以數(shù)字化平臺為基礎(chǔ)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

肖明

（中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

伴隨著科技水平的不斷進步，我國工程領(lǐng)域的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用水平得到了前所未有的提升，毫無疑問這給建筑形式的不斷豐富帶來了廣闊的發(fā)展前景，同時也產(chǎn)生諸多新的挑戰(zhàn)，問題主要集中于各種外形美觀建筑在數(shù)字化設(shè)計過程中沒有合理的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為支撐而不能實現(xiàn)。面對這種情況應(yīng)該充分了解數(shù)字化平臺的特點，依次為基礎(chǔ)尋找與之相適應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并作為數(shù)字化建筑設(shè)計中的重要元素，充分發(fā)揮數(shù)字化平臺的優(yōu)勢設(shè)計出更多可以變?yōu)楝F(xiàn)實的建筑作品，進一步提升建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性及合理性。

1 數(shù)字化平臺的特點分析

數(shù)字化平臺是由不同類型軟件組合而成，以此接收海量信息，隨后按照相應(yīng)原則對這些信息進行分類整合，這也就說明數(shù)字化平臺具備信息甄別和分類功能，當(dāng)然還可以及時對正確信息進行分析和深入研究。數(shù)字化平臺這些特點也就使其具備以下兩方面優(yōu)勢，一方面可以同時對諸多數(shù)據(jù)資料和信息進行分析和處理，另一方面可以對資料進行進行多步相同處操作或者類似操作。然而任何事情都具備兩面性，數(shù)字化平臺亦是如此，在具備上述優(yōu)勢的同時，數(shù)字化平臺還存在不擅長對部分數(shù)據(jù)信息分別進行各種不同換算、數(shù)據(jù)分別進行不同類型換算不能及時量化等弊端，為此設(shè)計師需要熟練掌握何種類型的建筑結(jié)構(gòu)比較適用數(shù)字化設(shè)計[1]。

2 數(shù)字化建筑面對的機遇和挑戰(zhàn)

2.1 機遇

2.1.1 結(jié)構(gòu)數(shù)字化

在建筑設(shè)計過程中，堅固、實用以及美觀是其設(shè)計要素，由此可見既然是要素那么也就缺一不可。絕大多數(shù)設(shè)計人員在進行數(shù)字化設(shè)計時往往以不同形式依據(jù)作為重要參數(shù)，然而幾乎不會融入結(jié)構(gòu)參數(shù)對建筑生成進行有效控制，而這種設(shè)計只會產(chǎn)生一個后果，即造成建筑結(jié)構(gòu)合理性及經(jīng)濟性的匱乏，另外還有部分設(shè)計人員提出在數(shù)字化建筑設(shè)計過程中應(yīng)該打破以往傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性，采用更加跳脫的設(shè)計手段，然而以這種思維方式為導(dǎo)向設(shè)計出的建筑方案往往由于結(jié)構(gòu)不能達到現(xiàn)實的承重要求而無法實現(xiàn)。在這種局面下可以從其他角度思考問題，數(shù)字化設(shè)計也好，傳統(tǒng)設(shè)計也罷，無非是對不同幾何形態(tài)予以簡單或者復(fù)雜的處理設(shè)計，并且無論哪種幾何形態(tài)都隱藏著一定的結(jié)構(gòu)原理，可以將這些作為設(shè)計元素運用其中，那么也就可以充分利用有著較強結(jié)構(gòu)性能的平面或者空間幾何形態(tài)進行數(shù)字化建筑設(shè)計。另外通過對不同類型幾何形態(tài)所具備的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進行深入探究，結(jié)構(gòu)則不會成為建筑數(shù)字化設(shè)計的攔路虎，反倒可以成為捷徑。例如日本著名建筑師伊東豐雄在對蛇形畫廊進行設(shè)計時就是將諸多方形疊加起來，進而形成三角形，并以其為設(shè)計元素，同時運用這種幾何形態(tài)固有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，提升建筑結(jié)構(gòu)的合理性及多變性。

