基于BIM的幕墙工程参数化设计及自动建模方法与流程

本发明属于计算机工程辅助设计，具体涉及基于bim的幕墙工程参数化设计及自动建模方法。

背景技术：

1、在建筑幕墙的工程的设计中，bim模型需要严谨的考虑处理幕墙跨越建筑变形缝位置的位移、密封、防水、装饰，实现幕墙适应建筑主体变形，同时维持幕墙水密、气密、外观完整。而幕墙主体结构的型材、玻璃、石材热胀冷缩，胶缝、板块之间必须留缝，就是变形提前量，这就是幕墙变形缝（伸缩缝、沉降缝、抗震缝）。而幕墙系统的幕墙的变形缝装置（含盖板、基座、弹性密封、限位配件）以防高温季节的温差导致的型材伸长挤压，玻璃压裂、型材拱起，或者地震、风荷载、建筑不均匀沉降下主体楼层会发生层间位移、主体晃动，从而避免沉降拉裂板块、拉断密封胶。而变形缝装置需要避开幕墙受力集中区域，优先设置在风荷载作用下位移量均匀、应力较小的部位，避免与幕墙主受力构件（如主龙骨、横梁节点）直接重叠，防止风振导致的往复位移加剧构件磨损与密封失效。同时，需结合建筑体型、风向特点，在风荷载较大的立面区域（如建筑转角、迎风面中部）合理加密或优化变形缝位置，确保位移吸收能力匹配风振幅度。区域风荷载集中，易产生应力集中，变形缝装置应设置在转角两侧的平直段，避免转角处的风压冲击直接作用于变形缝密封部位，同时需要保障转角处幕墙板块的整体性与抗风稳定性。

2、由以上描述可见，变形缝装置在建筑整体结构的位置对于幕墙系统的稳定性起到了关键作用，变形缝装置需要建筑结构工程师凭借经验进行设计，主观性太强，在复杂一些的大型建筑上变形缝装置位置如果不合理、没有避开幕墙受力集中区域，容易导致幕墙在风荷载作用下，位移差过大导致密封胶拉裂、型材拱起，也容易在风振位移突变的楼层（如设备层、转换层）遗漏设置。

3、如何结合 bim 模型进行模拟分析，精准定位变形缝装置的最优位置，确保其在风荷载、地震作用下均能维持幕墙的水密、气密与外观完整，同时适配幕墙型材、玻璃等构件的热胀冷缩变形需求是现有技术难以解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出基于bim的幕墙工程参数化设计及自动建模方法，以解决现有技术中存在的一个或多个计算机辅助设计问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供基于bim的幕墙工程参数化设计及自动建模方法，所述方法包括以下步骤：

3、s100，通过bim建模软件构建建筑物的三维模型；通过预先编制的结构计算书确定建筑物的设计参数；在三维模型上标注出幕墙构件的位置；

4、s200，通过流场分析得到三维模型的风压分布，获取在各种风速下各个幕墙构件的位置受到的振动位移；

5、s300，根据各个幕墙构件的变形缝装置位置的振动位移规划脉动影响路径；

6、s400，在三维模型上标记出各个脉动影响路径上整体震荡强区域的幕墙构件的位置后作为bim三维模型输出。

7、进一步地，建筑物的三维模型由多种构件组成，构件的种类包括墙、柱、幕墙、梁、板、管道、管件及特殊构件组成；结构计算书包括多种设计参数，设计参数的种类包括构件的长度、宽度、高度、厚度、标高、直径、数量、间距。

8、其中，bim建模软件为blenderbim软件。

9、进一步地，通过流场分析得到三维模型的风压分布的方法为：将三维模型导入流场分析软件，设置不同的风速边界条件，通过对三维模型进行流场分析获取风压分布；其中，流场分析的方法具体为：导入三维模型，对模型曲面进行切分；开展网格划分，定义网格属性；设置材料参数、几何属性；施加风速边界条件与载荷条件；定义单元连通性。

10、进一步地，在三维模型的周边流场域，从风向角0°到风向角360°的风向角，每间隔20°，模拟瞬态风压分布，将风压数据耦合至三维模型；施加动态风压载荷，导出风压分布数据和位移云图。

