幕墙BIM模型定制技术及其应用

在建筑设计领域中建筑信息化模型BIM的应用日趋广泛而建筑幕墙作为建筑设计主要的表现载体代表着建筑的创意功能和效果幕墙BIM的核心技术是对幕墙进行信息化设计利用信息化设计可使设计人员从大量繁琐的设计计算绘图工作中解脱出来进而提高设计效率并可在幕墙施工之前通过虚拟方法实现对幕墙构造加工和安装的模拟能方便地查找错误修改设计及优化设计缩短幕墙设计周期降低成本最终提高幕墙工程的质量本文对CATIAV的信息化含三维参数化建模方法及其技术进行了研究阐述了信息化建模的基本方法和一般步骤并介绍了在幕墙单元定制方面的应用技术通过信息化可视化和虚拟装配设计方法对幕墙开启单元进行了干涉分析

概述建筑信息模型BIM为建筑工程设计领域带来了第二次革命从二维图纸到三维设计和建造的革命对建筑行业来说BIM也是一次真正的信息革命BIM在我国的全面应用为建筑业的发展带来巨大的效益使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高BIM将直接促使建筑行业各领域的变革和发展它将使建筑行业的思维模式及习惯方法产生深刻变化使设计建造和运营的过程产生新的组织方式和新的行业规则

幕墙BIM是基于三维模型的幕墙信息技术是采用集成的三维模型完整地表达幕墙定义信息将设计加工制作安装施工等信息共同定义到三维数字化模型当中以改变目前三维模型和二维工程图共存的局面更好地保证幕墙定义数据的唯一性幕墙BIM提供了单一源定义消除了潜在的三维模型和二维图纸之间的冲突改变了传统的纸质介质的产品定义模式方便了数据的管理减少了很多重复性劳动此外幕墙BIM还提高了信息传递的准确性和传递效率使使用者能够更加直观准确地获取各类信息

幕墙工程的BIM模型可以分解成若干个单元每个单元以信息化的形式存在类似建筑设计软件中的族和机械设计软件中的产品部件通过对单元的预定义将单元内的产品或称为零件的属性信息生产企业产品型号商标造价和性能指标等一般几何信息构造尺寸数量和材料等和参数化信息通过变量或公式能够计算的几何信息进行设置以便在幕墙的设计加工制作安装施工等各个环节达到信息的共享与重用本文以目前比较流行的CATIA软件系统为例研究幕墙BIM模型的定制技术并举例说明其应用

CATIAV系统是航空汽车机械电子设备及建筑等领域应用比较广泛CADCAMCAE软件系统它是一个模块化的软件具有统一的用户界面数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口采用特征造型和参数化造型技术允许自动指定或由用户指定参数化设计几何或功能化约束的变量化设计它具有卓越的结构设计机械产品设计曲面造型加工模拟有限元分析知识智能参数化数字化虚拟样机等强大的功能模块为许多用户所青睐CATIAV的知识智能参数化模块功能强大通过可视化的特征树及各种可视工具使得三维参数化建模更加简单CATIAV的可视化工具能使设计人员在可视化的环境下高速高效地完成三维建模工作CATIA系统还提供CAAComponentApplicationArchitectureRADERapidApplicationDevelopmentEnvironment二次开发工具采用了全新的基于组件的开放式体系结构OpenArchitectureProducts应用了许多现代软件工程思想虽然整个体系结构十分庞大但结构清晰合理维护开发扩展方便有着相当优良的扩展性能它开放的组件应用架构解决方案允许更多的第三方供应商针对用户的特殊需求进行定制

信息化建模的特点幕墙BIM模型需要定义属性信息生产企业产品型号商标造价和性能指标等一般几何信息构造尺寸数量和材料等和参数化几何信息通过变量或公式能够计算的几何信息其中参数化信息是信息传递的关键也是幕墙BIM的核心因此需要重点研究幕墙的三维参数化建模技术

