幕墙BIM模型定制技术及其应用

【摘要】 在建筑设计领域中，建筑信息化模型（BIM）的应用日趋广泛，而建筑幕墙作为建筑设计主要的表现载体，代表着建筑的创意、功能和效果。幕墙BIM的核心技术是对幕墙进行信息化设计。利用信息化设计可使设计人员从大量繁琐的设计、计算、绘图工作中解脱出来，进而提高设计效率，并可在幕墙施工之前通过虚拟方法实现对幕墙构造、加工和安装的模拟，能方便地查找错误、修改设计及优化设计，缩短幕墙设计周期，降低成本，最终提高幕墙工程的质量。本文对CATIA V5-6的信息化（含三维参数化）建模方法及其技术进行了研究，阐述了信息化建模的基本方法和一般步骤，并介绍了在幕墙“单元”定制方面的应用技术，通过信息化、可视化和虚拟装配设计方法，对幕墙开启单元进行了干涉分析。

1 概述

建筑信息模型（BIM）为建筑工程设计领域带来了第二次革命，从二维图纸到三维设计和建造的革命，对建筑行业来说，BIM也是一次真正的信息革命。BIM在我国的全面应用为建筑业的发展带来巨大的效益，使设计乃至整个工程的质量和效率显著提高。BIM将直接促使建筑行业各领域的变革和发展；它将使建筑行业的思维模式及习惯方法产生深刻变化；使设计、建造和运营的过程产生新的组织方式和新的行业规则。

幕墙BIM是基于三维模型的幕墙信息技术，是采用集成的三维模型完整地表达幕墙定义信息，将设计、加工制作、安装施工等信息共同定义到三维数字化模型当中，以改变目前三维模型和二维工程图共存的局面，更好地保证幕墙定义数据的唯一性。幕墙BIM提供了单一源定义，消除了潜在的三维模型和二维图纸之间的冲突；改变了传统的纸质介质的产品定义模式，方便了数据的管理，减少了很多重复性劳动；此外幕墙BIM还提高了信息传递的准确性和传递效率，使使用者能够更加直观、准确地获取各类信息。

幕墙工程的BIM模型可以分解成若干个“单元”，每个单元以信息化的形式存在。类似建筑设计软件中的“族”和机械设计软件中的“产品”、 “部件”。通过对“单元”的预定义，将“单元”内的产品（或称为零件）的属性信息（生产企业、产品型号、商标、造价和性能指标等）、一般几何信息（构造尺寸、数量和材料等）和参数化信息（通过变量或公式能够计算的几何信息）进行设置，以便在幕墙的设计、加工制作、安装施工等各个环节达到信息的共享与重用。本文以目前比较流行的CATIA软件系统为例，研究幕墙BIM模型的定制技术，并举例说明其应用。

CATIA V5-6系统是航空、汽车、机械、电子设备及建筑等领域应用比较广泛CAD/CAM/CAE软件系统。它是一个模块化的软件，具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口。采用特征造型和参数化造型技术，允许自动指定或由用户指定参数化设计、几何或功能化约束的变量化设计。它具有卓越的结构设计、机械产品设计、曲面造型、加工模拟、有限元分析、知识智能（参数化）、数字化虚拟样机等强大的功能模块，为许多用户所青睐。CATIA V5的知识智能（参数化）模块功能强大，通过可视化的特征树及各种可视工具，使得三维参数化建模更加简单。CATIA V5的可视化工具能使设计人员在可视化的环境下，高速高效地完成三维建模工作［1－3］。CATIA系统还提供CAA（Component Application Architecture）RADE（Rapid Application Development Environment）[4]二次开发工具，采用了全新的、基于组件的开放式体系结构（Open Architecture Products）。应用了许多现代软件工程思想，虽然整个体系结构十分庞大，但结构清晰、合理，维护、开发、扩展方便，有着相当优良的扩展性能。它开放的组件应用架构解决方案，允许更多的第三方供应商针对用户的特殊需求进行定制。

2 信息化建模的特点

幕墙BIM模型需要定义属性信息（生产企业、产品型号、商标、造价和性能指标等）、一般几何信息（构造尺寸、数量和材料等）和参数化几何信息（通过变量或公式能够计算的几何信息），其中参数化信息是信息传递的关键，也是幕墙BIM的核心，因此需要重点研究幕墙的三维参数化建模技术。