11、其中，流场分析使用的软件为openfoam‌软件。

12、优选地，不同的风速边界条件为：5m/s到36.9m/s。

13、由于最大压力处位于建筑物迎风面，最小压力位于建筑物背风面，建筑物背风面会产生负风压，迎风面产生正风压，侧风面和背风面因气流分离形成漩涡引发吸力。给幕墙系统威胁最大的是负风压，幕墙在负风压下，幕墙变形缝装置直接承受正负风压（根据gb/t21086-2007《建筑幕墙》中抗风压性能分级指标 p3，取正压、负压测试绝对值二者较小值定级，表面负压如果比正压更小，就由负压控制等级，负风压属于不利工况，是向外拉扯、拔脱：结构胶受拉剥离、幕墙挂件受拔、压块受掀、锚栓承受拔力、变形缝盖板、装饰扣板容易被风吸力掀开脱落），而反复正负风压交替的脉动风压作用下发生往复振动，产生风哨、抖动噪声，作用，对变形缝装置疲劳破坏风压把盖板、密封件压紧贴向缝的一侧，阻碍变形缝自由伸缩与错动能力。当后续发生温度变形、地震层间位移、沉降时，变形缝不能正常释放位移，出现挤压卡滞，造成变形缝装置的密封撕裂、面板挤压破损，此外，由于变形缝为断开构造，局部气流容易产生涡流，诱发局部风振加剧密封件和盖板的往复受力，为了准确的规划出风压脉动影响的路径上的幕墙构件，本发明提供了以下方法：

14、进一步地，在s300中，根据各个幕墙构件的变形缝装置位置的振动位移规划脉动影响路径的方法为：

15、以各个变形缝装置位置的几何中心为参考点；根据参考点划分正向脉动区域和反向脉动区域；以各个正向脉动区域上与正极点的距离值最小的正压点为正风压点，依次将各个正风压点按照与正极点的距离从小到大两两之间依次进行连接获得正向脉动影响子路径；

16、以各个反向脉动区域上与负极点的距离值最小的负压点为反风压点，依次将各个反风压点按照与负极点的距离从小到大两两之间依次进行连接获得反向脉动影响子路径；

17、由所有的正向脉动影响子路径和反向脉动影响子路径构成脉动影响路径。

18、进一步地，根据参考点划分正向脉动区域和反向脉动区域的具体方法为：

19、取各个参考点从最小风压值时的位置到最大风压值时的位置之间位移距离为参考点的最大位移值；以迎风面上最大位移值的值最大的参考点为正极点；以背风面上最大位移值的值最小的参考点为负极点；记所有最大位移值的平均值为位移均值；将各个参考点依次进行迎背风压差分类为正压点和负压点；记正压点的最大位移值与负压点的最大位移值之间的非零差值为脉动位移值；记所有脉动位移值的平均值为脉动均值；

20、在脉动位移值大于脉动均值的条件下，将满足正极点的最大位移值与正压点的最大位移值之间的差值大于负压点的最大位移值与负极点的最大位移值之间的差值的正压点和负压点对应的变形缝装置位置记为正向脉动区域，否则记为反向脉动区域；（由于幕墙的安装往往是多个相邻板块的幕墙模块通过变形缝装置刚性固定在预留特定间隙以吸收建筑位移，因此建筑物受到风压后各个幕墙板块之间会产生力学传导，正向脉动区域是风压力朝着同一个方向传导，而反向脉动区域则是风压朝着另一个方向传导，现有技术一般只是考虑当前模拟状态下的涡激共振或者瞬时脉冲的对幕墙表面的影响，难以考虑到风力的长期脉动对于幕墙的内部影以及对变形缝装置疲劳破坏，而正向脉动区域与反向脉动区域，正是用于标识这类从外表面不易直接观测、但易发生疲劳损伤的风险区域；常规的有限元分析方法很多时候输出瞬时峰值风压，解决瞬时冲击、涡激共振；但长期往复脉动是百万次应力循环，带来疲劳累积损伤，不是一次大荷载直接破坏，属于 “慢损伤”，表面看不出来，容易被仿真忽略）。