幕墙三维参数化建模与二维参数化建模不同其主要区别在于三维模型更能清晰地表达幕墙的构件其模型参数也能更好地反映实物特征三维模型允许从任意角度观看比二维模型更加直观使设计人员能够将工作重点放在结构设计及其优化方面参数化建模的特征参数选择非常重要合理的特征参数能够方便地控制和生成实物的三维模型特征参数发生变化能够直接地带动三维模型的协同变化参数化技术给设计中的标准件常用件和系列化产品的设计带来极大的便利是近来提出的大量定制MC生产方式中敏捷设计的一项基础技术三维参数化建模技术是幕墙设计的一项基础性的工作它比二维参数建模更能体现产品特征更适应时代发展的需要它将极大地促进幕墙行业发展

三维参数化建模的实现方法参数化建模的关键在于用参数公式表格特征等驱动图形以达到改变图形的目的在CATIAV中可通过如下的方法来实现

采用CATIACAA二次开发技术进行三维模型参数驱动CAAComponentApplicationArchitecture是法国达索公司为了用户在使用CATIA的过程中根据所要扩展的功能进行二次开发而提供的以VC语言为基础的一系列函数库的总称CAA方法的核心思想是面向对象的程序设计采用对象的嵌入ObjectLinkedEmbedded和连接以及组件对象模型ComponentObjectModel的应用使得开发的过程能够轻松地实现标准化较大程度地提高了程序的易用性和可扩展性

幕墙构件数量繁多而且大部分构件类似结构不一定复杂但大量重复设计耗时耗力因此如何快速地生成构件是一个重要的问题采用CATIA的二次开发工具通过参数化建模方法可快速驱动生成新的构件并可进行三维零部件的参数驱动

利用系统参数与尺寸约束驱动图形CATIAV具有完善的系统参数自动提取功能它能在草图设计时将尺寸约束作为特征参数保存起来并且在此后的设计中可视化地对它进行修改实现直接的参数驱动用系统参数驱动图形的关键在于如何将从实物中提取的参数转化为CATIA中用来控制三维模型的特征参数尺寸驱动是参数驱动的基础尺寸约束是实现尺寸驱动的前提CATIAV的尺寸约束的特点是将形状和尺寸联合起来考虑通过尺寸约束来实现对几何形状的控制设计时以完整的尺寸参数为出发点全约束不能漏注尺寸欠约束不能多注尺寸过约束尺寸驱动是在二维草图Sketcher空间和D空间下实现的图形完全约束后其尺寸和位置关系才能协同变化系统会直接将尺寸约束转化为系统参数草图修改可通过编辑系统参数直接驱动几何形状的改变为三维参数驱动提供基础三维参数化建模的合理性很大程度上取决于二维图形中的尺寸约束与实物参数的符合程度只有抓住CATIA建模特点并采取合理的二维和三维建模方法才能建立理想的模型

利用用户参数和公式驱动图形CATIAV不仅具有系统定义的参数而且还有用户自定义参数通过用户自定义参数和公式等工具可以很方便地定制出客户所要的各种参数以及约束这些参数的公式CATIAV中有几何参数如点线曲线曲面等物理参数如长度质量速度温度密度等无量纲参数如整数实数字符型参数及布尔型参数等多种类型的参数可供用户自行选择用户自定义公式是CATIAV中联系系统参数与用户参数枢纽用户参数定义后可针对用户参数与三维模型中对应的特征参数建立相应的公式从而通过用户参数驱动系统参数进而控制图形的尺寸

利用表格数据驱动图形机械产品设计中标准件通用件的尺寸可通过查表获得在CATIAV中可应用表格驱动几何图形实现这一功能应将与零件尺寸有关的标准数据以表格的形式存放在相应的文件中并建立表中数据与三维模型特征参数的联系通过选择表中不同记录达到改变几何尺寸获得所需零件的模型在CATIA的参数化设计中可以使用的图表有两种一种是文本格式的图表文件一种是Excel格式的图表文件仅须将产品的特征参数制成文本型或Excel型表格通过CATIAV本身自带的工具DesignTable对表格的各条记录进行访问从而达到修改尺寸改变形状的目的

