结构设计中的参数化应用

　　结构设计中的参数化应用

　　随着建造技术的发展，很多建筑师不满足于传统的建筑造型，越来越多的非线性作品应运而生，并且建筑师开始使用诸如Grasshopper或Dynamo等工具，直接在设计和建模阶段创建参数化模型，这就使得越来越多的结构工程师也开始使用参数化设计工具。

　　参数化设计可以改善以往的结构设计方法，使设计师更容易探索设计空间。参数化设计可以在很短的时间进行精确的计算，根据设置的约束参数或算法，通过计算可以给出最好的结构形式，并提出更优化的设计解决方案。

　　参数化设计甚至可以追溯到19世纪80年代，圣家大教堂的建筑师高迪就采用了参数化的设计思维，在那个非数字化的年代，高迪通过可变模型来推敲设计，将转动的框架和弹性的绳索作为变量，在没有精确数据的条件下，通过在石膏模型上试验得出，这种设计手法与形体的创新，开创了参数化设计的先河。

　　与高迪同时期的詹姆斯·戴纳是最早提出用参数来定义空间几何体，将时间追溯到20世纪60年代，路易吉·莫雷蒂开发了一套数学方程，其中的参数用于分析空间关系。他用这些公式在1962年制定了罗马的城市规划，并且创造了参数化建筑这个术语。

　　第一个使用数学和参数方程的计算机程序，是由著名的Ivan Sutherland在1963年开发的Sketchpad程序。这个程序可以说是CAD(计算机辅助设计)程序的先驱，像我们熟知的Autodesk(1982)。尽管CAD目前是被广泛使用的主流程序，但其仍然存在一些相当严格的约束，使得许多复杂的三维几何图形无法被创建和理解。

　　直到1989年，NURBS(非均匀有理b样条)被开发出来，其突出优点是可以精确的表示二次规则曲线曲面，从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面。随着像Rhino这类技术软件的出现，NURBS逐渐成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术，同时也带动了参数化设计的流行。

　　弗兰克·盖里的作品标志着参数化设计时代的到来，盖里科技在Catia平台上研发了Digital Project，将传统的工业曲面造型设计方法引入到建筑领域，率先在模型的信息管理与分析上进行了大胆的尝试。

　　让这些雕塑感强烈的非线性作品不仅仅是流于表面的美感，而是追求高效率的功能性，这才是参数化设计真正发挥作用的地方，允许设计沿着不同的定量参数变化。

　　非线性的建筑外观流畅自然，对应的结构复杂度和设计难度往往呈几何倍数增长，传统的结构设计方法已经不能满足这种复杂的形式要求，这就要求结构工程师掌握更先进的设计手段与构造思维。参数化软件具有得天独厚的造型控制能力与数据信息处理能力，根据给定的数据或坐标信息，可以很方便的生成三维结构模型，并可直接对其做受力分析与合理性分析。

　　结构设计中的杆件结构分为平面结构和空间结构，在平面结构中，各杆的轴线和外力的作用线都在一个平面内，但是目前很多非线性的设计中，杆件多为复杂的空间结构，各杆的轴线不在同一平面内，此时传统的二维设计思路就需要发生转变，借助参数化设计的方法，不但可以批量生成空间的结构杆件，还可以对杆件的长度模数以及荷载进行优化，同时能够提取全部的下料信息。

　　为了满足结构轻量化的设计要求，结构工程师可以采用数学的方法进行拓扑优化，即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化。拓扑优化相对于传统的尺寸优化和形状优化具有更多的设计自由度，是结构优化最具发展前景的一个方面，也是参数化设计在结构专业的重要应用。

　　空间结构体系中，网架结构以其整体性好、空间刚度大等诸多优点，在各类建筑中都得到了广泛的应用。随着计算方法的提高，网架结构体系得到了逐步的完善，其中有限元法成为了最主要的计算方法，并且其应用已由静力平衡问题扩展到稳定问题，由弹性平面问题扩展到空间问题。

　　通过数字来定义形式，可以创造出自由度很高的结构体系。借助3D打印技术，让复杂的结构形式在小尺寸和大尺寸上都取得了进步。机器人的现成3D打印带来了结构领域的新发展，设计师不需要再考虑如何简化几何形式以满足工艺要求，取而代之的是用更先进的技术将美学和力学融为一体。

