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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(duì)美好生活的更高追求，人們已不再拘泥于對(duì)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(duì)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(jì)、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(jì)的這個(gè)典型案例，對(duì)BIM技術(shù)在建筑外裝飾幕墻設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)施一體化應(yīng)用的思路及方法。對(duì)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(jì)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(jì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(gè)部位都各不相同，如此，雨篷的細(xì)部設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)。

　　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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)，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(gè)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(duì)比，兩曲面重疊幾乎接近。

　　對(duì)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(jì)，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(jì)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(jì)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(gè)包絡(luò)曲面，然后再這個(gè)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(jì)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(jì)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(duì)不規(guī)則異形曲面建筑外裝飾構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)、施工更加科學(xué)、高效。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3]《板料多點(diǎn)數(shù)字化成形技術(shù)現(xiàn)狀》， 吉林大學(xué)無模成形技術(shù)中心、長春瑞光科技有限公司，李明哲

　　[4] 《現(xiàn)行建筑材料規(guī)范大全》 中國建筑工業(yè)出版社