参数化设计在多变曲面幕墙设计与施工中的应用研究

文/王志华 金地商置华东公司 上海 200232

随着经济的发展和科技的进步，建筑领域近年来取得了很大的进展，建筑形态更加多样化。当前很多建筑都采用了多变曲面的结构，以增加建筑的美观度和设计感。但是在此类建筑的设计施工当中，如果应用传统绘图方法，将大大增加工作量，并且修改和协同工作也比较困难。对此，可以采用参数化设计的方法，该方法过去在制造业中应用，但能够符合多变曲面幕墙设计施工要求。所以，可以对这一技术充分运用，更好的完成设计施工工作。

1、参数化设计的概述

参数化设计中，参数代表变量，因此参数化模型的构成，主要是结合了各种可变量。如果将参数化模型中的一个参数改变，则其它相关参数可能都会变化。这一特点使其对计算机计算速度有较高的要求，因而在计算机性能不断提升下，参数化设计作为一种先进的设计方式，开始得到应用。在建筑物参数化设计中，与建筑信息模型BIM 有紧密的联系，将该模型作为载体，对模型互相关联变量加以表达。参数化设计中，可采取逻辑运算，对一定规律的结构、图形加以生成，减少绘图工作量。设计中预先给设计人员定量，能够对数据更加简单、直接的获取。不同软件可实现参数化设计模型转换，从而实现细致深度处理。

2、多变曲面幕墙工程案例

选取了某多变曲面幕墙实际工程案例，建筑占地面积55486.71m2，建筑总面积114438.24m2，建筑定位是休闲活动、教育文化中心，城市地标建筑。选择多变连续曲面的形式，融合自然景观，采用玻璃幕墙的外部结构。该建筑设计理念中，连续曲面需要达到流动雕塑效果，由于建筑造型复杂，因而在外部造型设计施工中，面临较大难度。采取传统二维图纸方法，对多变曲面难以充分展现，不能为设计施工提供指导。因此，拟采用参数化设计方法，指导设计施工。以单侧曲面幕墙为例，结合建筑草图应用Rhinoceros 软件初步建模，应用Grasshopper软件划分绘制幕墙，应用Revit 软件细化，形成效果图。

3、参数化设计在设计中的应用

3.1 幕墙设计

根据建筑整体设计要求，设计连续不规则曲线的外观，选用玻璃为幕墙材料，应用竖向分割方式，使用较窄竖向玻璃形成折线外观。采用参数化设计方法，能随机改动幕墙分段长度，更灵活的处理曲线末端没有划分段落。对较大剩余段落宽度，可单独分割，如果宽度较小，可在前一段幕墙分段并入。运用参数化设计方法，可以利用软件界面实时显示各种改动，设计师能更加直观的认识幕墙外观效果。幕墙曲线分段后进行绘制，基于幕墙曲线划分点，通过数据组织和计算，完成绘制幕墙的要求。也可以随意调整两层幕墙高度，进而达到理想的设计效果。

3.2 雨棚设计

该建筑的门口位置，设置雨棚由玻璃制成，雨棚具有2.4m 挑出长度，将门洞宽度左右分别扩展一个幕墙作为宽度。在门洞上方1m，即3.5m高度设置，确保挡雨效果良好。该建筑自身存在一定的曲率，所以设置雨棚中，定位两侧边缘有较大的难度。利用软件模块生成雨棚，将雨棚两侧边缘，和相邻幕墙面，选择垂直方向，进而在视觉效果上达到协调的感觉。在雨棚内侧边缘，要和幕墙边缘紧贴，防止雨水渗漏影响效果。利用软件完成绘制后，用SAT 格式存储，使用Recit 软件导入，优化各个细节。将实体属性赋予雨棚、门窗等细节，进而使幕墙外观效果得到初步的展现。

