参数化设计在复杂形态建筑结构设计中的应用

参数化设计在复杂形态建筑结构设计中的应用

韦奔

关键词：参数化设计；复杂形态建筑；结构设计

一、引言

时代的飞速发展到来的是人们更深层次的需求，因此这就要求了建筑界对于非线性的复杂形态建筑热切追求。那么怎样才可以深层次表现创作出这些仅存于想象的建筑就成了迫切需要解决的问题。这个时候参数化设计就起到重要作用，它能够很好的表现出非线性复杂建筑形体并表现出建筑师的空间思维。

二、参数化设计与复杂形态建筑

复杂形态建筑与规则体型建筑的设计相比差距很大，复杂形态建筑的设计通常没办法使用一般的工程设计的经验，其内部的繁琐性也远超其他的工程。无法仅靠着建筑师来完成，也确定不了建筑方案的结构受力是否合理。而参数化设计则可以大量应用到复杂形态建筑的结构设计之中，而表皮在复杂形态的建筑中是较为重要的组成部分，所以表皮就应该用参数化来进行设计实现的部分。

因为建筑形态十分复杂，在对建筑表皮进行设计时，外幕墙技术的处理就是重中之重。而幕墙工程的设计就决定着繁琐复杂的重复绘制，对细部的控制准确度的需求也就大大超过了传统的工程，参数化设计在表皮中的应用也就成了一种可以解决幕墙表皮复杂结构设计的重要途径。

三、参数化设计的实际应用

3.1珠海国际网球中心网球场的玻璃幕墙

对于珠海横琴国际网球中心网球场进行浅析，其表皮形态为玻璃幕墙的自由曲面，那么究竟该怎样在自由曲面上分布玻璃幕墙系统就是这一设计最大的亮点，同时也是难点。对于数量庞大的玻璃板块，怎样在空间曲面上准确的确定每一块玻璃板块的具体安装具位置，并按照曲面分层带宽分布不同样式的玻璃，建筑师以及结构设计师需要进行完美的合作，再进行多轮的设计优化。

为了让玻璃幕墙可以和自由曲面的建筑表面完美契合，并且可以剩下成本以及缩短玻璃的加工时间。在曲面曲率变化较小的情况下，可以适应宽度相同，高度不同的直板玻璃并进行均匀分层布置，曲面的变化就可以利用玻璃高度的变化以及旋转的角度来控制。

3.2山东大学青岛校区综合体育馆的屋盖结构

体育建筑的有着很强的严谨生成逻辑，那么需要能够一次性容纳上万人开展活动的建筑物，体育建筑的建造有着很强的挑战性。在进行建造时，参数化设计和BIM技术的运用不单单可以让体育建筑表现出超凡的外观之外还可以给构建体育建筑庞大的网壳结构以及细致表皮的处理供以有效的改进工具，较为重要的是，参数化设计能够实现结构以及建筑的协作设计，在设计之初就能够把结构体系与构造节点确定。材料细部是当作基本的参变量融于形态以及表皮的生成机制里，把体育场的罩棚形态模型以及看台模型用联动关系创建出的支撑体系，并运用相关结构软件精确计算与参数化命令结合的方法明确结构逻辑。

体育建筑最典型的例子就是山东大学青岛校区综合体育馆，其屋盖结构形式是钢结构的月牙形网壳，月牙两端设有落地支座，中部支撑在下部混凝土斜柱之上，月牙顶部设有一单拱。下部钢筋混凝土的主体结构利用拉杆和撑干连接，基于Rhinoceros平台以及蚂蚱（GH）参数化的建模系统。

四、参数化应用的具体步骤

4.1珠海国际网球中心网球场的玻璃幕墙

1）怎样划分幕墙表皮分格

确定玻璃的位置，在Rhinoceros软件中运用均分曲线的方式来横向划分空间曲面，同时计算出每一圈环线的周长；获取每一圈环线，在Grasshopper里运用pideCurve运算器把每一个环线分为181份；为了可以竖向分出矩形网格，把每一圈环线上的181个分点以及中心点相连：将连线在竖直方向向下拉伸，拉伸面与下一圈环线相交得到的交点以及分点对应连线，得到矩形网格。