2.1.2 數(shù)字化同樣需要允許有一定的誤差

其實有很多時候某些數(shù)字化建筑不但可以滿足功能等客觀方面的需求，而且其結(jié)構(gòu)體系也十分合理，然而就是很難實施，究其主要原因則是絕大多數(shù)數(shù)字化建筑設(shè)計結(jié)構(gòu)十分繁冗，設(shè)計精準度要求也隨著復(fù)雜程度的提升不斷增加，加之施工過程中會存在一定誤差，其可能存在于各個環(huán)節(jié)，例如溫度變化造成構(gòu)建伸縮、安裝誤差等，這些誤差無法采取措施從根本上消除，故而如果數(shù)字化建筑設(shè)計根據(jù)其復(fù)雜程度對精準性有更高要求，那么在實施起來難度也會大大升級，在很大程度上增加建設(shè)成本費用。就拿廣州歌劇院來說，其外形猶如圓潤雙礫，在珠江邊十分奪目，雖然外形美觀，但是建設(shè)單位在建筑過程中為其投入大量精力，且其中還有部分建造還需求依托機械臂才能完成，而實際上很少有建筑項目有著如此大的投資，導(dǎo)致這類建筑幾乎沒有大規(guī)模建設(shè)的可能，因此，從經(jīng)濟性的成本的角度來說，需要逐步弱化建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。而數(shù)字化建筑設(shè)計最顯著的特點就是可以處理不同的復(fù)雜信息，建筑復(fù)雜程度較高，實行起來難度較大。因此需要在制定數(shù)字化設(shè)計方案時，為某些數(shù)據(jù)信息預(yù)留一定的誤差范圍，不必準確到某個數(shù)值，只要施工過程中各項參數(shù)保持在合理誤差范圍以內(nèi)，不僅可以降低原有施工難度，也不會對建筑外觀及承重能力產(chǎn)生任何影響。

2.2 挑戰(zhàn)

我國工程界目前在數(shù)字化設(shè)計軟件以及信息數(shù)字化方式上投入大量精力，并且每年都會組織開展不同規(guī)模的數(shù)字化設(shè)計競賽，越來越多的建筑設(shè)計企業(yè)在設(shè)計中融入現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)。但是這樣僅僅局限在競賽中，現(xiàn)實中進行建設(shè)的設(shè)計方案少之又少，需要對數(shù)字化建筑的設(shè)計步驟進行分析才能發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵所在。數(shù)字化建筑設(shè)計步驟如下：①根據(jù)前期調(diào)查研究工作對所收集的相關(guān)信息進行分析和梳理，例如地質(zhì)條件、功能、地域文化等。②對上述數(shù)據(jù)信息進行數(shù)字化處理。③充分運用數(shù)字化平臺，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、形式以及業(yè)務(wù)要求，科學(xué)選擇數(shù)字語言系統(tǒng)，從眾多數(shù)據(jù)中篩選有價值的信息，計算并進行驗證后形成建筑信息模型。通過對數(shù)字化建筑設(shè)計步驟進行分析，同時結(jié)合相關(guān)方案可以看出，導(dǎo)致數(shù)字化建筑不能廣泛實施的原因主要包括3 個方面，首先是所獲得信息缺乏全面性，并且信息數(shù)字化處理方式不夠合理，或者沒有完善的驗證系統(tǒng)作為強力支撐，以上種種都會造成設(shè)計中信息得不到充分利用，或者計算結(jié)果不能為原有地形以及功能提供相應(yīng)的信息支持；其次，未將結(jié)構(gòu)參數(shù)融入數(shù)字化設(shè)計當(dāng)中，導(dǎo)致建筑信息模型因結(jié)構(gòu)不合理而不能實施建設(shè)；最后，大部分建筑方案對施工準確度要求較高，普通的施工工藝和技術(shù)不能滿足其要求。在面對以上問題是應(yīng)該積極尋找問題原因，嘗試深挖這些挑戰(zhàn)背后隱藏的新契機。

3 數(shù)字技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生的驅(qū)動作用

3.1 改變數(shù)字化設(shè)計模式，推動數(shù)字性能化發(fā)展

現(xiàn)代化發(fā)展趨勢下，我國逐步加大了對計算機科學(xué)、材料科學(xué)、以及機械工程等與建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)緊密相關(guān)的學(xué)科的研究力度，提出了新型的“性能化”設(shè)計思想，并將其作為數(shù)字化設(shè)計的重點研究方向，就現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域發(fā)展情況分析，許多純粹的“形式主義”數(shù)字化設(shè)計已被“性能化”設(shè)計所取代。