幕墙三维参数化建模与二维参数化建模不同，其主要区别在于三维模型更能清晰地表达幕墙的构件，其模型参数也能更好地反映实物特征。三维模型允许从任意角度观看，比二维模型更加直观，使设计人员能够将工作重点放在结构设计及其优化方面。参数化建模的特征参数选择非常重要，合理的特征参数能够方便地控制和生成实物的三维模型，特征参数发生变化能够直接地带动三维模型的协同变化。参数化技术给设计中的标准件、常用件和系列化产品的设计带来极大的便利，是近来提出的“大量定制” MC生产方式中敏捷设计的一项基础技术。三维参数化建模技术是幕墙设计的一项基础性的工作，它比二维参数建模更能体现产品特征，更适应时代发展的需要。它将极大地促进幕墙行业发展。

3 三维参数化建模的实现方法[3]

参数化建模的关键在于用参数、公式、表格、特征等驱动图形以达到改变图形的目的，在CATIA V5中可通过如下的方法来实现。

3.1 采用CATIA CAA二次开发技术，进行三维模型参数驱动

CAA( Component Application Architecture) 是法国达索公司为了用户在使用CATIA 的过程中根据所要扩展的功能进行二次开发而提供的以VC + + 语言为基础的一系列函数库的总称［4］。CAA方法的核心思想是面向对象的程序设计。采用对象的嵌入（Object Linked Embedded）和连接以及组件对象模型（Component Object Model）的应用，使得开发的过程能够轻松地实现标准化，较大程度地提高了程序的易用性和可扩展性。

幕墙构件数量繁多，而且大部分构件类似，结构不一定复杂，但大量重复设计耗时耗力，因此如何快速地生成构件是一个重要的问题。采用CATIA的二次开发工具［4］，通过参数化建模方法，可快速驱动生成新的构件，并可进行三维零部件的参数驱动。

3.2利用系统参数与尺寸约束驱动图形

CATIA V5 具有完善的系统参数自动提取功能，它能在草图设计时，将尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在此后的设计中可视化地对它进行修改，实现直接的参数驱动。用系统参数驱动图形的关键在于如何将从实物中提取的参数转化为CATIA中，用来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。CATIA V5的尺寸约束的特点是将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。设计时以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏注尺寸（欠约束），不能多注尺寸（过约束）。尺寸驱动是在二维草图Sketcher空间和3D空间下实现的。图形完全约束后，其尺寸和位置关系才能协同变化，系统会直接将尺寸约束转化为系统参数。草图修改可通过编辑系统参数直接驱动几何形状的改变，为三维参数驱动提供基础。三维参数化建模的合理性很大程度上取决于二维图形中的尺寸约束与实物参数的符合程度。只有抓住CATIA 建模特点并采取合理的二维和三维建模方法，才能建立理想的模型。

3. 3利用用户参数和公式驱动图形

CATIA V5不仅具有系统定义的参数，而且还有用户自定义参数。通过用户自定义参数和公式等工具，可以很方便地定制出客户所要的各种参数以及约束这些参数的公式。CATIA V5 中有几何参数（如点、线、曲线、曲面等）、 物理参数（ 如长度、质量、速度、温度、密度等）、无量纲参数（如整数、实数）、字符型参数及布尔型参数等40多种类型的参数可供用户自行选择。用户自定义公式是CATIA V5中联系系统参数与用户参数枢纽。用户参数定义后，可针对用户参数与三维模型中对应的特征参数建立相应的公式，从而通过用户参数驱动系统参数，进而控制图形的尺寸。

3. 4利用表格数据驱动图形

机械产品设计中，标准件、通用件的尺寸可通过查表获得，在CATIA V5 中可应用表格驱动几何图形实现这一功能。应将与零件尺寸有关的标准数据以表格的形式存放在相应的文件中，并建立表中数据与三维模型特征参数的联系。通过选择表中不同记录达到改变几何尺寸，获得所需零件的模型。在CATIA的参数化设计中，可以使用的图表有两种，一种是文本格式的图表文件，一种是Excel格式的图表文件。仅须将产品的特征参数制成文本型或 Excel 型表格，通过 CATIA V5 本身自带的工具Design Table对表格的各条记录进行访问，从而达到修改尺寸、改变形状的目的。

