巧用CAD三维解决设计疑难问题.pdf

杜东新董俊德刘国英浙江亚厦幕墙有限公司 摘要：建筑是一门综合学科，既是一件商品，也是一件艺术品。随着建筑技术的发展，理念的更新建筑设计的艺术造型 趋于复杂，形式各异；复杂外立面的设计往往不是单纯的平面形式，而是出现扭转、双曲等类型。常见的如各类场馆的设计此 种项目的表达或系统的选型不是仅凭设计经验能够解决的，更多的要借助于空间几何模型的确立，对设计疑难问题进行评定 找到项目的特征规律，提炼设计要点，以达到减少非标设计的数量、提高工效的目的。现在市场上流行的各类场馆的设计三维 放样后，都可以找出系统共F 1 点，貌似复杂，其实简单，所采用的系统也仅是消化空间点的最大高差或将双曲面采用单曲面或 折线拟合。幕墙设计领域内应用最广泛的绘图软件为A u t o d e s k 公司开发的C A D ( 电脑辅助绘图系统) ，借助于C A D 强大的三维 功能，通过几何模型分析，模拟实际，发现问题，改进系统，解决设计疑难问题。 关键词：C A D 几何模型；幕墙设计；空间框作法；排水设计：模拟 1 前言 设计软件C A D 也就是电脑辅助设计软件。在工程和产 品设计中，电脑可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制 图等项工作：在设计中通常要用电脑对不同方案进行大量的 模拟、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，以D W G 格式的图形存放在电脑的内存或外存里，并能快速地检索； 设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工 作可以交给电脑完成；由电脑自动产生的设计结果，可以快 速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计尺寸作出精确 判断和修改，极大地压缩设计师的绘图时间，使得设计师可 以有更多精力投入到设计作品、系统解决方案当中去。 C A D 的平面设计出众，随着软件的不断升级换代。近期 推出的高版本其三维功能越来越强大，虽然还没有达到 3 D M A X 或犀牛这种专业的建模软件功能。但对于幕墙设计 师来说，由于天天与C A D 设计软件打交道，上手最快且操作 相对简单，可以方便快速地解决方案投标、施工下料中的疑 难问题，如：三维表达、系统分析模拟、复杂加工图处理等。当 项目愈加复杂时，诸如此类问题仅仅靠大脑的空间想象能力 已经远远无法达到，甚至会以偏概全导致错误的发生学会 C A D 三维没计。配合专业知识可以让我们快速而经济的对一套 系统进行评判，由此对设计师的基本技能提出了更高的要求。 本文对C A D 三维设汁茁幕墙行业中的主要应用简述如下。 2 在系统模拟定型中的应用 对一些建筑设计形式复杂的项目，没有成型的案例可 询，这就需要对外立面的设计进行C A D 模拟分析，找到规 律，提练系统设计的共性，同时找到细节上存在的问题，予以 解决，诸如此类的非标特异性的项目，C A D 三维模拟分析可 以大展拳脚。本节以俄罗斯联邦的“W e d d i n gP l a z a ”项目作为 案例，讲述C A D 三维在系统模拟定型中的应用。该项目( 图 1 图4 ) 采用大角度扭转单元幕墙设计，难度很高，通过系统 初选、确定分格、细部设计才能解决一系列问题。从而为后期 的施工设计提供基础。 歹 峰驿* 一罐蒜笋 2 0 1 2 0 9O l 万方数据 图3 三维平面图 图4 局部层间三维放样 2 1 系统初选 扭转项目的设计思路有三种：应力安装法( 也有称冷弯 法) ；空间框作法；鱼鳞板作法。