高品質(zhì)綠色建筑中的參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)分析

郝玥

（深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

幕墻作為建筑外圍護(hù)具有重要功效，其可將建筑內(nèi)外環(huán)境隔離。普通幕墻在設(shè)計(jì)期間會(huì)將關(guān)注重點(diǎn)放在抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)、變形吸收設(shè)計(jì)上，所以無法滿足現(xiàn)代化綠色建筑發(fā)展需求。因此設(shè)計(jì)人員要與時(shí)俱進(jìn)的積極拓寬幕墻設(shè)計(jì)視野，以BIM 前沿工藝設(shè)計(jì)注入為綠色建筑項(xiàng)目綜合性能、空間規(guī)劃優(yōu)化創(chuàng)造有利條件。本文將以深圳某幕墻工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，重點(diǎn)闡述高品質(zhì)綠色建筑中參數(shù)化幕墻設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1 工程概況

本項(xiàng)目是深圳某幕墻工程。幕墻工程合同總額高達(dá)4.2 億，占地面積近19 萬m2，總建筑面積約為46 萬m2，南北長(zhǎng)1000m，東西長(zhǎng)約600m，屬“飛魚”異向外形。項(xiàng)目的主樓地下二層、地上四層屬鋼筋混凝土架構(gòu)+鋼結(jié)構(gòu)由主樓和交叉型的指廊聯(lián)結(jié)構(gòu)成。

此航站樓的大廳屋頂屬于自由發(fā)展型曲面，指廊頂部絕大部分為規(guī)則性筒殼，而且在局部筒殼位置存在明顯凹陷，以形成自由形態(tài)的曲面筒殼外形。屋頂?shù)膶?shí)體展開面積高達(dá)23 萬m2，其中大廳東西長(zhǎng)650m，南北寬330m。

因考慮到本工程造型復(fù)雜，屬超大型的異形幕墻工程，而且建筑對(duì)光環(huán)境要求較高，僅依據(jù)傳統(tǒng)常規(guī)設(shè)計(jì)手段落實(shí)幕墻設(shè)計(jì)可能無法快速精準(zhǔn)解決相關(guān)設(shè)計(jì)問題，其最佳效果無法充分發(fā)揮。為深化幕墻設(shè)計(jì)成效和高效率糾正誤差，從而產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的綠色建筑立面成效，計(jì)劃采用參數(shù)化手段來定位式解決幕墻綠色施工作業(yè)所存在的各類問題。

2 基于參數(shù)化分析的建筑幕墻模型創(chuàng)建

為保障設(shè)計(jì)工作正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在采用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型創(chuàng)造期間要有順序制定具體的BIM 模型創(chuàng)建流程，以高效指導(dǎo)BIM 創(chuàng)建工作指導(dǎo)工作有機(jī)落實(shí)。實(shí)操時(shí)要依據(jù)工程總進(jìn)度實(shí)現(xiàn)合理編制，并制定建筑BIM設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃，在確保節(jié)地與室外環(huán)境、能源利用、水資源利用、材料利用及環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)都順利滿足建造預(yù)期后再搭建較完全的建筑幕墻模型，以為后續(xù)的順利建造提供技術(shù)支持。

2.1 表皮分格劃分

在搭建建筑模型期間，為最大限度貼合幕墻設(shè)計(jì)施工要求，本工程計(jì)劃采用Rhino 參數(shù)化設(shè)計(jì)手段加以落實(shí)。以參數(shù)化對(duì)立面實(shí)現(xiàn)分格劃分，從而有效保障各板塊順利滿足設(shè)計(jì)加工需求。同時(shí)本工程還針對(duì)本建筑物對(duì)光環(huán)境需求，在充分分析遮陽百葉特點(diǎn)特征背景下實(shí)現(xiàn)了細(xì)致化參數(shù)制造。實(shí)操時(shí)借助BIM 模型對(duì)幕墻立面的曲率分析，借助無模多點(diǎn)式成型工藝的介入，對(duì)曲率不均勻區(qū)域?qū)崿F(xiàn)重新生成擬合，以保障幕墻造型可實(shí)現(xiàn)最佳外立面成效。對(duì)龍骨而言，設(shè)計(jì)人員計(jì)劃借助BIM 模型分析出曲率及弦高，并在嚴(yán)格保障視覺效果不受影響背景下依據(jù)曲率不同實(shí)現(xiàn)優(yōu)化整合分類。

