-深圳机场T3航站楼幕墙CAD系统设计.pdf

2010 年 4 月 第 39 卷第 4 期 施工技术 construction technology109 深圳机场 t3 航站楼幕墙 cad 系统设计 胡振中 1， 王重力2， 李国星2 ( 1. 清华大学深圳研究生院， 广东 深圳518055;2. 珠海市晶艺玻璃工程有限公司， 广东 深圳 518040) 摘要深圳机场 t3 航站楼的幕墙造型采用了自由曲面上参数化造型的设计， 建筑设计方使用空间三维坐标点的 方式给出了航站楼外表皮的单层单线模型。在进行施工图深化设计时， 需根据该模型以及施工图设计过程中所需 的各种指导生产 /安装的信息， 对原数据进行相应的预处理， 从而建立符合施工图要求的多层构造的三维模型， 并 实现图纸输出。笔者开发了集预处理、 自动建模、 后处理等功能于一体的深圳机场 t3 航站楼幕墙 cad 系统( t3- cw-cad) ， 旨在提高幕墙施工图设计工作的效率。详细讨论了该系统的需求、 数据结构和核心算法。 关键词深圳机场 t3 航站楼;计算机辅助设计; 幕墙; 三维建模 中图分类号tu201. 4; tu248. 6 文献标识码a文章编号1002- 8498( 2010) 04- 0109- 04 a computer aided design system for curtain wall engineering of shenzhen airport terminal 3 hu zhenzhong1，wang zhongli2，li guoxing2 ( 1. graduate school at shenzhen，tsinghua university，shenzhen，guangdong518055，china; 2. zhuhai king glass engineering co. ，ltd. ，shenzhen，guangdong518040，china) abstract: the faade of shenzhen airport terminal 3 ( t3)is a parametric shaping design based on free- form surface. architect provides a single layer wireframe model for facade outer skin by listing related spacial point coordinates. during design development，it s required for facade consultant to pretreat the raw data from architect in order to develop information of guidance for fabrication and construction，and then rebuild a multi-layer 3d model with post-treatment besides drawing output. thus，based on the raw model and data，a cad system integrated pretreatment/auto-modeling/post-treatment for curtain wall engineering of t3 ( t3-cw-cad)is developed to increase the efficiency of drawing designing.the authors discuss the requirements，data structure and core algorithms of the system in detail. key words: shenzhen airport terminal 3;computer aided design( cad) ;curtain wall;3d modeling 收稿日期2010- 02- 01 基金项目中国博士后科学基金( 20090460361) ; 国家十一五 科技支撑计划项目( 2007baf23b02) 作者简介胡振中， 清华大学深圳研究生院博士后， 深圳市南 山区西丽大学城清华校区518055， 电话: e-mail: hu. zhenzhong sz. tsinghua. edu. cn 作为深圳机场扩建工程中重大项目， t3 航站楼将 成为深圳未来航空城的核心。目前， 该工程已经进入 土方开挖和地基处理阶段。t3 航站楼的外表面是由 玻璃和金属板通过一定规律的组合和布置， 在自由曲 面上制造特殊的凹凸肌理而形成的幕墙系统。建筑设 计方通过空间三维点坐标的分形几何 1， 2方式给出了 幕墙系统的点线模型及数据表格， 然而， 点线模型仅以 单层单线表征玻璃和金属板等有厚度的构件。在幕墙 施工图设计过程中， 需要建立幕墙系统的多层点线三 维模型来完成对关键点坐标、 构件尺寸、 形状以及安装 位置的定义。因此， 需要根据设计方提供的点线模型 以及各构件之间 /构造层之间的相互制约关系， 计算出 各构造层的轮廓， 并确定各关键点的坐标， 再进行构件 详图和施工图的绘制。对于一个面积巨大、 机理复杂 且不规则的曲面， 手动分析和计算几乎不可能实现， 因 此本文在点线模型数据的基础上， 开发了一个深圳机 场 t3 航站楼幕墙 cad 系统( t3-cw-cad) ， 以辅助幕 墙设计单位， 优化施工图设计过程。 