參數(shù)化設(shè)計(jì)在多變曲面幕墻設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用研究

文/王志華 金地商置華東公司 上海 200232

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，建筑領(lǐng)域近年來取得了很大的進(jìn)展，建筑形態(tài)更加多樣化。當(dāng)前很多建筑都采用了多變曲面的結(jié)構(gòu)，以增加建筑的美觀度和設(shè)計(jì)感。但是在此類建筑的設(shè)計(jì)施工當(dāng)中，如果應(yīng)用傳統(tǒng)繪圖方法，將大大增加工作量，并且修改和協(xié)同工作也比較困難。對此，可以采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，該方法過去在制造業(yè)中應(yīng)用，但能夠符合多變曲面幕墻設(shè)計(jì)施工要求。所以，可以對這一技術(shù)充分運(yùn)用，更好的完成設(shè)計(jì)施工工作。

1、參數(shù)化設(shè)計(jì)的概述

參數(shù)化設(shè)計(jì)中，參數(shù)代表變量，因此參數(shù)化模型的構(gòu)成，主要是結(jié)合了各種可變量。如果將參數(shù)化模型中的一個(gè)參數(shù)改變，則其它相關(guān)參數(shù)可能都會變化。這一特點(diǎn)使其對計(jì)算機(jī)計(jì)算速度有較高的要求，因而在計(jì)算機(jī)性能不斷提升下，參數(shù)化設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式，開始得到應(yīng)用。在建筑物參數(shù)化設(shè)計(jì)中，與建筑信息模型BIM 有緊密的聯(lián)系，將該模型作為載體，對模型互相關(guān)聯(lián)變量加以表達(dá)。參數(shù)化設(shè)計(jì)中，可采取邏輯運(yùn)算，對一定規(guī)律的結(jié)構(gòu)、圖形加以生成，減少繪圖工作量。設(shè)計(jì)中預(yù)先給設(shè)計(jì)人員定量，能夠?qū)?shù)據(jù)更加簡單、直接的獲取。不同軟件可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)致深度處理。

2、多變曲面幕墻工程案例

選取了某多變曲面幕墻實(shí)際工程案例，建筑占地面積55486.71m2，建筑總面積114438.24m2，建筑定位是休閑活動、教育文化中心，城市地標(biāo)建筑。選擇多變連續(xù)曲面的形式，融合自然景觀，采用玻璃幕墻的外部結(jié)構(gòu)。該建筑設(shè)計(jì)理念中，連續(xù)曲面需要達(dá)到流動雕塑效果，由于建筑造型復(fù)雜，因而在外部造型設(shè)計(jì)施工中，面臨較大難度。采取傳統(tǒng)二維圖紙方法，對多變曲面難以充分展現(xiàn)，不能為設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。因此，擬采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。以單側(cè)曲面幕墻為例，結(jié)合建筑草圖應(yīng)用Rhinoceros 軟件初步建模，應(yīng)用Grasshopper軟件劃分繪制幕墻，應(yīng)用Revit 軟件細(xì)化，形成效果圖。

3、參數(shù)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 幕墻設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑整體設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)連續(xù)不規(guī)則曲線的外觀，選用玻璃為幕墻材料，應(yīng)用豎向分割方式，使用較窄豎向玻璃形成折線外觀。采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，能隨機(jī)改動幕墻分段長度，更靈活的處理曲線末端沒有劃分段落。對較大剩余段落寬度，可單獨(dú)分割，如果寬度較小，可在前一段幕墻分段并入。運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，可以利用軟件界面實(shí)時(shí)顯示各種改動，設(shè)計(jì)師能更加直觀的認(rèn)識幕墻外觀效果。幕墻曲線分段后進(jìn)行繪制，基于幕墻曲線劃分點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)組織和計(jì)算，完成繪制幕墻的要求。也可以隨意調(diào)整兩層幕墻高度，進(jìn)而達(dá)到理想的設(shè)計(jì)效果。

3.2 雨棚設(shè)計(jì)

該建筑的門口位置，設(shè)置雨棚由玻璃制成，雨棚具有2.4m 挑出長度，將門洞寬度左右分別擴(kuò)展一個(gè)幕墻作為寬度。在門洞上方1m，即3.5m高度設(shè)置，確保擋雨效果良好。該建筑自身存在一定的曲率，所以設(shè)置雨棚中，定位兩側(cè)邊緣有較大的難度。利用軟件模塊生成雨棚，將雨棚兩側(cè)邊緣，和相鄰幕墻面，選擇垂直方向，進(jìn)而在視覺效果上達(dá)到協(xié)調(diào)的感覺。在雨棚內(nèi)側(cè)邊緣，要和幕墻邊緣緊貼，防止雨水滲漏影響效果。利用軟件完成繪制后，用SAT 格式存儲，使用Recit 軟件導(dǎo)入，優(yōu)化各個(gè)細(xì)節(jié)。將實(shí)體屬性賦予雨棚、門窗等細(xì)節(jié)，進(jìn)而使幕墻外觀效果得到初步的展現(xiàn)。

3.3 門窗孔洞設(shè)計(jì)

該建筑設(shè)計(jì)了雙扇平開門，每扇門寬度為1.2m，和幕墻一樣，門的高度是2.5m 底端平齊于地面。采用百葉窗、下懸窗的形式，寬度和幕墻一樣，高度是1.5m。窗在上下兩個(gè)區(qū)域分布，上半部分重合與幕墻嵌板上半部分，下半部分下緣保持地面距離1.0m，上緣保持地面距離2.5m。利用軟件對門窗繪制模塊編制，將下窗口、上窗口、門的起始豎梴段落點(diǎn)編號n，利用軟件能夠?qū)ωQ梴n 和n+1 的窗，豎梴n 和n+2 的門自動運(yùn)算并繪制。如果將輸入的初始編號改變，門窗位置也能夠隨時(shí)調(diào)整，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，就能改變門窗高度。

