以數字化平臺為基礎的建筑結構設計研究

肖明

（中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

伴隨著科技水平的不斷進步，我國工程領域的數字化技術應用水平得到了前所未有的提升，毫無疑問這給建筑形式的不斷豐富帶來了廣闊的發展前景，同時也產生諸多新的挑戰，問題主要集中于各種外形美觀建筑在數字化設計過程中沒有合理的結構系統作為支撐而不能實現。面對這種情況應該充分了解數字化平臺的特點，依次為基礎尋找與之相適應的建筑結構系統，并作為數字化建筑設計中的重要元素，充分發揮數字化平臺的優勢設計出更多可以變為現實的建筑作品，進一步提升建筑結構的科學性及合理性。

1 數字化平臺的特點分析

數字化平臺是由不同類型軟件組合而成，以此接收海量信息，隨后按照相應原則對這些信息進行分類整合，這也就說明數字化平臺具備信息甄別和分類功能，當然還可以及時對正確信息進行分析和深入研究。數字化平臺這些特點也就使其具備以下兩方面優勢，一方面可以同時對諸多數據資料和信息進行分析和處理，另一方面可以對資料進行進行多步相同處操作或者類似操作。然而任何事情都具備兩面性，數字化平臺亦是如此，在具備上述優勢的同時，數字化平臺還存在不擅長對部分數據信息分別進行各種不同換算、數據分別進行不同類型換算不能及時量化等弊端，為此設計師需要熟練掌握何種類型的建筑結構比較適用數字化設計[1]。

2 數字化建筑面對的機遇和挑戰

2.1 機遇

2.1.1 結構數字化

在建筑設計過程中，堅固、實用以及美觀是其設計要素，由此可見既然是要素那么也就缺一不可。絕大多數設計人員在進行數字化設計時往往以不同形式依據作為重要參數，然而幾乎不會融入結構參數對建筑生成進行有效控制，而這種設計只會產生一個后果，即造成建筑結構合理性及經濟性的匱乏，另外還有部分設計人員提出在數字化建筑設計過程中應該打破以往傳統結構的局限性，采用更加跳脫的設計手段，然而以這種思維方式為導向設計出的建筑方案往往由于結構不能達到現實的承重要求而無法實現。在這種局面下可以從其他角度思考問題，數字化設計也好，傳統設計也罷，無非是對不同幾何形態予以簡單或者復雜的處理設計，并且無論哪種幾何形態都隱藏著一定的結構原理，可以將這些作為設計元素運用其中，那么也就可以充分利用有著較強結構性能的平面或者空間幾何形態進行數字化建筑設計。另外通過對不同類型幾何形態所具備的結構性質進行深入探究，結構則不會成為建筑數字化設計的攔路虎，反倒可以成為捷徑。例如日本著名建筑師伊東豐雄在對蛇形畫廊進行設計時就是將諸多方形疊加起來，進而形成三角形，并以其為設計元素，同時運用這種幾何形態固有的結構優勢，提升建筑結構的合理性及多變性。

2.1.2 數字化同樣需要允許有一定的誤差

其實有很多時候某些數字化建筑不但可以滿足功能等客觀方面的需求，而且其結構體系也十分合理，然而就是很難實施，究其主要原因則是絕大多數數字化建筑設計結構十分繁冗，設計精準度要求也隨著復雜程度的提升不斷增加，加之施工過程中會存在一定誤差，其可能存在于各個環節，例如溫度變化造成構建伸縮、安裝誤差等，這些誤差無法采取措施從根本上消除，故而如果數字化建筑設計根據其復雜程度對精準性有更高要求，那么在實施起來難度也會大大升級，在很大程度上增加建設成本費用。就拿廣州歌劇院來說，其外形猶如圓潤雙礫，在珠江邊十分奪目，雖然外形美觀，但是建設單位在建筑過程中為其投入大量精力，且其中還有部分建造還需求依托機械臂才能完成，而實際上很少有建筑項目有著如此大的投資，導致這類建筑幾乎沒有大規模建設的可能，因此，從經濟性的成本的角度來說，需要逐步弱化建筑結構的復雜程度。而數字化建筑設計最顯著的特點就是可以處理不同的復雜信息，建筑復雜程度較高，實行起來難度較大。因此需要在制定數字化設計方案時，為某些數據信息預留一定的誤差范圍，不必準確到某個數值，只要施工過程中各項參數保持在合理誤差范圍以內，不僅可以降低原有施工難度，也不會對建筑外觀及承重能力產生任何影響。

