本篇文章內(nèi)容由[中國幕墻網(wǎng)www.gdjiasi.com]編輯部整理發(fā)布：
>>>>>未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載<<<<<
摘要：運動仿真是數(shù)字樣機的重要功能，通過引入先進的知識工程原理，把幕墻、門窗設(shè)計知識融入了BIM建模過程。以BIM模型為載體，通過建立幕墻、門窗標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的知識庫，提高了BIM建模效率和設(shè)計的可靠性;通過定制的BIM模型進行虛擬裝配和運動仿真，能有效解決工程中具有運動關(guān)系系統(tǒng)的技術(shù)難題。本文還介紹了基于幕墻BIM模型運動仿真的案例。
關(guān)鍵字：幕墻;門窗;BIM;參數(shù)化;知識工程;運動仿真
1、概述
數(shù)字樣機是由計算機呈現(xiàn)的、可替代物理樣機功能的擬現(xiàn)實。運動仿真是數(shù)字樣機的重要功能，是數(shù)字化技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的重要應(yīng)用，可以對產(chǎn)品進行驗證或功能展示，以便對設(shè)計進行優(yōu)化和定型。
在幕墻、門窗系統(tǒng)中，對構(gòu)件間有運動關(guān)系要求的設(shè)計很多，主要有：
(1)幕墻門窗開啟系統(tǒng)。為實現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)、消防排煙和擦窗設(shè)備（詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供）的隱藏，通常需要設(shè)置開啟系統(tǒng)。近些年綠色建筑也對幕墻門窗的開啟面積提出較高要求。
(2)智能遮陽（詞條“智能遮陽”由行業(yè)大百科提供）系統(tǒng)。為達到遮陽系統(tǒng)的最佳效果，遮陽系統(tǒng)日趨智能化，通常根據(jù)太陽位置調(diào)整自身形態(tài)，其各個構(gòu)件間應(yīng)保持穩(wěn)定的運動關(guān)系。
(3)雙層幕墻（詞條“雙層幕墻”由行業(yè)大百科提供）通風(fēng)控制系統(tǒng)。外通風(fēng)雙層幕墻的進風(fēng)口和出風(fēng)口通常采用電動控制系統(tǒng)進行開啟和關(guān)閉，其構(gòu)件具有運動特征。
(4)BAPV光伏系統(tǒng)。為獲得最好的發(fā)電效果，光伏面板應(yīng)與太陽位置保持隨動，其面板及控制系統(tǒng)具有運動特征。
(5)主體結(jié)構(gòu)或溫度變形與幕墻體系的碰撞問題。一些變形較大的結(jié)構(gòu)體系，正常使用狀態(tài)即可發(fā)生較大的變形，為驗證其結(jié)構(gòu)的安全性，需要對其運動特征進行考量。
本文以BIM模型為基礎(chǔ)，把知識工程與參數(shù)化設(shè)計有機地結(jié)合起來，采用知識工程原理來組織構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過參數(shù)驅(qū)動進行幕墻快速建模，提高了幕墻BIM設(shè)計的效率和準(zhǔn)確性。并對基于BIM模型的仿真進行了分析研究，并通過成功案例對本文的技術(shù)進行了說明。
2 、幕墻、門窗運動仿真BIM模型的創(chuàng)建
2.1 幕墻、門窗運動仿真BIM建模信息分類
運動仿真BIM模型與常規(guī)BIM模型有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在信息的承載方面。一般情況下，模型信息可以分為一般幾何信息、參數(shù)化幾何信息、屬性信息、運動關(guān)系信息等。運動仿真BIM模型與常規(guī)BIM模型、常規(guī)3D模型的比較見表1。
表1運動仿真BIM模型與常規(guī)BIM模型、常規(guī)3D模型的比較
運動仿真BIM模型除具有常規(guī)BIM模型信息外還應(yīng)該具有運動關(guān)系信息。這些信息需要在三維模型的基本“單元”中進行信息輸入和定制，然后通過軟件系統(tǒng)的仿真模塊進行仿真，以便達模型展示和設(shè)計優(yōu)化。通過這些參數(shù)的設(shè)置，還可以在交付的BIM模型中提取這些信息，達到信息傳遞、交付的目的。
2.2幕墻、門窗運動仿真BIM建模信息創(chuàng)建基本原則
在創(chuàng)建運動仿真BIM模型時仿真關(guān)系與特征參數(shù)設(shè)置應(yīng)遵循以下基本原則：
