基于數(shù)字化平臺的建筑結(jié)構(gòu)設計研究

李 偉

（云南省交通規(guī)劃設計研究院 650011）

1 現(xiàn)階段數(shù)字化設計平臺發(fā)展現(xiàn)狀

信息的數(shù)字化在現(xiàn)代社會已經(jīng)成為一種趨勢，在建筑領域同樣應用的相當廣泛。近年來，很多城市建設了眾多外形造型絢麗讓人嘆為觀止的建筑物，給人帶來了新奇的視覺享受。然后，這些建筑卻面臨著新的問題。不管建筑外形如何變幻，卻離不開最基礎的結(jié)構(gòu)支撐問題，需要解決外在形式、內(nèi)在結(jié)構(gòu)、建筑功能和美感之間矛盾。雖然數(shù)字化能夠在設計中引入較為復雜的數(shù)學和物理模型，將文字化的圖標轉(zhuǎn)變?yōu)槿S圖像，為設計師提供更豐富的思維空間，但最多是外形的參數(shù)，缺乏控制結(jié)構(gòu)的參數(shù)，使得所設計的建筑方案缺乏有效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在施工階段增加了施工難度，過多的浪費人力、物力，甚至一些方案根本無法實施。

很多人認為，過分重視建筑結(jié)構(gòu)會制約外在設計的創(chuàng)造，對建筑形式的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。但是如果沒有科學的建筑結(jié)構(gòu)的支撐再好的建筑外形只能流于形式而缺乏質(zhì)量，甚至有可能只能是畫餅充饑，難以實施。因而設計的數(shù)字化發(fā)展還需要重視建筑結(jié)構(gòu)的設計，兩者并重，只有這樣才能設計出完美的作品，建造完美的建筑工程。

2 建筑結(jié)構(gòu)設計數(shù)字化的意義

建筑結(jié)構(gòu)的功能，一方面可以抗衡來自地球的引力；另一方面，在建筑物本身。它由平面形體或者是空間形體組建而來。這些建筑除了在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面有一定機理之外，其外部形態(tài)還可以轉(zhuǎn)化為一些具體的數(shù)字。然后就可以把這些數(shù)字應用到建筑設計中。換句話說，假如一個建筑形態(tài)的數(shù)字參數(shù)可以被很好的發(fā)現(xiàn)，進而應用到一些建筑設計中，那么這些建筑在有質(zhì)量保證的同時，還會有一些新奇的外觀。

3 數(shù)字化平臺應用于建筑結(jié)構(gòu)設計的發(fā)展方向

明了這些道理之后，我們要面對的問題變得十分明了，那就是怎么巧妙的安排這些結(jié)構(gòu)數(shù)字。因此，我們要解決的就是數(shù)字化平臺的建設問題。首先，我們要明確平臺的性質(zhì)：1.它要具備不同的軟件，接收來自外界的消息；2.要具備把不一樣的消息進行整合或者是把一類的消息根據(jù)一定原則進行挑選和分類的能力；3.可以迅速正確的對信息進行研究分析。這些性質(zhì)給平臺帶來了一定的優(yōu)勢和缺點。因此，它的優(yōu)勢就是：1.可以對眾多的數(shù)據(jù)資料進行分析；2.對資料實行多步相同或者類似操作。它的缺點是不擅長對少數(shù)數(shù)據(jù)分開實行多種不同的換算或者實行不能量化的操作。因此，依據(jù)上文的分析，我們要解決的問題就成了什么類型的建筑結(jié)構(gòu)適合被用于數(shù)字化設計。

3.1 仿生結(jié)構(gòu)

自然界生物的結(jié)構(gòu)，一般由自身基因與外部環(huán)境共同影響形成，而且這些結(jié)構(gòu)一般由眾多細胞組成，它們具有鮮明的重復或者漸變特點，這些特點正好和數(shù)字化平臺的長處完全契合。下面的這些例子大約可以準確表現(xiàn)這一點。

