淺談建筑結構的數(shù)字化建造與拓撲優(yōu)化設計

摘 要：在建筑結構的數(shù)字化建造時代中，人類將利用3D打印等數(shù)字化建造技術實現(xiàn)密度、強度、質量高度可控的材料柔性分布體系，使更多的靈感與創(chuàng)意成為真實。在隨之而來的數(shù)字化結構性能生形時代中，以拓撲優(yōu)化方法為核心的數(shù)字化設計工具將極大地拓寬建筑結構的設計空間，使結構語言在建筑空間形態(tài)中實現(xiàn)更和諧完美的詮釋。文章對當前國內外3D打印建造技術與建筑拓撲優(yōu)化設計的研究與應用狀況進行了介紹。

關鍵詞：建筑結構；數(shù)字化建造；3D打??；拓撲優(yōu)化

縱觀建筑結構歷史的發(fā)展，變革往往來自背后的設計方法與建造工具，如透視法對文藝復興的影響，切石法對巴洛克的推動，軸側畫法對現(xiàn)代主義的作用，而現(xiàn)如今，隨著建造的操作主體經歷手工、傳統(tǒng)機械、數(shù)控機械乃至3D打印機的轉化，建造的操作對象從傳統(tǒng)磚混材料向先進復合材料發(fā)展，同時結合由計算機技術孕育而生的參數(shù)化設計、算法化設計，毫無疑問地，建筑結構的數(shù)字化設計與建造時代已經到來。

1 3D打印

作為建筑結構數(shù)字化建造中極其重要的組成部分，3D打印是以設計模型的三維數(shù)據為基礎，采用材料逐漸累加的方法生成三維實體的技術，因此又被稱為增材制造。作為第三次工業(yè)革命的重要標志，3D打印目前已廣泛應用于航空航天、汽車、醫(yī)療、珠寶、玩具等行業(yè)領域，對傳統(tǒng)社會生產造成巨大沖擊，成為公認的將改變人類未來的創(chuàng)造性技術。

與傳統(tǒng)的建筑結構建造方式相比，3D打印方式具有可實現(xiàn)高度復雜結構的自由生長成形、極大地減少施工工序、縮短施工周期、降低施工成本、環(huán)保節(jié)能等突出優(yōu)點，并且可以極大地拓寬建筑結構的設計空間，使建筑師更多的靈感與創(chuàng)意成為真實。

目前，輪廓工藝、D-Shape、自由形式建造是國際上建筑結構領域最被寄予厚望的三大3D打印技術。

美國南加州大學的Khoshnevis教授所提出的輪廓工藝研究項目已獲得美國宇航局NASA的資助，用于測試并評估采用輪廓工藝在月球上快速就地取材，批量建造住所、實驗室以及其它設施的可能性。Khoshnevis教授指出，在2050年左右，建筑結構的3D打印將會成為一種成熟的技術。

由意大利發(fā)明家Enrico Dini發(fā)明的D-Shape打印機使用的原料主要是砂與鎂基膠而非混凝土，建造出來的建筑結構質地類似于大理石，這種新型材料由于其堅固的微結晶結構而表現(xiàn)出良好的密實度和抗拉強度。

自由形式建造工藝是由英國拉夫堡大學創(chuàng)新和建筑研究中心提出的，并得到英國工程和自然科學研究委員會、福斯特建筑設計事務所等的資助與合作。

2014年，上海青浦張江工業(yè)園，我國的盈創(chuàng)建筑科技有限公司（以下簡稱盈創(chuàng)）采用自主研發(fā)的全球最大建筑3D打印機在24小時內打印了10棟房屋。2015年初，盈創(chuàng)又宣布打印出一棟15米高的六層住宅，以及作為上海浦東湯臣一品售樓處的1100平方米三層別墅。該別墅的建筑成本約100萬元人民幣，3D打印所用材料為回收的建筑垃圾、玻璃纖維以及高強混凝土。

