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摘要：運動仿真是數字樣機的重要功能，通過引入先進的知識工程原理，把幕墻、門窗（詞條“門窗”由行業大百科提供）設計知識融入了BIM建模過程。以BIM模型為載體，通過建立幕墻、門窗標準件和標準構件的知識庫，提高了BIM建模效率和設計的可靠性;通過定制的BIM模型進行虛擬裝配和運動仿真，能有效解決工程中具有運動關系系統的技術難題。本文還介紹了基于幕墻BIM模型運動仿真的案例。
關鍵字：幕墻;門窗;BIM;參數化;知識工程;運動仿真
1、概述
數字樣機是由計算機呈現的、可替代物理樣機功能的擬現實。運動仿真是數字樣機的重要功能，是數字化技術在產品開發中的重要應用，可以對產品進行驗證或功能展示，以便對設計進行優化和定型。
在幕墻、門窗系統中，對構件間有運動關系要求的設計很多，主要有：
(1)幕墻門窗開啟系統。為實現建筑的自然通風、消防排煙和擦窗設備的隱藏，通常需要設置開啟系統。近些年綠色建筑也對幕墻門窗的開啟面積提出較高要求。
(2)智能遮陽系統。為達到遮陽系統的最佳效果，遮陽系統日趨智能化，通常根據太陽位置調整自身形態，其各個構件間應保持穩定的運動關系。
(3)雙層幕墻通風控制系統。外通風雙層幕墻的進風口和出風口通常采用電動控制系統進行開啟和關閉，其構件具有運動特征。
(4)BAPV光伏系統。為獲得最好的發電效果，光伏面板應與太陽位置保持隨動，其面板及控制系統具有運動特征。
(5)主體結構或溫度變形（詞條“變形”由行業大百科提供）與幕墻體系的碰撞問題。一些變形較大的結構體系，正常使用狀態即可發生較大的變形，為驗證其結構的安全性，需要對其運動特征進行考量。
本文以BIM模型為基礎，把知識工程與參數化設計有機地結合起來，采用知識工程原理來組織構件產品數據，通過參數驅動進行幕墻快速建模，提高了幕墻BIM設計的效率和準確性。并對基于BIM模型的仿真進行了分析研究，并通過成功案例對本文的技術進行了說明。
2 、幕墻、門窗運動仿真BIM模型的創建
2.1 幕墻、門窗運動仿真BIM建模信息分類
運動仿真BIM模型與常規BIM模型有一定區別，主要表現在信息的承載方面。一般情況下，模型信息可以分為一般幾何信息、參數化幾何信息、屬性信息、運動關系信息等。運動仿真BIM模型與常規BIM模型、常規3D模型的比較見表1。
表1運動仿真BIM模型與常規BIM模型、常規3D模型的比較
運動仿真BIM模型除具有常規BIM模型信息外還應該具有運動關系信息。這些信息需要在三維模型的基本“單元”中進行信息輸入和定制，然后通過軟件系統的仿真模塊進行仿真，以便達模型展示和設計優化。通過這些參數的設置，還可以在交付的BIM模型中提取這些信息，達到信息傳遞、交付的目的。
2.2幕墻、門窗運動仿真BIM建模信息創建基本原則
在創建運動仿真BIM模型時仿真關系與特征參數設置應遵循以下基本原則：
(1)選取構件關鍵參數做為參數化變量。在幕墻設計中應選擇那些對幕墻結構、構件形狀和裝配位置等起決定作用的尺寸做為變量。定義適當的變量后，構件的其它尺寸可以通過公式進行驅動。這樣當關鍵變量被修改時，系統會自動根據公式計算出其它相關的尺寸值，達到自動修改設計的目的。變量應與材料統計、工程算量相關聯，應便于設計成果可視化演示，并應滿足參數化出圖的需要。
(2)建立各個運動零部件間的邏輯關系和運動關系。模型應為產品型式，各個運動構件為部件或零件型式。運動構件分為固定和運動兩種。通過變量可以描述相互關系為定軸轉動、滑移、沿軌跡運動等，并便于對運動關系進行量化控制。
2.3幕墻、門窗通用標準件和標準構件“單元”知識庫定制[3]
幕墻和門窗工程的運動仿真BIM模型通常由若干個通用標準件、標準構件“單元”組成。定制幕墻、門窗通用標準件和標準構件“單元”知識庫，能實現幕墻設計標準化，并且提高幕墻設計的正確性和效率。
(1)建立幕墻、門窗通用標準件庫。對幕墻、門窗經常使用的標準件、緊固件（詞條“緊固件”由行業大百科提供）、連接件(如轉接件、掛件、角碼等)、五金配件（詞條“五金配件”由行業大百科提供）等創建知識庫，并建立存儲管理機制和調用機制。
(2)定制幕墻、門窗標準構件的特征庫和特征關聯、尺寸關聯庫[2]。對預埋件、橫梁組件、立柱組件、玻璃組件、石材組件、各類金屬板組件、人造板組件等等創建知識庫，并建立存儲管理機制和調用機制。
(3)建立設計校驗知識庫。使幕墻設計、加工過程遵循相關國家或地方標準、技術指南等，使參數化設計更加合理、可靠。
3、幕墻(門窗)BIM模型的運動仿真
3.1運動仿真BIM模型的靜態裝配
運動仿真BIM模型在建立運動機構之前應進行靜態裝配，具有完整的靜態約束和邏輯關系。保證每一個構件具有唯一確定的位置。
3.2 運動副的創建
