用能夠有效解決因復雜的建筑外形造成的實施過程中產生的相關難題,特別是在當今建筑業飛速發展的環境下,其應用顯得尤為重要。

            關鍵詞:BIM、異形曲面、曲率分析、優化設計、曲面擬合、樣條曲線、碰撞檢測、模擬安裝

            一、概述

            本文主要結合北京望京SOHO不規則異形曲面雨篷設計的這個典型案例,對BIM技術在建筑外裝飾幕墻設計方面的應用作了簡要的分析。重點介紹了BIM在異形曲面建筑裝飾構件設計實施一體化應用的思路及方法。對復雜建筑構件的實施起到拋磚引玉的作用。

            二、不規則異形曲面建筑外裝飾構件的設計思路及方法

            1、分析建筑體型——把握特點、重點、難點;

            項目簡介:望京SOHO是由國際著名建筑師Zaha Hadid設計的商業寫字樓。項目整體造型是由三座山峰狀的復雜空間幾何體的塔樓構成,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的均為復雜變化的曲面,造型非常豐富,視覺沖擊力極強。而本項目的一大亮點就是曲面鋁板,所有復雜曲面造型均是以曲面板面材來實現。尤其是位于塔樓二層的入口及商業店面處不規則異型挑檐雨篷,與主樓采用了相同的建筑表達語言,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,雨篷的細部設計采用傳統的二維圖紙根本無法全面表達詳盡,必須借助BIM 參數化建模來實現。此部位設計的重點是異型曲面表皮的優化、擬合,難點在于參數化模型的建立和構造設計。

            2、優化異形曲面表皮——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量,保證建筑效果;

            首先根據雨篷模型進行整體曲率分析,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確的加工參數給加工廠指導加工。

          (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,需根據每塊曲面進行單獨的模具加工,加工工藝復雜,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量。

            我們結合曲面曲率漸變的特點對曲面進行處理,曲率大的地方盡量保持原曲面的彎曲度,從原曲面邊線提點優先用三點擬合成弧,并將得出的曲面和原始表皮進行比對進行調整以選出最接近原曲面的結果,曲率小的地方我們根據擬合得出來的面進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,側邊邊線以一個彎曲度方向掃掠進行重建面,擬合后的曲面幾乎近似單曲,曲率都呈現為零。

          (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)

            根據上圖的對比,兩曲面重疊幾乎接近。

            對整體擬合后的效果進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,紅色顏色區分,這是根據不同段的曲率特點,我們進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,發給加工廠,他們也能更直觀的進行參數的輸出。

          (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,這樣我們可以直接從模型中生成帶參數的加工圖,簡化了加工工藝,大大提高的生產效率,更有利于保證加工質量和建筑效果。

          (圖十四、擬合后相鄰曲面參數分布圖)

            最后,我們得出經擬合后的完整表皮模型:

          (圖十五、擬合后的雨篷表皮模型)

            3、確定節點構造形式——結構安全合理、安裝方便快捷;

            節點構造的要以表皮分格為基礎進行設計,根據擬合后的表皮模型進行分格,如下圖:

          (圖十六、雨篷表皮分格模型截圖)

            根據分格模型導出分格平面圖,如下圖:

          (圖十七、雨篷表皮分格模型截圖)

            經過模型的剖切可以得到典型部位的節點剖面,在此剖面基礎上通過節點構造設計作出雨篷典型部位的節點圖。

          (圖十八、雨篷典型節點圖)

          (圖十九、雨篷典型節點圖)

            進行雨篷的節點構造設計的主要思路就是通過雨篷的表皮模型向內偏移一定值,得到一個包絡曲面,然后再這個曲面以內的空間進行雨篷結構的布置。

            通過表皮模型分析,根據區域劃分,確定各區域的結構形式。

          (圖二十、雨篷鋼架分布圖)

          (圖二十一、雨篷鋼架形式圖)

            經過力學分析計算后,最終確定結構的截面形式和節點構造。

            4、根據節點構造進行BIM參數化建!P屯暾、注重細節;

            建立雨篷結構模型:

          (圖二十二、雨篷結構整體BIM模型截圖)

          (圖二十三、雨篷結構BIM模型局部截圖)

            建立雨篷整體構造模型:

          (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、鋁板安裝構造節點截圖)

            5、BIM模型碰撞檢測、3D模型模擬安裝——找出問題,局部調整,保證系統構件自身不沖突、與其他專業不干涉;

            將雨篷整體模型建立完成后與主體結構BIM模型進行合模,進行碰撞檢測。

          (圖二十七、主體結構BIM模型截圖)

          (圖二十八、雨篷整體BIM模型截圖)

          (圖二十九、主體結構與雨篷整體合模后的BIM模型截圖)

          (圖三十、主體結構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,確認無誤后方可進行后續零件圖輸出的工作。

            6、BIM模型導出零件圖,用于加工生產。

            通過嚴格控制模型設計的各環節,使得模型完全還原實施方案。模型完成后,直接通過軟件將零件導出,進行后續的加工。

          (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出,將鋁板模型發往鋁板加工廠家,直接輸入數控加工設備進行面材下料,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行后續的施工安裝。施工過程及完工后實景照片:

            總結:綜上所述,通過BIM技術的應用,我們對不規則異形曲面建筑外裝飾構件的設計進行了科學有效的實施,使建筑創意得到了完美的展現。同時也希望借此案例,使BIM技術在幕墻行業內得到大力的推廣,使幕墻設計、施工更加科學、高效。

            參考文獻

            [1]《中國BIM叢書:設計企業BIM實施標準指南》作者:清華大學課題組 互聯立方(isBIM)公司BIM課題組

            [2]《雙曲面鋁板造型設計及加工的簡化方法與運用》,作者,趙國友,劉朝生。

            [3]《板料多點數字化成形技術現狀》, 吉林大學無模成形技術中心、長春瑞光科技有限公司,李明哲

            [4] 《現行建筑材料規范大全》 中國建筑工業出版社

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          專家介紹

           朱應斌

          鋁門窗幕墻委員會專家組

          工作單位:武漢凌云建筑裝飾工程有限公司

          技術職稱:高級工程師

          專業:幕墻設計、顧問、咨詢等

          專長:幕墻設計

          原文地址:http://www.52mqw.com/info/2021-4-27/48193-1.htm
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