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摘要：运动仿真是数字样机的重要功能，通过引入先进的知识工程原理，把幕墙、门窗设计知识融入了BIM建模过程。以BIM模型为载体，通过建立幕墙、门窗标准件和标准构件的知识库，提高了BIM建模效率和设计的可靠性;通过定制的BIM模型进行虚拟装配和运动仿真，能有效解决工程中具有运动关系系统的技术难题。本文还介绍了基于幕墙BIM模型运动仿真的案例。
关键字：幕墙;门窗;BIM;参数化;知识工程;运动仿真
1、概述
数字样机是由计算机呈现的、可替代物理样机功能的拟现实。运动仿真是数字样机的重要功能，是数字化技术在产品开发中的重要应用，可以对产品进行验证或功能展示，以便对设计进行优化和定型。
在幕墙、门窗系统中，对构件间有运动关系要求的设计很多，主要有：
(1)幕墙门窗开启系统。为实现建筑的自然通风、消防排烟和擦窗设备（词条“设备”由行业大百科提供）的隐藏，通常需要设置开启系统。近些年绿色建筑也对幕墙门窗的开启面积提出较高要求。
(2)智能遮阳（词条“智能遮阳”由行业大百科提供）系统。为达到遮阳系统的最佳效果，遮阳系统日趋智能化，通常根据太阳位置调整自身形态，其各个构件间应保持稳定的运动关系。
(3)双层幕墙（词条“双层幕墙”由行业大百科提供）通风控制系统。外通风双层幕墙的进风口和出风口通常采用电动控制系统进行开启和关闭，其构件具有运动特征。
(4)BAPV光伏系统。为获得最好的发电效果，光伏面板应与太阳位置保持随动，其面板及控制系统具有运动特征。
(5)主体结构或温度变形与幕墙体系的碰撞问题。一些变形较大的结构体系，正常使用状态即可发生较大的变形，为验证其结构的安全性，需要对其运动特征进行考量。
本文以BIM模型为基础，把知识工程与参数化设计有机地结合起来，采用知识工程原理来组织构件产品数据，通过参数驱动进行幕墙快速建模，提高了幕墙BIM设计的效率和准确性。并对基于BIM模型的仿真进行了分析研究，并通过成功案例对本文的技术进行了说明。
2 、幕墙、门窗运动仿真BIM模型的创建
2.1 幕墙、门窗运动仿真BIM建模信息分类
运动仿真BIM模型与常规BIM模型有一定区别，主要表现在信息的承载方面。一般情况下，模型信息可以分为一般几何信息、参数化几何信息、属性信息、运动关系信息等。运动仿真BIM模型与常规BIM模型、常规3D模型的比较见表1。
表1运动仿真BIM模型与常规BIM模型、常规3D模型的比较
运动仿真BIM模型除具有常规BIM模型信息外还应该具有运动关系信息。这些信息需要在三维模型的基本“单元”中进行信息输入和定制，然后通过软件系统的仿真模块进行仿真，以便达模型展示和设计优化。通过这些参数的设置，还可以在交付的BIM模型中提取这些信息，达到信息传递、交付的目的。
2.2幕墙、门窗运动仿真BIM建模信息创建基本原则
在创建运动仿真BIM模型时仿真关系与特征参数设置应遵循以下基本原则：
(1)选取构件关键参数做为参数化变量。在幕墙设计中应选择那些对幕墙结构、构件形状和装配位置等起决定作用的尺寸做为变量。定义适当的变量后，构件的其它尺寸可以通过公式进行驱动。这样当关键变量被修改时，系统会自动根据公式计算出其它相关的尺寸值，达到自动修改设计的目的。变量应与材料统计、工程算量相关联，应便于设计成果可视化演示，并应满足参数化出图的需要。
(2)建立各个运动零部件间的逻辑关系和运动关系。模型应为产品型式，各个运动构件为部件或零件型式。运动构件分为固定和运动两种。通过变量可以描述相互关系为定轴转动、滑移、沿轨迹运动等，并便于对运动关系进行量化控制。
2.3幕墙、门窗通用标准件和标准构件“单元”知识库定制[3]
幕墙和门窗工程的运动仿真BIM模型通常由若干个通用标准件、标准构件“单元”组成。定制幕墙、门窗通用标准件和标准构件“单元”知识库，能实现幕墙设计标准化，并且提高幕墙设计的正确性和效率。
(1)建立幕墙、门窗通用标准件库。对幕墙、门窗经常使用的标准件、紧固件、连接件(如转接件、挂件、角码等)、五金配件等创建知识库，并建立存储管理机制和调用机制。
(2)定制幕墙、门窗标准构件的特征库和特征关联、尺寸关联库[2]。对预埋件、横梁组件、立柱组件、玻璃组件、石材组件、各类金属板组件、人造板组件等等创建知识库，并建立存储管理机制和调用机制。
(3)建立设计校验知识库。使幕墙设计、加工过程遵循相关国家或地方标准、技术指南等，使参数化设计更加合理、可靠。
3、幕墙(门窗)BIM模型的运动仿真
3.1运动仿真BIM模型的静态装配
运动仿真BIM模型在建立运动机构之前应进行静态装配，具有完整的静态约束和逻辑关系。保证每一个构件具有唯一确定的位置。
3.2 运动副的创建