3.3 门窗孔洞设计

该建筑设计了双扇平开门，每扇门宽度为1.2m，和幕墙一样，门的高度是2.5m 底端平齐于地面。采用百叶窗、下悬窗的形式，宽度和幕墙一样，高度是1.5m。窗在上下两个区域分布，上半部分重合与幕墙嵌板上半部分，下半部分下缘保持地面距离1.0m，上缘保持地面距离2.5m。利用软件对门窗绘制模块编制，将下窗口、上窗口、门的起始竖梴段落点编号n，利用软件能够对竖梴n 和n+1 的窗，竖梴n 和n+2 的门自动运算并绘制。如果将输入的初始编号改变，门窗位置也能够随时调整，对参数进行调整，就能改变门窗高度。

3.4 可开启幕墙设计

在幕墙设计中，为了达到一定的节能、通风效果，在设计可开启幕墙面积时，在总的幕墙面积中，需要占到一定的比例。使用软件编制计算模块，能够对可开启面积比进行计算。这样，就能够在软件当中，实时显示出窗、幕墙的总面积比值。通过这种方式，能够对建筑通风状况，直观得到判断和了解。可以对窗口数量、位置做出修改，进而直接修改可开启部分面积比。对于幕墙各个组成部分，要对数量、大小加以了解，满足幕墙生产制作运输、成本概预算等要求，所以设计时还要统计幕墙数量、面积。利用软件设计模块，对幕墙分块面积加以统计，能对每块幕墙面积准确显示，同时对幕墙数量加以了解。

4、参数化设计在施工中的应用

4.1 确定坐标点位

对幕墙立柱的坐标，使用软件计算，在设计阶段通过数据整理运算，能对幕墙立柱位置坐标直接获取。幕墙立柱在楼板附着，所以，要将预埋件放置于楼板内。预埋件螺丝孔位，要连接幕墙龙骨及连接件，因而要控制预埋件的方向，确保正确的螺丝孔位。在多变曲面幕墙设计中，不同预埋件的朝向将不断改变，所以在幕墙立柱位置外，也要对放样点设置，进而对预埋件朝向加以确定。实用软件处理，运用参数化方法，将幕墙结点切线方向的曲线求得，旋转到法线方向，向内移动结点位置0.1m。处理后，由内侧点、外侧点共同确定预埋件平面位置，能够保证预埋件的正确方向。相应计算提取后，可获取各个控制点数据。

4.2 结合数据放样

基于前面获得的数据，对幕墙系统利用极坐标法测量放样。在项目周围，分别设置全站仪架设点和棱镜架设点，并且对控制点坐标已知。使用全站仪对棱镜瞄准，将两个点的坐标值分别输入。其中全站仪架设点的坐标为（x1，y1），棱镜架设点的坐标为（x2，y2），利用公式计算两点之间的长度、方位角。其中长度公式为：L=，方位角公式为：α=arctan（y2-y1）/（x2-x1）。计算出方位角后能对正北方向加以确定，在全站仪中导入放样数据。对全站仪内点编号选择以完成放样。采用这种方法，不需要将放样点坐标手动输入，减少了工作量，也提高了放样准确率。

4.3 误差评估分析

在全站仪极坐标放样操作当中，会有一定的误差产生，误差出现的原因比较多，比如气压、温度、风力等外界条件因素，观测者技术水平和工作状态因素，仪器自身误差因素等。所以，使用软件评估分析放样中可能出现的误差。目前，在实际工程当中所采用的全站仪，测距精度一般是2mm+2×10-6×量距。随着放样距离的增加，绝对精度也会逐渐降低。该建筑放样最大量距是79m，放样操作选择观测员状态良好，操作熟练，仪器精度在3mm 以内。距离较短，忽略大气折光、地球曲率等因素误差。仪器测角误差、人员操作误差、仪器测距误差，是主要的放样误差来源。选取相应数据，带入公式用软件计算，得出误差在3.77mm，符合规定的标准，因而具有可行性。

结论：

目前，在多变曲面幕墙等比较复杂的建筑设计与施工当中，采用参数化设计的方法，利用众多先进的软件和插件，准确设计幕墙的各个结果，并且能够实时生成模型。对参数的改动也能够直接体现出来，在设计施工当中，提供了充足的依据，达到了理想的应用效果。