以上几种作法各有优缺 点，采用哪种作法更适合，取决于翘起距离( 。这类扭转项 目的共性为：板块的第四点( 指平面外的点，见图5 ) ，与板块 另三点不共面，进而实现外立面的整体扭转效果。在C A D 模 型空间建立模型，对以上2 7 个板块放样分析。经统计数据 ( 表略) 得出，翘起距离 ，见图6 ) 为一定值7 8 6 m m ，此值较 大，如采用冷弯作法，则面材及骨架要在强制外力作用下达到 如此大的变形才能实现建筑效果；由于玻璃为脆性材料，显 然对材料的要求过高，且项目本身要求高、造价不菲，如系统 选用不当，导致板块破损，则会造成昂贵的后期维修成本，得 不偿失，故系统初定采用空间框作法。到此第一步系统初选 基本完成。 4 ，1 2 图5 平面面板与空间框位置关系示意图 J ，一一、 ，h 值翘起距离) 图6 角部放大示意图 2 2 分格确定 图5 a 、b 、C 、d 在一个平面内，实际上就是面材的分格中 心线，按节点的构造宽度，可以算出面材的实际大小也就是 施工图中的玻璃提料尺寸。a 、b 、c 、d 中只有三点在一个平 面内，如果以d , b 两条边确定的平面为基准，则a 、c t 不在此 平面内，对空间单元板块来说，a7 相当于单元母竖框的分格 高、c 相当于单元上横框的分格宽。采用C A D 三维设计对2 7 个板块进行精确的放样，可以确定龙骨的分格中心线尺寸。 到此第二步，可以断定，如果采用空间框作法，则a , c 两条边 ( 也就是单元公竖料、单元上横料) 室p h i l - 两侧要作梯形补偿 条设计。对初期节点进行三维放样( 此部位略) ，调整不合理 设计，再次放样，得出如下细节设计要点。 2 3 细节设计 a ) 扭转单元排水坡度参数的设计，从图4 的三维放样可 以看出，板块分为内倾及外倾两类，与水平面最大夹角实测 为1 4 。，则单元系统设计要大于或等于此夹角，才能保证水的 顺利外排( 图7 、图8 ) 。 7 0 ， 固定值芝婴毁 补 长 长方向加工成梯形 图7 单元横框示意图 雀 单元右框 喜自 单元左框 尝片外扣板 目 固定值 亨向加工成梯形k 画丁一 於 L 一 J7 9灌 _佟 J 止 ! 慢 _ _ z i $ 一目3 曩_ 口 图8 单元横框示意图 b ) 室外侧扣板及室内侧梯形补偿条设计 图5 的示意图也表明：a 、C t 单元母竖框及单元上横框存 在三角形空隙，如果采用明框幕墙结构，这两条边要补偿才 能使平面玻璃与空问框更好地夹持固定，C A D 三维放样铣加 工后的形状如图9 、图1 0 示。 0 2 2 0 “ 1 2 0 9 万方数据 叁鱼童丝 1 放大2 娶 l 气 影为梯形 1 _ 一 一 J_ 沿长方形作铣加工 1 ，r r 捌匕 图9 外扣板三维加工示意 图1O 梯形补偿片三维加工示意 c ) 扭转后单元横竖框交接面的三角形空隙的设计 扭转单元横竖框交接面为非垂直关系，故当各个面交界 时，框料外轮廓间会产生三角形，对性能有影响的主要有如 下几处：外立面横竖向装饰扣板室内侧横竖龙骨交界处空 隙的设计，插接位置空隙的设计。以上几处细节设计，只有通 过三维放样确定尺寸，才能解决幕墙系统上的关键问题，据 此可以确定系统的选择是否可行。关于此部分的详细设计， 笔者在大角度扭转( 面) 单元幕墙模拟设计中有详细的阐 述，本文不作过多说明。由此可见。此类问题如不借助于三维 的设计，解决起来难上加难。 d ) 扭转单元竖框的室内“甩尾”现象 C A D 三维放样后发现，本层单元与上层单元有错位，如 图1 1 、图1 2 示。 图1 1空间单元室内效果 从图1 1 、图1 2 可以看出，四个单元的插接竖逢不在同一 直线上，上下层之间会形成一个阶差，这点是与正常平直单 元幕墙不同的，但由于此部位位于室内装饰面以内，被楼板 隔开，尽管实际会存在这一现象，但不会对内饰效果造成影 圃删 响。