运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接。两个构件上参与接触而构成运动副的点、线、面等元素被称为运动副元素。运动副分为两类，分别是基础运动副和关联运动副，其中基础运动副用于表征两个零件间的运动关系，如面接触(低副)、点接触(高副)运动副等，关联运动副则是涉及三个零件以上的运动副。
幕墙门窗通常采用转动副、滑动副等。
3.3运动仿真过程的设定
运动仿真是数字样机的重要功能之一，通过构建运动机构模型，分析其运动规律，进行机构的干涉分析;跟踪零件的运动轨迹，进行运动参数分析;寻找零件装配路径，将设计与实际生产联系起来。通过其分析结果，可以有针对性地修改零件的结构设计（词条“结构设计”由行业大百科提供）或调整零件的材料。便于设计者进行方案验证、功能展示、设计定型与结构优化。
在完成运动副创建之后，可以设置运动变量，用于量化各个运动副的变化范围，也可以确定各个运动变量的相互关系，完成需要的运动仿真。图1 是实体样机运行和数字样机仿真结果对比图。
图1实体样机运行和数字样机仿真结果对比图
3.4运动仿真结果的分析
(1)干涉与碰撞检查
碰撞检查是建筑工程中一项常见也是非常重要的环节，分为设计碰撞检查和施工碰撞检查两类。通过BIM软件碰撞检查功能找出构件件的空间碰撞点，并对碰撞性质进行分析，及时发现问题，并在施工前预以解决。达到节省工时，避免不必要的变更与浪费。检查类型分为硬碰撞与间隙碰撞两种，硬碰撞是对于检测两个几何图形间的实际交叉碰撞，而间隙碰撞用于检测制定的几何图形需与另一几何图形具有特定距离。图2是间隙检查的例子。
图2碰撞检查或运动间隙检查
(2)施工进度模拟
施工进度模拟将BIM模型与施工进度计划相链接，将空间信息与时间信息整合在一个可视的4D(3D+时间)模型中，能够直观、精确地反映整个建筑的施工过程，还能够实时追踪当前的进度状态，分析影响进度的因素，协调各专业制定应对措施，以缩短工期、降低成本、提高工程质量。
(3)运动参数及轨迹的测量
在运动仿真过程设定过程中，可以设置测量点，对特定目标进行测定，在机构运动时可以以数据形式输出运动分析结果，供设计这修改模型时参考。
4、成功案例
4.1山东济南某广场开合屋面项目
山东济南某广场项目位于济南市槐荫区腊山河景观带和西客站中央景观轴交汇点。三座塔楼（词条“塔楼”由行业大百科提供）高度分别为110m、200m和150m。为确保擦窗机能够正常工作，在每座塔楼顶部采光顶处设置开合屋面，长度在24m～25m，宽度为4m。为确保建筑物立面效果和开合屋面满足设计性能，中国建筑科学研究院采用BIM建模，创建了数字样机，并进行运动仿真，攻克了全部技术难题，完美实现了保罗·安德鲁“高山流水”的美学意境。
图3 山东济南某广场效果图
图4 山东济南某广场试验样机和数字样机
4.2 阿布扎比投资委员会新总部大楼(远大孟根宝力高提供)
阿布扎比投资委员会新总部大楼位于阿联酋首都阿布扎比25区。建筑总高度145m，由两栋25层办公大楼和裙房组成，是这个地区的独特的关口和地标性建筑。整个工程的总面积为67500平方米。其中塔楼单元面积34000平米，裙楼9520平米，遮阳伞23980平方米。两个主楼包含单元及灯带、遮阳伞。共包含6264樘单元，1000个LED灯及2098个遮阳伞。裙楼包含单元、百叶、石材、亨特板等。其遮阳项目也为世界上最难的新型遮阳项目，能根据需要进行开合变换，采用先进的传动机构，并采用数字样机进行模拟，使设计得到进一步优化，最终达到建筑师的设计效果。见图5。
5、总结
与建筑BIM不同，幕墙和门窗BIM建模最终需要指导构件加工和现场施工安装，因此从建模开始，就应该明确BIM的精度目标，如果需要达到LOD300及以上，一般需要采用机械类计算机软件进行BIM建模。经过本文的研究与讨论，认为：
(1)采用基于知识工程原理的参数化设计方法，将知识融于设计过程，方便地指导设计人员完成幕墙、门窗设计，最终实现智能化CAD，是幕墙BIM的成熟之路。
(2)基于幕墙、门窗标准件和标准“单元”构件的知识库，能够大幅提高幕墙BIM的建模效率，提高幕墙设计的可靠性。
(3)基于幕墙、门窗BIM模型的虚拟装配和运动仿真，能够处理工程中具有运动关系系统的技术难题，是行之有效的解决方案。
参考文献
[1]史忠植.知识工程[M].北京：清华大学出版社，1988
[2]姜仁王严艺韩智勇等.幕墙BIM模型定制技术及其应用.全国幕墙门窗行业论文集，2015.3
[3]姜仁付震韩智勇等.BIM助力幕墙工业化.建筑门窗幕墙创新与发展(2017年卷).北京：中国建材工业出版社，2018.2
[4]刘宏新宋微微等. CATIA数字样机运动仿真详解.北京：机械工业出版社，2013.4
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