异形铝板幕墙中的BIM应用

异形铝板幕墙中的BIM应用

余金彪1 ,许舒文2 ,阙靖昌3 ,林,云

深圳广晟幕墙科技有限公司1234  广东深圳  518029

摘  要：本文主要讨论了异形铝板幕墙在设计中的应用。利用Grasshopper的参数化优势，分析并解决异形铝板在设计、加工中的重点难点，提高设计精度和生产加工的效率。

关键词：异形铝板幕墙、参数化、Grasshopper

1 引言

在20世纪90年代，金属幕墙作为一种新型的建筑幕墙在全国各地快速推广，推动了建筑幕墙的进一步发展。铝板幕墙由于具有重量轻、强度高、可塑性强、耐候防腐、安装简便、环保等一系列优点，一直在金属幕墙中占据着主导地位，加之其加工、运输、安装施工等都比较容易实施，因此倍受青睐，此技术获得了突飞猛进的发展，诞生了众多极富冲击力的建筑。

本项目通过同时具有多种状态的异形单元铝板幕墙模型为载体，阐述BIM技术在异形铝板幕墙设计中的应用，通过参数化辅助生产，运用其共性与差异，以达到提升设计生产效率的目标。

2 载体形态选取与分析

图1载体模型形态

为了尽可能的表达在不同形态的铝板幕墙下BIM技术的运用，这里的载体模型选择同时具有垂直、内倾、单曲、双曲等形态的异形单元铝板。从整体上分析，幕墙模型分为上下两部分，下部垂直幕墙，上部内倾幕墙，转角曲面板块则兼顾这两种类型（图1）。从个体上分析，所有单元铝板由菱形中空面板、内侧板、斜面板、折边四个部分组成（图2），其中菱形面板及斜面板的尺寸都是在不断变化。支撑钢架龙骨也随之变化，这会使的单元铝板难以安装，为了解决此问题，对需要对钢架龙骨进行参数化设计。

本文章提供一个从参考模型外表皮中提取、筛选关键数据的思路。通过分析、归纳其中的规律，再进过深化设计转化，形成一系列切实可行的面板和龙骨加工模型。

首先对每一个装配式铝板单元板块进行单独编号（图3），并将关键信息与之关联。此编号贯穿板块设计、建模、生产、安装、修护等全生命周期。

图2单元铝板个体展示（左）与拆解（右）

图3板块编号

3 参数化设计的应用

在参数化建模软件的选择上，根据此项目特点我们主要使用的是Grasshopper，它是一款在Rhino环境下通过可视化编程生成模型的插件。Grasshopper的突出特点是它以自己独特的方式完整记录起始模型(点、线、面)和最终模型的建模过程，因此我们可以通过输入起始数据，调用对应的运算器，达到筛选有效数据、生成模型的目的。

3.1菱形面板生成

由于此模型造型复杂，原模型存在大量破面、叠合、破角等问题（图4），所以第一步就是对原模型进行优化。对于平面菱形部分，首先把原模型的面板导入Rhino，先提取边线，通过组合排序，按长度不同筛选出外侧的边线，再提取出角点，分两次去除重复点（公差为0.1毫米），一次以板块为单位，一次先拍平再以整体为单位(使每一个角点唯一），通过计算板块点到整体唯一点的距离，取每一个整体点距离最小的那一个，使所有相邻板块角点共点，从而解决破角及叠合问题（图6）。最后向内偏移设计距离，用偏移后的边线去切割菱形，得到平面菱形面板（图5）。

图4面板模型重叠                            图5完成面板

图6去重运算器

最后在处理曲面菱形部分，只需将做好的轮廓再拉回至调整好的完整工作平面，最后剪切出新的弧面菱形即可（图7）。

图7弧面生成过程图

3.2斜面板生成

由于深化设计后单元铝板的厚度有调整，因此斜铝板的进出距离也需要根据设计方案进行调整。我们对边线进行优化调整，再通过Z坐标筛选出下边线（图8），把下线拉回至新进出位平面，得到新下边线（图9）。新提取的边线与菱形面板通过距离判断同步进行排序，使斜面板下边线与菱形面板一一对应并提取内侧边线，两条线放样。下边线中点拉回至铝板厚度平面（这里设计方案是-140），两点成一个向量，挤出斜线得到折边（图10）。

图8斜铝板下边线                 图9斜铝板折边

图10斜铝板完成图

3.3内侧铝板及折边生成

此部分因为深化方案与效果模型差别较大，且不影响其外观，因此不再使用原模型数据。斜面铝板生成前已经和面板进行过同步排序，此时两部分数据结构是对应的。以面板中心点创建工作平面，并与面板法线对齐，确保所有面板的工作平面方向一致，通过在工作平面做圆，对边线进行排序，筛选出除斜边外的三条边线（图11）。