（1）樹形結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)是自然界中自復制成長結(jié)構(gòu)最具有代表性的一種，它和數(shù)學理論中的“L型系統(tǒng)”模型相照應。這種數(shù)學模型（如圖1）其實就是要對同一等式進行多次替代。它的具體運行過程共分兩個階段：一、列出一個能夠進行多次替代的等式；二、設立替代的次數(shù)并且對等式進行換算。這兩個階段與數(shù)字化的優(yōu)勢相符合，可以運用到數(shù)字化平臺的建設過程。

圖1 樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型圖解

（2）海螺結(jié)構(gòu)

海螺結(jié)構(gòu)在自然界中具有比較堅固的特點。它擁有這種特點，不單是因為其構(gòu)成材料——碳酸鈣，比較堅硬；同時還因為其空間結(jié)構(gòu)具有受力上的優(yōu)勢。分析其結(jié)構(gòu)，它表面上的每一個質(zhì)點都可以對受到的壓力進行拉壓，而不是正面應力。其結(jié)構(gòu)上的這種特點主要是因為其結(jié)構(gòu)上接近完美的形態(tài)。對其切面進行研究，可以發(fā)現(xiàn)，那基本上就是“黃金螺旋線”（如圖2），這組螺旋線中包含著一個符合黃金比例的運算數(shù)列，那就是斐波那契數(shù)列。

圖2 海螺剖面

3.2 幾何形體的重復排列

幾何形體一般具有一維、二維或者三維結(jié)構(gòu)。這些形體均能夠通過一些數(shù)字表現(xiàn)出來，應用到數(shù)字化應用平臺。如圖3，它是對六邊形與空間四面體結(jié)構(gòu)進行研究，構(gòu)建的一個接近于拱形的建筑結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在建筑中是比較常見的一種組成方式。與此同時，這兩種幾何形體構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)，還具備很好的傳力性能。從結(jié)構(gòu)的截面上看，外圍上的圓筒憑借連續(xù)排列的六邊形轉(zhuǎn)移壓力，同時，又通過空間四面體來避免結(jié)構(gòu)表面的變形，這些都增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。這個結(jié)構(gòu)綜合使用了數(shù)字化和受力理論，是我們使用數(shù)字化平臺和建筑結(jié)構(gòu)的完美組合。

圖3 六邊形與空間四面體框架在拱形圓筒上分布的結(jié)構(gòu)

3.3 外結(jié)構(gòu)

建筑的外觀結(jié)構(gòu)設計不僅要考慮建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化問題，它同時也是建筑外觀和整個建筑設計的一部分。建筑外觀結(jié)構(gòu)的設計，既要保證外觀的合理，同時又保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的豐富，我們可以從下邊幾個方面來做：首先要具備適合的建筑形體，保證這個建筑形體具備穩(wěn)定的重心。這樣建筑的外部形體才會堅固；其次，對建筑結(jié)構(gòu)的外觀進行受力分析，找出受力比較大的地方；最后，尋找與這種形體符合并且具備這些功能的結(jié)構(gòu)，根據(jù)受力情況的分布來安排這些結(jié)構(gòu)。

對建筑的外形有了比較合理的安排之后，我們就可以構(gòu)建很多不同的、符合這些建筑外形的建筑外觀結(jié)構(gòu)。從下面的這個外觀結(jié)構(gòu)可以看出，在保證建筑外結(jié)構(gòu)的重心平衡之后，要對它的受力情況進行有限元分析，把這些分析進行總結(jié)，在結(jié)構(gòu)的表面構(gòu)成受力點陣，這些結(jié)構(gòu)受力越大的地方、點陣分布的越密（圖中紅色部分），反之，則越?。▓D中藍色區(qū)域）。我們在對建筑外結(jié)構(gòu)進行設計的時候，就可以根據(jù)這些點陣的分布進行設計操作（如圖4）。

圖4 受力的有限元分析并形成空間 voronoi 結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

目前，建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化方面的研究還剛剛起步，在將來的建筑界，還會有很多的結(jié)構(gòu)和數(shù)字化平臺相結(jié)合。建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化之后，不僅可以對建筑的受力情況進行分析，同時也可以推動整個建筑界的數(shù)字化發(fā)展。在數(shù)字化發(fā)展的過程中，還會遇到很多的機遇和挑戰(zhàn)，我們只要沉著應對，就一定可以化挑戰(zhàn)為機遇，促進建筑數(shù)字化的發(fā)展。

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