21、进一步地，将各个参考点依次进行迎背风压差分类为正压点和负压点的具体方法为：

22、依次将迎风面上的各个参考点从最小风压值时的位置到最大风压值时的位置之间的线段投影到迎风截面上得到的线段为正截线段；依次将背风面上的各个参考点从最小风压值时的位置到最大风压值时的位置之间的线段投影到迎风截面上得到的线段为负截线段；

23、按照以下方式扫描所有正截线段：标记与当前正截线段相交的所有负截线段为关联线段；取所有关联线段对应的参考点中与当前正截线段对应的参考点距离最短的参考点为负压点，以当前正截线段对应的参考点为正压点。

24、其中，迎风截面为风工程标准术语，是指剖切平面垂直来流风向，切三维模型得到的断面。其中，最小风压值为5m/s，最大风压值为36.9m/s。

25、其中，对于带通风的双层幕墙，迎风-背风面压差就是驱动空腔内空气流动的动力，该压差构成建筑整体风荷载，参考点距离越小（即迎风-背风面受到的压力差越大），空腔流速越高；当建筑存在贯通洞口时，迎背风压差会驱动气流穿过建筑内部，抬高室内侧压力，放大幕墙实际内外压差，加剧迎风面渗水与背风面的风吸破坏，且正压点与负压点之间的压差也是双层幕墙空腔通风的驱动力。

26、现有技术在判断因卡门涡街效应产生交变风压引发的驰振、涡激共振导致的风压极限位移时，通常需要依赖于连续区域的风压惯性扩散或者应力的连贯性传递，例如公开号为cn120764046a的中国发明根据线性风压条件或者惯性的风压条件进行风险位置识别，然而，在一些高层建筑或者异形的主体结构变形缝与幕墙变形缝控制目标不同，幕墙可跨越主体结构变形缝，不必强制对齐，此外，变形缝装置只是布置在位移需求大的位置，其余位置用普通胶缝，加上主体、材料、建筑造型的错位，导致刚性锚固于建筑主体上的变形缝装置一般不连续、不相互靠拢，其自身并不诱发风压惯性效应与线性应力惯性力，仅提供单一的风压及应力传递路径与作用区间。工程实际工况中，变形缝装置既不属于连续式分布，也不属于离散式分布；风压与应力在传递过程中，会经由建筑刚体主体的应力吸收效应，分化生成多重传递分支以及作用范围分支（作用范围如裂纹状、闪电状延升），因此，无法通过现有技术的方法进行风险标记，本技术通过影响建筑主体的脉动影响路径解决该题，提供了以下具体的方法：

27、进一步地，在s400中，在三维模型上标记出各个脉动影响路径上整体震荡强区域的幕墙构件的位置的方法为：

28、筛选出存在相交关系的各个脉动影响路径分别构建相交关系集合；依次将各个相交关系集合构建成无向图；按照广度优先遍历的顺序依次对无向图进行遍历，依次将遍历得到的无向图的顶点组成序列vp；以i为序号；

29、在序列vp中，自第1个顶点开始到第i个顶点结束，将正极点的最大位移值与类型为正压点的各个顶点的最大位移值的差值进行累加得到的结果记为正压累加振幅，将类型为负压点的各个顶点的最大位移值与负极点的最大位移值的差值的进行累加得到的结果记为负压累加振幅；

30、根据正压累加振幅和负压累加振幅标记整体震荡强区域的幕墙构件的位置。

31、进一步地，根据正压累加振幅和负压累加振幅标记整体震荡强区域的幕墙构件的位置的方法为：

32、若正压累加振幅大于负压累加振幅，则记序列vp中从第1个顶点开始到第i个顶点的最大位移值中的最大值对应的顶点为p1，记无向图中与p1的顶点的度数相同的所有节点为正同度节点（同一度数的顶点，每个曲线都与同等数量的其它脉动影响路径发生相交，代表它们的局部交叉连接规模相当，受到的压力规模相近似），以正极点的最大位移值和p1以及各正同度节点的最大位移值的平均值的差值为区域振幅差值amp[i]，否则，则记序列vp中从第1个顶点开始到第i个顶点的最大位移值中的最小值对应的顶点为p2，记无向图中与p2的顶点的度数相同的所有节点为负同度节点，以p2以及各负同度节点的最大位移值的平均值与负极点的最大位移值的差值为区域振幅差值amp[i]；

