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結(jié)構(gòu)中的參數(shù)化設(shè)計

發(fā)布時間：2025-12-03 人瀏覽

隨著建造技術(shù)的發(fā)展，很多建筑師不滿足于傳統(tǒng)的建筑造型，越來越多的非線性作品應(yīng)運而生，并且建筑師開始使用諸如Grasshopper或Dynamo等工具，直接在設(shè)計和建模階段創(chuàng)建參數(shù)化模型，這就使得越來越多的結(jié)構(gòu)工程師也開始使用參數(shù)化設(shè)計工具。

參數(shù)化設(shè)計可以改善以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，使設(shè)計師更容易探索設(shè)計空間。參數(shù)化設(shè)計可以在很短的時間進(jìn)行精確的計算，根據(jù)設(shè)置的約束參數(shù)或算法，通過計算可以給出最好的結(jié)構(gòu)形式，并提出更優(yōu)化的設(shè)計解決方案。

參數(shù)化設(shè)計甚至可以追溯到19世紀(jì)80年代，圣家大教堂的建筑師高迪就采用了參數(shù)化的設(shè)計思維，在那個非數(shù)字化的年代，高迪通過可變模型來推敲設(shè)計，將轉(zhuǎn)動的框架和彈性的繩索作為變量，在沒有精確數(shù)據(jù)的條件下，通過在石膏模型上試驗得出，這種設(shè)計手法與形體的創(chuàng)新，開創(chuàng)了參數(shù)化設(shè)計的先河。

與高迪同時期的詹姆斯·戴納是最早提出用參數(shù)來定義空間幾何體，將時間追溯到20世紀(jì)60年代，路易吉·莫雷蒂開發(fā)了一套數(shù)學(xué)方程，其中的參數(shù)用于分析空間關(guān)系。他用這些公式在1962年制定了羅馬的城市規(guī)劃，并且創(chuàng)造了參數(shù)化建筑這個術(shù)語。

第一個使用數(shù)學(xué)和參數(shù)方程的計算機(jī)程序，是由著名的Ivan Sutherland在1963年開發(fā)的Sketchpad程序。這個程序可以說是CAD(計算機(jī)輔助設(shè)計)程序的先驅(qū)，像我們熟知的Autodesk(1982)。盡管CAD目前是被廣泛使用的主流程序，但其仍然存在一些相當(dāng)嚴(yán)格的約束，使得許多復(fù)雜的三維幾何圖形無法被創(chuàng)建和理解。

直到1989年，NURBS(非均勻有理b樣條)被開發(fā)出來，其突出優(yōu)點是可以精確的表示二次規(guī)則曲線曲面，從而能用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式表示規(guī)則曲面與自由曲面。隨著像Rhino這類技術(shù)軟件的出現(xiàn)，NURBS逐漸成為現(xiàn)代曲面造型中最為廣泛流行的技術(shù)，同時也帶動了參數(shù)化設(shè)計的流行。

弗蘭克·蓋里的作品標(biāo)志著參數(shù)化設(shè)計時代的到來，蓋里科技在Catia平臺上研發(fā)了Digital Project，將傳統(tǒng)的工業(yè)曲面造型設(shè)計方法引入到建筑領(lǐng)域，率先在模型的信息管理與分析上進(jìn)行了大膽的嘗試。

讓這些雕塑感強(qiáng)烈的非線性作品不僅僅是流于表面的美感，而是追求高效率的功能性，這才是參數(shù)化設(shè)計真正發(fā)揮作用的地方，允許設(shè)計沿著不同的定量參數(shù)變化。

非線性的建筑外觀流暢自然，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和設(shè)計難度往往呈幾何倍數(shù)增長，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足這種復(fù)雜的形式要求，這就要求結(jié)構(gòu)工程師掌握更先進(jìn)的設(shè)計手段與構(gòu)造思維。參數(shù)化軟件具有得天獨厚的造型控制能力與數(shù)據(jù)信息處理能力，根據(jù)給定的數(shù)據(jù)或坐標(biāo)信息，可以很方便的生成三維結(jié)構(gòu)模型，并可直接對其做受力分析與合理性分析。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中的桿件結(jié)構(gòu)分為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，在平面結(jié)構(gòu)中，各桿的軸線和外力的作用線都在一個平面內(nèi)，但是目前很多非線性的設(shè)計中，桿件多為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，各桿的軸線不在同一平面內(nèi)，此時傳統(tǒng)的二維設(shè)計思路就需要發(fā)生轉(zhuǎn)變，借助參數(shù)化設(shè)計的方法，不但可以批量生成空間的結(jié)構(gòu)桿件，還可以對桿件的長度模數(shù)以及荷載進(jìn)行優(yōu)化，同時能夠提取全部的下料信息。

為了滿足結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)工程師可以采用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，即根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化相對于傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化具有更多的設(shè)計自由度，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化最具發(fā)展前景的一個方面，也是參數(shù)化設(shè)計在結(jié)構(gòu)專業(yè)的重要應(yīng)用。

空間結(jié)構(gòu)體系中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其整體性好、空間剛度大等諸多優(yōu)點，在各類建筑中都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計算方法的提高，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系得到了逐步的完善，其中有限元法成為了最主要的計算方法，并且其應(yīng)用已由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題，由彈性平面問題擴(kuò)展到空間問題。

通過數(shù)字來定義形式，可以創(chuàng)造出自由度很高的結(jié)構(gòu)體系。借助3D打印技術(shù)，讓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式在小尺寸和大尺寸上都取得了進(jìn)步。機(jī)器人的現(xiàn)成3D打印帶來了結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新發(fā)展，設(shè)計師不需要再考慮如何簡化幾何形式以滿足工藝要求，取而代之的是用更先進(jìn)的技術(shù)將美學(xué)和力學(xué)融為一體。

隨著人工智能(AI)的發(fā)展，計算機(jī)已經(jīng)能夠?qū)斎氲膮?shù)進(jìn)行響應(yīng)，并可計算出無數(shù)種不同的迭代結(jié)果，結(jié)構(gòu)工程師可以進(jìn)行多方案對比和不同模型的計算分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。特別像一些高層建筑中，計算中需要考慮地震和風(fēng)荷載、以及偶然偏心和平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

傳統(tǒng)的二維圖紙已經(jīng)無法準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)雜的三維空間，特別是面對復(fù)雜形體的建筑，建筑師是無法憑借一般的工程經(jīng)驗來確定其合理性，這就需要結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計初期就參與進(jìn)來，在搭建結(jié)構(gòu)體系時引入?yún)?shù)化設(shè)計，可以對每個節(jié)點的位置進(jìn)行精確定位，并對施工進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控。

參數(shù)化設(shè)計的發(fā)展與當(dāng)今一些先鋒派設(shè)計師的非線性作品的涌現(xiàn)有著相輔相成的關(guān)系，結(jié)構(gòu)工程師們很有必要去迎接這個挑戰(zhàn)，將參數(shù)化設(shè)計的思維應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與深化中。