从图5 的正投影上也可以确定，这个值为4 m m 。左右板块 横框不在一个标高上，这也是空间框作法的缺点之一。室内 横龙骨不在同一标高，如以外立面中间板块A 点为基准，会 出现不同板块的室内横框上顶点出现左高右低或右高左低 的现象，如果房间柱间距较大则对室内效果有影响。但通过 内装饰的设计，此问题可以弥补。 l曩 图1 2 常规单元室内效果 以上放样后，将细节设计中的问题进行消化，可以得到 如图1 3 、图1 4 最后的图纸。 单位：m m 饺横框加长6 r a m 较横框加长6 m m 竖框水密线- n 横框水密线“。 - - 。 l l 一一一：墅!_j： J 馐一一 烈肇也 图1 3 标准单元竖框节点图 劁i 一l l | ， m m 单位： ? 横框水密线* 7 it r q b 点 ?气密线 ? 图1 4 标准单元竖框节点图 从标准节点可以看出，此类项目的水密、气密线，与常规 单元存在阶差，当横竖框扭转后，空间几何关系变得复杂，交 线不再是垂直等长的关系，只有通过在竖框上对水密、气密 线位置的尺寸作后退或加长处理后，才能保证水密、气密效 果不受影响，诸如此类的细节设计，仅有在空间几何模型中 才能清楚的表现。C A D 三维在系统模拟定型中的应用因其 2 0 1 2 0 90 3 醚 万方数据 囹 尺寸的极端精确，是其他软件所不能取带的。 3 在项目招投标中的应用 工程建设招标投标是建设单位和施工企业进入建筑市 场进行公平交易、平等竞争，达到控制建设工期、确保工程质 量和提高投资效益目的的保障。由于幕墙行业门槛低，入围 容易。所以招标过程其实比拼的就是实力。一份完整的投标 文件可以增色不少，因业主不懂图纸，专家或评委在评定的 时候要在规定的时间完成5 家8 家的审查内容，时间很短， 所以如果哪个厂家能够以通俗易懂和简洁明快的方式进行 表达，就可以获得较高的技术分，从而为整体胜出增加筹码。 如图1 5 图1 7 的结构表达。 图1 5 石材幕墙三维图 图1 6 单元幕墙上料平台 图1 7 幕墙板块的楼层运输 4 在施工下料中的应用 对一些复杂的加工图纸，C A D 三维可以充分发挥其切、 铣相关的图形数据加工工作，大幅提高工作效率，本节以单 叁鱼查堡 元幕墙龙骨加工图为例详述C A D 三维在施工下料中的应用。 a ) 首先在C A D 工作界面中建立不同材料的图层，作图 时要注意图层与三维图形中的材料对应，方便操作，这点尤 为关键。在三维建模中，因为不同的材料会相互遮挡，造成操 作困难，当对某一图层进行操作时，关闭其它图层，可以高效 完成对某杆件的切、铣操作； 图1 8 b ) 上述工作完成后，按系统节点建标准分格宽、高的模 型( 如图1 9 一图2 3 ) ，也就是实际加工车间要用的组框图； 图1 9 局部示意 图2 1 局部示意 2 0 1 2 。0 9 万方数据 墓堕童丝 图2 2 局部示意 c ) 当上述工作完成后，将杆件从三维转成二维。以单元 左竖框为例，按如下步骤操作：将其它图层关闭转入图纸空 间得到图2 4 示的操作界面。 、孥艟x 蚪田日u 1 峙 可 吣- 玻璃护边条 宙 、诤单元上绩 宙 q 单元下横 雷 、秘单元右堰 曹 斓黼扣寸耄：燃：+ q 挂件齿授二 雷o，穆；羊红C o n t l r t 埒挂件二 管 。 固1 2 2 颦r t t l r t q 挂件一 毒 。 