3.4 可開啟幕墻設(shè)計(jì)

在幕墻設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到一定的節(jié)能、通風(fēng)效果，在設(shè)計(jì)可開啟幕墻面積時(shí)，在總的幕墻面積中，需要占到一定的比例。使用軟件編制計(jì)算模塊，能夠?qū)砷_啟面積比進(jìn)行計(jì)算。這樣，就能夠在軟件當(dāng)中，實(shí)時(shí)顯示出窗、幕墻的總面積比值。通過這種方式，能夠?qū)ㄖL(fēng)狀況，直觀得到判斷和了解。可以對窗口數(shù)量、位置做出修改，進(jìn)而直接修改可開啟部分面積比。對于幕墻各個(gè)組成部分，要對數(shù)量、大小加以了解，滿足幕墻生產(chǎn)制作運(yùn)輸、成本概預(yù)算等要求，所以設(shè)計(jì)時(shí)還要統(tǒng)計(jì)幕墻數(shù)量、面積。利用軟件設(shè)計(jì)模塊，對幕墻分塊面積加以統(tǒng)計(jì)，能對每塊幕墻面積準(zhǔn)確顯示，同時(shí)對幕墻數(shù)量加以了解。

4、參數(shù)化設(shè)計(jì)在施工中的應(yīng)用

4.1 確定坐標(biāo)點(diǎn)位

對幕墻立柱的坐標(biāo)，使用軟件計(jì)算，在設(shè)計(jì)階段通過數(shù)據(jù)整理運(yùn)算，能對幕墻立柱位置坐標(biāo)直接獲取。幕墻立柱在樓板附著，所以，要將預(yù)埋件放置于樓板內(nèi)。預(yù)埋件螺絲孔位，要連接幕墻龍骨及連接件，因而要控制預(yù)埋件的方向，確保正確的螺絲孔位。在多變曲面幕墻設(shè)計(jì)中，不同預(yù)埋件的朝向?qū)⒉粩喔淖儯栽谀粔α⒅恢猛猓惨獙Ψ艠狱c(diǎn)設(shè)置，進(jìn)而對預(yù)埋件朝向加以確定。實(shí)用軟件處理，運(yùn)用參數(shù)化方法，將幕墻結(jié)點(diǎn)切線方向的曲線求得，旋轉(zhuǎn)到法線方向，向內(nèi)移動結(jié)點(diǎn)位置0.1m。處理后，由內(nèi)側(cè)點(diǎn)、外側(cè)點(diǎn)共同確定預(yù)埋件平面位置，能夠保證預(yù)埋件的正確方向。相應(yīng)計(jì)算提取后，可獲取各個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4.2 結(jié)合數(shù)據(jù)放樣

基于前面獲得的數(shù)據(jù)，對幕墻系統(tǒng)利用極坐標(biāo)法測量放樣。在項(xiàng)目周圍，分別設(shè)置全站儀架設(shè)點(diǎn)和棱鏡架設(shè)點(diǎn)，并且對控制點(diǎn)坐標(biāo)已知。使用全站儀對棱鏡瞄準(zhǔn)，將兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值分別輸入。其中全站儀架設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x1，y1），棱鏡架設(shè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（x2，y2），利用公式計(jì)算兩點(diǎn)之間的長度、方位角。其中長度公式為：L=，方位角公式為：α=arctan（y2-y1）/（x2-x1）。計(jì)算出方位角后能對正北方向加以確定，在全站儀中導(dǎo)入放樣數(shù)據(jù)。對全站儀內(nèi)點(diǎn)編號選擇以完成放樣。采用這種方法，不需要將放樣點(diǎn)坐標(biāo)手動輸入，減少了工作量，也提高了放樣準(zhǔn)確率。

4.3 誤差評估分析

在全站儀極坐標(biāo)放樣操作當(dāng)中，會有一定的誤差產(chǎn)生，誤差出現(xiàn)的原因比較多，比如氣壓、溫度、風(fēng)力等外界條件因素，觀測者技術(shù)水平和工作狀態(tài)因素，儀器自身誤差因素等。所以，使用軟件評估分析放樣中可能出現(xiàn)的誤差。目前，在實(shí)際工程當(dāng)中所采用的全站儀，測距精度一般是2mm+2×10-6×量距。隨著放樣距離的增加，絕對精度也會逐漸降低。該建筑放樣最大量距是79m，放樣操作選擇觀測員狀態(tài)良好，操作熟練，儀器精度在3mm 以內(nèi)。距離較短，忽略大氣折光、地球曲率等因素誤差。儀器測角誤差、人員操作誤差、儀器測距誤差，是主要的放樣誤差來源。選取相應(yīng)數(shù)據(jù)，帶入公式用軟件計(jì)算，得出誤差在3.77mm，符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，因而具有可行性。

結(jié)論：

目前，在多變曲面幕墻等比較復(fù)雜的建筑設(shè)計(jì)與施工當(dāng)中，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，利用眾多先進(jìn)的軟件和插件，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)幕墻的各個(gè)結(jié)果，并且能夠?qū)崟r(shí)生成模型。對參數(shù)的改動也能夠直接體現(xiàn)出來，在設(shè)計(jì)施工當(dāng)中，提供了充足的依據(jù)，達(dá)到了理想的應(yīng)用效果。