參數化設計在多變曲面幕墻設計與施工中的應用研究

【摘要】當代建筑中，隨著建筑技術的發展進步，建筑形式也更加多樣化。多變曲面幕墻在很多現代建筑中都得到了應用，而此類幕墻設計與施工面臨著更大的難度。由于連續曲面復雜多變，采用傳統二維圖紙等方法，對于建筑外形及細部設計難以展現。基于此，應用參數化設計，采用相關專業軟件工具，自動化分復雜幕墻體系功能，使傳統方法繪圖量大大降低。對幕墻坐標值等數據提取分析，進而在后續施工當中提供指導。

【關鍵詞】參數化設計；多變曲面幕墻；設計與施工；應用

隨著經濟的發展和科技的進步，建筑領域近年來取得了很大的進展，建筑形態更加多樣化。當前很多建筑都采用了多變曲面的結構，以增加建筑的美觀度和設計感。但是在此類建筑的設計施工當中，如果應用傳統繪圖方法，將大大增加工作量，并且修改和協同工作也比較困難。對此，可以采用參數化設計的方法，該方法過去在制造業中應用，但能夠符合多變曲面幕墻設計施工要求。所以，可以對這一技術充分運用，更好的完成設計施工工作。

1、參數化設計的概述

參數化設計中，參數代表變量，因此參數化模型的構成，主要是結合了各種可變量。如果將參數化模型中的一個參數改變，則其它相關參數可能都會變化。這一特點使其對計算機計算速度有較高的要求，因而在計算機性能不斷提升下，參數化設計作為一種先進的設計方式，開始得到應用。在建筑物參數化設計中，與建筑信息模型BIM有緊密的聯系，將該模型作為載體，對模型互相關聯變量加以表達。參數化設計中，可采取邏輯運算，對一定規律的結構、圖形加以生成，減少繪圖工作量。設計中預先給設計人員定量，能夠對數據更加簡單、直接的獲取。不同軟件可實現參數化設計模型轉換，從而實現細致深度處理。

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，城市地標建筑。選擇多變連續曲面的形式，融合自然景觀，采用玻璃幕墻的外部結構。該建筑設計理念中，連續曲面需要達到流動雕塑效果，由于建筑造型復雜，因而在外部造型設計施工中，面臨較大難度。采取傳統二維圖紙方法，對多變曲面難以充分展現，不能為設計施工提供指導。因此，擬采用參數化設計方法，指導設計施工。以單側曲面幕墻為例，結合建筑草圖應用Rhinoceros軟件初步建模，應用Grasshopper軟件劃分繪制幕墻，應用Revit軟件細化，形成效果圖。

3、參數化設計在設計中的應用

3.1幕墻設計

根據建筑整體設計要求，設計連續不規則曲線的外觀，選用玻璃為幕墻材料，應用豎向分割方式，使用較窄豎向玻璃形成折線外觀。采用參數化設計方法，能隨機改動幕墻分段長度，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，可單獨分割，如果寬度較小，可在前一段幕墻分段并入。運用參數化設計方法，可以利用軟件界面實時顯示各種改動，設計師能更加直觀的認識幕墻外觀效果。幕墻曲線分段后進行繪制，基于幕墻曲線劃分點，通過數據組織和計算，完成繪制幕墻的要求。也可以隨意調整兩層幕墻高度，進而達到理想的設計效果。

3.2雨棚設計

該建筑的門口位置，設置雨棚由玻璃制成，雨棚具有2.4m挑出長度，將門洞寬度左右分別擴展一個幕墻作為寬度。在門洞上方1m，即3.5m高度設置，確保擋雨效果良好。該建筑自身存在一定的曲率，所以設置雨棚中，定位兩側邊緣有較大的難度。利用軟件模塊生成雨棚，將雨棚兩側邊緣，和相鄰幕墻面，選擇垂直方向，進而在視覺效果上達到協調的感覺。在雨棚內側邊緣，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軟件導入，優化各個細節。將實體屬性賦予雨棚、門窗等細節，進而使幕墻外觀效果得到初步的展現。

3.3門窗孔洞設計

該建筑設計了雙扇平開門，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。窗在上下兩個區域分布，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編號n，利用軟件能夠對豎梴n和n+1的窗，豎梴n和n+2的門自動運算并繪制。如果將輸入的初始編號改變，門窗位置也能夠隨時調整，對參數進行調整，就能改變門窗高度。