图11工作平面排序（左）与数据展示（右）

使用筛选出的三条边线，取中点投影到内偏辅助面上，两点成一个向量，挤出需要的长度，把新挤出的内铝板面与斜面铝板求相交线，相交线组合后延长一点，防止后续切割错误，用两条相交线的中点Z坐标区分出上下，筛选出对应的铝板，用交线对其切割，得到新的内侧铝板及修剪后的斜板（图12）。

图12内侧铝板切割（左）与电池展示（右）

最后提取内侧边线并生成面，把生成面延伸，让边线在延伸曲面上偏移需要的距离，生成闭合曲线，剪切后得到需要的折边，至此平面单元铝板电池组构建完成。

在斜弧面及双曲部分，由于此部分板块是弧形板块，且部分内倾双曲，在挤出内侧铝板的时候不能使用单一法线方向统一挤出，否则板块整体会呈锥形（如图13），对龙骨的安装造成影响。

图13内侧铝板单一法线挤出                 图14需剪切部分

弧段建模前需要在圆弧段创建一个辅助面，把边线法线方向拉回到辅助面上，得到线到面的最短距离，放样生成内侧铝板，这样得到的每一块铝板都会垂直于面板，可以保证龙骨的安装。最后三块折边互相做相交，把相交线延长，剪去重合部分（图14），得到最终模型，这里的相交比较复杂，因此电池的使用也会要求更高，对数据结构的处理也会相对比较困难（图15）。

至此铝板部分已经完成，最后按批次把初始数据导入，根据电脑配置的不同，一次性可以生成500-2000的异形单元铝板，大大提升生产效率。

图15剪切运算器

4钢结构龙骨的生成与数据提取

由于此方案镂空铝板幕墙会存在龙骨外漏的情况，影响立面效果。经过深化决定采用主次龙骨斜向布置，虽然增加了安装难度，但是有效的还原了建筑师想要的效果。为了保证龙骨安装精度，施工前需要在模型中把龙骨按1:1建出来，并提取相关数据，为下单及安装提供依据。

4.1筛选数据、提取主次龙骨定位线

以面板为单位对四边进行同步排序，提取同编号边线进行组合，变成一条完整的龙骨，再通过方向与编号筛选出主次龙骨（图16）。

图16面板边线同步排序（左）与局部展示

4.2法线校准工作平面、映射龙骨截面

通过铝板外表皮内偏生成龙骨辅助面，把筛选好的面板边线法线方向拉回至龙骨辅助面并得到龙骨线。在龙骨线上取点，计算点在辅助面上的法线方向，用法线方向调整工作平面，使工作平面始终垂直于铝板表皮（图17），再把龙骨截面映射在工作平面上并放样，即可生成指定的龙骨（图18）。在曲线段，只需增加龙骨的取点数量，即可保证龙骨始终垂直于表皮。在批量生成龙骨后对龙骨与单元铝板进行核查，是否有碰撞等情况，并提前确定处理方案。

使用运算器计算所有龙骨线的交点，给每一个交点一个独立的编号，把交点坐标转化为表格形式导出（图19），方便现场安装时进行定位复测，至此龙骨部分就基本完成。

图17龙骨垂直工作平面                     图18龙骨放样

图19部分坐标数据

5 结语

随着建筑行业的不断发展，人们对建筑的艺术性要求越来越高，各种曲面、异形建筑幕墙的使用也越来越广泛，但是这些外观优美壮观的造型也带来了很多下单、装配、安装等方面的问题。而BIM技术的应用，在面对后期方案修改时也只需通过调整数据来对模型进行快速调整，能大大提高设计师的工作效率，减少方案修改成本。本文仅通过该项目局部位置进行参数化建模分析，在遇到不同特点的项目时，需要通过分析其特点，选择或调整不同的运算器方案。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，建筑工程设计信息模型制图标准： JGJ/T448-2018[S] . 北京：中国建筑工业出版社，2019

[2] 李森 王小勇 张奇.埃塞俄比亚商业银行幕墙工程BIM应用[A]--现代建筑门窗幕墙技术与应用-2018科源奖学术论文集[C].北京：中国建材工业出版社，2021.17-32.

[3] 曾晓武.基于BIM技术的建筑幕墙设计下料[A]--现代建筑门窗幕墙技术与应用-2018科源奖学术论文集[C].北京：中国建材工业出版社，2018.3-9.