結(jié)合衍生式設(shè)計(jì)與橋梁美學(xué)在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

宋福春，李光宇，李正坤，呂貴芳

(1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168; 2.沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院 沈陽市 110168;3.百川偉業(yè)建筑科技股份有限公司 天津市 300450)

0 引言

在我國各個(gè)領(lǐng)域高速發(fā)展的今天，衍生式設(shè)計(jì)逐漸被大家所認(rèn)知。在技術(shù)和工具的成熟后，許多數(shù)字建筑因此得以被設(shè)計(jì)和建造出來，不少知名建筑師都大量運(yùn)用設(shè)計(jì)運(yùn)算技術(shù)，他們在復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)造型的反復(fù)推敲過程及驗(yàn)證眾多生成的結(jié)果，在某種程度來說，也符合衍生設(shè)計(jì)的定義。本文致力于研究衍生式設(shè)計(jì)在橋梁領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。

為了使橋梁形體與周圍的環(huán)境相互統(tǒng)一，相互和諧，同時(shí)又要達(dá)到實(shí)用與安全的功能，在衍生式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加了橋梁美學(xué)、鏤空藝術(shù)和光影藝術(shù)多種美學(xué)元素，對橋面上部的空間形體進(jìn)行設(shè)計(jì)。在橋梁美學(xué)中，鏤空技法也經(jīng)常被應(yīng)用在設(shè)計(jì)作品當(dāng)中，它以獨(dú)特的方式去提升橋梁結(jié)構(gòu)的美學(xué)特性(例如：高度重復(fù)、韻律、節(jié)奏等)。而鏤空技法的應(yīng)用便離不開光影現(xiàn)象，隨著一天之中太陽的升起與降落，光線的角度和強(qiáng)度會(huì)隨之變化而變化，形成不同的光影效果，與橋梁整體的美感相互呼應(yīng)。

1 基于衍生式設(shè)計(jì)軟件的建模工具開發(fā)

1.1 衍生式設(shè)計(jì)

衍生式設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)設(shè)計(jì)師根據(jù)重量、成本、材料、體積和強(qiáng)度等約束條件輸入要求。

(2)計(jì)算機(jī)使用算法和AI生成數(shù)千種設(shè)計(jì)，同時(shí)對每種設(shè)計(jì)進(jìn)行性能分析。

(3)設(shè)計(jì)師在需要時(shí)改變設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制設(shè)計(jì)的迭代循環(huán)。計(jì)算機(jī)使用其AI來創(chuàng)建預(yù)先驗(yàn)證的解決方案。

(4)導(dǎo)出文件并生成原型。如果設(shè)計(jì)師對結(jié)果不滿意，或者希望探索其他選項(xiàng)，可以根據(jù)需要重復(fù)步驟(3)。

以上大致就是衍生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)形成過程。

1.2 整體建模工具開發(fā)過程

首先，選擇不同功能的幾何功能模塊進(jìn)行合理的連接，來描述構(gòu)件之間的關(guān)系。在坐標(biāo)原點(diǎn)處自動(dòng)創(chuàng)建控制點(diǎn)。

其次，在不同功能的幾何模塊中，嵌入條件語句和循環(huán)語句執(zhí)行形成結(jié)構(gòu)點(diǎn)的指令，直至約束條件不成立后進(jìn)程結(jié)束，反復(fù)核算，直至運(yùn)算通過。

設(shè)置點(diǎn)的生成軌跡，按照生成點(diǎn)的軌跡關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)編寫程序(圖1)。

在變量調(diào)節(jié)模塊列表中調(diào)用相符合的參數(shù)控制開關(guān)，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的參數(shù)控制，反復(fù)調(diào)試直至沒有錯(cuò)誤出現(xiàn)。最終建模初步設(shè)計(jì)完成，通過將程序語言與軟件的功能相結(jié)合，快速地將模型以點(diǎn)排列的方式(圖2)，勾勒出模型框架。

