浅谈参数化设计在幕墙设计中的应用

发表时间:2017/8/11   来源:《基层建设》2017年第11期   作者:池广文
[导读] 摘要:本文以卢旺达shell幕墙工程为实例,利用参数化软件平台来阐述参数化设计在建筑幕墙建模和幕墙构件加工中的应用,以及参数化设计在幕墙行业中应用的优点。
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        摘要:本文以卢旺达shell幕墙工程为实例,利用参数化软件平台来阐述参数化设计在建筑幕墙建模和幕墙构件加工中的应用,以及参数化设计在幕墙行业中应用的优点。
        关键词:参数化设计;Rhinoceros;Grasshopper;幕墙建模;幕墙构件加工
        1 引言
        建筑的参数化设计是指在设计的过程中将影响建筑设计的各种因素看作参数,并从中找出各种因素之间相关联的关系,将这些参数通过计算机程序组织在一起,经过计算机运算得到的模型。其核心思想是:把建筑设计的全要素都变成函数的变量,通过改变函数或者逻辑算法,使人们能够利用计算机自动生成不同的建筑设计方案。参数化设计的最大优点在于数据的可调节性和数据模型的自动生成。每个可变数据的改变和数据的输入都会影响整个建筑的模型生成结果,只需要改变运算逻辑中的一些参数就能迅速得到不同方案,大大提高了方案形成和修改的速度,使参数化设计已经成为现在建筑界最为热门的发展趋势。
        2 参数化设计在幕墙中的运用
        传统的幕墙设计工具都难以精确详实地表达日益复杂、造型特异的建筑幕墙。特别对于造型独特的幕墙,其分格在立面上的往往是没有规律可循,即便是找出了一些规律,也会发现为了实现这些各异的分格尺寸和多变的外形,利用传统的设计方式会产生令人难以接受的海量工作。在这种情况下,通过参数化设计,把这些规律参数化,并利用数学和逻辑办法将其关联起来,交给计算机来完成海量工作。这样既节省了人力和时间,同时也降低了成本。实现幕墙的参数化设计,需要参数化软件设计辅助。参数化软件的优势在于能解决复杂形体的幕墙从设计到深化,最后到生产的种种问题。在各种常用的参数化辅助设计软件当中,犀牛(Rhinoceros)和草蜢(Grasshopper)组成的参数化设计平台是目前最为流行、使用得最为广泛的一套设计平台,这主要得益于犀牛软件建模软件强大的造型能力和草蜢软件独特的可视化编程建模方式。本文将要讨论的就是利用犀牛软件和草蜢软件参数化软件平台在卢旺达shell幕墙中的应用,最终实现幕墙参数化设计模型,乃至是幕墙构件的加工图纸。
        3 参数化设计在卢旺达shell幕墙中应用实例
        卢旺达shell幕墙的外形是基于两条螺旋线组合而形成,此螺旋线作为该工程外形的基础控制线,幕墙系统的生成逻辑是以这个控制线为基准。在两条螺旋线上各自经合理分点,取上下两点连线,形成幕墙系统单元板块的分格线。这些分格线构造出每个幕墙系统单元板块的控制框架,决定每个幕墙系统单元板块的大小、分格尺寸和方位角度。所有幕墙系统单元板块绕着两条基准螺旋线形成最终建筑。
        3.1 参数化设计在卢旺达shell幕墙单元板块建模中的应用
        卢旺达shell幕墙系统单元板块主要装饰面材包括玻璃、铝板、钢板和铝钢结合支撑龙骨。受其建筑效果的影响,每个单元板块的大小、分格尺寸和方位角度都不一样,但是从单元板块一致的外观形式以及为了实现这种形式所设计的幕墙结构是统一的角度来分析这些单元板块的话,会发现每个单元板块的组成元素,例如玻璃、铝板、钢板和铝钢结合支撑龙骨等主要构件的部位及形式是完全一致的,只是其设计加工尺寸、角度方位完全不同。那么,决定这些加工尺寸、角度方位的因素就是这些单元板块的定位点,这些定位点在不同的基准线上导致了所有单元板块上构件尺寸及角度方位的不同。