結(jié)合性能化設(shè)計發(fā)展需求分析，其目的在于通過控制建筑形式幾何的內(nèi)在參數(shù)與外部因素互動并生成形式，但這一目的的實現(xiàn)還需處于特定的邏輯系統(tǒng)控制之下。該領(lǐng)域建筑師在滿足充分明確性能化目標的前提下，完成感性形式的操作與優(yōu)化，突破原有純粹自主的形式邏輯，賦予其半自主的性能化優(yōu)勢。建筑結(jié)構(gòu)性能化、環(huán)境性能化以及行為性能化已成為我國建筑形式發(fā)展的重要考慮目標，也對建筑形式的根本性意義也產(chǎn)生了較大沖擊，建筑工程師在進行建筑設(shè)計時更多考慮到了材料節(jié)省性、環(huán)境友好性以及人類行為貼切性，為建筑學(xué)發(fā)展拓展了新的空間。受益于數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，工程師也就建筑復(fù)雜性與可持續(xù)性等問題，提出了更高效、更精確的解決方案，這位為建筑學(xué)在數(shù)字性能化方向的發(fā)展起到了有效推動作用。

3.2 突破數(shù)字化建造技術(shù)，創(chuàng)建數(shù)字性能化結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代化建造技術(shù)的發(fā)展，3D 打印、機器人建造等技術(shù)迎來了新的發(fā)展契機，其應(yīng)用技術(shù)水平與施工質(zhì)量都得到了很大的提高。傳統(tǒng)數(shù)字建筑發(fā)展中的運算生成與物質(zhì)實現(xiàn)之間的缺陷，也隨著數(shù)字建造技術(shù)的應(yīng)用逐漸消失。在數(shù)字建造技術(shù)不斷發(fā)展歷程中，以機器人建造為主的一系列建造技術(shù)也不再局限于純粹的工具范圍，建筑師只有不斷對建筑設(shè)計理念進行更新，完成建筑設(shè)計方式優(yōu)化，重新對現(xiàn)代化背景下的建造技術(shù)進行定義，才能對數(shù)字建筑領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化未來有明確評判。

這里需要重點提及機器人建造技術(shù)，作為一個開放性較強的工具平臺，各建筑師可將材料性能與設(shè)計需求作為機器人工具端的定制參考條件，為新一代建筑師創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新發(fā)展環(huán)境，實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)化與新型文化內(nèi)容的融合。在此推動下，數(shù)字設(shè)計平臺也完成了對機器人工具端各方面的融合，打破了傳統(tǒng)數(shù)字化性能設(shè)計的局限，切實提高建筑生產(chǎn)過程的工作效率。某種意義上來說，機器人數(shù)字建造技術(shù)與性能化設(shè)計方法發(fā)融合發(fā)展已成為新時期“性能化建構(gòu)”的核心發(fā)展理念，為數(shù)字時代建筑建構(gòu)文化提供了新的發(fā)展方向。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中數(shù)字化平臺運用的方向

4.1 仿生結(jié)構(gòu)

仿生結(jié)構(gòu)類型主要包括人物、動物、植物以及其他各色景物造型，例如水波紋理以及不同類型植物表層的肌理等，應(yīng)用數(shù)字化平臺，可以較快捷地將各種仿生結(jié)構(gòu)運用于建筑設(shè)計當(dāng)中。

4.1.1 樹形結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)是自然界當(dāng)中可以自復(fù)制成長結(jié)構(gòu)的典型代表，并且其還與數(shù)學(xué)理論內(nèi)容中的“L 型系統(tǒng)”模型相互呼應(yīng)，其實這種數(shù)學(xué)模型并不難理解，也就是對同一等式反復(fù)進行多次替換，該模型在運行過程中主要包括羅列可以進行多次替換的等式、設(shè)定替換次數(shù)并做好等式換算工作兩個階段，而這兩個階段皆與數(shù)字化優(yōu)勢相匹配，因此可以較為方便地運用于數(shù)字化平臺建設(shè)當(dāng)中，并取得良好效果。

4.1.2 海螺結(jié)構(gòu)

