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建筑与结构的参数联结---结构参数化设计探索

发布于：2021-04-14 15:30:14 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

社会的发展致使建筑不断的复杂化，这种复杂化不仅包括功能的复杂化，还包括形式的复杂化。形式的复杂化最直接的体现就是以弗兰克.盖里、扎哈.哈迪德等为代表的以不规则曲面为建筑形体处理手法的建筑师。这种现象出现的直接原因是先进计算机技术的发展。

一、建筑参数化设计的起源

人类历史上发生过三次参数化浪潮：

（1）秦朝时期秦始皇下令统一全国度量衡，开始有了较为准确并且标准相同的度量衡。

（2）宋代时期借助图纸来展开设计，建筑行业的图纸设计方式由此开始。

（3）借助计算机等技术进行的参数化设计。

现代参数化设计的基本思想起源于上世纪70年代末，是基于计算机辅助设计技术之上一种全新的设计方式。参数化设计的思想最早是应用在工业设计、生产、制造等方面，例如飞机、船舶的设计制造等。

■ 利用Catia制作的波音飞机参数化模型

到上世纪90年代初，国外建筑师开始对参数化设计在建筑设计领域的应用进行探索，例如英国建筑联盟学院AA、荷兰FOA事务所以及建筑师格雷格.林恩、弗兰克.盖里、扎哈.哈迪德等。

建筑的参数化设计的趋向，一种是基于复杂性科学理论的趋向。对建筑作品复杂性的表达受制于大脑的空间想象能力，而参数化技术提供了一种方法。即设定初始参数、施加影响因子、设置生成逻辑，最终由参数化生成图解信息，如平面的构图关系，形体的生长趋势，建筑的形态雏形等。例如格雷格.林恩、弗兰克.盖里、扎哈.哈迪德等。

■ 细胞自动生成的建筑形体

另一种趋势是作为一种优化设计过程，解决设计问题的工具，以更加合理和便利的方式处理在传统建筑设计中存在的复杂问题。

例如北京的凤凰中心，是一个典型的莫比乌斯环形态，利用莫比乌斯环的逻辑关系，可以快速生成建筑形体。

■ 北京凤凰中心（BIAD)

去年刚刚完工的北京丽泽SOHO，延续了扎哈一贯的风格。

■ 丽泽soho（ Zaha Hadid ）

■ 阿利耶夫文化中心（ Zaha Hadid ）

■ 梦露大厦（MAD）

■ 哈尔滨大剧院（MAD）

■北京大兴国际机场（ Zaha Hadid ）

■ 哈尔滨国际机场（MAD）

二、结构设计的挑战与探索

参数化设计给建筑设计带来了极大方便，他们认为建筑设计应该是没有僵硬的形式，不是简单的重复，不是孤立的，不相关的元素的拼贴，建筑形式应该是柔软的，是连续渐变的。但这对我们结构设计带来了极大的挑战。

我们的结构规范要求我们的结构布置尽量对称、结构简单、传力路径直接，我们的规范中对结构指标的规定也都是规则的建筑形体提出的。对于像北京凤凰中心这样异形建筑，基本没法套用规范。

同时，对于这种异形建筑，很多时候用传统方法建模计算，也是非常费力的。特别是在方案阶段，建筑外型不稳定，往往我们刚刚还没配完一个方案，建筑体型又变了。所谓"建筑一条线，结构两行泪"。

因此，针对这种异形建筑，我们只能拥抱到参数化的浪潮中。结合建筑体型的特征，根据建筑与结构的逻辑关系，建立参数化的结构模型。这样不仅可以大大提高我们的设计效率，也能更好的帮助我们在前期比选方案。

例如上文中的北京凤凰中心，我们根据建筑表皮的走势，沿着建筑表皮，建立纵向和径向的结构构件。

■ 北京凤凰中心

■ 梦露大厦

ARUP、SOM在超高层结构参数化设计方面研究比较深入。对于超高层结构，在方案初期，建筑表皮、高度、楼层数往往都存在较大变数。传统建模方法工作量巨大，但是由于其逻辑关系比较明了。根据建筑表皮和结构之间的逻辑关系，可以方便确定结构几何模型。

当建筑外皮固定时，ARUP根据已有的建筑外皮，可以快速得到不同的结构体系方案，并自动进行比选；

■ 超高层结构体系选型（ARUP）

下图是自动比选不同的抗侧力体系，并自动比选各方案的质量、位移等整体指标；

■ 抗侧力体系选型

■ 抗侧力体系选型（ARUP）

下图是中信金融中心的抗侧力体系（米歇尔桁架）的优化过程；

■ 中信金融中心（SOM）

下图是长沙冰雪世界结构布置的自动优化过程；

■ 长沙冰雪世界结构布置的优化（B+G）

目前常用的结构参数化工具

Rhino是最常用的参数化建模工具之一。对于一些不规则、异形的复杂形态的建筑建模，正是Rhino的优势所在，因此大多数结构参数化工具是以Rhino为平台。

（1）Karamba3D

Karamba3D是基于grasshopper的一款有限元分析（FEA）插件，主要应用于结构分析与优化，结合gh中遗传算法或者退火算法，可以对结构布置进行自动优化。