2014年，奧雅納工程顧問（以下簡稱奧雅納）為荷蘭海牙的某項目設計張拉整體結構，但由于整個結構和電纜構成的網絡過于錯綜復雜，導致結構中處處存在著不規(guī)則連接與特殊結構角度，即1200個鋼節(jié)點各不相同。奧雅納的工程師們嘗試解放受傳統(tǒng)機械加工工藝束縛的設計思路，通過對鋼節(jié)點進行純力學意義上的優(yōu)化設計，得到相比傳統(tǒng)設計節(jié)省約75%材料的異形鋼節(jié)點，并利用選擇性激光燒結3D打印技術生產出了這些復雜的異形鋼節(jié)點。

2 拓撲優(yōu)化

正如奧雅納的工程師將3D打印技術與結構優(yōu)化結合起來從而充分享受到了自由設計的巨大優(yōu)勢，哈佛大學設計研究院的帕納約蒂斯教授也指出，數(shù)字化建造技術最重要的貢獻并不在于讓人類更易于建造復雜的建筑結構，而在于脫離建筑結構的拼裝體系、連接建構體系從而達到材料柔性分布體系。帕納約蒂斯教授認為，3D打印技術允許材料在空間中更加連續(xù)地復合在一起，同時建造出具有材料層級的結構，尤其是在多重材料打印技術的輔助下，將可以制造出各點材料屬性不一的結構。

帕納約蒂斯.米哈拉托斯教授基于連續(xù)體拓撲優(yōu)化等結構優(yōu)化方法，在參數(shù)化設計工具Grasshopper中開發(fā)出插件Millipede，允許建筑師在方案設計階段融入結構性能優(yōu)化的概念，使結構性能分析工具與建筑形態(tài)生成工具一體化。

作為數(shù)字化結構性能生形工具Millipede的算法原理之一，連續(xù)體拓撲優(yōu)化是過去二十多年里結構多學科優(yōu)化領域最熱門的研究方向。連續(xù)體拓撲優(yōu)化是指在指定的設計區(qū)域內，給定荷載與邊界條件，在一定的約束條件下，通過改變結構的拓撲形式或者說材料布局，使結構的某種性能指標達到最優(yōu)。目前最常見的連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法有SIMP法、水平集法、ESO/BESO法等。連續(xù)體拓撲優(yōu)化方法在航空航天、汽車、機械等行業(yè)早已成為概念設計的有力工具，而對于采用3D打印技術建造的建筑結構，作為其數(shù)字化結構性能生形工具更是極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2004年，大森博司等在日本的芥川河畔辦公樓項目中使用擴展ESO算法對該樓的西、南、北三個立面進行拓撲優(yōu)化設計。2005年，磯崎新和佐佐木睦郎使用BESO算法對卡塔爾國際會議中心長達250m的入口進行拓撲優(yōu)化設計。謝億民等與澳大利亞BKK建筑事務所使用BESO算法對澳大利亞某城際高速公路凈跨72m的步行橋進行概念設計，同時還采用殼體單元優(yōu)化得到穿孔殼管設計，通過引入不同的周期性幾何約束調整出精彩各異的設計方案。2014年，Lauren等采用變密度法并考慮對稱約束與模式重復約束，實現(xiàn)超高層建筑的斜撐布局優(yōu)化。

3 結語

在建筑結構的數(shù)字化設計與建造時代中，人類將告別傳統(tǒng)的梁板柱構件拼裝體系，利用3D打印技術等數(shù)字化建造技術實現(xiàn)性能更優(yōu)更可控的材料柔性分布體系，使更多的靈感與創(chuàng)意成為真實。同時，以拓撲優(yōu)化方法為核心的建筑結構數(shù)字化設計工具將極大地拓寬建筑結構的設計空間，使結構性能化設計與建筑美學設計進一步融合。

參考文獻

[1] Lim S，Buswell R A，Le T T，et al.Developments in construction-scale additive manufacturing processes[J].Automation in Construction，2011，21（01）：262-268.

[2] 帕納約蒂斯·米哈拉托斯，閆超.柔度漸變在設計過程與教學中重新引入結構思考[J].時代建筑，2014（05）：26-33.

[3] 牛飛，劉鵬，張浩等.結構拓撲優(yōu)化綜述[A].中國cae工程分析技術年會會議[C].2014.

作者簡介：李祖宇（1991- ），男，廣東茂名人，碩士，華南理工大學土木與交通學院，研究方向：建筑結構優(yōu)化。