2.2 挑戰

我國工程界目前在數字化設計軟件以及信息數字化方式上投入大量精力，并且每年都會組織開展不同規模的數字化設計競賽，越來越多的建筑設計企業在設計中融入現代化數字技術。但是這樣僅僅局限在競賽中，現實中進行建設的設計方案少之又少，需要對數字化建筑的設計步驟進行分析才能發現問題的關鍵所在。數字化建筑設計步驟如下：①根據前期調查研究工作對所收集的相關信息進行分析和梳理，例如地質條件、功能、地域文化等。②對上述數據信息進行數字化處理。③充分運用數字化平臺，根據結構特點、形式以及業務要求，科學選擇數字語言系統，從眾多數據中篩選有價值的信息，計算并進行驗證后形成建筑信息模型。通過對數字化建筑設計步驟進行分析，同時結合相關方案可以看出，導致數字化建筑不能廣泛實施的原因主要包括3 個方面，首先是所獲得信息缺乏全面性，并且信息數字化處理方式不夠合理，或者沒有完善的驗證系統作為強力支撐，以上種種都會造成設計中信息得不到充分利用，或者計算結果不能為原有地形以及功能提供相應的信息支持；其次，未將結構參數融入數字化設計當中，導致建筑信息模型因結構不合理而不能實施建設；最后，大部分建筑方案對施工準確度要求較高，普通的施工工藝和技術不能滿足其要求。在面對以上問題是應該積極尋找問題原因，嘗試深挖這些挑戰背后隱藏的新契機。

3 數字技術對建筑結構設計產生的驅動作用

3.1 改變數字化設計模式，推動數字性能化發展

現代化發展趨勢下，我國逐步加大了對計算機科學、材料科學、以及機械工程等與建筑結構專業緊密相關的學科的研究力度，提出了新型的“性能化”設計思想，并將其作為數字化設計的重點研究方向，就現階段建筑領域發展情況分析，許多純粹的“形式主義”數字化設計已被“性能化”設計所取代。

結合性能化設計發展需求分析，其目的在于通過控制建筑形式幾何的內在參數與外部因素互動并生成形式，但這一目的的實現還需處于特定的邏輯系統控制之下。該領域建筑師在滿足充分明確性能化目標的前提下，完成感性形式的操作與優化，突破原有純粹自主的形式邏輯，賦予其半自主的性能化優勢。建筑結構性能化、環境性能化以及行為性能化已成為我國建筑形式發展的重要考慮目標，也對建筑形式的根本性意義也產生了較大沖擊，建筑工程師在進行建筑設計時更多考慮到了材料節省性、環境友好性以及人類行為貼切性，為建筑學發展拓展了新的空間。受益于數字技術的發展，工程師也就建筑復雜性與可持續性等問題，提出了更高效、更精確的解決方案，這位為建筑學在數字性能化方向的發展起到了有效推動作用。

3.2 突破數字化建造技術，創建數字性能化結構

隨著現代化建造技術的發展，3D 打印、機器人建造等技術迎來了新的發展契機，其應用技術水平與施工質量都得到了很大的提高。傳統數字建筑發展中的運算生成與物質實現之間的缺陷，也隨著數字建造技術的應用逐漸消失。在數字建造技術不斷發展歷程中，以機器人建造為主的一系列建造技術也不再局限于純粹的工具范圍，建筑師只有不斷對建筑設計理念進行更新，完成建筑設計方式優化，重新對現代化背景下的建造技術進行定義，才能對數字建筑領域的產業化未來有明確評判。

這里需要重點提及機器人建造技術，作為一個開放性較強的工具平臺，各建筑師可將材料性能與設計需求作為機器人工具端的定制參考條件，為新一代建筑師創造更優質的創新發展環境，實現建筑產業化與新型文化內容的融合。在此推動下，數字設計平臺也完成了對機器人工具端各方面的融合，打破了傳統數字化性能設計的局限，切實提高建筑生產過程的工作效率。某種意義上來說，機器人數字建造技術與性能化設計方法發融合發展已成為新時期“性能化建構”的核心發展理念，為數字時代建筑建構文化提供了新的發展方向。

