結合衍生式設計與橋梁美學在橋梁設計中的應用

宋福春，李光宇，李正坤，呂貴芳

(1.沈陽建筑大學 交通工程學院 沈陽市 110168; 2.沈陽建筑大學 管理學院 沈陽市 110168;3.百川偉業(yè)建筑科技股份有限公司 天津市 300450)

0 引言

在我國各個領域高速發(fā)展的今天，衍生式設計逐漸被大家所認知。在技術和工具的成熟后，許多數(shù)字建筑因此得以被設計和建造出來，不少知名建筑師都大量運用設計運算技術，他們在復雜建筑結構造型的反復推敲過程及驗證眾多生成的結果，在某種程度來說，也符合衍生設計的定義。本文致力于研究衍生式設計在橋梁領域中的具體應用。

為了使橋梁形體與周圍的環(huán)境相互統(tǒng)一，相互和諧，同時又要達到實用與安全的功能，在衍生式設計的基礎上添加了橋梁美學、鏤空藝術和光影藝術多種美學元素，對橋面上部的空間形體進行設計。在橋梁美學中，鏤空技法也經常被應用在設計作品當中，它以獨特的方式去提升橋梁結構的美學特性(例如：高度重復、韻律、節(jié)奏等)。而鏤空技法的應用便離不開光影現(xiàn)象，隨著一天之中太陽的升起與降落，光線的角度和強度會隨之變化而變化，形成不同的光影效果，與橋梁整體的美感相互呼應。

1 基于衍生式設計軟件的建模工具開發(fā)

1.1 衍生式設計

衍生式設計步驟如下：

(1)設計師根據(jù)重量、成本、材料、體積和強度等約束條件輸入要求。

(2)計算機使用算法和AI生成數(shù)千種設計，同時對每種設計進行性能分析。

(3)設計師在需要時改變設計目標，控制設計的迭代循環(huán)。計算機使用其AI來創(chuàng)建預先驗證的解決方案。

(4)導出文件并生成原型。如果設計師對結果不滿意，或者希望探索其他選項，可以根據(jù)需要重復步驟(3)。

以上大致就是衍生設計的系統(tǒng)形成過程。

1.2 整體建模工具開發(fā)過程

首先，選擇不同功能的幾何功能模塊進行合理的連接，來描述構件之間的關系。在坐標原點處自動創(chuàng)建控制點。

其次，在不同功能的幾何模塊中，嵌入條件語句和循環(huán)語句執(zhí)行形成結構點的指令，直至約束條件不成立后進程結束，反復核算，直至運算通過。

設置點的生成軌跡，按照生成點的軌跡關鍵節(jié)點進編寫程序(圖1)。

在變量調節(jié)模塊列表中調用相符合的參數(shù)控制開關，對整體結構進行全面的參數(shù)控制，反復調試直至沒有錯誤出現(xiàn)。最終建模初步設計完成，通過將程序語言與軟件的功能相結合，快速地將模型以點排列的方式(圖2)，勾勒出模型框架。

1.3 二元性方案建模工具的開發(fā)

高度重復單元組成的結構是一種獨立的三維結構，通常由一個復雜的格架組成，它由簡單的結構單元組成，而結構單元又由三個或更多的斜桿組成，形成單個單元。然而這種結構由于其簡單、美觀和易于排列而具有美觀性，創(chuàng)建這樣的結構既困難又復雜。但是使用可視化編程功能與語言編程功能，便可以輕易實現(xiàn)不同的二元性方案。采用所開發(fā)的二元性方案的建模工具，從一系列不同復雜程度的高度重復單元結構中選取一種。

圖3中第一行圖形是重復結構單元。第三行圖形是旋轉對稱的棋盤式平鋪網格，從圖3中可以看出，如果用單元以及棋盤式平鋪網格相結合，單元對棋盤式平鋪網格進行填充，便可以得到圖上顯示的不同的結構形式。通過這樣的類比，可以得出以下結論:通過定義語法規(guī)則，按照相應的平鋪方式，則生成這種二元性方案。

二元性方案建模工具開發(fā)完成(圖4)。

1.4 生成備選方案及建模工具開發(fā)流程

通過調整基本的參數(shù)和構件之間的關聯(lián)關系，給予所有變量參數(shù)不同的約束條件，包括不同方向上點的生成軌跡、二元性方案疏密程度和構件尺寸等約束條件，由電腦快速生成備選方案。

