参数化设计可以改善以往的转自:结构小站-公众号方法,使设计师更容易探索设计空间。参数化设计可以在很短的时间进行精确的计算,根据设置的约束参数或算法,通过计算可以给出最好的结构形式,并提出更优化的设计解决方案。
参数化设计甚至可以追溯到19世纪80年代,圣家大教堂的建筑师高迪就采用了参数化的设计思维,在那个非数字化的年代,高迪通过可变模型来推敲设计,将转动的框架和弹性的绳索作为变量,在没有精确数据的条件下,通过在石膏模型上试验得出,这种设计手法与形体的创新,开创了参数化设计的先河。
与高迪同时期的詹姆斯·戴纳是最早提出用参数来定义空间几何体,将时间追溯到20世纪60年代,路易吉·莫雷蒂开发了一套数学方程,其中的参数用于分析空间关系。他用这些公式在1962年制定了罗马的城市规划,并且创造了参数化建筑这个术语。
第一个使用数学和参数方程的计算机程序,是由著名的Ivan Sutherland在1963年开发的Sketchpad程序。这个程序可以说是CAD(计算机辅助设计)程序的先驱,像我们熟知的Autodesk(1982)。尽管CAD目前是被广泛使用的主流程序,但其仍然存在一些相当严格的约束,使得许多复杂的三维几何图形无法被创建和理解。
弗兰克·盖里的作品标志着参数化设计时代的到来,盖里科技在Catia平台上研发了Digital Project,将传统的工业曲面造型设计方法引入到建筑领域,率先在模型的信息管理与分析上进行了大胆的尝试。
让这些雕塑感强烈的非线性作品不仅仅是流于表面的美感,而是追求高效率的功能性,这才是参数化设计真正发挥作用的地方,允许设计沿着不同的定量参数变化。
非线性的建筑外观流畅自然,对应的结构复杂度和设计难度往往呈几何倍数增长,传统的转自:结构小站-公众号方法已经不能满足这种复杂的形式要求,这就要求结构工程师掌握更先进的设计手段与构造思维。参数化软件具有得天独厚的造型控制能力与数据信息处理能力,根据给定的数据或坐标信息,可以很方便的生成三维结构模型,并可直接对其做受力分析与合理性分析。
为了满足结构轻量化的设计要求,结构工程师可以采用数学的方法进行拓扑优化,即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标,在给定的区域内对材料分布进行优化。拓扑优化相对于传统的尺寸优化和形状优化具有更多的设计自由度,是结构优化最具发展前景的一个方面,也是参数化设计在结构专业的重要应用。
空间结构体系中,网架结构以其整体性好、空间刚度大等诸多优点,在各类建筑中都得到了广泛的应用。随着计算方法的提高,网架结构体系得到了逐步的完善,其中有限元法成为了最主要的计算方法,并且其应用已由静力平衡问题扩展到稳定问题,由弹性平面问题扩展到空间问题。
通过数字来定义形式,可以创造出自由度很高的结构体系。借助3D打印技术,让复杂的结构形式在小尺寸和大尺寸上都取得了进步。机器人的现成3D打印带来了结构领域的新发展,设计师不需要再考虑如何简化几何形式以满足工艺要求,取而代之的是用更先进的技术将美学和力学融为一体。
随着人工智能(AI)的发展,计算机已经能够对输入的参数进行响应,并可计算出无数种不同的迭代结果,结构工程师可以进行多方案对比和不同模型的计算分析,找出结构的薄弱环节。特别像一些高层建筑中,计算中需要考虑地震和风荷载、以及偶然偏心和平扭耦联计算结构的扭转效应。
传统的二维图纸已经无法准确表达复杂的三维空间,特别是面对复杂形体的建筑,建筑师是无法凭借一般的工程经验来确定其合理性,这就需要结构工程师在设计初期就参与进来,在搭建结构体系时引入参数化设计,可以对每个节点的位置进行精确定位,并对施工进程进行监控。
© 中南建筑设计院工程数字技术中心
参数化设计的发展与当今一些先锋派设计师的非线性作品的涌现有着相辅相成的关系,结构工程师们很有必要去迎接这个挑战,将参数化设计的思维应用于转自:结构小站-公众号与深化中,本文将介绍几个应用参数化设计实践的项目。