1.3 二元性方案建模工具的開發(fā)

高度重復(fù)單元組成的結(jié)構(gòu)是一種獨(dú)立的三維結(jié)構(gòu)，通常由一個(gè)復(fù)雜的格架組成，它由簡單的結(jié)構(gòu)單元組成，而結(jié)構(gòu)單元又由三個(gè)或更多的斜桿組成，形成單個(gè)單元。然而這種結(jié)構(gòu)由于其簡單、美觀和易于排列而具有美觀性，創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)既困難又復(fù)雜。但是使用可視化編程功能與語言編程功能，便可以輕易實(shí)現(xiàn)不同的二元性方案。采用所開發(fā)的二元性方案的建模工具，從一系列不同復(fù)雜程度的高度重復(fù)單元結(jié)構(gòu)中選取一種。

圖3中第一行圖形是重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。第三行圖形是旋轉(zhuǎn)對稱的棋盤式平鋪網(wǎng)格，從圖3中可以看出，如果用單元以及棋盤式平鋪網(wǎng)格相結(jié)合，單元對棋盤式平鋪網(wǎng)格進(jìn)行填充，便可以得到圖上顯示的不同的結(jié)構(gòu)形式。通過這樣的類比，可以得出以下結(jié)論:通過定義語法規(guī)則，按照相應(yīng)的平鋪方式，則生成這種二元性方案。

二元性方案建模工具開發(fā)完成(圖4)。

1.4 生成備選方案及建模工具開發(fā)流程

通過調(diào)整基本的參數(shù)和構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，給予所有變量參數(shù)不同的約束條件，包括不同方向上點(diǎn)的生成軌跡、二元性方案疏密程度和構(gòu)件尺寸等約束條件，由電腦快速生成備選方案。

由于篇幅有限，所以只展示出以下幾種生成方案(圖5)。

接下來選取第二種設(shè)計(jì)方案結(jié)合橋梁美學(xué)，鏤空式設(shè)計(jì)、光影藝術(shù)等方面對結(jié)構(gòu)的美觀性進(jìn)行討論。

2 結(jié)合美學(xué)對結(jié)構(gòu)美感方面的探討

將橋梁美學(xué)、鏤空藝術(shù)、光影藝術(shù)等美學(xué)理論融入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將美感與技術(shù)相結(jié)合，將橋梁結(jié)構(gòu)的形式美充分地展示出來。

2.1 側(cè)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先用編程完成的二元性方案進(jìn)行平鋪，二元性方案被用來鑲嵌一個(gè)平面(圖6)，與節(jié)奏中有規(guī)律的重復(fù)互相呼應(yīng)，通過控制參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化得到的形式正與韻律中的有規(guī)律的起伏相對應(yīng)。

最后通過衍生式設(shè)計(jì)建模工具將提升到3D(圖7)。

為了保證二元性方案的鑲嵌是連貫的，系統(tǒng)首先驗(yàn)證指定的二元性方案可以生成2D棋盤式鑲嵌;然后對三維交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步保證得到的結(jié)構(gòu)在三維空間內(nèi)的總體連貫性，再通過調(diào)整控制參數(shù)，使三維空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)達(dá)到完全連續(xù)的狀態(tài)(圖8)。

在古今中外的很多橋梁中，都可以找到節(jié)奏感與韻律感的蹤跡，這是建筑物能產(chǎn)生協(xié)調(diào)美的關(guān)鍵。在橋梁側(cè)面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，加入了橋梁美學(xué)中節(jié)奏與韻律元素，而采用更加簡單，高度重復(fù)單元，不僅提高了結(jié)構(gòu)的整體美觀性，更為后面的光影美感方面做下鋪墊。

2.2 頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具體設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)側(cè)面設(shè)計(jì)相同，調(diào)整變量控制模塊中的曲線參數(shù)對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，在頂部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造中加入兩個(gè)方向的曲線控制參數(shù)，提升到3D(圖9)。

