基于BIM 平臺的復雜曲面幕墻工程設計探析

段連軍

（太原王孝雄建筑設計院（有限公司），山西 太原 030027）

1 復雜曲面幕墻分類

當前，建筑使用的幕墻材料種類越來越多，材質(zhì)可分為金屬幕墻、玻璃幕墻、玻璃纖維高強混凝土（下文簡稱GRC）、石材幕墻等，施工方式可分為單元、半單元以及框架式。不同幕墻的優(yōu)勢不同，設計過程利用BIM 平臺，可實現(xiàn)信息的快速傳遞，降低設計工作強度，縮短設計周期，保證各項數(shù)據(jù)結(jié)果的準確性。

2 BIM 平臺復雜曲面幕墻工程設計策略

2.1 設計流程

通常而言，GRC 類幕墻和建筑裝飾不屬于主體結(jié)構(gòu)，因此不會承受結(jié)構(gòu)荷載，但其安裝位置較高，因此需要設計過程保證幕墻的安全性和牢固性，及設計的合理性。

使用BIM 平臺展開復雜曲面幕墻設計，需遵循以下步驟：第一，當GRC 設計構(gòu)件完成之后，需要按照構(gòu)件規(guī)格、形狀及主題等確認是否需要龍骨、節(jié)點等，建筑主體和構(gòu)件對應關系，明確二次結(jié)構(gòu)的需要與否；第二，設計過程按照預先設定材質(zhì)、尺寸、強度等對結(jié)構(gòu)強度、失穩(wěn)和變形等效應列出；第三，按照各個效應簡圖，逐一列舉結(jié)構(gòu)荷載清單，經(jīng)分析和計算后，調(diào)整設計參數(shù)。

如：GRC 幕墻、裝飾構(gòu)件處于荷載環(huán)境下時，幕墻為受彎狀態(tài)，在設計時需考慮其力學性能，利用參數(shù)化的BIM模型，將信息提取出來，建立有限元參數(shù)模型，計算出GRC對的抗彎強度[1]。

2.2 難點分析

利用BIM 平臺主要是快速傳遞和共享信息，利用BIM建模軟件Revit，借助其創(chuàng)建模型，描述建筑幾何信息、材料參數(shù)等，在分析階段，由于復雜曲面GRC 幕墻當中，存在多種不規(guī)則形狀GRC 板，將信息輸入到分析模型中，可發(fā)揮BIM 平臺價值。

2.3 參數(shù)處理

通常而言，使用Midas-Gen 展開結(jié)構(gòu)分析流程如下：定義初始參數(shù)、材料截面、節(jié)點和單元等，建立構(gòu)件單元，之后將荷載邊界值添加其中，對荷載組合進行定義，最后運行分析并查看、輸出分析結(jié)果。

如：使用Dynamo 將面板節(jié)點信息進行提取，利用Gemetry-point-X，Y，Z 來獲取點坐標分量，使用流程代碼將信息創(chuàng)建在Excel 表格中。獲取到GRC 定位信息后，將各個節(jié)點數(shù)據(jù)復制到MGT 文件中，創(chuàng)建節(jié)點數(shù)據(jù)格式。在處理參數(shù)過程，將數(shù)據(jù)設置2 行，其中定義第一行為節(jié)點調(diào)用模塊，第二行是子命令模塊，信息包括節(jié)點編號、節(jié)點X 向坐標、Y 向坐標、Z 向坐標。

2.4 運行流程

按各項規(guī)范，設置參數(shù)，并建立GRC 單元：第一，GRC 強度，通常其屬于大中型構(gòu)件，因此強度可選擇18MPa，需注意，此標準不可應用在結(jié)構(gòu)計算中，設計強度主要指GRC 衰減之后強度，因此在抗彎強度方面可取8MPa；第二，GRC 厚度，當計算GRC 自重荷載時，可選擇包含質(zhì)感層總體厚度；當計算應力時，可按照基層厚度，龍骨厚度在12~15mm 之間。第三，錨桿設計和可防止產(chǎn)生剛性約束，GRC 板產(chǎn)生裂縫，通常錨桿間距在600~900mm 左右。當橫縱間距不同時，可計算出跨度、間距最大值，保證長短跨間距比值≤1.5。在Midas-Gen 當中，同一平面3~~4個節(jié)點組合成平板單元。

由于GRC 尺寸不規(guī)則，在設置錨桿時要按照板尺寸、形狀等，設置錨桿間距及添加節(jié)點，在定位錨桿處約束，保證錨桿定位點處于坐標系各個坐標軸方向的平移自由度。在Midas-Gen 中存在網(wǎng)格劃分器，可按需求定義網(wǎng)格形狀和尺寸。

在荷載施加設計過程，可將無效地震效應以及有效地震效應考慮其中，按照建筑荷載規(guī)范，計算出幕墻承載性能，按照公式進行設計，其中代表幕墻結(jié)構(gòu)系數(shù)；代表荷載設計值；代表構(gòu)件的抗力設計值。按照幕墻技術規(guī)范，其受到地震、風等荷載影響較小，因此可結(jié)合實際情況，合理設計荷載[2]。

2.5 結(jié)果生成和處理

經(jīng)BIM 平臺運行之后，復雜曲面幕墻設計結(jié)果和要求相符時，可對設計結(jié)果進行查看，同時將內(nèi)力、應力等單元結(jié)果生成對應文本。在Midas-Gen 表格工具內(nèi)置功能，將Excel 表格輸出，并在電子表格中檢查GRC 單元內(nèi)力、應力等。按照計算需求，手動將設計內(nèi)力以及設計應力數(shù)值等填寫到Excel 當中，解決傳統(tǒng)手動向BIM 平臺當中輸入結(jié)果，節(jié)約設計時間。

實現(xiàn)流程分為三步，第一，使用Dynamo 將Excel 文件讀取出來，找到節(jié)點信息，并將表格數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻ynamo 中；第二，處理列表數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存，輸出和Excel 表格一致的數(shù)值；第三，關聯(lián)Excel 和Revit 數(shù)據(jù)，獲取幕墻BIM編碼列表，利用節(jié)點指針和列表中的BIM 編碼進行查看，并利用Filter By Boolmask 過濾表中的BIM 編碼，對計算之后的GRC 板進行結(jié)果添加，過濾所選列表內(nèi)的各元素，將Excel中的幕墻嵌板過濾出去。

3 結(jié)語

總之，復雜曲面GRC 幕墻處于環(huán)境、荷載等因素影響下，呈現(xiàn)出受彎狀態(tài)，在設計過程，需根據(jù)幕墻的力學性能，優(yōu)化抗彎強度設計，利用BIM 平臺，及參數(shù)化模型，求解出幕墻的抗彎強度，處理參數(shù)信息，將節(jié)點數(shù)據(jù)提取至Excel 當中，并復制在MGT 文件內(nèi)，結(jié)合幕墻設計技術規(guī)范，合理確認有限元參數(shù)，使用Midas-Gen 進行文件讀取，建立分析模型求解出計算結(jié)果，最終利用Dynamo 流程代碼，將數(shù)據(jù)傳回至BIM 模型當中，以實現(xiàn)設計過程快速建立模型，保證參數(shù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的順利流通。