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BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用

2021-12-24 15:29:15
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随着人们对建筑设计数量化、精确化要求的不断提高,参数化设计得以迅速发展。BIM 具有参数化的特点,它的出现给参数化设计提供了助力。

本案例基于 BIM 技术的结构参数化设计方法,开发了针对设计项目的BIM族库并基于该族库完成了参数化BIM 模型的创建,将BIM模型以数据形式导入结构分析软件进行受力分析,根据受力分析的结果对BIM模型进行参数修改,完成幕墙的参数化设计。


项目简介


本案例中某单层平面索网点支式玻璃幕墙所在大厦位于市中心,总建筑面积约 114968 平方米,地上8 层,地下2 层,建筑立面采用玻璃幕墙。幕墙平面高约44m,宽约18m,其上边缘为斜线,斜线最高点44m,最低点34m,高差10m。建筑立面一层有四扇 1.8x3.6m 的双开门、一扇 3.6x3.6m 的旋转门。
玻璃幕墙支撑结构为一单榀抗风钢框架。钢框架立面形式与玻璃幕墙一致,由八根框架柱及每层框架 梁、支撑结构组成,用来抵抗幕墙传来的风荷载。结合项目需要,幕墙的结构形式采用单层正交索网点支式玻璃幕墙。



BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图1)



基于 BIM 技术的结构参数化设计思路如下: 

① 初始化设计参数:确定设计中所涉及到的几何参数及力学参数,如结构的几何尺寸、物理性质、 约束条件、荷载值等参数;

② 建立参数化 BIM 模型:根据前面确定的设计参数及业主提供的初始设计条件创建含有设计参数 的 BIM 模型, BIM 模型的修改可以通过修改参数值的方法实现;

③ 建立参数化有限元模型:通过开发相应的数据接口,实现三维模型的传递,结合 APDL 技术编 写 ANSYS 命令流,命令流编写过程中需对计算单元的选择、网格的划分、节点的位移约束以及荷载的施 加进行详细的研究; 

④ 结构有限元计算:对利用 APDL 语言建立起的参数化模型进行求解计算;

⑤ 设计结果后处理:输出结构的应力、应变、位移的数值及计算云图,判断运算结果是否满足设 计要求。如不满足设计要求,则需修正设计参数并重复步骤(1)~(5);

⑥ 绘制施工蓝图:利用 BIM 模型的可出图性,生成施工蓝图及关键部位三维节点详图。基于 BIM 技术的参数化设计流程如图所示



BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图2)



(1)初始化设计参数 

本项目幕墙以钢框架作为主体结构,竖向索锚固在框架柱上,水平索锚固在框架梁上,恒荷载由竖向索承受,风荷载主要由幕墙中的短跨方向索承受。

玻璃幕墙平面受外部荷载后通过驳接头转化成节点荷载作用在索网结构上,与索网中的预拉力及挠度满足力学平衡条件,因此作用在玻璃幕墙平面上的外荷载、 预拉力、挠度是索网结构设计中重要的参数。 

不锈钢拉索的线膨胀系数较一般碳素钢的线膨胀系数大,对温度作用比较敏感,设计时必须考虑温度对结构的影响。

本工程定义了拉索的预拉力 P、挠度 f、温度 T、拉索抗拉强度值 Fp、拉索直径等设计参数,方便后续的参数化建模及结构设计。


BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图3)



建立 BIM 模型可以先创建项目级的 BIM 族库,然后将在 CAD 中创建的模型中心轴线以体量的形式导 入 Revit 软件中,再将创建好的节点族及自适应构件族插入到模型相应位置,完成 BIM 模型的建立。

该索网幕墙工程创建了初始设计参数的构件族及节点族,为幕墙的参数化设计提供基础。所创建的耳板族、索头族、驳接头族如图所示。



BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图4)



对于预应力拉索来说,拉索的长度严重影响预应力的施加效果,不精确的长度会造成预应力损失,因此准确的定位非常关键。CAD 与 Revit 软件的相互交接为模型的定位提供了便利条件,通过在 CAD 中建 立模型中心线,导入 Revit 中的方法,实现了模型的快速定位。导入的轴线体量如图所示。


BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图5)



根据导入的模型体量,将族库运用到模型相应节点上即完成了参数化 BIM 模型的建立。该项目的 BIM 模型整体图和部分详图如图所示


BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图6)
BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图7)




(3)建立参数化有限元模型

利用参数化 BIM 模型可以通过修改参数值的方法轻松建立不同玻璃分格方案的模型,将建筑效果直观的展示给业主,从而选择最优的玻璃分格方案。 

结合索网幕墙整体受力特点、工厂现有玻璃规格、建筑立面效果及内部使用功能等因素,最终确定玻 璃尺寸为 1.5x(1.4~1.8)m ,玻璃分格效果如图所示。



BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图8)



(4)结构有限元计算

利用开发的数据接口将 BIM 模型以数据格式导入有限元分析软件,ANSYS 中有限元模型如图所示。

设计结果均满足设计要求并符合以往工程设计经验。钢框架、索网的应力云图及位移云图如图所示。



BIM在玻璃幕墙参数化设计的应用(图9)




(5)设计结果后处理

BIM 模型的参数化可以实现模型的快速修改,根据上述的计算结果快速修改 BIM 模型,使模型与实际设计结果相吻合,便于后续自动生成施工设计图和深化设计等,BIM 模型参数修改的过程如图所示



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