4 建筑結構設計中數字化平臺運用的方向

4.1 仿生結構

仿生結構類型主要包括人物、動物、植物以及其他各色景物造型，例如水波紋理以及不同類型植物表層的肌理等，應用數字化平臺，可以較快捷地將各種仿生結構運用于建筑設計當中。

4.1.1 樹形結構

樹形結構是自然界當中可以自復制成長結構的典型代表，并且其還與數學理論內容中的“L 型系統”模型相互呼應，其實這種數學模型并不難理解，也就是對同一等式反復進行多次替換，該模型在運行過程中主要包括羅列可以進行多次替換的等式、設定替換次數并做好等式換算工作兩個階段，而這兩個階段皆與數字化優勢相匹配，因此可以較為方便地運用于數字化平臺建設當中，并取得良好效果。

4.1.2 海螺結構

在自然界中，海螺結構堅固性特點顯著，其之所以具備這一優勢并非僅是碳酸鈣這種構成材料比較堅硬，其在空間結構上擁有受力優勢。通過分析發現海螺結構表層上的任意質點都可以在壓力的影響下拉壓，但是需要注意并非是正面應力，主要是因為結構形態近乎完美，進而賦予海螺結構這這一特點。同時深入探究其切面不難發現，其剖面呈黃金螺旋線，其中蘊藏著與黃金比例相吻合的運算數列，也就是黃金分割數列，該數列還可以表達為F0=0，F1=1，Fn=Fn-1+Fn-2，只需要將特定參數加入其中就形成了我們所說的黃金螺旋線，把這些螺旋線銜接成網狀，進而形成課題結構，這個過程也就是對上述數列進行多步運算的過程，且與數字化平臺的特點相吻合[2]。

4.2 幾何形體的重復排列

幾何形體一般可分為一維、二維以及三維等形式，無論屬于哪一種形體都可以通過數據在數字化平臺中展現出來，隨后采用力學方式來對這些幾何形體予以空間排列，在此基礎上形成建筑結構，同時確保結構設計的科學性及合理性，通常情況下在空間排列后組合成六邊形以及四面體框架[3]。這種建筑結構的剖面類似于拱形，在建筑結構中屬于比較合理的結構類型之一，不管是正六邊形還是空間四面體都是擁有較強傳力性能的集合形態，其中將六邊形不斷在拱形圓筒上重復排列，以此達到傳遞應力的目的，與此同時聯合空間四面體增強殼面抗拉能力，以免受到巨大外力作用而出現變形等不良現象，使這種建筑結構的穩定性高于其他類型，有著雙重防護。

4.3 外結構

在對建筑外觀結構進行設計時除了要考慮建筑結構數字化設計，同時還應該將數字化問題作為建筑外觀甚至整個建筑設計的重要內容，在確保建筑外觀科學性的同時，提升其內部結構的多樣性。而要想實現這一目的需要將以下方面作為切入點：①建筑形體一定要適宜、恰當，只有這樣才能保證其重心穩定，牢固其外形。②對整個建筑結構外觀的受力狀況進行系統分析，準確尋找受力最大的區域。③根據建筑形體尋找與其相匹配并且具備相應功能的結構，同時綜合受力狀況對這些結構進行合理布局[4]。待完成建筑外形布局之后，設計出不同類型同時還與建筑外形相一致的外觀結構，通過下圖外觀結構發現，保證建筑外結構重心穩定還遠遠不夠，還應該利用有限元對其受力狀況進行分析和模擬，根據最終結果形成受力點陣，其中結構承受力最大的區域點陣分布也就越密集，相反則稀疏，這些受力點陣的分布狀況就是建筑外結構設計提供了重要依據[5]。

5 結語

就當前情況而言，我國在建筑結構數字化發展方面的研究還處于初始階段，但是在不久的將來一定會有更多建筑結構與數字化平臺高效融合，在實現建筑數字化后既可以全面系統的了解和分析建筑結構整體受力狀況，還對建筑領域的數字化發展產生重要的促進作用。建筑結構數字化發展過程中勢必會遇到各種機遇和挑戰，無論如何都應該冷靜應對，將挑戰轉變為自身優勢，為建筑數字化發展提供更多助力。