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1、巧用三维解决设计疑难问题 杜东新 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，如扭转、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，都可以找出系统共同点，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
2、域内应用最广泛的绘图软件为Autodesk公司开发的CAD(电脑辅助绘图系统)，借助于CAD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 CAD几何模型 幕墙设计 空间框作法 排水设计 模拟 等 一 前言设计软件CAD也就是电脑辅助设计。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DWG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
3、，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，极大的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。CAD的平面设计出众，但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3DMAX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CAD设计软件打交道，上手最快且操对相对简单，可以方便快速的解决方案投标、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CAD三维设计，配合
4、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。CAD三维设计在幕墙行业的主要应用如下：二 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CAD模拟分析，找到规律性，提练系统设计的同性，同时找到细节上存在的问题，予与解决，诸如此类的非标特异性的项目，CAD三维模拟分析可以大展拳脚；本节以俄罗斯联邦的“Wedding Plaza”项目此为案例，讲述CAD三维在系统模拟定型中的应用。该项目(图一、二、三、四)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
5、后期的施工设计提供基础。 立面图（图一）平面图投影（图二） 三维平面图（图三） 局部层间三维放样（图四）1 系统初选：扭转项目的设计思路有三种，A：有应力安装法(也有称冷弯法)；B：空间框作法。C：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(h)这类扭转项目的共性为：板块的第四点（指平面外的点），与板块另三点不共面，进而实现外立面的整体扭转效果。在CAD模型空间建立模型，对以上27个板块的放样分析，经统计数据（表略）得出，翘起距离(h)为一定值78.6mm，此值较大,如采用冷变作法，则面材及骨架要在强制外力作用平面面板与空间框位置关系示意图（图五） 角部放大示意图（
6、图六）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。2 分格确定：图五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不在此平面内，对空间单元板块来说，a相当于单元母竖框的分格高、c单元上横框的分格宽；采用CAD三维设计对27个板块进行精确的放样，可以
7、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，刚a、c两条边（也就是单元公竖料、单元上横料）室内外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。3 细节设计a.扭转单元排水坡度参数的设计，从图四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14度，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（图七）。单元横框示意图（图七） 单元横框示意图（图八）b.室外侧扣板及室内侧梯形补偿条设计图五的示意图也表明a、c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
8、能使平面玻璃与空间框更好的夹持固定，CAD三维放样铣加工后的形状如图九、图十示。 外扣板三维加工示意(图九) 梯形补偿片三维加工示意(图十)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，仅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，本人在“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
9、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CAD三维放样后发现，本层单元与上层单元有错位，如下图示：空间单元室内效果(图十一) 常规单元室内效果(图十二)从图十一、二可以看出，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如图十六所示,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响；从图五的正投影上也可以确定，这个值为4mm。左右板块横框不在一个标高上，这也是所说空间框作法缺点之一：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底或右高
10、左底的现象，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。以上放样后，将细节设计中的问题进行消化，可以得到如图最后的图纸 标准单元竖框节点图(图十三) 标准单元竖框节点图(图十四)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。CAD三维在系统模拟定型中的应用，因其尺寸的极端精确，是其它软件所不能取带的。三 在项目招投标中的应用工程建设招标
11、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的目的。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5-8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的方式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。如图示的结构表达：石材幕墙三维图(图十五)单元幕墙上料平台(图十六) 幕墙板块的楼层运输(图十七)四 在施工下料中的应用对一些复杂的加工图纸，CAD三维可以充分发挥其切、铣相关的图形数据加工工作，大
12、幅提高工作效率，以单元幕墙龙骨加工图为例详述CAD三维在施工下料中的应用。1首先CAD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。2上述工作完成后，按系统节点建标准分格宽、高的模型（如图）也就是实际加工车间要用的组框图。局部示意(图十九) 局部示意(图二十) 局部示意(图十八) 局部示意(图二十一) 局部示意(图二十二) 3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
13、空间得到图示的操作界面图层示意(图二十三) 单元左竖框示意(图二十四) 在图纸空间里,输入 solprof 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solprof，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，然后回去模型空间，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(图二十五)根据自己需要，最后用ucs空格v空格，调成xy平面坐标系，把想要的图形复制，新建一个图形，拷进去就行了，得到图二十五。在CAD模型空间下，用”Explode”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。单元左竖框
14、转二维示意(图二十六)单元左竖框转二维示意(图二十五) 竖框上端(图二十七) 竖框下端(图二十八)将得到的单元左竖框的平面加工图(图二十六)，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虑线。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CAD三维设计应用则可以大展手脚，让我们全方位的观察杆件的交接情况，加工图完成后，跟据节点的构造尺寸，在EXCEL单元细目表格中生成相
15、应的公式，得到的料长，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，CAD三维不仅具有直观的表达功能，还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“Cocoon”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以下的加工图纸。单元左竖框加工图(图二十九)五 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CAD三维应用在设计人员的培养方面还是有可取之处，以前本人曾任职沈阳一家一级企业技术负责人，从新招