2.2 幕墻結(jié)構(gòu)模型確定

本幕墻工程屬較大型的曲面環(huán)繞幕墻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為此設(shè)計(jì)人員在幕墻方案設(shè)計(jì)期間計(jì)劃對(duì)幕墻系統(tǒng)落實(shí)區(qū)域化分解建模，以順利為結(jié)構(gòu)計(jì)算提供精密度較高的計(jì)算模型，板塊分格透視模型如圖1 所示。為深化整體的模型構(gòu)建成效，設(shè)計(jì)人員還同時(shí)對(duì)受力位置、跨度、受荷跨度等條件實(shí)現(xiàn)細(xì)致化計(jì)算，并對(duì)具體結(jié)果落實(shí)統(tǒng)計(jì)歸類處理，以有效減少結(jié)構(gòu)落實(shí)具體工作量，高效率滿足綠色建筑的節(jié)能、節(jié)材需求，從而達(dá)到低碳環(huán)保建造目標(biāo)。

圖1 板塊分格透視模型

3 參數(shù)化幕墻具體設(shè)計(jì)

幕墻作為綠色建筑表面，屬建筑美學(xué)最直觀表達(dá)，其中蘊(yùn)含諸多工程信息。幕墻設(shè)計(jì)工程與結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝等專業(yè)都存在一定交集，隨著綠色建筑形狀的日益多元化，在幕墻設(shè)計(jì)之中想要高效率滿足可持續(xù)理念對(duì)建筑幕墻所提出的新要求，優(yōu)化建筑物形體、建筑與建筑關(guān)系計(jì)算成效，憑借緊扣節(jié)能、環(huán)保、低碳、節(jié)材等綠色建筑重點(diǎn)核心，以參數(shù)化設(shè)計(jì)的介入，優(yōu)化綠色建筑設(shè)計(jì)成效，幫助設(shè)計(jì)人員從海量工作量中解放出來，在優(yōu)化分類整理工作落實(shí)成效同時(shí)也可快速滿足綠色建筑高星級(jí)要求，實(shí)現(xiàn)順利降低設(shè)計(jì)目標(biāo)。將以BIM 輕量化、建筑表皮有理化、連接板參數(shù)化、龍骨參數(shù)化設(shè)計(jì)為具體切入點(diǎn)，以參數(shù)化設(shè)計(jì)的介入強(qiáng)化促進(jìn)節(jié)能、環(huán)保、低碳、節(jié)材等方面。

3.1 BIM 輕量化

BIM 輕量化是指在項(xiàng)目落實(shí)初期集結(jié)建筑表皮、結(jié)構(gòu)、機(jī)電專業(yè)優(yōu)勢(shì)，在踐行環(huán)保、節(jié)材目標(biāo)之中可能存在交集部分實(shí)現(xiàn)針對(duì)性建模處置，并憑借對(duì)可能出現(xiàn)頻發(fā)問題部位重點(diǎn)性研究，優(yōu)化整體工作落實(shí)成效。這種對(duì)普通、較易判斷部位實(shí)現(xiàn)針對(duì)性建模處置可直觀減少工作繁重量，促使整體幕墻設(shè)計(jì)成效顯著提升同時(shí)還可高效率達(dá)到節(jié)材目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)最大化經(jīng)濟(jì)收入[1]。

在某幕墻工程之中建筑表皮設(shè)計(jì)是借助三維模型的介入生成針對(duì)性二維圖紙。但在具體施工圖設(shè)計(jì)期間并未落實(shí)正向化BIM，這意味著復(fù)雜性建筑表皮極易與結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大概率碰撞問題，一旦出現(xiàn)碰撞勢(shì)必會(huì)致使整體的工程出現(xiàn)返工重組，這與綠色建筑的節(jié)材、環(huán)保目標(biāo)相違背。因此設(shè)計(jì)人員計(jì)劃采用有限式碰撞試驗(yàn)，憑借對(duì)建筑表皮及柱體結(jié)構(gòu)之間碰撞，實(shí)現(xiàn)思維式逆化建模處置。這種先將結(jié)構(gòu)施工圖紙落實(shí)逆向建模處理與正向設(shè)計(jì)表皮重疊后再落實(shí)碰撞測(cè)驗(yàn)的操作過程收獲效果頗豐。圖2 為幕墻及結(jié)構(gòu)建模落實(shí)碰撞檢測(cè)的實(shí)操圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此行為可有效避免現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)誤出現(xiàn)直觀減少物料和人工實(shí)踐等損失，為節(jié)材目標(biāo)的順利落實(shí)提供支持。