囊1 2 2 C o n t i r t 图2 4 图层示意 图2 5 单元左竖框示意 在图纸空间里，输入s o l p r o f 后选所要转换的实体，双击 进入视口编辑模式，调到自己想要的角度和大小，输入 s o l p r o f ，选择物体，按回车，然后就会发现一个想要的图形块 覆盖在原模型上，然后回到模型空间，把那块移出来，注意有 两个块，一个是消隐的部分，一个是可见的部分，如图打勾图 即为所需图纸( 图2 6 ) 。根据自己需要，最后用U e S 空格v 空 格，调成x y 平面坐标系，把想要的图形复制，新建一个图形， 拷进去即得到图2 6 。在C A D 模型空间下，用“E x p l o d e ”命令将 图炸开，删去多余的线条，得到单元左竖框的平面加工图。 图2 6 单元左竖框转二维示意 图2 7 单元左竖框转二维示意 图2 8 竖框上端 图2 9 竖框下端 将得到的单元左竖框的平面加工图( 图2 7 ) ，标注尺寸，增 加剖面及技术说明，则单元左竖框加工图就完成了。这里面 有一点要注意，当竖框的两个面都有打孔或铣加工的情形， 转成平面图时，应按剖视方向将看不见的一面的孔位或铣加 工线画成虚线。同理，单元右竖框、上横框、下横框等都可以 按此出图，尤其是对于一些复杂的单元项目，仅仅通过空间 想象来搞清哪里干涉，哪里不干涉，已经非常困难。此时C A D 三维设计应用则可以大展手脚，让我们全方位地观察杆件的 交接情况。加工图完成后，根据节点的构造尺寸，在E X C E L 单元细目表格中生成相应的公式，得到料长，再与三维放样 的料长对比是否有出入，如一致，则说明完全正确，如不一 致，则说明公式或三维放样有误，重新查找错误，样验一致后 方可出图。由此可见，C A D 三维不仅具有直观的表达功能，还 2 0 1 2 0 90 5 u n n n nl：l L L i “ 圳 ” 川 U O O O 0 k C C C C红4W 红寄洋 _ 墨 万方数据 具有纠错样验的作用，在幕墙设计中，真正有难度的其实就 是单元幕墙的加工图设计，如日本的“C o c o o n ”大厦，几乎所 有的设计下料工作都是三维放样完成的。经过此操作步骤可 以得到如图3 0 的加工图纸。 图3 0 单元左竖框加工图 5 在培养设计师中的应用 幕墙是一个快速发展的行业，设计人员总处于短缺之 中，新人的培训便成为重中之重。如何使设计人员快速的成 长，这当然需要多方面的支撑。不过C A D 三维应用在设计人 员的培养方面还是有可取之处的。笔者以前曾任职沈阳一家 一级企业技术负责人，从新招聘的几人中选出二人专攻C A D 三维设计，公司所有的图集让其画了一遍，一是投标之用；二 是培养新人。三个月后，明显感觉有三维设计经验的设计师 对系统的理解能力更强，这是因为C A D 三维具有直观的表 达功能，对新入门的设计师能够更快的理解设计意图。幕墙 设计图往往是平面表达，且不符合机械制图视图在一张图中 布局的习惯。有的设计节点仅仅是平剖或竖剖，需要有一定 的经验才能看懂。因此可以适当扩大C A D 三维设计在培养 设计师中的应用，编制合适的培训教材。 C A D 的应用，只有结合专业人才的专业知识才能发挥其 功效，并在此基础上进行二次开发，有针对性的对不同方向 进行深入研究，可成倍甚至几何级数提高工作效率。一些小 的l i s p 程序对提高制图效率也有极大的帮助，如画焊逢、角 码、岩棉、批打印等。 6C A D 技术的不良影响 虽然C A D 技术有上述强大功能，但也有人士认为C A D 技术的滥用会使建筑设计工作从一种艺术创作变为一种工 业化生产。C A D 引以为荣的复制、套用的高效率手段，使得设 计过程本身就伤害了这一学科，而C A D 的标准化、工业化使 得建筑作品千篇一律，缺乏灵气、缺乏个性和人情味，建筑已 经变为纯粹的商品。而最有艺术气息的手绘建筑效果图，也 将要被电脑效果图取代