將頂部結(jié)構(gòu)與側(cè)面結(jié)構(gòu)連接在一起，形成初步整體結(jié)構(gòu)(圖10)。

在整體上看，首先，雖然結(jié)合了節(jié)奏與韻律元素，但是結(jié)構(gòu)形體形成后，在行車與行人舒適度方面具有極大的局限性，通過結(jié)構(gòu)形體的行人會(huì)產(chǎn)生壓抑、拘束的感受。其次，形體的總體設(shè)計(jì)手法比較單一，而在一種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中也應(yīng)存在復(fù)雜與簡單的對立關(guān)系，并且復(fù)雜與簡單本身就是對立與統(tǒng)一的關(guān)系且始終不可分割。由此，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上進(jìn)行了頂部鏤空設(shè)計(jì)，減少行人壓抑、拘束的感受，增強(qiáng)整體設(shè)計(jì)多樣性。

2.3 結(jié)構(gòu)頂部優(yōu)化設(shè)計(jì)與光影模擬

為了改變行人通過此部分結(jié)構(gòu)時(shí)的負(fù)面感受，對頂部結(jié)構(gòu)結(jié)合鏤空技法進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)合鏤空藝術(shù)會(huì)使結(jié)構(gòu)的空間整體塑造形式產(chǎn)生質(zhì)的改變，從而使結(jié)構(gòu)美感表現(xiàn)力得到充分的提高。在結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)計(jì)上我們決定將結(jié)構(gòu)頂部二元性方案與簡單的幾何形體進(jìn)行合理的組合，做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將頂部結(jié)構(gòu)與一個(gè)橢圓形進(jìn)行結(jié)合，用橢圓對頂部結(jié)構(gòu)挖空，進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)(圖11)，同時(shí)結(jié)合鏤空設(shè)計(jì)來提升整體設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和審美性。

頂部鏤空設(shè)計(jì)完成后，對太陽的日出直至日落的過程中對橋面上部結(jié)構(gòu)投影的變化進(jìn)行光影模擬，隨著一天中太陽方位的改變對其光線的影響，其光線角度、強(qiáng)度所產(chǎn)生的變化投影在橋面上部的結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的投影也會(huì)隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生虛實(shí)、疏密、遠(yuǎn)近等多種形態(tài)，使空間結(jié)構(gòu)的形態(tài)變得極為豐富(圖12)。

在橋面上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，空間與光影相互作用所產(chǎn)生的美感在空間結(jié)構(gòu)中是非常具有價(jià)值的地方。在結(jié)構(gòu)空間中，光影的作用不僅是照明，隨著一天中時(shí)間的變化，光影跟隨著變動(dòng)，如此便賦予了光影生命的內(nèi)涵，如果光只發(fā)揮采光的作用，那么光影的內(nèi)涵也將會(huì)消失，因此光影與空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系是密不可分的，探究光影在空間結(jié)構(gòu)中的作用與內(nèi)涵也是極為重要的。

3 結(jié)論

以上總結(jié)了衍生式設(shè)計(jì)結(jié)合多種美學(xué)元素所能給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來的豐富多彩的形式美的表現(xiàn)力，這是結(jié)合了現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)與新的設(shè)計(jì)理念而生成的一種全新的設(shè)計(jì)方式。

衍生式設(shè)計(jì)的作品是探索一種全新的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合多種美學(xué)元素給作品賦予更多內(nèi)涵。現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理念發(fā)生著巨大的轉(zhuǎn)變，人工智能在設(shè)計(jì)中所占比重越來越高。而衍生式設(shè)計(jì)方式正是這個(gè)大環(huán)境下的產(chǎn)物，同時(shí)也是最適合結(jié)合美學(xué)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法之一。

盡管目前還沒有在橋梁領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，不可否認(rèn)的是衍生式設(shè)計(jì)的方式的確為橋梁的設(shè)計(jì)帶來了全新的思路。