日新月异,斗转星移。近几年各种新事物、新概念,如井喷般出现在结构设计这个有着悠久历史的传统行业,如数字化、大数据、人工智能、BIM、参数化、VR、AR等等。这些新玩意有时如天边的云虚幻缥缈,有时又如手边笔触手可及。接下来就为大家介绍这些结构领域的“黑科技”。
参数化大家可能并不陌生,核心思想就是把建筑设计的全要素都变成某个函数的变量,通过改变函数,或者说改变算法,人们能够获得不同的建筑设计方案。
参数化在建筑设计领域已得到了广泛的应用,如建筑师常用的Revit和基于Rhino平台的Grasshopper等软件,建筑师利用参数化,也完成了众多令人惊叹的建筑。
Heydar Aliyev文化中心
望京SOHO
看到这些作品,各位读者感受如何?可能很多人和小i的第一感觉相同,酷炫。可在严谨的结构设计领域,酷炫并不一定是褒义词。各位结构工程师先别急着给参数化留下“轻佻”的印象,下面就为各位介绍已在悄然萌芽的结构参数化。
上海中心全参数化建模
01结构参数化
结构工程师可能都有类似的经历,说多了都是泪。而参数化就是通过控制个别参数来自动调整整体模型,因此在面对重复工作时,可以为我们带来极大便利。
首先要了解,参数化并不是让我们去面对计算机语言和海量数据。结构参数化作为工程师的语言,所有数据都是可视的。
比如下面这个例子,对于固定楼面布置和荷载情况,通过参数化计算各种方案,计算机自动挑选最为适合的支撑结构布置。建模、计算过程、计算结果等,数据与图形都是交互的,任何数据的变动都可以在图形窗口实时显示。
02高层建筑参数化
超高层项目中楼层与表皮变动频繁,但整个结构模型建立,通常是有固定而简明的逻辑的。在参数化系统中,搭建结构模型就像搭积木一样,即使建筑参数发生变化,结构模型也可以通过固有的逻辑,及时发生变化。同时,发生变动后的楼层信息,材料用量,单层面积等都可以一目了然。
对于固定的建筑方案,参数化可以根据已有的建筑表皮,快速建立不同结构体系的模型。并逐步优化相应的结构体系,细化至结构构件、材料、荷载等信息。
在重复性极高的方案比对阶段,参数化更有其天生的优势。通过参数化,我们可以同时在相同几何和荷载条件下,比较各种结构体系和结构布置,快速比对结构动力特性、侧向位移、材料用量等各项结构指标。
同时,参数化也是结构优化的基础,比如在下面中信金融中心的案例中,SOM通过对框架斜撑几何造型进行参数化优化,在确保整体结构刚度的同时,将整个结构材料用量减少至最小。
参数化就是把建筑结构数据化,因而我们可以将建筑数据导入AR软件,让我们的结构模型、计算结果,以更加直观的方式呈现。想象一下,当面对业主汇报结构方案时,打开手机扫描二维码,通过屏幕即可看到整个结构模型,是不是感觉既清晰直观,又逼格满满。
03空间结构参数化
对于大跨度结构,我们以往的结构计算流程如下:根据固定的建筑表皮手动划分网格,将面离散为线;将网格导入计算软件,赋予杆件截面、施加荷载、指定支座等;对结构模型进行计算,调整构件截面。如建筑表皮发生变化,重复以上流程。
传统流程无法实现自动化主要有两个原因。首先,结构计算与建筑表皮构造不是同一平台,需要重复完成模型建立、荷载布置等操作;其次,结构网格划分并非逻辑的推演。而参数化解决了这两个问题,就如同打通了“任督二脉”,结构计算自动化也就迎刃而解了。
大跨度屋面结构,相对于高层建筑结构设计师自由度更大。因此,利用参数化思维,我们能够实现更多的可能性。比如,对于给定的自由曲面,我们以支座约束为变化参数,可以找到结构最优的支座约束布置;对于不同的荷载布置,也可以通过参数化,自动调整构件截面;可以计算动荷载下,结构响应,并进行实时显示。
当然,我们也可以对应某一自由曲面,快捷地对不同的结构布置进行方案比对,计算结果直观可视,同时非常炫酷。
从上面简要的介绍中,大家可以感受到,结构参数化并非遥不可及。也许在我们刚听说这个概念时,它已经在悄然颠覆我们对于传统结构设计的认识。