2）怎样根据不同规格的比例的玻璃

横向均分曲面造成所有的位置网格高度无一相同，若是要按照连续变化的网格高度安装相对应的玻璃，运用复杂的程序调用来进行，这样就能够把生成逻辑转化成按照网格高度在制定位置生成不同规格的玻璃。把每一圈环线上的分点依次连线并用连线方向当作方向参数，玻璃宽度为长度参数输入LineSDL运算器得到SDL线，取矩形网格的竖边方向当作拉伸方向，用SDL线为基线拉伸出玻璃板面。因为玻璃宽度统一，而高度有575毫米，675毫米，875毫米，975毫米几种规格，自由曲面每一分层带宽在500—950毫米之间变化，这就要求利用运算把拉伸长度限制在5种标准板块单元的高度范围内，拉伸出标准的单元。

3）怎样将所有幕墙玻璃统一旋转一个固定的角度

建模过程会出现许多问题，而解决这些问题同样有着不同的思路。为了让5种标准版块单元之间形成的玻璃幕墙整体上呈现恰当的视觉效果同时确保上下层玻璃板块间可以出现120毫米左右的重叠部分来规避污物进入幕墙，就可以让幕墙玻璃统一旋转一个角度，而要达成这一点，有两种思路，也就有两种不同的过程。

首先一种方法就是用拉伸基线当作轴参数，通过RotateAxis运算器来把拉伸曲面统一旋转一定角度，旋转角度则利用弧长进行控制，弧长除以拉伸面高所得；其次就是用VRotate运算器以拉伸基线为轴参数旋转拉伸方向向量，旋转角度利用弧长进行控制。这就再次证明了思路的多变造成过程的多变，保证参数设计的灵活性。

4.2山东大学青岛校区综合体育馆的屋盖结构

以拱的参数化建模为例，因为拱的跨度过大，因此为了避免杆件的截面太大，所以就考量运用三角拱桁架的结构形式，三角拱的断面为顶边边长2.5米、高2.5米的倒三角形。利用建筑专业提供的关键的结构线及轴网，由于整个结构沿X轴对称，因此取一半作为研究对象，三角拱桁架的建模逻辑过程：

①对圆形拱轴线进行正反两个方向的偏移，作为最初三角拱顶形的两条基准线；对轴拱线沿着Z坐标反向移动当作三角拱底部的基准线，由此形成桁架的基础框架；

②对体育场轴网的径向轴线沿着Z做大单轴扫掠，获得拉伸面；

③利用生成的Brep分隔三条基准线以及轴线，得到分割的曲线段；

④对生成的曲线段再进行四等分，得到四等分点，因为每段曲线都有两个端点，所以每段曲线产生五个目标点；

⑤为确保三角形拱的顶部有两个角点标高相同，把Devide的Z值赋予Devide1和Devide2；

⑥除去上一步得到的重复点得到（Pt1、Pt2、Pt3），所有点错位连接；

⑦把Pt1、Pt2、Pt3两两连接，获得径向的上弦杆件和竖腹杆；

⑧把Pt1、Pt2、Pt3两两错位连接，得到斜杆。

五、结语

本文对参数化在表皮幕墙以及体育建筑网壳工程中的运用进行了详细分析，这就为微结构的参数化模型更深层运用铺下坚实的基础。综上分析，在建筑工程设计越来越复杂的今天，参数化在其中十分重要的作用，它不单单能够确保复杂形体的精确设计，还可以保证合理的多方案对比与设计结果的高度修正性。设计是一种实验的形式，同时它也是一个研究的过程，参数化设计完成建筑方案以及结构方案的合作，这实质就是一种建筑与结构互相协作，不断优化的过程。

参考文献：

[1]赵默超.参数化逻辑下的复杂形态建筑设计与营造[D].湖南：湖南大学，2010.

[2]王美伦，甘明.参数化设计在复杂形态建筑结构设计中的应用探究[J].建筑创作，2015（6）：313-318.