(1)選取構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)做為參數(shù)化變量。在幕墻設(shè)計中應(yīng)選擇那些對幕墻結(jié)構(gòu)、構(gòu)件形狀和裝配位置等起決定作用的尺寸做為變量。定義適當(dāng)?shù)淖兞亢螅瑯?gòu)件的其它尺寸可以通過公式進行驅(qū)動。這樣當(dāng)關(guān)鍵變量被修改時，系統(tǒng)會自動根據(jù)公式計算出其它相關(guān)的尺寸值，達到自動修改設(shè)計的目的。變量應(yīng)與材料統(tǒng)計、工程算量相關(guān)聯(lián)，應(yīng)便于設(shè)計成果可視化演示，并應(yīng)滿足參數(shù)化出圖的需要。
(2)建立各個運動零部件間的邏輯關(guān)系和運動關(guān)系。模型應(yīng)為產(chǎn)品型式，各個運動構(gòu)件為部件或零件型式。運動構(gòu)件分為固定和運動兩種。通過變量可以描述相互關(guān)系為定軸轉(zhuǎn)動、滑移、沿軌跡運動等，并便于對運動關(guān)系進行量化控制。
2.3幕墻、門窗通用標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件“單元”知識庫定制[3]
幕墻和門窗工程的運動仿真BIM模型通常由若干個通用標(biāo)準(zhǔn)件、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件“單元”組成。定制幕墻、門窗通用標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件“單元”知識庫，能實現(xiàn)幕墻設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，并且提高幕墻設(shè)計的正確性和效率。
(1)建立幕墻、門窗通用標(biāo)準(zhǔn)件庫。對幕墻、門窗經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件、連接件(如轉(zhuǎn)接件、掛件、角碼等)、五金配件等創(chuàng)建知識庫，并建立存儲管理機制和調(diào)用機制。
(2)定制幕墻、門窗標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的特征庫和特征關(guān)聯(lián)、尺寸關(guān)聯(lián)庫[2]。對預(yù)埋件、橫梁組件、立柱組件、玻璃組件、石材組件、各類金屬板組件、人造板組件等等創(chuàng)建知識庫，并建立存儲管理機制和調(diào)用機制。
(3)建立設(shè)計校驗知識庫。使幕墻設(shè)計、加工過程遵循相關(guān)國家或地方標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指南等，使參數(shù)化設(shè)計更加合理、可靠。
3、幕墻(門窗)BIM模型的運動仿真
3.1運動仿真BIM模型的靜態(tài)裝配
運動仿真BIM模型在建立運動機構(gòu)之前應(yīng)進行靜態(tài)裝配，具有完整的靜態(tài)約束和邏輯關(guān)系。保證每一個構(gòu)件具有唯一確定的位置。
3.2 運動副的創(chuàng)建
運動副是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對運動的活動聯(lián)接。兩個構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運動副的點、線、面等元素被稱為運動副元素。運動副分為兩類，分別是基礎(chǔ)運動副和關(guān)聯(lián)運動副，其中基礎(chǔ)運動副用于表征兩個零件間的運動關(guān)系，如面接觸(低副)、點接觸(高副)運動副等，關(guān)聯(lián)運動副則是涉及三個零件以上的運動副。
幕墻門窗通常采用轉(zhuǎn)動副、滑動副等。
3.3運動仿真過程的設(shè)定
運動仿真是數(shù)字樣機的重要功能之一，通過構(gòu)建運動機構(gòu)模型，分析其運動規(guī)律，進行機構(gòu)的干涉分析;跟蹤零件的運動軌跡，進行運動參數(shù)分析;尋找零件裝配路徑，將設(shè)計與實際生產(chǎn)聯(lián)系起來。通過其分析結(jié)果，可以有針對性地修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（詞條“結(jié)構(gòu)設(shè)計”由行業(yè)大百科提供）或調(diào)整零件的材料。便于設(shè)計者進行方案驗證、功能展示、設(shè)計定型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
在完成運動副創(chuàng)建之后，可以設(shè)置運動變量，用于量化各個運動副的變化范圍，也可以確定各個運動變量的相互關(guān)系，完成需要的運動仿真。圖1 是實體樣機運行和數(shù)字樣機仿真結(jié)果對比圖。
