數字化技術在工程設計中的應用

文｜陳沉

隨著科技現代化的程度不斷提高，數字化設計的手段和方法在引進和利用國外的先進技術和理念后發生了巨大的變化，參數化設計在數字化設計浪潮中應運而生，可以模擬人的邏輯思維、記錄各個對象的創建方式、設定各個對象間的關系，讓設計師以以過去無法想象的方式實現設計和靈感。對于復雜建筑群工程通過結合參數化平面布局與參數化建筑模型，實現平面布局可動態調整，建筑群可統一調整，單一建筑可參數化驅動，最大程度上實現了設計過程和設計參數的可追溯。

＞＞圖1 GC典型工作流程

在科技進步的背景下，數字化設計的理念也是日新月異，在建筑設計領域涌現了一大批新型技術，BIM(Building Information Modeling)、衍生式過程設計、參數化設計、過程式城市建模等。新的技術帶來了新的設計思路，設計師以過去無法想象的方式來實現設計和靈感。本文參數化平臺為GenerativeComponents（以下簡稱GC，是Bentley公司開發的一款基于MicroStation平臺的關聯參數化建模系統。

GC的參數化規則和關系是用戶自定義的，通過界面圖形操作和腳步編程的混合方法，設計師能夠使用GC模擬出各類幾何結構，并記錄各類對象的創建過程，從而獲得無與倫比的創造靈活性。其理念是能夠靈活的創建各類幾何形體，支持各種幾何和邏輯可能性，為工程師提供了許多全新的設計方式。GC 采用圖形方式展示元素及其相互關系，支持您有效展示和重用設計方案，使用 GC，設計師既可完全采用圖形方式工作，也可在適當時將圖形與腳本和編程結合使用。

典型工作流程

GC的典型工作流程為先對工程進行分析，選取最優方程，并提取以后需要作方案調整的公共參數；然后由方程生成各類特征，一般先生成點，由方程和公共參數控制點；再由點生成曲線，使用點來控制曲線；再由曲線生成曲面，使用曲線來控制曲面；再由曲面生成實體，使用曲面來控制實體。GC也可直接生成各類專業模塊比如建筑、結構的構件，所以也可參數化切圖，統計材料甚至動畫漫游，形成的方案調整，后期修改方程和公共參數即可。（如圖1）

＞＞圖2 拱壩細節模型構建

＞＞圖3 拱壩方案參數化調整

拱壩工作流程實例

首先，提取公共參數以便于后期模型重用和方案調整；其次，由有限元分析軟件計算出的拱壩方程構造GC圖形函數；然后將參數傳入GC圖形函數生成拱圈線；再然后由拱圈線生成壩體；接下來由表孔、深孔、底孔方程完成細部建模；最后進行方案修改，更改公共參數，模型中所有與該參數相關的圖形都會隨之更改，比如更改左岸參數Cl_D由 0.173710為 1.173710，GC圖形計性能率非常高，如下圖18000個元素在20秒左右全部更新完成，后期方案調整方便快捷。（如圖2、3）

建筑群參數化設計

目前已有很多設計師開始嘗試參數化的建筑布置方案，參數化技術的創新在于一是利用GC平臺實現建筑群場地平面布局參數化；二是利用Geopak平臺中自動開挖和放坡功能對建筑群場平進行動態調整分析；三是在GC中對建筑群整體實現參數化；四是在GC中對建筑群中所有單體建筑實現參數化。同時，將這4大參數化有機結合起來，形成一種全新的建筑群布置設計方法。

八卦起源于人文始祖伏羲，八卦表示事物自身變化的陰陽系統，在規劃設計中，八卦布局也常常得到應用，本文八卦布局創建過程是首先構建參數化同心圓，將圓n1等分，并按對應關系連接各點，n1大小可調。第二步，將兩圓中間的直線n2等分，n2大小可調。第三步，按對應關系連接兩圓中間的各個點。最后，嘗試不同參數下的組合方案。（如圖4）

在八卦平面布局的基礎上，創建簡單三維圓柱體示意建筑以占位，設置干擾因子，隨機調整圓柱體大小和位置，嘗試可控隨機布置方案，在不規則布局中需找部分對稱布局平衡點，以獲得最佳布置。GC在設計對象和元素之間建立起強大的邏輯關系，通過界面圖形操作和腳步編程的混合方法，能夠模擬出各類形態，并記錄各類對象的創建過程，從而獲得無與倫比的創造性，能夠更加靈活的發揮主觀能動性進行創作。（如圖5）

場地平整分析，由測繪專業提供的等高線在Geopak軟件中生成地面模型，將八卦布局設計應用于地面模型中，自動生成開挖與回填，分析各剖面及開挖回填工程量，優化布置方案。Geopak中Site模塊在處理導入三維圖形、開挖回填和放坡方面十分高效，這樣我們可以前期創建任意復雜的場平圖形，然后導入Geopak自動生成開挖模型。并由模型計算開挖工程量及切取剖面圖。（如圖6、7）

＞＞圖4 創建八卦布局流程

＞＞圖5 建筑物布置方案

＞＞圖6 場地平整動態調整分析

＞＞圖7 場平剖面分析（H/V=3：1）

＞＞圖8 瑪麗蓮·夢露大廈

建筑形體推敲，瑪麗蓮·夢露大廈是一個典型的采用參數化數字建模技術的成功案例，將整棟建筑設計得如夢露的性感身材般，呈現出自由扭動的曲線，婀娜多姿，以“性感女神”瑪麗蓮·夢露為創作靈感，建設一棟具有時代意義的超高層建筑，從而樹立城市新形象。（如圖8）

本文借鑒瑪麗蓮·夢露大廈做建筑形體方案，首先要構建參數化橢圓截面；其次以層高N米，在Z方向上遞增復制多層；再創建一個與橢圓集合對應的旋轉角度的數據集合并賦予橢圓；再由橢圓集合加厚生成樓板；再由橢圓集合放樣生成外墻輪廓；再對外墻輪廓進行曲面劃分；最后，提取曲面上的線條特征生成外立面柱。（如圖9）

建筑形體方案調整。帶參數按邏輯創建建筑模型的優勢在于整個過程可以記錄，在方案初期階段，將橢圓截面大小、層高、層數、旋轉角度、外輪廓柱數量、外輪廓柱直徑設計為可調節參數。在方案調整階段，調節參數，模型能迅速響應并更新。

＞＞圖9 參數化建筑形體創建過程

＞＞圖10 復雜建筑模型布置圖

＞＞圖11 城市建筑群模型整合

三維模型布局設計，隨著單一建筑形體推敲工作的不斷積累，會有越來越多的參數化方案復雜的建筑模型，這些模型都可實現參數化調整來得到不同的造型，為我們后續的城市建筑群提供有力的支撐。將建筑模型庫應用到八卦平面布局中，對整個區域中的某一建筑形體單獨調整。（如圖10）

模型整合,將建筑布局場平、城市建筑群模型及周邊建筑模型整合，綜合反映建筑群在整個城市規劃中的位置及相互影響關系。動態調整建筑群的位置，經過多次調整，可以得到更合理的布置方案。有的時候甚至可以將多種布置方案同時疊加到地形圖上來輔助我們的決策。（如圖11）

科技的進步引發了部分傳統設計手段的變革，數字化設計技術給土木工程行業帶來了新的機遇和挑戰，借助新的技術手段，我們能高效的完成傳統業務設計，積累知識模板工程，提高設計效率，在創新性方面，能打破傳統設計理念，創造出更符合人類居住和工作的環境，建造更美好的城市。