圖2 幕墻及結(jié)構(gòu)建模碰撞檢測(cè)

3.2 建筑表皮結(jié)構(gòu)有理化

豐富多彩的建筑立面表現(xiàn)手段會(huì)過多地將關(guān)注重點(diǎn)體現(xiàn)在玻璃面材及金屬面材曲面表達(dá)上。在平面設(shè)計(jì)之中可依據(jù)兩點(diǎn)確定一條既定直線，并以圓心加半徑途徑確定一整段弧線。但在立面塑造期間，此種原理內(nèi)容卻無法輕易落實(shí)，這些簡(jiǎn)單變化規(guī)則在立面塑造中極易形成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的曲面及曲線。這些曲面及曲線是無法順利用相關(guān)函數(shù)加以表達(dá)的，而且落實(shí)具體實(shí)踐及安裝期間操作會(huì)愈發(fā)困難，并產(chǎn)生極為顯著的高昂工程造價(jià)，致使整體的文件成效比預(yù)期存在一定差距同時(shí)也嚴(yán)重與節(jié)材理念相違背。

如果想要完成優(yōu)化幕墻設(shè)計(jì)就要合理將復(fù)雜問題實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化處理，并積極對(duì)現(xiàn)場(chǎng)誤差以順利完成建筑有理化設(shè)計(jì)。以本幕墻工程中的遮陽百葉為例，本項(xiàng)目百葉總長(zhǎng)共計(jì)15m，總旋轉(zhuǎn)達(dá)900°，為優(yōu)化整體的節(jié)材設(shè)計(jì)成效，相關(guān)設(shè)計(jì)人員依據(jù)有限元分析具體程序，在充分分析荷載值作用背景下借助視覺誤差原理將原設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)化，其具體優(yōu)化了百葉自適應(yīng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)操作，經(jīng)投入使用發(fā)現(xiàn)節(jié)能效果顯著。該幕墻工程中大面積立面存在鋁合金材質(zhì)的裝飾線條，整體的施工操作內(nèi)容繁雜。為保證節(jié)能設(shè)計(jì)及節(jié)材設(shè)計(jì)目標(biāo)能夠最大化發(fā)揮，設(shè)計(jì)人員計(jì)劃對(duì)鋁板落實(shí)有理化處置，在嚴(yán)格保障所有鋁合金材質(zhì)面板都在可加工運(yùn)輸尺寸范圍內(nèi)，將其合理轉(zhuǎn)化為可展開式單曲面。如若發(fā)現(xiàn)存在小幅度雙曲面出現(xiàn)，則借助預(yù)制化冷彎技藝介入，以外力作用促使平板形成雙曲面，如圖3 所示。在鋁合金材質(zhì)裝飾線條的優(yōu)質(zhì)組合下，玻璃板及微小程度錯(cuò)位將無所遁形，如圖4 所示，人們可憑借對(duì)微小錯(cuò)位的有機(jī)察覺來降低玻璃加工具體難度[2]。