圖1實體樣機運行和數(shù)字樣機仿真結(jié)果對比圖
3.4運動仿真結(jié)果的分析
(1)干涉與碰撞檢查
碰撞檢查是建筑工程中一項常見也是非常重要的環(huán)節(jié)，分為設(shè)計碰撞檢查和施工碰撞檢查兩類。通過BIM軟件碰撞檢查功能找出構(gòu)件件的空間碰撞點，并對碰撞性質(zhì)進行分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，并在施工前預(yù)以解決。達到節(jié)省工時，避免不必要的變更與浪費。檢查類型分為硬碰撞與間隙碰撞兩種，硬碰撞是對于檢測兩個幾何圖形間的實際交叉碰撞，而間隙碰撞用于檢測制定的幾何圖形需與另一幾何圖形具有特定距離。圖2是間隙檢查的例子。
圖2碰撞檢查或運動間隙檢查
(2)施工進度模擬
施工進度模擬將BIM模型與施工進度計劃相鏈接，將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D(3D+時間)模型中，能夠直觀、精確地反映整個建筑的施工過程，還能夠?qū)崟r追蹤當(dāng)前的進度狀態(tài)，分析影響進度的因素，協(xié)調(diào)各專業(yè)制定應(yīng)對措施，以縮短工期、降低成本、提高工程質(zhì)量。
(3)運動參數(shù)及軌跡的測量
在運動仿真過程設(shè)定過程中，可以設(shè)置測量點，對特定目標(biāo)進行測定，在機構(gòu)運動時可以以數(shù)據(jù)形式輸出運動分析結(jié)果，供設(shè)計這修改模型時參考。
4、成功案例
4.1山東濟南某廣場開合屋面項目
山東濟南某廣場項目位于濟南市槐蔭區(qū)臘山河景觀帶和西客站中央景觀軸交匯點。三座塔樓（詞條“塔樓”由行業(yè)大百科提供）高度分別為110m、200m和150m。為確保擦窗機能夠正常工作，在每座塔樓頂部采光頂處設(shè)置開合屋面，長度在24m～25m，寬度為4m。為確保建筑物立面效果和開合屋面滿足設(shè)計性能，中國建筑科學(xué)研究院采用BIM建模，創(chuàng)建了數(shù)字樣機，并進行運動仿真，攻克了全部技術(shù)難題，完美實現(xiàn)了保羅·安德魯“高山流水”的美學(xué)意境。
圖3 山東濟南某廣場效果圖
圖4 山東濟南某廣場試驗樣機和數(shù)字樣機
4.2 阿布扎比投資委員會新總部大樓(遠大孟根寶力高提供)
阿布扎比投資委員會新總部大樓位于阿聯(lián)酋首都阿布扎比25區(qū)。建筑總高度145m，由兩棟25層辦公大樓和裙房組成，是這個地區(qū)的獨特的關(guān)口和地標(biāo)性建筑。整個工程的總面積為67500平方米。其中塔樓單元面積34000平米，裙樓9520平米，遮陽傘23980平方米。兩個主樓包含單元及燈帶、遮陽傘。共包含6264樘單元，1000個LED燈及2098個遮陽傘。裙樓包含單元、百葉、石材、亨特板等。其遮陽項目也為世界上最難的新型遮陽項目，能根據(jù)需要進行開合變換，采用先進的傳動機構(gòu)，并采用數(shù)字樣機進行模擬，使設(shè)計得到進一步優(yōu)化，最終達到建筑師的設(shè)計效果。見圖5。
5、總結(jié)
與建筑BIM不同，幕墻和門窗BIM建模最終需要指導(dǎo)構(gòu)件加工和現(xiàn)場施工安裝，因此從建模開始，就應(yīng)該明確BIM的精度目標(biāo)，如果需要達到LOD300及以上，一般需要采用機械類計算機軟件進行BIM建模。經(jīng)過本文的研究與討論，認(rèn)為：
(1)采用基于知識工程原理的參數(shù)化設(shè)計方法，將知識融于設(shè)計過程，方便地指導(dǎo)設(shè)計人員完成幕墻、門窗設(shè)計，最終實現(xiàn)智能化CAD，是幕墻BIM的成熟之路。
(2)基于幕墻、門窗標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)“單元”構(gòu)件的知識庫，能夠大幅提高幕墻BIM的建模效率，提高幕墻設(shè)計的可靠性。
(3)基于幕墻、門窗BIM模型的虛擬裝配和運動仿真，能夠處理工程中具有運動關(guān)系系統(tǒng)的技術(shù)難題，是行之有效的解決方案。
參考文獻
[1]史忠植.知識工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988
[2]姜仁王嚴(yán)藝韓智勇等.幕墻BIM模型定制技術(shù)及其應(yīng)用.全國幕墻門窗行業(yè)論文集，2015.3
[3]姜仁付震韓智勇等.BIM助力幕墻工業(yè)化.建筑門窗幕墻創(chuàng)新與發(fā)展(2017年卷).北京：中國建材工業(yè)出版社，2018.2
[4]劉宏新宋微微等. CATIA數(shù)字樣機運動仿真詳解.北京：機械工業(yè)出版社，2013.4
>>>>>未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載<<<<<