由于篇幅有限，所以只展示出以下幾種生成方案(圖5)。

接下來選取第二種設計方案結合橋梁美學，鏤空式設計、光影藝術等方面對結構的美觀性進行討論。

2 結合美學對結構美感方面的探討

將橋梁美學、鏤空藝術、光影藝術等美學理論融入結構設計中，將美感與技術相結合，將橋梁結構的形式美充分地展示出來。

2.1 側面結構設計

首先用編程完成的二元性方案進行平鋪，二元性方案被用來鑲嵌一個平面(圖6)，與節(jié)奏中有規(guī)律的重復互相呼應，通過控制參數(shù)進一步優(yōu)化得到的形式正與韻律中的有規(guī)律的起伏相對應。

最后通過衍生式設計建模工具將提升到3D(圖7)。

為了保證二元性方案的鑲嵌是連貫的，系統(tǒng)首先驗證指定的二元性方案可以生成2D棋盤式鑲嵌;然后對三維交叉網格結構進行優(yōu)化，進一步保證得到的結構在三維空間內的總體連貫性，再通過調整控制參數(shù)，使三維空間內的結構達到完全連續(xù)的狀態(tài)(圖8)。

在古今中外的很多橋梁中，都可以找到節(jié)奏感與韻律感的蹤跡，這是建筑物能產生協(xié)調美的關鍵。在橋梁側面結構的設計中，加入了橋梁美學中節(jié)奏與韻律元素，而采用更加簡單，高度重復單元，不僅提高了結構的整體美觀性，更為后面的光影美感方面做下鋪墊。

2.2 頂部結構設計

具體設計思路與結構側面設計相同，調整變量控制模塊中的曲線參數(shù)對其進行調節(jié)，在頂部結構的構造中加入兩個方向的曲線控制參數(shù)，提升到3D(圖9)。

將頂部結構與側面結構連接在一起，形成初步整體結構(圖10)。

在整體上看，首先，雖然結合了節(jié)奏與韻律元素，但是結構形體形成后，在行車與行人舒適度方面具有極大的局限性，通過結構形體的行人會產生壓抑、拘束的感受。其次，形體的總體設計手法比較單一，而在一種結構的設計中也應存在復雜與簡單的對立關系，并且復雜與簡單本身就是對立與統(tǒng)一的關系且始終不可分割。由此，在原結構基礎之上進行了頂部鏤空設計，減少行人壓抑、拘束的感受，增強整體設計多樣性。

2.3 結構頂部優(yōu)化設計與光影模擬

為了改變行人通過此部分結構時的負面感受，對頂部結構結合鏤空技法進行進一步的優(yōu)化設計，在結構設計中結合鏤空藝術會使結構的空間整體塑造形式產生質的改變，從而使結構美感表現(xiàn)力得到充分的提高。在結構的頂部設計上我們決定將結構頂部二元性方案與簡單的幾何形體進行合理的組合，做進一步的優(yōu)化設計。

將頂部結構與一個橢圓形進行結合，用橢圓對頂部結構挖空，進行鏤空設計(圖11)，同時結合鏤空設計來提升整體設計的創(chuàng)新性和審美性。

頂部鏤空設計完成后，對太陽的日出直至日落的過程中對橋面上部結構投影的變化進行光影模擬，隨著一天中太陽方位的改變對其光線的影響，其光線角度、強度所產生的變化投影在橋面上部的結構上所產生的投影也會隨著時間的變化而產生虛實、疏密、遠近等多種形態(tài)，使空間結構的形態(tài)變得極為豐富(圖12)。

在橋面上部的結構設計中，空間與光影相互作用所產生的美感在空間結構中是非常具有價值的地方。在結構空間中，光影的作用不僅是照明，隨著一天中時間的變化，光影跟隨著變動，如此便賦予了光影生命的內涵，如果光只發(fā)揮采光的作用，那么光影的內涵也將會消失，因此光影與空間結構的關系是密不可分的，探究光影在空間結構中的作用與內涵也是極為重要的。

3 結論

以上總結了衍生式設計結合多種美學元素所能給結構設計帶來的豐富多彩的形式美的表現(xiàn)力，這是結合了現(xiàn)在科學技術與新的設計理念而生成的一種全新的設計方式。

衍生式設計的作品是探索一種全新的設計理念，結合多種美學元素給作品賦予更多內涵?，F(xiàn)代的設計理念發(fā)生著巨大的轉變，人工智能在設計中所占比重越來越高。而衍生式設計方式正是這個大環(huán)境下的產物，同時也是最適合結合美學來進行結構設計的方法之一。

盡管目前還沒有在橋梁領域進行應用，不可否認的是衍生式設計的方式的確為橋梁的設計帶來了全新的思路。