淺談建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建造與拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：在建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建造時(shí)代中，人類(lèi)將利用3D打印等數(shù)字化建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)密度、強(qiáng)度、質(zhì)量高度可控的材料柔性分布體系，使更多的靈感與創(chuàng)意成為真實(shí)。在隨之而來(lái)的數(shù)字化結(jié)構(gòu)性能生形時(shí)代中，以拓?fù)鋬?yōu)化方法為核心的數(shù)字化設(shè)計(jì)工具將極大地拓寬建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，使結(jié)構(gòu)語(yǔ)言在建筑空間形態(tài)中實(shí)現(xiàn)更和諧完美的詮釋。文章對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外3D打印建造技術(shù)與建筑拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究與應(yīng)用狀況進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；數(shù)字化建造；3D打印；拓?fù)鋬?yōu)化

縱觀建筑結(jié)構(gòu)歷史的發(fā)展，變革往往來(lái)自背后的設(shè)計(jì)方法與建造工具，如透視法對(duì)文藝復(fù)興的影響，切石法對(duì)巴洛克的推動(dòng)，軸側(cè)畫(huà)法對(duì)現(xiàn)代主義的作用，而現(xiàn)如今，隨著建造的操作主體經(jīng)歷手工、傳統(tǒng)機(jī)械、數(shù)控機(jī)械乃至3D打印機(jī)的轉(zhuǎn)化，建造的操作對(duì)象從傳統(tǒng)磚混材料向先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展，同時(shí)結(jié)合由計(jì)算機(jī)技術(shù)孕育而生的參數(shù)化設(shè)計(jì)、算法化設(shè)計(jì)，毫無(wú)疑問(wèn)地，建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

1 3D打印

作為建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化建造中極其重要的組成部分，3D打印是以設(shè)計(jì)模型的三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用材料逐漸累加的方法生成三維實(shí)體的技術(shù)，因此又被稱為增材制造。作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志，3D打印目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、珠寶、玩具等行業(yè)領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)生產(chǎn)造成巨大沖擊，成為公認(rèn)的將改變?nèi)祟?lèi)未來(lái)的創(chuàng)造性技術(shù)。

與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)建造方式相比，3D打印方式具有可實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自由生長(zhǎng)成形、極大地減少施工工序、縮短施工周期、降低施工成本、環(huán)保節(jié)能等突出優(yōu)點(diǎn)，并且可以極大地拓寬建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，使建筑師更多的靈感與創(chuàng)意成為真實(shí)。

目前，輪廓工藝、D-Shape、自由形式建造是國(guó)際上建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最被寄予厚望的三大3D打印技術(shù)。

美國(guó)南加州大學(xué)的Khoshnevis教授所提出的輪廓工藝研究項(xiàng)目已獲得美國(guó)宇航局NASA的資助，用于測(cè)試并評(píng)估采用輪廓工藝在月球上快速就地取材，批量建造住所、實(shí)驗(yàn)室以及其它設(shè)施的可能性。Khoshnevis教授指出，在2050年左右，建筑結(jié)構(gòu)的3D打印將會(huì)成為一種成熟的技術(shù)。

由意大利發(fā)明家Enrico Dini發(fā)明的D-Shape打印機(jī)使用的原料主要是砂與鎂基膠而非混凝土，建造出來(lái)的建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)地類(lèi)似于大理石，這種新型材料由于其堅(jiān)固的微結(jié)晶結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出良好的密實(shí)度和抗拉強(qiáng)度。

自由形式建造工藝是由英國(guó)拉夫堡大學(xué)創(chuàng)新和建筑研究中心提出的，并得到英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)、福斯特建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所等的資助與合作。

2014年，上海青浦張江工業(yè)園，我國(guó)的盈創(chuàng)建筑科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱盈創(chuàng)）采用自主研發(fā)的全球最大建筑3D打印機(jī)在24小時(shí)內(nèi)打印了10棟房屋。2015年初，盈創(chuàng)又宣布打印出一棟15米高的六層住宅，以及作為上海浦東湯臣一品售樓處的1100平方米三層別墅。該別墅的建筑成本約100萬(wàn)元人民幣，3D打印所用材料為回收的建筑垃圾、玻璃纖維以及高強(qiáng)混凝土。

