基于數(shù)字化平臺(tái)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李 偉

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 650011）

1 現(xiàn)階段數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

信息的數(shù)字化在現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，在建筑領(lǐng)域同樣應(yīng)用的相當(dāng)廣泛。近年來，很多城市建設(shè)了眾多外形造型絢麗讓人嘆為觀止的建筑物，給人帶來了新奇的視覺享受。然后，這些建筑卻面臨著新的問題。不管建筑外形如何變幻，卻離不開最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)支撐問題，需要解決外在形式、內(nèi)在結(jié)構(gòu)、建筑功能和美感之間矛盾。雖然數(shù)字化能夠在設(shè)計(jì)中引入較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)和物理模型，將文字化的圖標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S圖像，為設(shè)計(jì)師提供更豐富的思維空間，但最多是外形的參數(shù)，缺乏控制結(jié)構(gòu)的參數(shù)，使得所設(shè)計(jì)的建筑方案缺乏有效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在施工階段增加了施工難度，過多的浪費(fèi)人力、物力，甚至一些方案根本無法實(shí)施。

很多人認(rèn)為，過分重視建筑結(jié)構(gòu)會(huì)制約外在設(shè)計(jì)的創(chuàng)造，對(duì)建筑形式的發(fā)展產(chǎn)生不利影響。但是如果沒有科學(xué)的建筑結(jié)構(gòu)的支撐再好的建筑外形只能流于形式而缺乏質(zhì)量，甚至有可能只能是畫餅充饑，難以實(shí)施。因而設(shè)計(jì)的數(shù)字化發(fā)展還需要重視建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，兩者并重，只有這樣才能設(shè)計(jì)出完美的作品，建造完美的建筑工程。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化的意義

建筑結(jié)構(gòu)的功能，一方面可以抗衡來自地球的引力；另一方面，在建筑物本身。它由平面形體或者是空間形體組建而來。這些建筑除了在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面有一定機(jī)理之外，其外部形態(tài)還可以轉(zhuǎn)化為一些具體的數(shù)字。然后就可以把這些數(shù)字應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中。換句話說，假如一個(gè)建筑形態(tài)的數(shù)字參數(shù)可以被很好的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而應(yīng)用到一些建筑設(shè)計(jì)中，那么這些建筑在有質(zhì)量保證的同時(shí)，還會(huì)有一些新奇的外觀。

3 數(shù)字化平臺(tái)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向

明了這些道理之后，我們要面對(duì)的問題變得十分明了，那就是怎么巧妙的安排這些結(jié)構(gòu)數(shù)字。因此，我們要解決的就是數(shù)字化平臺(tái)的建設(shè)問題。首先，我們要明確平臺(tái)的性質(zhì)：1.它要具備不同的軟件，接收來自外界的消息；2.要具備把不一樣的消息進(jìn)行整合或者是把一類的消息根據(jù)一定原則進(jìn)行挑選和分類的能力；3.可以迅速正確的對(duì)信息進(jìn)行研究分析。這些性質(zhì)給平臺(tái)帶來了一定的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。因此，它的優(yōu)勢(shì)就是：1.可以對(duì)眾多的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析；2.對(duì)資料實(shí)行多步相同或者類似操作。它的缺點(diǎn)是不擅長對(duì)少數(shù)數(shù)據(jù)分開實(shí)行多種不同的換算或者實(shí)行不能量化的操作。因此，依據(jù)上文的分析，我們要解決的問題就成了什么類型的建筑結(jié)構(gòu)適合被用于數(shù)字化設(shè)計(jì)。

3.1 仿生結(jié)構(gòu)

自然界生物的結(jié)構(gòu)，一般由自身基因與外部環(huán)境共同影響形成，而且這些結(jié)構(gòu)一般由眾多細(xì)胞組成，它們具有鮮明的重復(fù)或者漸變特點(diǎn)，這些特點(diǎn)正好和數(shù)字化平臺(tái)的長處完全契合。下面的這些例子大約可以準(zhǔn)確表現(xiàn)這一點(diǎn)。

（1）樹形結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)是自然界中自復(fù)制成長結(jié)構(gòu)最具有代表性的一種，它和數(shù)學(xué)理論中的“L型系統(tǒng)”模型相照應(yīng)。這種數(shù)學(xué)模型（如圖1）其實(shí)就是要對(duì)同一等式進(jìn)行多次替代。它的具體運(yùn)行過程共分兩個(gè)階段：一、列出一個(gè)能夠進(jìn)行多次替代的等式；二、設(shè)立替代的次數(shù)并且對(duì)等式進(jìn)行換算。這兩個(gè)階段與數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)相符合，可以運(yùn)用到數(shù)字化平臺(tái)的建設(shè)過程。