　　随着人工智能(AI)的发展，计算机已经能够对输入的参数进行响应，并可计算出无数种不同的迭代结果，结构工程师可以进行多方案对比和不同模型的计算分析，找出结构的薄弱环节。特别像一些高层建筑中，计算中需要考虑地震和风荷载、以及偶然偏心和平扭耦联计算结构的扭转效应。

　　传统的二维图纸已经无法准确表达复杂的三维空间，特别是面对复杂形体的建筑，建筑师是无法凭借一般的工程经验来确定其合理性，这就需要结构工程师在设计初期就参与进来，在搭建结构体系时引入参数化设计，可以对每个节点的位置进行精确定位，并对施工进程进行监控。

　　©中南建筑设计院工程数字技术中心

　　参数化设计的发展与当今一些先锋派设计师的非线性作品的涌现有着相辅相成的关系，结构工程师们很有必要去迎接这个挑战，将参数化设计的思维应用于结构设计与深化中，本文将介绍几个应用参数化设计实践的项目。

　　伦敦水上运动中心

　　伦敦水上运动中心的灵感来自流体的几何形态，形成了与奥林匹克公园的河流景观相一致的空间和环境。巨型的拱起顶棚保持与水池相同的轴线，位于观赛台正上方并且笼罩整个游泳池大厅。顶棚的形态是根据观众视线计算得出的，通过双曲率的几何形态生成了抛物线拱形结构。

　　顶棚起伏的程度体现了竞赛和潜水池不同区域的体量，并向外延伸至室外空间。整个屋顶跨度为160米，最宽处是90米的复合钢屋顶。三个实心混凝土支柱有效的支撑起了重达3000吨的屋顶结构。抛物线拱形的结构在视觉上让人联想到起伏的波浪，与水上运动中心的功能相呼应。

　　云洞图书馆

　　云洞图书馆位于海口市，其建筑设计团队为马岩松带领的MAD建筑事务所，工程设计单位是华东院，特别值得一提的是施工单位为北京益汇达清水建筑工程有限公司，正是有了这样高质量的施工，才会带来如此惊艳的效果，云洞图书馆的建成为我国异形清水混凝土建筑打开了一个全新的开始。

　　建筑采用CNC模板进行混凝土整体浇筑，局部异形复杂结构采用3D打印模板进行浇筑，这样可以解决曲面混凝土墙面施工的精度难题，同时也让建筑的楼板、墙体、天花、结构等浑然一体。该项目对于设备管道的处理也是非常用心，将其放置于混凝土腔体内，这样就不会影响到整体的视觉效果，也无需后期做吊顶进行遮蔽。

　　建筑主体通过三维建模和数控机床制作木模板，在三维异形曲面定位测量中，施工方益汇达团队采用了数字化的施工技术，借助Rhino和Grasshopper提取世界轴网坐标定位，然后计算导出CAD图纸以及EXCEL文档，以此来辅助模板定位，可以在定位盘上完成定型背楞的点位、矢量朝向定位。

　　哈尔滨大剧院

　　哈尔滨大剧院坐落于松花江北岸江畔，宛如飘动的绸带，成为北国延绵的白色地平线的一部分。整个建筑由多种形式的钢结构组成，包括单层网壳、双层网壳、折梁结构等。钢结构在混凝土结构上设置合理的支座与连接，有机结合为一体。

　　杭州奥体中心体育场

　　杭州奥体中心体育场占地面积430亩，总建筑面积22.9万㎡，地上六层，地下一层。整个体育场的莲花造型由55个花瓣组成，其中28片为大花瓣造型，并且一大一小构成一个和谐的单元体。花瓣的间隙留白致敬中国传统的景窗造型，让体育场外部景观自然的融入内部空间。

　　花瓣使用布满直径5毫米小孔的穿孔金属板（铝镁锰板）制成，透光性好，并且可以看到外面的景观，在保证私密性的同时遮挡外面风尘。半透明罩棚随着时间与光影的变化，展现“大莲花”的灵动。体育场采用钢结构框架，钢罩尺寸为南北333米，东西285米，经过多轮调整优化，总用钢量仅2.8万吨，比“鸟巢”减少了1.4万吨。

　　卡塔尔AJ Janoub体育场

　　AJ Janoub体育场是2022年卡塔尔世界杯建造的第一个体育场，该项目的建筑设计方为Zaha Hadid建筑事务所，结构设计方为德国的施莱希工程设计公司（sbp)，该工程事务所的项目内容涵盖了桥梁、膜结构、索结构等相关领域的特殊结构设计。