33、在取值范围内遍历i，如果有任意一个amp[i]符合：amp[i-1]大于amp[i]同时amp[i]小于amp[i+1]，则标记第i个顶点的参考点对应变形缝装置位置相连接的幕墙构件的位置为整体震荡强区域。

34、其中，筛选出存在相交关系的各个脉动影响路径分别构建相交关系集合的具体方法为：

35、s401，在三维模型上，按照脉动影响路径的长度从长到短依次对脉动影响路径进行排序构成序列path，其中，j为序号，记path[j]为序列path中第j个脉动影响路径；

36、s402，在j的范围内依次遍历path[j]各个脉动影响路径，从序列path中提取脉动影响路径与path[j]一起构建path[j]的相交关系集合，在相交关系集合中标记path[j]为锚路径；

37、s403，将path[j]的相交关系集合中的脉动影响路径从序列path中去除，如果序列path的长度大于1则转到步骤s402，否则转到步骤s404；

38、s404，获得多个相交关系集合（每个相交关系集合中都包含一个锚路径和至少一个与锚路径存在相交关系的脉动影响路径）。

39、其中，构建path[j]的相交关系集合的具体方法为：如果脉动影响路径path[j]与序列path中其他的脉动影响路径存在相交关系（两线之间至少存在一个交点），则将这些脉动影响路径和path[j]构成的集合记为相交关系集合。

40、其中，将各个相交关系集合构建成无向图的具体方法为：

41、取出相交关系集合中的锚路径与各个脉动影响路径上全部参考点作为候选顶点；

42、将所有候选顶点去重后构成顶点集合v；

43、如果锚路径为正向脉动影响子路径，则将顶点集合v中的各个顶点按照与正极点的距离从小到大排序得到参考点序列；如果锚路径为反向脉动影响子路径，则将顶点集合v中的各个顶点按照与负极点的距离从小到大排序得到参考点序列；

44、依次对参考点序列中相邻两点进行连接，将得到的各个线段记为无向边加入无向边集合e中；获得无向图g=(v,e)。

45、其中，g为无向图，v是顶点集合，e是无向边集合。

46、进一步地，还包括，将bim三维模型传输到服务器端或者客户端进行显示输出。

47、其中，在bim三维模型上标记的各个脉动影响路径上整体震荡强区域的幕墙构件的位置是交变应力大，幕墙变形缝装置或者幕墙主体易出现盖板抖动、密封疲劳、变形缝反复拉扯，是风险控制重点区域，该区域整体震荡幅值大，交变应力水平偏大，属于高风险部位，变形缝装置、密封构件、紧固件长期承受往复循环荷载，疲劳失效风险突出。在bim三维模型中完成的整体震荡强区域标记，直接定位出风脉动传递路径上的重点危险构件。

48、本发明的有益效果为：本发明提供了基于bim的幕墙工程参数化设计及自动建模方法，以上方法能标记出在建筑主体上风压与应力在非线性传递过程（存在多对多的复杂关联）中，会经由建筑刚体主体的应力吸收效应，分化生成多重传递分支以及作用范围分支，能够快速的定位出风压导致的幕墙风险控制重点区域，减少设计风险。在此基础上，该方法还能进一步实现应力树状甚至无向图状传递路径的可视化追踪，清晰呈现风压应力从作用点向建筑主体各部位扩散的完整脉络，区分主传递路径与次要传递分支，帮助设计人员精准识别应力传递的关键节点与薄弱环节。同时，可结合参考点的应力数值、风压荷载等核心数据，对各传递分支的应力幅值、作用范围进行量化分析，判断不同分支对建筑结构的影响程度，为结构优化设计提供直观的数据支撑与拓扑依据。此外，该方法具备良好的适配性，可灵活应用于高层建筑、大跨度建筑等不同结构形式的风压应力分析场景，既能适配常规的结构应力校核需求，也能为复杂工况下的结构安全评估提供高效的分析手段，进一步提升建筑结构设计的合理性与安全性，降低后期结构整改的成本与工期损耗。