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摘要：運(yùn)動(dòng)仿真是數(shù)字樣機(jī)的重要功能，通過(guò)引入先進(jìn)的知識(shí)工程原理，把幕墻、門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)知識(shí)融入了BIM建模過(guò)程。以BIM模型為載體，通過(guò)建立幕墻、門窗標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的知識(shí)庫(kù)，提高了BIM建模效率和設(shè)計(jì)的可靠性;通過(guò)定制的BIM模型進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，能有效解決工程中具有運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)仿真的案例。
關(guān)鍵字：幕墻;門窗;BIM;參數(shù)化;知識(shí)工程;運(yùn)動(dòng)仿真
1、概述
數(shù)字樣機(jī)是由計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)的、可替代物理樣機(jī)功能的擬現(xiàn)實(shí)。運(yùn)動(dòng)仿真是數(shù)字樣機(jī)的重要功能，是數(shù)字化技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重要應(yīng)用，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證或功能展示，以便對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和定型。
在幕墻、門窗系統(tǒng)中，對(duì)構(gòu)件間有運(yùn)動(dòng)關(guān)系要求的設(shè)計(jì)很多，主要有：
(1)幕墻門窗開(kāi)啟系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)、消防排煙和擦窗設(shè)備的隱藏，通常需要設(shè)置開(kāi)啟系統(tǒng)。近些年綠色建筑也對(duì)幕墻門窗的開(kāi)啟面積提出較高要求。
(2)智能遮陽(yáng)系統(tǒng)。為達(dá)到遮陽(yáng)系統(tǒng)的最佳效果，遮陽(yáng)系統(tǒng)日趨智能化，通常根據(jù)太陽(yáng)位置調(diào)整自身形態(tài)，其各個(gè)構(gòu)件間應(yīng)保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
(3)雙層幕墻通風(fēng)控制系統(tǒng)。外通風(fēng)雙層幕墻的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口通常采用電動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉，其構(gòu)件具有運(yùn)動(dòng)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(yáng)位置保持隨動(dòng)，其面板及控制系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)特征。
(5)主體結(jié)構(gòu)或溫度變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）與幕墻體系的碰撞問(wèn)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(yàn)證其結(jié)構(gòu)的安全性，需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行考量。
本文以BIM模型為基礎(chǔ)，把知識(shí)工程與參數(shù)化設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，采用知識(shí)工程原理來(lái)組織構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)據(jù)，通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行幕墻快速建模，提高了幕墻BIM設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。并對(duì)基于BIM模型的仿真進(jìn)行了分析研究，并通過(guò)成功案例對(duì)本文的技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。
2 、幕墻、門窗運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型的創(chuàng)建
2.1 幕墻、門窗運(yùn)動(dòng)仿真BIM建模信息分類
運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)關(guān)系信息等。運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型與常規(guī)BIM模型、常規(guī)3D模型的比較見(jiàn)表1。
表1運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型與常規(guī)BIM模型、常規(guī)3D模型的比較
運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型除具有常規(guī)BIM模型信息外還應(yīng)該具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系信息。這些信息需要在三維模型的基本“單元”中進(jìn)行信息輸入和定制，然后通過(guò)軟件系統(tǒng)的仿真模塊進(jìn)行仿真，以便達(dá)模型展示和設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)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(dá)到信息傳遞、交付的目的。
2.2幕墻、門窗運(yùn)動(dòng)仿真BIM建模信息創(chuàng)建基本原則
在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型時(shí)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(jì)中應(yīng)選擇那些對(duì)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(guò)公式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這樣當(dāng)關(guān)鍵變量被修改時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)公式計(jì)算出其它相關(guān)的尺寸值，達(dá)到自動(dòng)修改設(shè)計(jì)的目的。變量應(yīng)與材料統(tǒng)計(jì)、工程算量相關(guān)聯(lián)，應(yīng)便于設(shè)計(jì)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(gè)運(yùn)動(dòng)零部件間的邏輯關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。模型應(yīng)為產(chǎn)品型式，各個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件為部件或零件型式。運(yùn)動(dòng)構(gòu)件分為固定和運(yùn)動(dòng)兩種。通過(guò)變量可以描述相互關(guān)系為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、滑移、沿軌跡運(yùn)動(dòng)等，并便于對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)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(shí)庫(kù)定制[3]
幕墻和門窗工程的運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型通常由若干個(gè)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(shí)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)幕墻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，并且提高幕墻設(shè)計(jì)的正確性和效率。
(1)建立幕墻、門窗通用標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。對(duì)幕墻、門窗經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件（詞條“緊固件”由行業(yè)大百科提供）、連接件(如轉(zhuǎn)接件、掛件、角碼等)、五金配件（詞條“五金配件”由行業(yè)大百科提供）等創(chuàng)建知識(shí)庫(kù)，并建立存儲(chǔ)管理機(jī)制和調(diào)用機(jī)制。
(2)定制幕墻、門窗標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的特征庫(kù)和特征關(guān)聯(lián)、尺寸關(guān)聯(lián)庫(kù)[2]。對(duì)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(shí)庫(kù)，并建立存儲(chǔ)管理機(jī)制和調(diào)用機(jī)制。
(3)建立設(shè)計(jì)校驗(yàn)知識(shí)庫(kù)。使幕墻設(shè)計(jì)、加工過(guò)程遵循相關(guān)國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指南等，使參數(shù)化設(shè)計(jì)更加合理、可靠。