1工程概况 规划中的 t3 航站楼总面积约 40 万 m 2。建筑物 主体划分为 3 个部分， 分别是主指廊区， 次指廊区和大 屋面区。各区间通过光滑的曲面过渡区相连， 形成一 个巨型的类飞机样式， 如图 1a 所示。其中， 桶状的主 / 110施工技术第 39 卷 次指廊有部分区域采用凹陷透空处理， 犹如水滴滴落 纸面形成的露珠， 如图 1b 所示; 宽广的大屋面区域则 参考了魔鬼鱼的外形， 仿生学的设计凸显了建筑的流 线与动感。如图 1c 所示。新航站楼启用后， 深圳机场 总客运能力预计将达到6 000万人次 /年。 图 1深圳机场 t3 航站楼建筑结构示意 fig. 1architectural model of shenzhen airport terminal 3 2系统描述 2. 1功能需求 根据需求分析， t3-cw-cad 系统的功能划分为预 处理、 表皮快速建模以及结果分析与输出 3 个模块。 各模块的建立则通过应用面向对象技术， 以 c#的类结 构描述和定义各种基本图形对象和操作对象， 以工作 流和信息流作为模块间的沟通， 并利用 autocad 的 三维图形功能实现面向实体对象和过程操作的设计全 过程。t3-cw-cad 系统的功能模块划分如图 2 所示。 图 2t3- cw- cad 系统的功能模型 fig. 2function model of t3- cw- cad 1) 预处理 预处理模块的目的是根据建筑设计方所提供的原 始数据表格， 进行数据的自动录入与交换识别， 初步建 立基于 autocad 的建筑物点线模型， 在此基础上， 根 据幕墙系统构造要求， 优化建筑模型。由于原始数据 中建模精度不足导致出现了部分闭合多边形面板存在 端点不共面的情况， 势必会增加施工图设计难度并影 响施工生产和组织。因此， 系统提供了进行多边形面 板单元的共面情况分析， 辅助设计人员在建模过程中 准确获取模型误差分布信息。此外， 根据工程优化设 计原则， 提供了对大屋面的玻璃单元进行优化选型的 微调功能， 即在不影响建筑外形的前提下， 使统一规格 的玻璃单元数量最大化， 以此提高工程建造的经济性 指标。最后， 在进行表皮快速建模前， 还需要调整所有 多边形单元的法线方向， 为以后进行的建模工作提供 统一的方向识别。系统提供了快速调整法线( 整体适 用) 和手动调整法线( 局部适用) 两种方式供用户选 择。经过预处理后的三维模型即为幕墙设计所需的点 线模型。 2) 表皮快速建模 预处理后的点线模型， 通过设定幕墙各层构造间 距等相关参数， 再依照玻璃单元的不同范围而选择不 同建模区域( 对应于不同的算法) ， 便可以实现深圳机 场 t3 航站楼幕墙系统的表皮快速 3d 建模。 3) 结果分析与输出 通常情况下， 表皮快速建模的图形结果无法直接 指导施工或者施工图出图。因此， 系统提供了三种结 果表 现 方 式: 生 成 面 域可 以 使 建 立 的 模 型 在 autocad 中以真实感的方式表现， 帮助设计人员直 观快速地进行建模效果和精度判断， 同时辅助施工管 理人员理解建筑结构形式; 输出点距离可以以列 表方式输出每个新建控制点到原参照面的距离， 辅助 设计人员分析所建立的模型是否满足节点设计的构造 要求; 输出施工图可以将所建立的模型分区域输 出， 输出形式可以是包含每个控制点坐标的单元定位 信息列表， 或者是指导施工的施工图、 节点构造详图 等。 2. 2数据结构 深圳机场 t3 航站楼的建筑设计是由一系列 的 “” 型单元 ( panel) ， 通过 rhinoceros 软件的 rhino script 参数化设计功能“拼贴” 至光滑的自由曲面而 成。每个单元共 21 个控制点， 划分成 5 个板块区域。 在 t3-cw-cad 系统中， 将以 panel 为核心， 将建筑模型 数据划分为 3 个层次， 分别是单元层、 面域层( region) 和点层。其中， 1 个单元包含 7 个面域， 每个面域则根 据形状特征， 由 3 4 点形成三角形或矩形， 如图 3 所 示。 在表皮快速 3d 建模的过程中， 通过读取建筑设计 的单元数据， 可根据单元中的点编号组成各个面域， 然 后分析不同面域间的相交情况和点的相互关系， 最后 生成对应的外表皮点， 并相连成新的面域和单元。通 2010 no. 4胡振中等: 深圳机场 t3 航站楼幕墙 cad 系统设计111 图 3t3- cw- cad 系统数据结构示意 fig. 3data structure of shenzhen airport terminal 3 过上述层次结构， 可实现快速查找和关联处理， 大大提 高建模效率。 2. 3核心功能及算法 2. 3. 1模型读取 此功能是在建筑设计方提供的单元模型基础上， 生成金属板和玻璃的面域以及代表各自面域的空间多 段线。代表金属板的面域是直接从单元中获取点的坐 标， 再以逆时针方向连线形成的。尤其应注意单元点 编号和多段线中点编号的对应关系。玻璃面域则主要 是由 3 个基本单元所封闭的区域形成， 如图 4 所示。 则在建立玻璃面域时需要遍历所有的单元， 并求得相 关单元间的相互关系， 再根据对应点以逆时针方向形 成面域。最后， 根据各个面域的控制点， 在 autocad 中以三维多段线( 3dpolyline) 重绘整体结构的空间几 何模型。 图 4玻璃面域建模示意 fig. 4modeling of glass panels 2. 