　　AJ Janoub体育场可容纳4万个座位，其可调式屋顶设计将三角帆船的外壳进行了抽象化的融入，并采用了褶皱式PTFE膜材包层和缆索，在展开时犹如船帆一般覆盖在球场上方。被动式设计、计算机建模和风洞测试的运用使建筑外壳的性能得到了最大限度的提升。

　　屋檐巨大的悬垂处采用了以金属包覆的条形元素，弓形梁支撑屋顶，类似于船体。屋顶和檐下空间使用白色和灰白色的光面进行覆层，使人联想起海里的贝壳。

　　深圳宝安国际机场

　　深圳宝安国际机场的建筑设计方为FUKSAS，结构设计顾问方为KnippersHelbig Engineering。造型灵感来源于深海蝠鲼，一种可以根据呼吸改变自身形态的鱼类。整个机场南北长约1120米，东西宽约为640米，主体采用钢筋混凝土框架结构，整个形体由双层蜂窝状表皮包裹，屋顶采用钢结构。整个工程的工艺流程非常复杂，可以说是一件融合了数字技术于结构技术的艺术珍品。

　　参数化设计贯穿了机场从设计到施工的整个流程，借助Grasshopper首先用圆柱面去拟合圆锥面来确定整个屋顶的定位曲面，然后生成了渐变开洞的外侧表皮，在深化设计阶段，通过参数化优化的手段，降低了玻璃及幕墙板块尺寸的分类。鉴于本项目的异常复杂性，幕墙顾问公司还基于Rhino平台开发了一款专用的单元生成软件。

　　阿那亚“云中心”方案设计

　　阿那亚“云中心”方案位于秦皇岛市，是由MAD建筑事务所发布的方案，其结构设计顾问为中科（北京）建筑规划设计研究院有限公司。该建筑超大的结构悬挑实现了强烈的轻盈感，最大悬挑达到30米，除核心筒外再看不到任何柱体，建筑外立面采用激光打印乳白色超白玻璃，增强了建筑的漂浮感。

　　阿卜杜拉国王金融区地铁站

　　由zaha事务所设计的阿卜杜拉国王金融区地铁站图案花纹灵感来自于沙漠中的沙丘，交错的正弦波通过不断的重复，为该建筑增添了灵动流畅的感觉。外立面钢结构为单层网壳结构，建成后将成为该地区的新地标。

　　阿卜杜拉国王金融区地铁站是通过使用参数化和BIM建模来设计的，得以在现场获取准确的施工模型。波浪形的外观、超高性能混凝土包裹的钢铁结构，可以充分吸收沙漠地区太阳热量。

　　Atyrau Bridge

　　Atyrau Bridge运用了参数化设计手法，并且采用了参数化设计中常见的吸引子思路，将2500个单元体进行了渐变映射，在满足场所功能的前提下，将参数化设计的美感体现的淋漓尽致。Atyrau Bridge的设计灵感来源于当地标志性的鲟鱼形体，将桥体的线条设计的舒展且柔美。

　　©New Moon Architect

　　南京欢乐谷广场与东侧大门设计

　　南京欢乐谷主题乐园的东大门设计是全球最大的改性塑料3D打印建造体，其建筑设计与数字建造方为创盟国际和一造科技，结构设计为谢亿民工程科技有限公司，该公司也是Grasshopper插件Ameba的开发团队。设计团队面临的最大问题是基于参数化设计的拓扑几何形体如何转译为可建造的模式语言，为此还自主研发了FURobot软件平台，将建造转译成机器人加工路径的规划。

　　通过数控激光定位与扫描系统为每个3D打印外挂板进行精确定位，并搭建了数字工地，能够形成全局智能感知与反馈，该项目也成为了全球规模和尺度最大的改性塑料3D打印建筑实践之一。

　　ICD/ITKE研究亭

　　斯图加特的ICD/ITKE亭向人们展示了一种全新的建筑，其建造灵感来自于水蜘蛛的建巢方式。整个结构完全是用机器人编织的碳纤维组成，其设计理念也是基于仿生学在纤维增强结构中的应用研究。通过研究水蜘蛛的生活模式，模拟其水泡支撑结构在遭遇水流变化时承受的压力，是如何保证水泡内的安全和稳定。

　　实际建造过程中，外层的轻薄薄膜在机械产生的空气压力下成型，然后通过机械臂在薄膜内部植入碳纤维束，碳纤维变硬后就成为了主体的受力支撑结构，最终的成果就是一个高性能节省材料的综合构筑物。