運動副是兩構件直接接觸并能產生相對運動的活動聯接。兩個構件上參與接觸而構成運動副的點、線、面等元素被稱為運動副元素。運動副分為兩類，分別是基礎運動副和關聯運動副，其中基礎運動副用于表征兩個零件間的運動關系，如面接觸(低副)、點接觸(高副)運動副等，關聯運動副則是涉及三個零件以上的運動副。
幕墻門窗通常采用轉動副、滑動副等。
3.3運動仿真過程的設定
運動仿真是數字樣機的重要功能之一，通過構建運動機構模型，分析其運動規律，進行機構的干涉分析;跟蹤零件的運動軌跡，進行運動參數分析;尋找零件裝配路徑，將設計與實際生產聯系起來。通過其分析結果，可以有針對性地修改零件的結構設計（詞條“結構設計”由行業大百科提供）或調整零件的材料。便于設計者進行方案驗證、功能展示、設計定型與結構優化。
在完成運動副創建之后，可以設置運動變量，用于量化各個運動副的變化范圍，也可以確定各個運動變量的相互關系，完成需要的運動仿真。圖1 是實體樣機運行和數字樣機仿真結果對比圖。
圖1實體樣機運行和數字樣機仿真結果對比圖
3.4運動仿真結果的分析
(1)干涉與碰撞檢查
碰撞檢查是建筑工程中一項常見也是非常重要的環節，分為設計碰撞檢查和施工碰撞檢查兩類。通過BIM軟件碰撞檢查功能找出構件件的空間碰撞點，并對碰撞性質進行分析，及時發現問題，并在施工前預以解決。達到節省工時，避免不必要的變更與浪費。檢查類型分為硬碰撞與間隙碰撞兩種，硬碰撞是對于檢測兩個幾何圖形間的實際交叉碰撞，而間隙碰撞用于檢測制定的幾何圖形需與另一幾何圖形具有特定距離。圖2是間隙檢查的例子。
圖2碰撞檢查或運動間隙檢查
(2)施工進度模擬
施工進度模擬將BIM模型與施工進度計劃相鏈接，將空間信息與時間信息整合在一個可視的4D(3D+時間)模型中，能夠直觀、精確地反映整個建筑的施工過程，還能夠實時追蹤當前的進度狀態，分析影響進度的因素，協調各專業制定應對措施，以縮短工期、降低成本、提高工程質量。
(3)運動參數及軌跡的測量
在運動仿真過程設定過程中，可以設置測量點，對特定目標進行測定，在機構運動時可以以數據形式輸出運動分析結果，供設計這修改模型時參考。
4、成功案例
4.1山東濟南某廣場開合屋面項目
山東濟南某廣場項目位于濟南市槐蔭區臘山河景觀帶和西客站中央景觀軸交匯點。三座塔樓高度分別為110m、200m和150m。為確保擦窗機能夠正常工作，在每座塔樓頂部采光頂處設置開合屋面，長度在24m～25m，寬度為4m。為確保建筑物立面效果和開合屋面滿足設計性能，中國建筑科學研究院采用BIM建模，創建了數字樣機，并進行運動仿真，攻克了全部技術難題，完美實現了保羅·安德魯“高山流水”的美學意境。
圖3 山東濟南某廣場效果圖
圖4 山東濟南某廣場試驗樣機和數字樣機
4.2 阿布扎比投資委員會新總部大樓(遠大孟根寶力高提供)
阿布扎比投資委員會新總部大樓位于阿聯酋首都阿布扎比25區。建筑總高度145m，由兩棟25層辦公大樓和裙房組成，是這個地區的獨特的關口和地標性建筑。整個工程的總面積為67500平方米。其中塔樓單元面積34000平米，裙樓9520平米，遮陽傘23980平方米。兩個主樓包含單元及燈帶、遮陽傘。共包含6264樘單元，1000個LED燈及2098個遮陽傘。裙樓包含單元、百葉、石材、亨特板等。其遮陽項目也為世界上最難的新型遮陽項目，能根據需要進行開合變換，采用先進的傳動機構，并采用數字樣機進行模擬，使設計得到進一步優化，最終達到建筑師的設計效果。見圖5。
5、總結
與建筑BIM不同，幕墻和門窗BIM建模最終需要指導構件加工和現場施工安裝，因此從建模開始，就應該明確BIM的精度目標，如果需要達到LOD300及以上，一般需要采用機械類計算機軟件進行BIM建模。經過本文的研究與討論，認為：
(1)采用基于知識工程原理的參數化設計方法，將知識融于設計過程，方便地指導設計人員完成幕墻、門窗設計，最終實現智能化CAD（詞條“CAD”由行業大百科提供），是幕墻BIM的成熟之路。
(2)基于幕墻、門窗標準件和標準“單元”構件的知識庫，能夠大幅提高幕墻BIM的建模效率，提高幕墻設計的可靠性。
(3)基于幕墻、門窗BIM模型的虛擬裝配和運動仿真，能夠處理工程中具有運動關系系統的技術難題，是行之有效的解決方案。
參考文獻
[1]史忠植.知識工程[M].北京：清華大學出版社，1988
[2]姜仁王嚴藝韓智勇等.幕墻BIM模型定制技術及其應用.全國幕墻門窗行業論文集，2015.3
[3]姜仁付震韓智勇等.BIM助力幕墻工業化.建筑門窗幕墻創新與發展(2017年卷).北京：中國建材工業出版社，2018.2
[4]劉宏新宋微微等. CATIA數字樣機運動仿真詳解.北京：機械工業出版社，2013.4
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