3. 5利用规则与检验控制特征驱动图形

CATIA V5 可通过规则和检验对三维模型的特征进行控制和检查。规则是由用户定义的在一定条件下控制某些参数、特征和事件的指令。用 VBScript 语言可以方便地编写规则，控制参数、特征和事件。检验只是用户编写的一条简单的指令，不影响参数值。检验被执行时，它会针对图形中参数的异常变化，警示设计人员，防止不符合要求的参数破坏原有的三 维模型。

4幕墙开启“单元”进行三维建模的步骤与方法

利用CATIA V5的知识工程模块可以进行三维参数化建模，CATIA V5可视化尺寸驱动与参数驱动功能极大地方便了三维建模，不需要或极少的编程即可实现三维参数化建模。

幕墙设计是比较复杂的设计领域，首先是玻璃幕墙，包括明框、隐框和半隐框幕墙，且有很多型材系统，各有其特点，此外还有石材幕墙、金属板幕墙、人造板材幕墙和点支承玻璃幕墙等。现以幕墙开启“单元”为例，对参数化建模的方法和设计步骤进行说明。

4. 1参数化设计模型的建立

（1）建立幕墙开启“单元”的三维实体模型，可以采用两种设计方法，一种是自底向上（bottom-up），另一种是自顶向下（top- down），实际建模时可根据资料提供情况进行选择。创建组成开启“单元”各个“产品”（部件）参数化构件的实体模型［5－6］见图1～6。

（2）设置用户参数见表2，并分别赋予初始值，其它构件、部件以这两个参数为基准，进行长度计算。建模结束后形成可视化特征树，包含建模信息：实体、参数和发布等，本例的特征树见图7。

（3）属性信息通过EXCEL表格建立属性信息是幕墙BIM的特征之一，通过CATIA系统，可以采用EXCEL表格建立参数或变量，并能够实现双向信息传递，实现协同设计。传统的3D技术不能附加属性信息，阻碍了信息的传递。

4. 2 开启单元的虚拟装配设计

CATIA系统提供创建约束机制，将相邻构件间的关系进行约束，在变量发生改变或构件发生移动，通过约束关系带动约束构件发生相应变化，达到参数化建模及模型修改的目的。按自底向上的设计方法在 CATIA V5 装配设计模块中导入业已建立的组成开启“单元”的各个参数化构件、部件模型，在构件之间施加必要的约束，创建虚拟装配模型，图1。

4. 3 整体装配干涉检查在各个构件（或部件、零件）装配设计阶段按要求完成各个构件之间的约束定义后，还可对整体进行装配干涉检查，以便及早发现问题，及时修改，减少错误。

4.4 幕墙开启单元的调用开启单元定制是幕墙设计中的一个较小部分，通过类似的技术可以建立单元式幕墙、构件式幕墙等底层“产品”的单元定制，由于引入信息化技术，可以在引用时对信息实现继承，并可通过软件系统进行解读，达到信息有效传递的目的。

但令人遗憾的是目前软件系统在数据库信息传递中存在较大瓶颈，主要表现在：

（1）数据文件数目较多、管理繁琐、整体性差，可能导致数据的丢失或错误引用。

（2）数据量大，数据信息重叠量大，未采用二进制形式或压缩格式，导致数据无法顺利读取，一些较大模型甚至会出现“死机”现象，给幕墙BIM的应用受到一定的限制。

5 结束语

CATIA V5系统软件是比较成熟的机械设计软件，同样适用于建筑设计领域，能够进行可视化产品设计，经过深入研究和底层标准模块的定制，能够满足复杂幕墙设计的需要。其优点使传统设计方法望尘莫及：

（1）幕墙基本单元定制技术使幕墙BIM的信息化成为可能。通过底层单元可以将幕墙的设计、加工制作、安装施工等信息集成并在全生命周期内进行传递，减少纸质文件的使用和归档，未来会改变行业的游戏规则。

（2）三维可视化技术能够所见所得，为设计、审查等提供方便，并可以采用数字样板代替实体样板。在设计阶段方便对不合理的结构进行改进，比如幕墙的安装和拆卸工艺性，同时可以根据碰撞检查结果分析干涉原因，并按干涉提示进行及时修正。这种可视化技术能够代替制作幕墙样板，实现幕墙的绿色设计和施工。

（3）对异形建筑幕墙，通过可视化定制技术，可以使信息化传递成为可能，并能够方便地进行复杂的施工管理。采用这样的先进设计方法，无疑可以缩短产品的设计周期，提高设计质量，减少设计成本。