　　呼伦贝尔海拉尔机场

　　呼伦贝尔海拉尔机场的主体结构形式为框架柱在二层呈双V形斜撑来支撑屋面，这个形体走向为南高北低，双向波浪式单层网壳屋面的曲面造型呼应具有草原地域文化特征的白云和羊群。鉴于建造难度很大，在实际施工过程中，以屋面网架的尺寸作为基本模数，对铝板的曲率就行分析，将曲率较大的双曲板优化为单曲，将曲率较小的单曲板优化为平板。

　　中国花卉博览竹藤馆

　　中国花卉博览馆位于上海花博园，设计从竹器中找形，选取“茧”为原型，模拟中国传统的编织工艺。该竹藤馆从前期设计到后期施工均采用了参数化设计的手段，将交叉编织单元从平面沿曲面法线方向逐渐扭转，并按照建构层划分的不同，区分了主体钢结构形态骨架与附加受力单元的竹材构件。

　　上海天文馆

　　上海天文馆位于浦东新区的临港新城，其主体结构样式多样，曲线型构件和斜构件种类很多，钢结构部分包含了空间弧形桁架、双层空间桁架、单层网壳。其上部结构采用钢筋混凝土框架，局部采用钢结构和铝合金结构，其中大悬挑钢构和异型梁柱给施工带来了很大问题。

　　为了解决各种问题，工程师在Rhino中进行了仿真的模型搭建，对于逻辑清晰的结构体采用了Grasshopper进行参数化辅助设计。

　　Terra–迪拜世博会可持续展馆

　　Terra可持续馆是2020年迪拜世博会人气最高的三个馆之一，其设计灵感来源于植物的光合作用。建筑的上方从左到右有130米长，相当于五条蓝鲸排成一列，碳纤维在本项目中被大量使用，可以创造处非常复杂且轻量化的结构体。

　　Terra是地球可持续性的拉丁语，展馆表面覆盖着光伏电池，可以吸收太阳的能量，还能从空气中提取淡水，该展馆向世人展示了极端沙漠环境下的可持续生活新方式，也体现出了建筑的无限可能性。

　　长沙梅溪湖国际文化艺术中心

　　长沙梅溪湖国际文化艺术中心是湖南省的地标性建筑，以“芙蓉花”造型为设计灵感，主体结构为框架-钢筋混凝土剪力墙结构，屋面钢结构为异形双曲单层网壳结构，外立面由几万块曲面GRC板组成，室内装修墙面由不规则的渐变GRC拼接而成。

　　梅溪湖项目由于形体非常复杂，外皮结构需要随形布置，结构完成面要与建筑完成面的距离恒定保持在1m，周边斜柱与地面的夹角最小仅为37°，外皮钢柱或网壳同时也是主体结构楼盖的柱。

　　极小曲面装置

　　在数学概念中，极小曲面指的是平均曲率为零的曲面。随着计算机图形学的发展，极小曲面以其丰富的形体变化和流动性，被越来越多的应用于不同的设计领域。极小曲面应用在建筑上可以产生连续流动的曲面，像是台中国家歌剧院就是利用其中的原理。

　　Minima|Maxima装置位于哈萨克斯坦的阿斯塔纳世博会，这个永久性的装置为世博会的繁忙场地提供了一个沉思的场所。装置的外部材料由6毫米超薄铝板组成，如果把一个鸡蛋缩放到与之相同的高度，鸡蛋的外壳甚至要更厚一些。起伏的形体使装置显得柔软而轻盈，从底部褶皱过渡到平滑连续的双曲表面，为整个装置带来了更多的结构细节。

　　木结构装置及建筑

　　木结构建筑或构筑物作为一种传统的构造体系，其构件预制化程度很高，这也与参数化设计中的模数思维不谋而合。传统的二维平面施工图思维导致复杂的木构件加工难度很大，但是随着三维技术的发展，目前已经实现了很多参数化主导的木结构建筑及装置。其中隈研吾事务所和板茂事务所的作品堪称木结构设计中的先锋派，其最终目标是通过技术手段减少在实际操作中对环境的影响及对材料的消耗。

　　由板茂设计的蓬皮杜梅斯中心展馆，其结构形式采用了木制的网壳结构，可以很容易的在二维方向产生弯曲，是一种理想的壳体荷载结构。借助Grasshopper强大的数据处理能力，可以对每个木构件进行数字模拟和分组编号，对于更复杂的结构也可搭配机械臂或建筑机器人共同作业。

（此文为部分节选）