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来源： 结构札记 ；作者：严从志

社会的发展致使建筑不断的复杂化，这种复杂化不仅包括功能的复杂化，还包括形式的复杂化。形式的复杂化最直接的体现就是以弗兰克.盖里、扎哈.哈迪德等为代表的以不规则曲面为建筑形体处理手法的建筑师。这种现象出现的直接原因是先进计算机技术的发展。

  一、建筑参数化设计的起源

人类历史上发生过三次参数化浪潮：

（1）秦朝时期秦始皇下令统一全国度量衡，开始有了较为准确并且标准相同的度量衡。

（2）宋代时期借助图纸来展开设计，建筑行业的图纸设计方式由此开始。

（3）借助计算机等技术进行的参数化设计。

现代参数化设计的基本思想起源于上世纪70年代末，是基于计算机辅助设计技术之上一种全新的设计方式。参数化设计的思想最早是应用在工业设计、生产、制造等方面，例如飞机、船舶的设计制造等。

■ 利用Catia制作的波音飞机参数化模型

到上世纪90年代初，国外建筑师开始对参数化设计在建筑设计领域的应用进行探索，例如英国建筑联盟学院AA、荷兰FOA事务所以及建筑师格雷格.林恩、弗兰克.盖里、扎哈.哈迪德等。

建筑的参数化设计的趋向，一种是基于复杂性科学理论的趋向。对建筑作品复杂性的表达受制于大脑的空间想象能力，而参数化技术提供了一种方法。即设定初始参数、施加影响因子、设置生成逻辑，最终由参数化生成图解信息，如平面的构图关系，形体的生长趋势，建筑的形态雏形等。例如格雷格.林恩、弗兰克.盖里、扎哈.哈迪德等。

■细胞自动生成的建筑形体

另一种趋势是作为一种优化设计过程，解决设计问题的工具，以更加合理和便利的方式处理在传统建筑设计中存在的复杂问题。

例如北京的凤凰中心，是一个典型的莫比乌斯环形态，利用莫比乌斯环的逻辑关系，可以快速生成建筑形体。

■北京凤凰中心（BIAD)

去年刚刚完工的北京丽泽SOHO，  延续了扎哈一贯的风格。

■丽泽soho（Zaha Hadid）

■丽泽soho（Zaha Hadid）

■阿利耶夫文化中心（Zaha Hadid）

■梦露大厦（MAD）

■哈尔滨大剧院（MAD）

■北京大兴国际机场（Zaha Hadid）

■哈尔滨国际机场（MAD）

  二、结构设计的挑战与探索

参数化设计给建筑设计带来了极大方便，他们认为建筑设计应该是没有僵硬的形式，不是简单的重复，不是孤立的，不相关的元素的拼贴，建筑形式应该是柔软的，是连续渐变的。但这对我们结构设计带来了极大的挑战。

我们的结构规范要求我们的结构布置尽量对称、结构简单、传力路径直接，我们的规范中对结构指标的规定也都是规则的建筑形体提出的。对于像北京凤凰中心这样异形建筑，基本没法套用规范。

同时，对于这种异形建筑，很多时候用传统方法建模计算，也是非常费力的。特别是在方案阶段，建筑外型不稳定，往往我们刚刚还没配完一个方案，建筑体型又变了。所谓”建筑一条线，结构两行泪”。

因此，针对这种异形建筑，我们只能拥抱到参数化的浪潮中。结合建筑体型的特征，根据建筑与结构的逻辑关系，建立参数化的结构模型。这样不仅可以大大提高我们的设计效率，也能更好的帮助我们在前期比选方案。

例如上文中的北京凤凰中心，我们根据建筑表皮的走势，沿着建筑表皮，建立纵向和径向的结构构件。

■北京凤凰中心

■梦露大厦

ARUP、SOM在超高层结构参数化设计方面研究比较深入。对于超高层结构，在方案初期，建筑表皮、高度、楼层数往往都存在较大变数。传统建模方法工作量巨大，但是由于其逻辑关系比较明了。根据建筑表皮和结构之间的逻辑关系，可以方便确定结构几何模型。

当建筑外皮固定时，ARUP根据已有的建筑外皮，可以快速得到不同的结构体系方案，并自动进行比选；

■超高层结构体系选型（ARUP）

下图是自动比选不同的抗侧力体系，并自动比选各方案的质量、位移等整体指标；

■抗侧力体系选型

■抗侧力体系选型（ARUP）

下图是中信金融中心的抗侧力体系（米歇尔桁架）的优化过程；

■中信金融中心（SOM）

下图是长沙冰雪世界结构布置的自动优化过程；

■长沙冰雪世界结构布置的优化（B+G）

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目前常用的结构参数化工具

Rhino是最常用的参数化建模工具之一。对于一些不规则、异形的复杂形态的建筑建模，正是Rhino的优势所在，因此大多数结构参数化工具是以Rhino为平台。

（1）Karamba3D

Karamba3D是基于grasshopper的一款有限元分析（FEA）插件，主要应用于结构分析与优化，结合gh中遗传算法或者退火算法，可以对结构布置进行自动优化。

（2）Kangaroo

在grasshopper上的插件，主要功能是进行动力学分析及运算。例如利用circle packing处理曲面转化均匀网格。目前这个插件已经被Rhino收购，在最新的Rhino中会内置这个插件。

（3）Salamander

Salamander是ARUP发布的一款免费插件，可以自动将rhino模型导入到etabs、GWA以及Robot中。在众多项目中得到了应用，后文中将会进行相关介绍。

