基于數字化平臺的建筑結構設計研究

李 偉

（云南省交通規劃設計研究院 650011）

1 現階段數字化設計平臺發展現狀

信息的數字化在現代社會已經成為一種趨勢，在建筑領域同樣應用的相當廣泛。近年來，很多城市建設了眾多外形造型絢麗讓人嘆為觀止的建筑物，給人帶來了新奇的視覺享受。然后，這些建筑卻面臨著新的問題。不管建筑外形如何變幻，卻離不開最基礎的結構支撐問題，需要解決外在形式、內在結構、建筑功能和美感之間矛盾。雖然數字化能夠在設計中引入較為復雜的數學和物理模型，將文字化的圖標轉變為三維圖像，為設計師提供更豐富的思維空間，但最多是外形的參數，缺乏控制結構的參數，使得所設計的建筑方案缺乏有效的結構系統，在施工階段增加了施工難度，過多的浪費人力、物力，甚至一些方案根本無法實施。

很多人認為，過分重視建筑結構會制約外在設計的創造，對建筑形式的發展產生不利影響。但是如果沒有科學的建筑結構的支撐再好的建筑外形只能流于形式而缺乏質量，甚至有可能只能是畫餅充饑，難以實施。因而設計的數字化發展還需要重視建筑結構的設計，兩者并重，只有這樣才能設計出完美的作品，建造完美的建筑工程。

2 建筑結構設計數字化的意義

建筑結構的功能，一方面可以抗衡來自地球的引力；另一方面，在建筑物本身。它由平面形體或者是空間形體組建而來。這些建筑除了在內部結構方面有一定機理之外，其外部形態還可以轉化為一些具體的數字。然后就可以把這些數字應用到建筑設計中。換句話說，假如一個建筑形態的數字參數可以被很好的發現，進而應用到一些建筑設計中，那么這些建筑在有質量保證的同時，還會有一些新奇的外觀。

3 數字化平臺應用于建筑結構設計的發展方向

明了這些道理之后，我們要面對的問題變得十分明了，那就是怎么巧妙的安排這些結構數字。因此，我們要解決的就是數字化平臺的建設問題。首先，我們要明確平臺的性質：1.它要具備不同的軟件，接收來自外界的消息；2.要具備把不一樣的消息進行整合或者是把一類的消息根據一定原則進行挑選和分類的能力；3.可以迅速正確的對信息進行研究分析。這些性質給平臺帶來了一定的優勢和缺點。因此，它的優勢就是：1.可以對眾多的數據資料進行分析；2.對資料實行多步相同或者類似操作。它的缺點是不擅長對少數數據分開實行多種不同的換算或者實行不能量化的操作。因此，依據上文的分析，我們要解決的問題就成了什么類型的建筑結構適合被用于數字化設計。

3.1 仿生結構

自然界生物的結構，一般由自身基因與外部環境共同影響形成，而且這些結構一般由眾多細胞組成，它們具有鮮明的重復或者漸變特點，這些特點正好和數字化平臺的長處完全契合。下面的這些例子大約可以準確表現這一點。

（1）樹形結構

樹形結構是自然界中自復制成長結構最具有代表性的一種，它和數學理論中的“L型系統”模型相照應。這種數學模型（如圖1）其實就是要對同一等式進行多次替代。它的具體運行過程共分兩個階段：一、列出一個能夠進行多次替代的等式；二、設立替代的次數并且對等式進行換算。這兩個階段與數字化的優勢相符合，可以運用到數字化平臺的建設過程。

圖1 樹形結構的數學模型圖解

（2）海螺結構

海螺結構在自然界中具有比較堅固的特點。它擁有這種特點，不單是因為其構成材料——碳酸鈣，比較堅硬；同時還因為其空間結構具有受力上的優勢。分析其結構，它表面上的每一個質點都可以對受到的壓力進行拉壓，而不是正面應力。其結構上的這種特點主要是因為其結構上接近完美的形態。對其切面進行研究，可以發現，那基本上就是“黃金螺旋線”（如圖2），這組螺旋線中包含著一個符合黃金比例的運算數列，那就是斐波那契數列。

圖2 海螺剖面

3.2 幾何形體的重復排列

幾何形體一般具有一維、二維或者三維結構。這些形體均能夠通過一些數字表現出來，應用到數字化應用平臺。如圖3，它是對六邊形與空間四面體結構進行研究，構建的一個接近于拱形的建筑結構。這種結構在建筑中是比較常見的一種組成方式。與此同時，這兩種幾何形體構成的建筑結構，還具備很好的傳力性能。從結構的截面上看，外圍上的圓筒憑借連續排列的六邊形轉移壓力，同時，又通過空間四面體來避免結構表面的變形，這些都增加了結構的穩固性。這個結構綜合使用了數字化和受力理論，是我們使用數字化平臺和建筑結構的完美組合。

圖3 六邊形與空間四面體框架在拱形圓筒上分布的結構

3.3 外結構

建筑的外觀結構設計不僅要考慮建筑結構的數字化問題，它同時也是建筑外觀和整個建筑設計的一部分。建筑外觀結構的設計，既要保證外觀的合理，同時又保證內部結構的豐富，我們可以從下邊幾個方面來做：首先要具備適合的建筑形體，保證這個建筑形體具備穩定的重心。這樣建筑的外部形體才會堅固；其次，對建筑結構的外觀進行受力分析，找出受力比較大的地方；最后，尋找與這種形體符合并且具備這些功能的結構，根據受力情況的分布來安排這些結構。

對建筑的外形有了比較合理的安排之后，我們就可以構建很多不同的、符合這些建筑外形的建筑外觀結構。從下面的這個外觀結構可以看出，在保證建筑外結構的重心平衡之后，要對它的受力情況進行有限元分析，把這些分析進行總結，在結構的表面構成受力點陣，這些結構受力越大的地方、點陣分布的越密（圖中紅色部分），反之，則越稀（圖中藍色區域）。我們在對建筑外結構進行設計的時候，就可以根據這些點陣的分布進行設計操作（如圖4）。

圖4 受力的有限元分析并形成空間 voronoi 結構

4 結語

目前，建筑結構數字化方面的研究還剛剛起步，在將來的建筑界，還會有很多的結構和數字化平臺相結合。建筑結構數字化之后，不僅可以對建筑的受力情況進行分析，同時也可以推動整個建筑界的數字化發展。在數字化發展的過程中，還會遇到很多的機遇和挑戰，我們只要沉著應對，就一定可以化挑戰為機遇，促進建筑數字化的發展。

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