伦敦水上运动中心
伦敦水上运动中心的灵感来自流体的几何形态,形成了与奥林匹克公园的河流景观相一致的空间和环境。巨型的拱起顶棚保持与水池相同的轴线,位于观赛台正上方并且笼罩整个游泳池大厅。顶棚的形态是根据观众视线计算得出的,通过双曲率的几何形态生成了抛物线拱形结构。
云洞图书馆
哈尔滨大剧院
杭州奥体中心体育场
卡塔尔AJ Janoub体育场
深圳宝安国际机场
深圳宝安国际机场的建筑设计方为FUKSAS,转自:结构小站-公众号顾问方为KnippersHelbig Engineering。造型灵感来源于深海蝠鲼,一种可以根据呼吸改变自身形态的鱼类。整个机场南北长约1120米,东西宽约为640米,主体采用钢筋混凝土框架结构,整个形体由双层蜂窝状表皮包裹,屋顶采用钢结构。整个工程的工艺流程非常复杂,可以说是一件融合了数字技术于结构技术的艺术珍品。
阿那亚“云中心”方案设计
阿卜杜拉国王金融区地铁站
Atyrau Bridge
Atyrau Bridge运用了参数化设计手法,并且采用了参数化设计中常见的吸引子思路,将2500个单元体进行了渐变映射,在满足场所功能的前提下,将参数化设计的美感体现的淋漓尽致。Atyrau Bridge的设计灵感来源于当地标志性的鲟鱼形体,将桥体的线条设计的舒展且柔美。
© New Moon Architect
南京欢乐谷广场与东侧大门设计
ICD/ITKE研究亭
实际建造过程中,外层的轻薄薄膜在机械产生的空气压力下成型,然后通过机械臂在薄膜内部植入碳纤维束,碳纤维变硬后就成为了主体的受力支撑结构,最终的成果就是一个高性能节省材料的综合构筑物。
呼伦贝尔海拉尔机场
中国花卉博览竹藤馆
上海天文馆
Terra – 迪拜世博会可持续展馆
长沙梅溪湖国际文化艺术中心
极小曲面装置
在数学概念中,极小曲面指的是平均曲率为零的曲面。随着计算机图形学的发展,极小曲面以其丰富的形体变化和流动性,被越来越多的应用于不同的设计领域。极小曲面应用在建筑上可以产生连续流动的曲面,像是台中国家歌剧院就是利用其中的原理。
木结构装置及建筑
由板茂设计的蓬皮杜梅斯中心展馆,其结构形式采用了木制的网壳结构,可以很容易的在二维方向产生弯曲,是一种理想的壳体荷载结构。借助Grasshopper强大的数据处理能力,可以对每个木构件进行数字模拟和分组编号,对于更复杂的结构也可搭配机械臂或建筑机器人共同作业。
结构外露类
凤凰国际传媒中心的方案创意来自于西方数学经典的立体几何模型“莫比乌斯环”,其主体结构为钢筋混凝土结构,外壳采用复杂空间曲面的钢结构体系,将两个混凝土楼连在一起。包括钢结构和混凝土的整体模型采用MIDAS和PKPM软件建模,该模型用于结构的整体分析。
鸟巢国家体育场是典型的钢结构外露案例,整体形体由巨型马鞍形钢桁架编织而成,其中屋顶的主桁架相互交叉,与顶面和立面的次结构共同编织生成整个结构体系。由于钢结构的几何构型异常复杂,普通的建筑类软件已无法满足要求,设计团队直接采用了工业设计类软件CATIA对其进行参数化建模,这也是CATIA软件在中国建筑工程中的首次使用。
以Rhino和Grasshopper为平台的参数化应用,通过设置参数或算法,给转自:结构小站-公众号带来了诸多变革,本文将介绍一些转自:结构小站-公众号中常用的插件以及应用实例。
Ameba
国产插件Ameba由谢亿民团队开发,基于ESO算法发展出的扩展渐进结构优化法,Ameba不仅具有拓扑优化功能,还有强大的网格优化功能。目前该插件的版本已更新至2.0,在Rhino平台形成了完整的“前处理—云计算—后处理”设计工具。
© Ameba谢亿民科技
拓扑优化通过显示材料的分布情况,可在设计空间找到最佳的分布方案,并提供精简的转自:结构小站-公众号指导。借助有限元分析提供的建议,可将优化结果逐步演化为最终的产品,这也改变了传统结构工程师的设计思维。