圖3 以冷彎工藝形成雙曲面

圖4 鋁裝飾線條阻隔下顯現(xiàn)的微小錯(cuò)位放大圖

3.3 連接板參數(shù)化

綠色建筑主體結(jié)構(gòu)屬鋼結(jié)構(gòu)，建筑預(yù)制化比例將得到顯著提升，進(jìn)而直觀縮短具體的施工周期。幕墻連接板加工操作想要實(shí)現(xiàn)幕墻連接板順利完工達(dá)到節(jié)材、環(huán)保目標(biāo)就必須優(yōu)化設(shè)計(jì)布局，以鋼結(jié)構(gòu)的加工為例，只有嚴(yán)格保證鋼結(jié)構(gòu)加工工作在指定車間內(nèi)完成才能最大化發(fā)揮節(jié)材成效，從而達(dá)到可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。本工程設(shè)計(jì)人員積極BIM 碰撞輕量化建模為基準(zhǔn)，科學(xué)構(gòu)建鋼結(jié)構(gòu)主體模型及幕墻表層主體模型，以順利實(shí)現(xiàn)高效連接板設(shè)計(jì)。具體操作流程如下。①明確幕墻連接板具體定位。實(shí)操期間可憑借幕墻劃分線與各層結(jié)構(gòu)線實(shí)現(xiàn)相交的手段快速對(duì)所有連接板空間實(shí)現(xiàn)細(xì)致化定位。②精準(zhǔn)繪制連接板。為優(yōu)化具體的繪制成效，相關(guān)人員要積極對(duì)結(jié)構(gòu)邊梁類似工作實(shí)現(xiàn)預(yù)制式設(shè)計(jì)，憑借預(yù)先設(shè)計(jì)可順利連接不同邊梁的連接板行為強(qiáng)化工作介入成效，同時(shí)還要對(duì)各個(gè)連接板實(shí)現(xiàn)編號(hào)處理；當(dāng)實(shí)操期間，程序順利明確連接板定位之后，設(shè)計(jì)實(shí)操人員就可依據(jù)邊、梁類型的判斷結(jié)果來對(duì)多對(duì)應(yīng)編號(hào)的連接板實(shí)現(xiàn)快速選取放入操作[3]。憑借參數(shù)化手段的介入，幕墻連接件建模以及和連接件出圖作業(yè)順利實(shí)現(xiàn)，數(shù)量統(tǒng)計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)同步處理，還不會(huì)存在明顯誤差錯(cuò)誤，節(jié)材成效十分顯著。

3.4 建筑龍骨空間參數(shù)化

異形幕墻系統(tǒng)外觀獨(dú)特，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。技術(shù)人員想要優(yōu)化整體建筑成效和達(dá)到綠色建筑節(jié)材目標(biāo)就需要為其配備復(fù)雜的內(nèi)部空間加以支撐。而龍骨作為空間結(jié)構(gòu)之中關(guān)鍵支撐部件，屬幕墻系統(tǒng)重要受力構(gòu)件，其安裝位置精準(zhǔn)度會(huì)直接影響整個(gè)幕墻質(zhì)量[4]。

因本項(xiàng)目幕墻空間龍骨屬?gòu)?fù)雜性設(shè)計(jì)工程，往往會(huì)在具體設(shè)計(jì)投入期間耗費(fèi)諸多人力，而且極易出現(xiàn)一定差錯(cuò)。因此設(shè)計(jì)人員計(jì)劃以幕墻面板為基準(zhǔn)落實(shí)龍骨參數(shù)化建模工作，以合理建模邏輯為模型提煉提供支持，幫助結(jié)構(gòu)工程明確準(zhǔn)確中心線、連接點(diǎn)具體定位，實(shí)操期間憑借高效獲得邊界交通線等參數(shù)構(gòu)建幾何構(gòu)造科學(xué)相互關(guān)系，并以偏移角、夾角值等數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化介入，優(yōu)化具體的空間樓骨中心線參數(shù)化建模成效，待完成參數(shù)化建模構(gòu)建之后再對(duì)其賦以桿件截面，以促使空間龍骨建模工作更為精準(zhǔn)[5]。圖5 為龍骨參數(shù)化實(shí)體建模圖。對(duì)空間龍骨實(shí)現(xiàn)BIM 模型建造介入，對(duì)后期建筑運(yùn)營(yíng)階段節(jié)能控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布局，故參數(shù)化設(shè)計(jì)的介入價(jià)值十分顯著。

圖5 龍骨參數(shù)化建模

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代化建筑在充分使用新型建材期間可能會(huì)帶來很大能耗，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成難以逆轉(zhuǎn)危害，這是與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)背道而馳的表現(xiàn)。幕墻行業(yè)作為綠色建筑中不可或缺的重要元素，設(shè)計(jì)人員想順利探索出符合幕墻工程技術(shù)體系集成性建造步伐，在落實(shí)幕墻設(shè)計(jì)期間可憑借參數(shù)化設(shè)計(jì)工具介入，從設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維多角度出發(fā)，以低碳設(shè)計(jì)理念注入高效滿足綠色建筑可持續(xù)發(fā)展需求，為國(guó)家雙碳目標(biāo)有機(jī)實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。