3.4可開啟幕墻設計

在幕墻設計中，為了達到一定的節能、通風效果，在設計可開啟幕墻面積時，在總的幕墻面積中，需要占到一定的比例。使用軟件編制計算模塊，能夠對可開啟面積比進行計算。這樣，就能夠在軟件當中，實時顯示出窗、幕墻的總面積比值。通過這種方式，能夠對建筑通風狀況，直觀得到判斷和了解。可以對窗口數量、位置做出修改，進而直接修改可開啟部分面積比。對于幕墻各個組成部分，要對數量、大小加以了解，滿足幕墻生產制作運輸、成本概預算等要求，所以設計時還要統計幕墻數量、面積。利用軟件設計模塊，對幕墻分塊面積加以統計，能對每塊幕墻面積準確顯示，同時對幕墻數量加以了解。

4、參數化設計在施工中的應用

4.1確定坐標點位

對幕墻立柱的坐標，使用軟件計算，在設計階段通過數據整理運算，能對幕墻立柱位置坐標直接獲取。幕墻立柱在樓板附著，所以，要將預埋件放置于樓板內。預埋件螺絲孔位，要連接幕墻龍骨及連接件，因而要控制預埋件的方向，確保正確的螺絲孔位。在多變曲面幕墻設計中，不同預埋件的朝向將不斷改變，所以在幕墻立柱位置外，也要對放樣點設置，進而對預埋件朝向加以確定。實用軟件處理，運用參數化方法，將幕墻結點切線方向的曲線求得，旋轉到法線方向，向內移動結點位置0.1m。處理后，由內側點、外側點共同確定預埋件平面位置，能夠保證預埋件的正確方向。相應計算提取后，可獲取各個控制點數據。

4.2結合數據放樣

基于前面獲得的數據，對幕墻系統利用極坐標法測量放樣。在項目周圍，分別設置全站儀架設點和棱鏡架設點，并且對控制點坐標已知。使用全站儀對棱鏡瞄準，將兩個點的坐標值分別輸入。其中全站儀架設點的坐標為（x1，y1），棱鏡架設點的坐標為（x2，y2），利用公式計算兩點之間的長度、方位角。其中長度公式為：L= ，方位角公式為：α=arctan（y2-y1）/（x2-x1）。計算出方位角后能對正北方向加以確定，在全站儀中導入放樣數據。對全站儀內點編號選擇以完成放樣。采用這種方法，不需要將放樣點坐標手動輸入，減少了工作量，也提高了放樣準確率。

4.3誤差評估分析

在全站儀極坐標放樣操作當中，會有一定的誤差產生，誤差出現的原因比較多，比如氣壓、溫度、風力等外界條件因素，觀測者技術水平和工作狀態因素，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的誤差。目前，在實際工程當中所采用的全站儀，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良好，操作熟練，儀器精度在3mm以內。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。選取相應數據，帶入公式用軟件計算，得出誤差在3.77mm，符合規定的標準，因而具有可行性。

結論：

目前，在多變曲面幕墻等比較復雜的建筑設計與施工當中，采用參數化設計的方法，利用眾多先進的軟件和插件，準確設計幕墻的各個結果，并且能夠實時生成模型。對參數的改動也能夠直接體現出來，在設計施工當中，提供了充足的依據，達到了理想的應用效果。

參考文獻：

[1]舒盼.基于BIM技術的單層平面索網點支式玻璃幕墻參數化設計探討[J].門窗，2017（10）：143-143.

[2]宋杰，王作文.APDL語言在點支式玻璃幕墻結構優化設計中的應用[J].四川建筑科學研究，2011，37（3）：77-80.

[3]胡振中，王重力，李國星.深圳機場T3航站樓幕墻CAD系統設計[J].施工技術，2010，39（4）：109-112.

[4]鐘鋼，張新喜，王少平，等.參數化設計在給水排水工程設計中的應用[J].環境科技，2010，23（4）：44-47.

[5]王美倫，甘明.參數化設計在復雜形態建筑結構設計中的應用探究[J].建筑創作，2015（6）：313-318.

[6]薛亞平，陳志偉.犀牛軟件在曲面金屬幕墻鈑金生產中的應用研究[J].機械設計與制造工程，2014（4）：67-70.

作者簡介：

王志華，金地商置華東公司，上海。