■Salamander 3

（4）Ameba

Ameba是谢亿民院士根据双向渐进结构优化法（BESO），研发的基于该算法的拓扑优化设计软件。可根据设计需要，对初始设计区域施加力学等边界条件，通过软件计算进行优化，求解时设计区域会像变形虫那样进化成各种形状，最终获得传力合理且仿生的形态。

由于超高层结构的逻辑关系较为明确，不少的超高层结构设计中已经不同深度的采用参数化设计,列举几个探索的案例。

（1）宁波恒大中心

宁波恒大中心结构高度450m，采用的是框架核心筒结构体系。

首先是在rhino中建立了结构几何模型，ARUP通过Salamander 生成了包含结构信息的几何模型-参数化结构模型。通过模型转换编辑器将模型转换成文本形式导入分析软件( ETABS) 进行结构分析。 分析模型完成分析后，通过各指标的评价，人工调整建筑信息以及参数化模型中的参数，以重新更新结构分析模型，进行下一次迭代分析。

■宁波恒大中心参数化流程

（2）中国华润大厦（春笋）

春笋高度392.5m，同样是利用arup开发的Salamander 插件建立参数化结构模型。通过模型转换编辑器将模型转换成文本形式导入分析软件( ETABS) 进行结构分析。

■中国华润大厦（春笋）参数化流程

（3）中国尊

中国尊高度528.5m，同样是利用arup开发的Salamander 建立参数化结构模型。通过模型转换编辑器将模型转换成文本形式导入分析软件( ETABS) 进行结构分析。

■中国尊参数化流程

（4）上海中心

上海中心高度632m。

■上海中心参数化模型

  三、建筑与结构模型的联结

结构参数化设计的第一步，是要根据建筑和结构之间逻辑关系，得到包含结构信息的几何模型的参数化，然后我们可以通过一定途径实现结构几何模型和有限元模型的关联，这个过程可以利用上文中介绍的已有插件，例如salamander，亦或可以自己编写。

■结构参数化设计流程

小编在探索的过程中，尝试写了一些可用的工具：

（1）RTE工具：Rhino to Etabs

（2）RTS工具：Rhino to Sap2000

（3）RTM工具：Rhino to Midas Gen

RHINO TO ETABS

在超高层结构设计中，ETABS是我们最常用的结构计算软件之一。

首先是根据建筑和结构之间逻辑关系，得到包含结构信息的几何模型，结构信息包含结构的荷载、截面、设置等信息，我们可利用API直接与有限元模型进行关联，或者可以根据e2k文件作为中间桥梁，建立关联信息。

■建筑与结构模型关联流程

利用API设置关联的优势是有限元模型可以实时反应建筑的调整，缺点是当模型较大时，反应比较迟钝。而利用e2k文件进行关联的好处是，对计算机配置要求不高，不会卡顿，并且可以反向读取已有结构模型的设置或几何信息，可以实现对结构模型的局部更新，并保留原有的设置信息，缺点是并不是实时反应。

■RTE工具示意

（1）超高层结构比选

我们以下面一个案例来演示说明。

结构高度：283m

结构体系：混凝土框架-核心筒结构

分区：分为六区，每10层一个加强层，墙柱截面每区收进一次。

外框柱沿高度逐渐旋转180度。

■案例典型平面

当建筑外型固定时，我们还可以快速进行方案比选，比如上面这个案例中，我们可以选择：8柱的巨型结构方案、12柱、16柱的稀柱方案，亦或是20柱、40柱的密柱方案，我们可以在grasshopper中设置好参数以快速得到不同的方案，我们可以很快的从结构效率、结构经济性等角度得到最合适的结构体系。（为演示方便，我们将斜柱简化为直柱，巨型结构体系中也未考虑伸臂环带等）。

■结构体系比选

RHINO TO SAP2000

对于空间结构，比如机场、体育场等建筑，我们常用的计算软件主要是SAP2000。我们也可以按照之前的思路，将结构几何模型在rhino中参数化之后，与SAP2000在设置关联。同样我们举两个例子来进行说明。

（1）大跨结构

为演示方便，我们选用单层的Geodesic、Kiewitt网壳结构，跨度、矢高以及分段数的参数都可以调节，我们可以看到，当网壳参数变化时，可以快速得到SAP2000的计算模型。

（2）高层结构

对于高层结构，只要我们的几何模型确立好，也可以与SAP200设置关联。我们继续采用上文中超高层案例，进行演示。

RHINO TO MIDAS GEN

同理，对于MIDAS，也可以按照相同方法实现。

对于我们常用的结构计算软件均可以实现结构几何模型与有限元模型的关联，并且可以得到不错的结果。

  四、后续工作

建筑与结构模型的参数化联结是实现结构参数化设计的前提，也是小编和同事在结构参数化设计之路上迈出的第一步。与建筑设计一样，小编也希望借助参数化手段更加游刃有余的实现更优的结构设计目标，并且尝试探索结构设计新的可能性。也欢迎感兴趣的各位共同探讨。

参考资料：        

[1] 马志良. 建筑参数化设计发展及应用的趋向性研究[D]. 浙江大学, 2014.

[2] 陈寿恒. 高层建筑参数化设计[J]. 城市建筑, 2010(10).

[3] 任振华. 建筑复杂形体参数化设计初探[D]. 华南理工大学, 2010.

[4] 奥京. 基于几何逻辑的复杂建筑形态控制[D]. 清华大学.

[5] 以三维模型为工作对象的结构方案设计关键技术研究. 华东建筑设计研究总院.

[6] www.karamba3d.com

[7] www.ameba.xieym.com/

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