（2）Kangaroo

在grasshopper上的插件，主要功能是进行动力学分析及运算。例如利用circle packing处理曲面转化均匀网格。目前这个插件已经被Rhino收购，在最新的Rhino中会内置这个插件。

（3） Salamander

Salamander 是ARUP发布的一款免费插件，可以自动将rhino模型导入到etabs、GWA以及Robot中。在众多项目中得到了应用，后文中将会进行相关介绍。

■ Salamander 3

（4）Ameba

Ameba是谢亿民院士根据双向渐进结构优化法（BESO），研发的基于该算法的拓扑优化设计软件。可根据设计需要，对初始设计区域施加力学等边界条件，通过软件计算进行优化，求解时设计区域会像变形虫那样进化成各种形状，最终获得传力合理且仿生的形态。

由于超高层结构的逻辑关系较为明确，不少的超高层结构设计中已经不同深度的采用参数化设计,列举几个探索的案例。

（1）宁波恒大中心

宁波恒大中心结构高度450m，采用的是框架核心筒结构体系。

首先是在rhino中建立了结构几何模型，ARUP通过Salamander 生成了包含结构信息的几何模型-参数化结构模型。通过模型转换编辑器将模型转换成文本形式导入分析软件( ETABS) 进行结构分析。分析模型完成分析后，通过各指标的评价，人工调整建筑信息以及参数化模型中的参数，以重新更新结构分析模型，进行下一次迭代分析。

■ 宁波恒大中心参数化流程

（2）中国华润大厦（春笋）

春笋高度392.5m，同样是利用arup开发的Salamander 插件建立参数化结构模型。通过模型转换编辑器将模型转换成文本形式导入分析软件( ETABS) 进行结构分析。

■ 中国华润大厦（春笋）参数化流程

（3）中国尊

中国尊高度528.5m，同样是利用arup开发的Salamander 建立参数化结构模型。通过模型转换编辑器将模型转换成文本形式导入分析软件( ETABS) 进行结构分析。

■ 中国尊参数化流程

（4）上海中心

上海中心高度632m。

■ 上海中心参数化模型

三、建筑与结构模型的联结

结构参数化设计的第一步，是要根据建筑和结构之间逻辑关系，得到包含结构信息的几何模型的参数化，然后我们可以通过一定途径实现结构几何模型和有限元模型的关联，这个过程可以利用上文中介绍的已有插件，例如salamander，亦或可以自己编写。

■ 结构参数化设计流程

小编在探索的过程中，尝试写了一些可用的工具：

（1）RTE工具：Rhino to Etabs

（2）RTS工具：Rhino to Sap2000

（3）RTM工具：Rhino to Midas Gen

RHINO TO ETABS

在超高层结构设计中，ETABS是我们最常用的结构计算软件之一。

首先是根据建筑和结构之间逻辑关系，得到包含结构信息的几何模型，结构信息包含结构的荷载、截面、设置等信息，我们可利用API直接与有限元模型进行关联，或者可以根据e2k文件作为中间桥梁，建立关联信息。

■ 建筑与结构模型关联流程

利用API设置关联的优势是有限元模型可以实时反应建筑的调整，缺点是当模型较大时，反应比较迟钝。而利用e2k文件进行关联的好处是，对计算机配置要求不高，不会卡顿，并且可以反向读取已有结构模型的设置或几何信息，可以实现对结构模型的局部更新，并保留原有的设置信息，缺点是并不是实时反应。

■RTE工具示意

（1）超高层结构比选

我们以下面一个案例来演示说明。

结构高度：283m

结构体系：混凝土框架-核心筒结构

分区：分为六区，每10层一个加强层，墙柱截面每区收进一次。

外框柱沿高度逐渐旋转180度。

■ 案例典型平面

当建筑外型固定时，我们还可以快速进行方案比选，比如上面这个案例中，我们可以选择：8柱的巨型结构方案、12柱、16柱的稀柱方案，亦或是20柱、40柱的密柱方案，我们可以在grasshopper中设置好参数以快速得到不同的方案，我们可以很快的从结构效率、结构经济性等角度得到最合适的结构体系。（为演示方便，我们将斜柱简化为直柱，巨型结构体系中也未考虑伸臂环带等）。