基于BIM 平台的复杂曲面幕墙工程设计探析

段连军

（太原王孝雄建筑设计院（有限公司），山西 太原 030027）

1 复杂曲面幕墙分类

当前，建筑使用的幕墙材料种类越来越多，材质可分为金属幕墙、玻璃幕墙、玻璃纤维高强混凝土（下文简称GRC）、石材幕墙等，施工方式可分为单元、半单元以及框架式。不同幕墙的优势不同，设计过程利用BIM 平台，可实现信息的快速传递，降低设计工作强度，缩短设计周期，保证各项数据结果的准确性。

2 BIM 平台复杂曲面幕墙工程设计策略

2.1 设计流程

通常而言，GRC 类幕墙和建筑装饰不属于主体结构，因此不会承受结构荷载，但其安装位置较高，因此需要设计过程保证幕墙的安全性和牢固性，及设计的合理性。

使用BIM 平台展开复杂曲面幕墙设计，需遵循以下步骤：第一，当GRC 设计构件完成之后，需要按照构件规格、形状及主题等确认是否需要龙骨、节点等，建筑主体和构件对应关系，明确二次结构的需要与否；第二，设计过程按照预先设定材质、尺寸、强度等对结构强度、失稳和变形等效应列出；第三，按照各个效应简图，逐一列举结构荷载清单，经分析和计算后，调整设计参数。

如：GRC 幕墙、装饰构件处于荷载环境下时，幕墙为受弯状态，在设计时需考虑其力学性能，利用参数化的BIM模型，将信息提取出来，建立有限元参数模型，计算出GRC对的抗弯强度[1]。

2.2 难点分析

利用BIM 平台主要是快速传递和共享信息，利用BIM建模软件Revit，借助其创建模型，描述建筑几何信息、材料参数等，在分析阶段，由于复杂曲面GRC 幕墙当中，存在多种不规则形状GRC 板，将信息输入到分析模型中，可发挥BIM 平台价值。

2.3 参数处理

通常而言，使用Midas-Gen 展开结构分析流程如下：定义初始参数、材料截面、节点和单元等，建立构件单元，之后将荷载边界值添加其中，对荷载组合进行定义，最后运行分析并查看、输出分析结果。

如：使用Dynamo 将面板节点信息进行提取，利用Gemetry-point-X，Y，Z 来获取点坐标分量，使用流程代码将信息创建在Excel 表格中。获取到GRC 定位信息后，将各个节点数据复制到MGT 文件中，创建节点数据格式。在处理参数过程，将数据设置2 行，其中定义第一行为节点调用模块，第二行是子命令模块，信息包括节点编号、节点X 向坐标、Y 向坐标、Z 向坐标。

2.4 运行流程

按各项规范，设置参数，并建立GRC 单元：第一，GRC 强度，通常其属于大中型构件，因此强度可选择18MPa，需注意，此标准不可应用在结构计算中，设计强度主要指GRC 衰减之后强度，因此在抗弯强度方面可取8MPa；第二，GRC 厚度，当计算GRC 自重荷载时，可选择包含质感层总体厚度；当计算应力时，可按照基层厚度，龙骨厚度在12~15mm 之间。第三，锚杆设计和可防止产生刚性约束，GRC 板产生裂缝，通常锚杆间距在600~900mm 左右。当横纵间距不同时，可计算出跨度、间距最大值，保证长短跨间距比值≤1.5。在Midas-Gen 当中，同一平面3~~4个节点组合成平板单元。

由于GRC 尺寸不规则，在设置锚杆时要按照板尺寸、形状等，设置锚杆间距及添加节点，在定位锚杆处约束，保证锚杆定位点处于坐标系各个坐标轴方向的平移自由度。在Midas-Gen 中存在网格划分器，可按需求定义网格形状和尺寸。

在荷载施加设计过程，可将无效地震效应以及有效地震效应考虑其中，按照建筑荷载规范，计算出幕墙承载性能，按照公式进行设计，其中代表幕墙结构系数；代表荷载设计值；代表构件的抗力设计值。按照幕墙技术规范，其受到地震、风等荷载影响较小，因此可结合实际情况，合理设计荷载[2]。

2.5 结果生成和处理

经BIM 平台运行之后，复杂曲面幕墙设计结果和要求相符时，可对设计结果进行查看，同时将内力、应力等单元结果生成对应文本。在Midas-Gen 表格工具内置功能，将Excel 表格输出，并在电子表格中检查GRC 单元内力、应力等。按照计算需求，手动将设计内力以及设计应力数值等填写到Excel 当中，解决传统手动向BIM 平台当中输入结果，节约设计时间。

实现流程分为三步，第一，使用Dynamo 将Excel 文件读取出来，找到节点信息，并将表格数据传输到Dynamo 中；第二，处理列表数据后，将数据保存，输出和Excel 表格一致的数值；第三，关联Excel 和Revit 数据，获取幕墙BIM编码列表，利用节点指针和列表中的BIM 编码进行查看，并利用Filter By Boolmask 过滤表中的BIM 编码，对计算之后的GRC 板进行结果添加，过滤所选列表内的各元素，将Excel中的幕墙嵌板过滤出去。

3 结语

总之，复杂曲面GRC 幕墙处于环境、荷载等因素影响下，呈现出受弯状态，在设计过程，需根据幕墙的力学性能，优化抗弯强度设计，利用BIM 平台，及参数化模型，求解出幕墙的抗弯强度，处理参数信息，将节点数据提取至Excel 当中，并复制在MGT 文件内，结合幕墙设计技术规范，合理确认有限元参数，使用Midas-Gen 进行文件读取，建立分析模型求解出计算结果，最终利用Dynamo 流程代码，将数据传回至BIM 模型当中，以实现设计过程快速建立模型，保证参数和结构数据的顺利流通。