© 证大喜马拉雅中心
随着3D打印等数字化建造技术以及有限元技术的发展,建筑的空间将不再拘泥于传统的格局。将拓扑优化的方法应用于建筑转自:结构小站-公众号,能够使结构本身就具有强有力的艺术表现力,同时允许设计师在方案初期即可引入结构优化的理念。在满足受力要求的情况下,将设计中的多余材料减去,能够很大程度上缩短工程周期与节约成本。
RhinoBim
RhinoBim是为建筑行业开发的一套建筑转自:结构小站-公众号、分析插件。该插件具有丰富的钢结构数据库以及齐全的材料库,是添加和编辑结构钢梁的稳定工具,同时还能快速的进行碰撞分析。
Karamba
Karamba是Grasshopper插件中一款具有代表性的力学分析插件,可提供空间桁架、框架结构和壳体的精确分析结果,通过在Karamba中添加边界条件、荷载、材料属性,并完成弹性受力分析等操作,这就使得参数化模型与有限元计算和优化算法能够更好的结合起来。
3D GRAPHIC STATICS
3D GRAPHIC STATICS插件通过图解静力学提供了一种结构找形方法,空间力的系统可以通过将力多面体组合成一个三维的力多面体图解的方式进行设计,即力图解和形图解。该插件的常用功能包含形状查找过程、计算力、生成截面等等。有了这个数字工具,设计师和研究人员可以创建一个参数驱动系统,生成特定美学的最佳结构。
该插件将3D图解静力学与Grasshopper进行了连接,其核心原理之一是高中物理中的力的平行四边形定则,这种原理可用来研究和探索在给定荷载和支座条件下纯受压分叉结构的拓扑结构和几何形式。图解静力学独特的形态与力学一体化原则,在数字化设计时代又迎来的新的发展。
Peregrine
Peregrine是一个强大的Grasshopper结构优化插件,其优化算法用的是几何布局优化算法,这与Ameba的扩展渐进结构优化法是不同的,近乎全局最优的解决方案可以在几秒钟内得到。该插件虽然不是免费的,不过使用教育版是不用支付任何费用的,并且与商业版功能一样。
RhinoVault
Rhino.inside
Alpaca4d
Swallow(ESD)
Swallow(ESD)是一款基于GH平台开发的建筑结构一体化辅助设计插件,由中南建筑设计院工程数字技术中心团队开发,主要包括四大功能模块:结构信息定义与结构模型组装、计算结果处理、模型导入与导出。
Swallow可用来定义层高、截面属性、荷载和节点约束等属性,并将这些属性与GH中的几何体绑定后组装成结构分析模型,并通过相应的API函数将GH与Sap2000、Etabs软件直接关联起来,方便程序调用。
Salamander
Salamander插件可以在GH中创建结构模型,包含结构节点、元素信息、断面等,并可以像其他参数模型一样被修改,然后可以将它们导出到Robot、GSA、ETABS中进行结构分析。
Kangaroo
Kangaroo将动力学计算引入gh中,通过物理力学模拟进行交互仿真、找形优化、约束求解。将其应用于壳体和膜转自:结构小站-公众号中,可以极大的节省找形优化时间。
Kangaroo可以自定义边界和受力大小,通过主模拟器的运算使整个形体达到受力平衡,需要注意的是Kangaroo仅能针对网格进行操作,并且其受力点均为网格顶点,随着Rhino7的SUBD网格功能的极大增强,Kangaroo的应用也会越来越方便。
TeklaLink
TeklaLink插件可实时链接GH对Tekla进行算法建模,可在GH中直接创建Tekla 中的对象并与之交互,并且可在GH中启用或禁用Tekla指令、是否重新计算并生成Tekla组件、删除Tekla中对象等操作。
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