利用规则与检验控制特征驱动图形CATIAV可通过规则和检验对三维模型的特征进行控制和检查规则是由用户定义的在一定条件下控制某些参数特征和事件的指令用VBScript语言可以方便地编写规则控制参数特征和事件检验只是用户编写的一条简单的指令不影响参数值检验被执行时它会针对图形中参数的异常变化警示设计人员防止不符合要求的参数破坏原有的三维模型

幕墙开启单元进行三维建模的步骤与方法利用CATIAV的知识工程模块可以进行三维参数化建模CATIAV可视化尺寸驱动与参数驱动功能极大地方便了三维建模不需要或极少的编程即可实现三维参数化建模

幕墙设计是比较复杂的设计领域首先是玻璃幕墙包括明框隐框和半隐框幕墙且有很多型材系统各有其特点此外还有石材幕墙金属板幕墙人造板材幕墙和点支承玻璃幕墙等现以幕墙开启单元为例对参数化建模的方法和设计步骤进行说明

参数化设计模型的建立建立幕墙开启单元的三维实体模型可以采用两种设计方法一种是自底向上bottomup另一种是自顶向下topdown实际建模时可根据资料提供情况进行选择创建组成开启单元各个产品部件参数化构件的实体模型见图

设置用户参数见表并分别赋予初始值其它构件部件以这两个参数为基准进行长度计算建模结束后形成可视化特征树包含建模信息实体参数和发布等本例的特征树

属性信息通过EXCEL表格建立属性信息是幕墙BIM的特征之一通过CATIA系统可以采用EXCEL表格建立参数或变量并能够实现双向信息传递实现协同设计传统的D技术不能附加属性信息阻碍了信息的传递

开启单元的虚拟装配设计CATIA系统提供创建约束机制将相邻构件间的关系进行约束在变量发生改变或构件发生移动通过约束关系带动约束构件发生相应变化达到参数化建模及模型修改的目的

按自底向上的设计方法在CATIAV装配设计模块中导入业已建立的组成开启单元的各个参数化构件部件模型在构件之间施加必要的约束创建虚拟装配模型

整体装配干涉检查在各个构件或部件零件装配设计阶段按要求完成各个构件之间的约束定义后还可对整体进行装配干涉检查以便及早发现问题及时修改减少错误

幕墙开启单元的调用开启单元定制是幕墙设计中的一个较小部分通过类似的技术可以建立单元式幕墙构件式幕墙等底层产品的单元定制由于引入信息化技术可以在引用时对信息实现继承并可通过软件系统进行解读达到信息有效传递的目的

但令人遗憾的是目前软件系统在数据库信息传递中存在较大瓶颈主要表现在数据文件数目较多管理繁琐整体性差可能导致数据的丢失或错误引用数据量大数据信息重叠量大未采用二进制形式或压缩格式导致数据无法顺利读取一些较大模型甚至会出现死机现象给幕墙BIM的应用受到一定的限制

结束语CATIAV系统软件是比较成熟的机械设计软件同样适用于建筑设计领域能够进行可视化产品设计经过深入研究和底层标准模块的定制能够满足复杂幕墙设计的需要其优点使传统设计方法望尘莫及

幕墙基本单元定制技术使幕墙BIM的信息化成为可能通过底层单元可以将幕墙的设计加工制作安装施工等信息集成并在全生命周期内进行传递减少纸质文件的使用和归档未来会改变行业的游戏规则

三维可视化技术能够所见所得为设计审查等提供方便并可以采用数字样板代替实体样板在设计阶段方便对不合理的结构进行改进比如幕墙的安装和拆卸工艺性同时可以根据碰撞检查结果分析干涉原因并按干涉提示进行及时修正这种可视化技术能够代替制作幕墙样板实现幕墙的绿色设计和施工

对异形建筑幕墙通过可视化定制技术可以使信息化传递成为可能并能够方便地进行复杂的施工管理采用这样的先进设计方法无疑可以缩短产品的设计周期提高设计质量减少设计成本