这些定位点在不同的基准线上的位置是一致的。弄清楚了这些定位点和基准线的位置关系,而且为了实现参数化,需要把这种位置关系数学化或者几何化。
        接下来,根据基准线和定位点,分析单元板块的玻璃、铝板、钢板、龙骨这些参数和它们之间的关系,包括几何关系、几何约束和逻辑关系。依据这些参数和关系制定出统一的单元板块建模步骤,作为自动生成单元板块的参数化建模程序流程。根据上述单元板块的生成规律特点,利用上述参数化软件平台,将单元板块的基准线作为最开始的参数输入,利用数据之间的逻辑串联和信息数据的传递,建立玻璃、铝板、钢板、龙骨和基准线之间的特定关系,当这种关系的某个基本元素发生变化,其他的元素也随之变化。通过Grasshopper程序将这些关系关联在一起,经过计算机运算自动生成单元板块模型。对于这种形式相似、工作量大的幕墙形式,参数化设计的方法可以大大节约设计成本,节省设计时间,从而保证工程的施工周期。
        3.2 参数化设计在卢旺达shell幕墙单元板块加工中的应用
        在上述参数化软件平台下,利用上述建模程序能够自动且快速精确地完成所有单元板块的三维模型,但同时又面临另外两个问题:一、对于不同尺寸的相同构件是否能进行优化,从而减小不同尺寸的加工数量,减小加工量;二、如何将每个不同的单元板块里所包含的玻璃、铝板、钢板、龙骨等诸多材料构件从三维模型里导出加工数据,用于指导下料加工出幕墙构件,完成单元板块的加工组装。不同的单元板块的幕墙构件加工尺寸完全不同,即使在一个单元板块里同种材料的构件加工尺寸也完全不同。如果利用人力一部分一部分的测量、一个单元板块一个单元板块的放样下料,将是一个在有限的时间内无法完成的工作。
        根据上述出现的两个问题,利用上述参数化软件平台,可以根据我们设计的容差值对板块进行优化,减少板材不同尺寸的数量;可以对曲面板材由双曲优化成单曲,减小加工难度和加工成本,并与我们平常办工软件进行数据衔接,如导出数据的与EXCEL进行联动;可以对单元板块里每一个构件关联一个工作平面参数,将这个关联的工作平面参数一一映射到世界坐标的XY平面上,实现在三维空间里的构件转移到世界坐标的XY平面上,并完成加工尺寸的标注。利用参数化程序实现设计下料的方式取消了以往需要大量实测放样的工作步骤,避免大量的重复劳动,节省了人力物力,减少下料的错误率。
        4 结 语
        参数化设计的最大优点在于数据的可调节性和数据模型的自动生成。特别是对于建筑幕墙,参数化设计的出现大大提高了建筑幕墙生成效率。它利用数据之间的逻辑串联和信息数据的传递,将复杂的幕墙模型参数化转变为可视化、可控化,提升了设计质量,节约设计成本,节省设计时间,从而保证工程的施工周期并创造更多的价值。因此,参数设计不失为一种先进的设计理念,并会逐步成为建筑业的一种发展趋势。
        参考文献:
        [1] 曾旭东,王大川,陈辉.Rhinoceros Grasshopper 参数化建模.华中科技出版社,2011.
        [2] 董玉香,柴哲雄,赵鹤.数字技术影响下的建筑表皮设计.中国建筑装饰装修,2011
        [3] 孙澄宇.数字化建筑设计方法入门.同济大学出版社,2012
        作者简介:
        池广文(出生年-1986年),男(民族-汉族),海南省三亚市人,助理工程师,学士,主要研究方向为幕墙设计方向。
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