在自然界中，海螺結(jié)構(gòu)堅固性特點顯著，其之所以具備這一優(yōu)勢并非僅是碳酸鈣這種構(gòu)成材料比較堅硬，其在空間結(jié)構(gòu)上擁有受力優(yōu)勢。通過分析發(fā)現(xiàn)海螺結(jié)構(gòu)表層上的任意質(zhì)點都可以在壓力的影響下拉壓，但是需要注意并非是正面應(yīng)力，主要是因為結(jié)構(gòu)形態(tài)近乎完美，進而賦予海螺結(jié)構(gòu)這這一特點。同時深入探究其切面不難發(fā)現(xiàn)，其剖面呈黃金螺旋線，其中蘊藏著與黃金比例相吻合的運算數(shù)列，也就是黃金分割數(shù)列，該數(shù)列還可以表達為F0=0，F(xiàn)1=1，F(xiàn)n=Fn-1+Fn-2，只需要將特定參數(shù)加入其中就形成了我們所說的黃金螺旋線，把這些螺旋線銜接成網(wǎng)狀，進而形成課題結(jié)構(gòu)，這個過程也就是對上述數(shù)列進行多步運算的過程，且與數(shù)字化平臺的特點相吻合[2]。

4.2 幾何形體的重復(fù)排列

幾何形體一般可分為一維、二維以及三維等形式，無論屬于哪一種形體都可以通過數(shù)據(jù)在數(shù)字化平臺中展現(xiàn)出來，隨后采用力學(xué)方式來對這些幾何形體予以空間排列，在此基礎(chǔ)上形成建筑結(jié)構(gòu)，同時確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性及合理性，通常情況下在空間排列后組合成六邊形以及四面體框架[3]。這種建筑結(jié)構(gòu)的剖面類似于拱形，在建筑結(jié)構(gòu)中屬于比較合理的結(jié)構(gòu)類型之一，不管是正六邊形還是空間四面體都是擁有較強傳力性能的集合形態(tài)，其中將六邊形不斷在拱形圓筒上重復(fù)排列，以此達到傳遞應(yīng)力的目的，與此同時聯(lián)合空間四面體增強殼面抗拉能力，以免受到巨大外力作用而出現(xiàn)變形等不良現(xiàn)象，使這種建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高于其他類型，有著雙重防護。

4.3 外結(jié)構(gòu)

在對建筑外觀結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時除了要考慮建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計，同時還應(yīng)該將數(shù)字化問題作為建筑外觀甚至整個建筑設(shè)計的重要內(nèi)容，在確保建筑外觀科學(xué)性的同時，提升其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性。而要想實現(xiàn)這一目的需要將以下方面作為切入點：①建筑形體一定要適宜、恰當(dāng)，只有這樣才能保證其重心穩(wěn)定，牢固其外形。②對整個建筑結(jié)構(gòu)外觀的受力狀況進行系統(tǒng)分析，準確尋找受力最大的區(qū)域。③根據(jù)建筑形體尋找與其相匹配并且具備相應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)，同時綜合受力狀況對這些結(jié)構(gòu)進行合理布局[4]。待完成建筑外形布局之后，設(shè)計出不同類型同時還與建筑外形相一致的外觀結(jié)構(gòu)，通過下圖外觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，保證建筑外結(jié)構(gòu)重心穩(wěn)定還遠遠不夠，還應(yīng)該利用有限元對其受力狀況進行分析和模擬，根據(jù)最終結(jié)果形成受力點陣，其中結(jié)構(gòu)承受力最大的區(qū)域點陣分布也就越密集，相反則稀疏，這些受力點陣的分布狀況就是建筑外結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要依據(jù)[5]。

5 結(jié)語

就當(dāng)前情況而言，我國在建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化發(fā)展方面的研究還處于初始階段，但是在不久的將來一定會有更多建筑結(jié)構(gòu)與數(shù)字化平臺高效融合，在實現(xiàn)建筑數(shù)字化后既可以全面系統(tǒng)的了解和分析建筑結(jié)構(gòu)整體受力狀況，還對建筑領(lǐng)域的數(shù)字化發(fā)展產(chǎn)生重要的促進作用。建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化發(fā)展過程中勢必會遇到各種機遇和挑戰(zhàn)，無論如何都應(yīng)該冷靜應(yīng)對，將挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨韮?yōu)勢，為建筑數(shù)字化發(fā)展提供更多助力。