3. 2法线调整 建筑设计方提供的各个单元模型中的法向量并没 有统一的规律， 使得在构造建模过程中无法确定几何 单体的偏离方向和距离， 因此需要 在 构 造 建 模 前 将 panel 中连接面域的单元点顺序调整， 使得所有面域的 法向量统一朝向建筑内部。调整的方法是在沿着垂直 于所有法线的理想朝向做一条辅助线， 求面域初始法 线起点和终点至辅助线的距离， 若前者小于后者， 说明 法向朝内， 不需要调整; 否则， 将面域连线方向反转， 即 实现法向量的调整。 2. 3. 3构造建模计算 以单元点为基准， 根据玻璃板块和金属板板块偏 移值， 进行点偏移计算， 再将偏移后的点分别相连即完 成了多层构造建模的计算。每个单元基准点 p0可为 多个板块形成的面的交点， 其情况如下: 仅相连一个 面， 则为边界点， 其偏移点为 p0沿该面法向偏移指定 厚度值即可; 相连两个面的基准点， 则先求得该两面 偏移指定厚度后的交线 n( 如算法 1 描述) ， 再求以 n 为法线， 过 p0点的平面与 n 的交点， 即为所求偏移点; 相连大于两个面的基准点， 首先根据板块重要性以 及是否平行等条件， 选取其中的 3 个面， 求它们分别偏 移指定厚度值后形成的面的交点， 即为偏移点。三面 求交的算法是先求得两面交线， 再求交线与第三面的 交点( 如算法 2 描述) 。 1) 算法 1( 求两个平面的交线) 如图 5a 所示， 设两平面上的已知顶点为 ps、 pt ， 法 向量为 u、 v。设 p 为交线上的一点， 则有: ( p ps) u = 0 ( p pt) v = 0 ( 1) 若两平面中没有出现 z = 0 的情况， 则不妨设 pz= 0， 可 求得: px= ( psuvy ptvuy) /( uxvy vxuy) py= ( psuvx ptvux) /( uyvx vyux) pz= 0 ( 2) 否则， 可假设 px= 0 或 py= 0， 同理求得 p 点坐标。 求得 p 点坐标后， 令交线方向为 n， 则: n = u v( 3) 从而可确定两面的交线。 2) 算法 2( 求线面的交点) 如图 5b 所示， 已知面的法向量 n 及其上任意一点 p， 直线上两顶点 p1、 p2， 直线与平面的交点 pt。则有: pt= p1+ t( p2 p1) ( pt p) n = 0 ( 4) 由式( 4) 得: t = ( p1 p) n/( p2 p1) n( 5) 其中， 若分母为零， 说明直线与平面是平行的。若分子 为零， 说明 p1为交点或这个直线位于平面上。 2. 3. 4坡度调整 航站楼幕墙系统作为建筑屋面使用， 需满足屋面 的排水坡度要求， 即对于所有板块， 理论上均要达到不 小于 4% 的排水坡度。所以， 基于基准点所返出的外 表面， 也要进行坡度的调整。调整中要做到: 通过旋 112施工技术第 39 卷 图 5面面求交与线面求交算法示意 fig. 5algorithms for face- face intersection line- face intersection 转板块平面以保证板块坡度满足要求; 通过调整边 界点， 使各板块满足端点共面， 即需要平面校核调整， 具体如算法 3 描述。 算法 3( 平面校核) : 假设校核后的平面方程为: z = a0+ a1x + a2y + e( 6) 则定义残差平方和 sr如下: sr= n i = 1 ( zi a0 a1xi a2yi) 2 ( 7) 分别对 未 知 参 数 取 偏 微 分， 并 令 其 值 为 零， 可 得 方 程 3: n xi yi xi x 2 i ( xiyi) yi( xiyi) y 2 i a0 a1 a 2 = zi ( xizi) ( yizi ) ( 8) 将各边界点坐标代入式( 8) 后， 可求得参数 a0、 a1、 a2， 再拟合新的边界点即可实现平面校核。 2. 4程序设计 t3-cw-cad 系统的研发经过了可行性研究、 需求 分析、 系统设计、 程序开发和应用测试 5 个工作阶段， 并以 autocad 2007 和 visual studio . net 、 object arx . net 作为平台， 以 c#作为开发语言， 采用模块 化方法进行设计与开发。 为满足代码设计具有较高可读性和可扩展性， 本 研究中首先参考国际上常用的一些编码规范定制了内 部标准 c#编码标准 ， 并在此基础上进行代码开 发。c#编码标准 对代码的几乎所有方面进行了规 定和建议， 包括文件名、 命名空间、 类的声明和成员、 接 口的声明和成员、 方法的声明 /参数 /函数体 /委托、 属 性的声明、 字段的声明 /初始化 /枚举定义、 事件、 括号 书写方法、 空格数量、 空行建议、 注释书写、 例外处理、 控件命名等 4 个大项、 31 个小项、 近 300 个单项。在 t3-cw-cad 开发过程中， 严格按照c#编码标准 进行 代码编写， 使得团队中的所有人能更容易理解代码， 提 高程序的可读性。 3应用测试 图 6 是系统在主指廊和大屋面间的过渡区应用 t3-cw-cad 系统的应用测试。首先读取建筑设计方 提供的模型数据文件， 在 autocad 平台上生成点线 模型( 见图 6a) ; 再在调整外形和各多边形的法向后， 通过设置相关参数和制约关系计算幕墙构造所需的控 制点面， 最终形成多层构造的空间三维模型; 再根据工 程需要， 输出控制点列表和施工详图。建模、 偏移计算 和出图