2014年，奧雅納工程顧問(wèn)（以下簡(jiǎn)稱奧雅納）為荷蘭海牙的某項(xiàng)目設(shè)計(jì)張拉整體結(jié)構(gòu)，但由于整個(gè)結(jié)構(gòu)和電纜構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)過(guò)于錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中處處存在著不規(guī)則連接與特殊結(jié)構(gòu)角度，即1200個(gè)鋼節(jié)點(diǎn)各不相同。奧雅納的工程師們嘗試解放受傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝束縛的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行純力學(xué)意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省約75%材料的異形鋼節(jié)點(diǎn)，并利用選擇性激光燒結(jié)3D打印技術(shù)生產(chǎn)出了這些復(fù)雜的異形鋼節(jié)點(diǎn)。

2 拓?fù)鋬?yōu)化

正如奧雅納的工程師將3D打印技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合起來(lái)從而充分享受到了自由設(shè)計(jì)的巨大優(yōu)勢(shì)，哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)研究院的帕納約蒂斯教授也指出，數(shù)字化建造技術(shù)最重要的貢獻(xiàn)并不在于讓人類(lèi)更易于建造復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，而在于脫離建筑結(jié)構(gòu)的拼裝體系、連接建構(gòu)體系從而達(dá)到材料柔性分布體系。帕納約蒂斯教授認(rèn)為，3D打印技術(shù)允許材料在空間中更加連續(xù)地復(fù)合在一起，同時(shí)建造出具有材料層級(jí)的結(jié)構(gòu)，尤其是在多重材料打印技術(shù)的輔助下，將可以制造出各點(diǎn)材料屬性不一的結(jié)構(gòu)。

帕納約蒂斯.米哈拉托斯教授基于連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，在參數(shù)化設(shè)計(jì)工具Grasshopper中開(kāi)發(fā)出插件Millipede，允許建筑師在方案設(shè)計(jì)階段融入結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的概念，使結(jié)構(gòu)性能分析工具與建筑形態(tài)生成工具一體化。

作為數(shù)字化結(jié)構(gòu)性能生形工具M(jìn)illipede的算法原理之一，連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是過(guò)去二十多年里結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化領(lǐng)域最熱門(mén)的研究方向。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是指在指定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，給定荷載與邊界條件，在一定的約束條件下，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问交蛘哒f(shuō)材料布局，使結(jié)構(gòu)的某種性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。目前最常見(jiàn)的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法有SIMP法、水平集法、ESO/BESO法等。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械等行業(yè)早已成為概念設(shè)計(jì)的有力工具，而對(duì)于采用3D打印技術(shù)建造的建筑結(jié)構(gòu)，作為其數(shù)字化結(jié)構(gòu)性能生形工具更是極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2004年，大森博司等在日本的芥川河畔辦公樓項(xiàng)目中使用擴(kuò)展ESO算法對(duì)該樓的西、南、北三個(gè)立面進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。2005年，磯崎新和佐佐木睦郎使用BESO算法對(duì)卡塔爾國(guó)際會(huì)議中心長(zhǎng)達(dá)250m的入口進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。謝億民等與澳大利亞BKK建筑事務(wù)所使用BESO算法對(duì)澳大利亞某城際高速公路凈跨72m的步行橋進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，同時(shí)還采用殼體單元優(yōu)化得到穿孔殼管設(shè)計(jì)，通過(guò)引入不同的周期性幾何約束調(diào)整出精彩各異的設(shè)計(jì)方案。2014年，Lauren等采用變密度法并考慮對(duì)稱約束與模式重復(fù)約束，實(shí)現(xiàn)超高層建筑的斜撐布局優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

在建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造時(shí)代中，人類(lèi)將告別傳統(tǒng)的梁板柱構(gòu)件拼裝體系，利用3D打印技術(shù)等數(shù)字化建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)更可控的材料柔性分布體系，使更多的靈感與創(chuàng)意成為真實(shí)。同時(shí)，以拓?fù)鋬?yōu)化方法為核心的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)工具將極大地拓寬建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間，使結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)與建筑美學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)一步融合。

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[3] 牛飛，劉鵬，張浩等.結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化綜述[A].中國(guó)cae工程分析技術(shù)年會(huì)會(huì)議[C].2014.

作者簡(jiǎn)介：李祖宇（1991- ），男，廣東茂名人，碩士，華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化。