圖1 樹形結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型圖解

（2）海螺結(jié)構(gòu)

海螺結(jié)構(gòu)在自然界中具有比較堅(jiān)固的特點(diǎn)。它擁有這種特點(diǎn)，不單是因?yàn)槠錁?gòu)成材料——碳酸鈣，比較堅(jiān)硬；同時(shí)還因?yàn)槠淇臻g結(jié)構(gòu)具有受力上的優(yōu)勢(shì)。分析其結(jié)構(gòu)，它表面上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都可以對(duì)受到的壓力進(jìn)行拉壓，而不是正面應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)上的這種特點(diǎn)主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)上接近完美的形態(tài)。對(duì)其切面進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)，那基本上就是“黃金螺旋線”（如圖2），這組螺旋線中包含著一個(gè)符合黃金比例的運(yùn)算數(shù)列，那就是斐波那契數(shù)列。

圖2 海螺剖面

3.2 幾何形體的重復(fù)排列

幾何形體一般具有一維、二維或者三維結(jié)構(gòu)。這些形體均能夠通過一些數(shù)字表現(xiàn)出來，應(yīng)用到數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)。如圖3，它是對(duì)六邊形與空間四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，構(gòu)建的一個(gè)接近于拱形的建筑結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在建筑中是比較常見的一種組成方式。與此同時(shí)，這兩種幾何形體構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)，還具備很好的傳力性能。從結(jié)構(gòu)的截面上看，外圍上的圓筒憑借連續(xù)排列的六邊形轉(zhuǎn)移壓力，同時(shí)，又通過空間四面體來避免結(jié)構(gòu)表面的變形，這些都增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。這個(gè)結(jié)構(gòu)綜合使用了數(shù)字化和受力理論，是我們使用數(shù)字化平臺(tái)和建筑結(jié)構(gòu)的完美組合。

圖3 六邊形與空間四面體框架在拱形圓筒上分布的結(jié)構(gòu)

3.3 外結(jié)構(gòu)

建筑的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化問題，它同時(shí)也是建筑外觀和整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的一部分。建筑外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，既要保證外觀的合理，同時(shí)又保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的豐富，我們可以從下邊幾個(gè)方面來做：首先要具備適合的建筑形體，保證這個(gè)建筑形體具備穩(wěn)定的重心。這樣建筑的外部形體才會(huì)堅(jiān)固；其次，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的外觀進(jìn)行受力分析，找出受力比較大的地方；最后，尋找與這種形體符合并且具備這些功能的結(jié)構(gòu)，根據(jù)受力情況的分布來安排這些結(jié)構(gòu)。

對(duì)建筑的外形有了比較合理的安排之后，我們就可以構(gòu)建很多不同的、符合這些建筑外形的建筑外觀結(jié)構(gòu)。從下面的這個(gè)外觀結(jié)構(gòu)可以看出，在保證建筑外結(jié)構(gòu)的重心平衡之后，要對(duì)它的受力情況進(jìn)行有限元分析，把這些分析進(jìn)行總結(jié)，在結(jié)構(gòu)的表面構(gòu)成受力點(diǎn)陣，這些結(jié)構(gòu)受力越大的地方、點(diǎn)陣分布的越密（圖中紅色部分），反之，則越稀（圖中藍(lán)色區(qū)域）。我們?cè)趯?duì)建筑外結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，就可以根據(jù)這些點(diǎn)陣的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)操作（如圖4）。

圖4 受力的有限元分析并形成空間 voronoi 結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

目前，建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化方面的研究還剛剛起步，在將來的建筑界，還會(huì)有很多的結(jié)構(gòu)和數(shù)字化平臺(tái)相結(jié)合。建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化之后，不僅可以對(duì)建筑的受力情況進(jìn)行分析，同時(shí)也可以推動(dòng)整個(gè)建筑界的數(shù)字化發(fā)展。在數(shù)字化發(fā)展的過程中，還會(huì)遇到很多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，我們只要沉著應(yīng)對(duì)，就一定可以化挑戰(zhàn)為機(jī)遇，促進(jìn)建筑數(shù)字化的發(fā)展。

[1] 孔雅莎.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雜談[J]．建筑結(jié)構(gòu),2006(3)．

[2] 顏興強(qiáng).淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[J]．沿海企業(yè)與科技,2009(5)．

[3] 熊煜.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干問題分析[J]．山西建筑,2009(25)．

[4] 張敬書．建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用規(guī)范條文解讀(建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步)[M]．北京：水利水電出版社，2009．

[5] 戴國瑩，李德虎．建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固的若干問題[J]．建筑結(jié)構(gòu)，1999(5)．