3、幕墻(門窗)BIM模型的運(yùn)動(dòng)仿真
3.1運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型的靜態(tài)裝配
運(yùn)動(dòng)仿真BIM模型在建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之前應(yīng)進(jìn)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(gè)構(gòu)件具有唯一確定的位置。
3.2 運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建
運(yùn)動(dòng)副是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)聯(lián)接。兩個(gè)構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)、線、面等元素被稱為運(yùn)動(dòng)副元素。運(yùn)動(dòng)副分為兩類，分別是基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)副和關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)副，其中基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)副用于表征兩個(gè)零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如面接觸(低副)、點(diǎn)接觸(高副)運(yùn)動(dòng)副等，關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)副則是涉及三個(gè)零件以上的運(yùn)動(dòng)副。
幕墻門窗通常采用轉(zhuǎn)動(dòng)副、滑動(dòng)副等。
3.3運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程的設(shè)定
運(yùn)動(dòng)仿真是數(shù)字樣機(jī)的重要功能之一，通過(guò)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析;跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析;尋找零件裝配路徑，將設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)其分析結(jié)果，可以有針對(duì)性地修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詞條“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供）或調(diào)整零件的材料。便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行方案驗(yàn)證、功能展示、設(shè)計(jì)定型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
在完成運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建之后，可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)變量，用于量化各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的變化范圍，也可以確定各個(gè)運(yùn)動(dòng)變量的相互關(guān)系，完成需要的運(yùn)動(dòng)仿真。圖1 是實(shí)體樣機(jī)運(yùn)行和數(shù)字樣機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比圖。
圖1實(shí)體樣機(jī)運(yùn)行和數(shù)字樣機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比圖
3.4運(yùn)動(dòng)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(xiàng)常見(jiàn)也是非常重要的環(huán)節(jié)，分為設(shè)計(jì)碰撞檢查和施工碰撞檢查兩類。通過(guò)BIM軟件碰撞檢查功能找出構(gòu)件件的空間碰撞點(diǎn)，并對(duì)碰撞性質(zhì)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并在施工前預(yù)以解決。達(dá)到節(jié)省工時(shí)，避免不必要的變更與浪費(fèi)。檢查類型分為硬碰撞與間隙碰撞兩種，硬碰撞是對(duì)于檢測(cè)兩個(gè)幾何圖形間的實(shí)際交叉碰撞，而間隙碰撞用于檢測(cè)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(yùn)動(dòng)間隙檢查
(2)施工進(jìn)度模擬
施工進(jìn)度模擬將BIM模型與施工進(jìn)度計(jì)劃相鏈接，將空間信息與時(shí)間信息整合在一個(gè)可視的4D(3D+時(shí)間)模型中，能夠直觀、精確地反映整個(gè)建筑的施工過(guò)程，還能夠?qū)崟r(shí)追蹤當(dāng)前的進(jìn)度狀態(tài)，分析影響進(jìn)度的因素，協(xié)調(diào)各專業(yè)制定應(yīng)對(duì)措施，以縮短工期、降低成本、提高工程質(zhì)量。
(3)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及軌跡的測(cè)量
在運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程設(shè)定過(guò)程中，可以設(shè)置測(cè)量點(diǎn)，對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以以數(shù)據(jù)形式輸出運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，供設(shè)計(jì)這修改模型時(shí)參考。
4、成功案例
4.1山東濟(jì)南某廣場(chǎng)開(kāi)合屋面項(xiàng)目
山東濟(jì)南某廣場(chǎng)項(xiàng)目位于濟(jì)南市槐蔭區(qū)臘山河景觀帶和西客站中央景觀軸交匯點(diǎn)。三座塔樓高度分別為110m、200m和150m。為確保擦窗機(jī)能夠正常工作，在每座塔樓頂部采光頂處設(shè)置開(kāi)合屋面，長(zhǎng)度在24m～25m，寬度為4m。為確保建筑物立面效果和開(kāi)合屋面滿足設(shè)計(jì)性能，中國(guó)建筑科學(xué)研究院采用BIM建模，創(chuàng)建了數(shù)字樣機(jī)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，攻克了全部技術(shù)難題，完美實(shí)現(xiàn)了保羅·安德魯“高山流水”的美學(xué)意境。
圖3 山東濟(jì)南某廣場(chǎng)效果圖
圖4 山東濟(jì)南某廣場(chǎng)試驗(yàn)樣機(jī)和數(shù)字樣機(jī)
4.2 阿布扎比投資委員會(huì)新總部大樓(遠(yuǎn)大孟根寶力高提供)
阿布扎比投資委員會(huì)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(gè)地區(qū)的獨(dú)特的關(guān)口和地標(biāo)性建筑。整個(gè)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(yáng)傘23980平方米。兩個(gè)主樓包含單元及燈帶、遮陽(yáng)傘。共包含6264樘單元，1000個(gè)LED燈及2098個(gè)遮陽(yáng)傘。裙樓包含單元、百葉、石材、亨特板等。其遮陽(yáng)項(xiàng)目也為世界上最難的新型遮陽(yáng)項(xiàng)目，能根據(jù)需要進(jìn)行開(kāi)合變換，采用先進(jìn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并采用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行模擬，使設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步優(yōu)化，最終達(dá)到建筑師的設(shè)計(jì)效果。見(jiàn)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(chǎng)施工安裝，因此從建模開(kāi)始，就應(yīng)該明確BIM的精度目標(biāo)，如果需要達(dá)到LOD300及以上，一般需要采用機(jī)械類計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行BIM建模。經(jīng)過(guò)本文的研究與討論，認(rèn)為：
(1)采用基于知識(shí)工程原理的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將知識(shí)融于設(shè)計(jì)過(guò)程，方便地指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成幕墻、門窗設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)智能化CAD（詞條“CAD”由行業(yè)大百科提供），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(shí)庫(kù)，能夠大幅提高幕墻BIM的建模效率，提高幕墻設(shè)計(jì)的可靠性。
(3)基于幕墻、門窗BIM模型的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，能夠處理工程中具有運(yùn)動(dòng)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(xiàn)
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