王希偉 唐璇

摘 要：大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了數(shù)字化模型。仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用拓展建筑結(jié)構(gòu)空間、豐富建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計元素，為人們提供了個性化的建筑。文章立足于大數(shù)據(jù)視角，分析仿生方法在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用價值，分析仿生方法的應(yīng)用種類，最后提出仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用策略，以此為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供創(chuàng)新思路。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);仿生方法;建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;BIM

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是BIM在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，建筑仿生成為新時代建筑學(xué)領(lǐng)域的新潮流。建筑仿生是根據(jù)自然與社會生態(tài)規(guī)律，結(jié)合生物學(xué)、美學(xué)以及信息學(xué)，將建筑結(jié)構(gòu)、功能與自然生態(tài)環(huán)境進行綜合搭配，實現(xiàn)建筑工程的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益以及社會效益的有機結(jié)合。仿真建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是“生態(tài)+科技+創(chuàng)意”的體現(xiàn)，基于社會對建筑工程多元化需求的不斷增長，仿生建筑設(shè)計理念成為現(xiàn)代建筑設(shè)計的內(nèi)在創(chuàng)新驅(qū)動。

1 大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用價值

仿生方法顧名思義就是將大數(shù)據(jù)技術(shù)模仿自然生態(tài)環(huán)境中的景物等運用到建筑設(shè)計中。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是BIM技術(shù)為仿生設(shè)計提供了有力的技術(shù)支撐。例如位于江蘇昆山開發(fā)區(qū)的昆山電子展示館，是一座充滿科技感的場館，其設(shè)計就是充分融合了仿生技術(shù)，利用計算機技術(shù)將建筑工程的各項元素進行參數(shù)化調(diào)整^[1]。該建筑的造型以圓形為母題，通過運用BIM技術(shù)綜合環(huán)境分析、風(fēng)速測試、陰影計算等對該建筑形態(tài)進行優(yōu)化，從而形成科學(xué)的設(shè)計方案，通過BIM模型檢驗，該方案實現(xiàn)了與當(dāng)?shù)丨h(huán)境的有效搭配，尤其是規(guī)避了與周圍環(huán)境不相容的問題。

通過實踐調(diào)查，仿生方法在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用具有重要的價值：首先隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，利用仿生方法能夠有效地實現(xiàn)綠色設(shè)計理念。BIM技術(shù)環(huán)境下的建筑設(shè)計更加突出綠色理念，例如通過BIM技術(shù)可以將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的各項參數(shù)進行優(yōu)化計算，以此達到最準確的設(shè)計方案，避免后期出現(xiàn)設(shè)計調(diào)整;其次將仿生方法運用到建筑設(shè)計中能夠體現(xiàn)虛擬設(shè)計的價值。近些年，隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，將虛擬技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計中能夠體現(xiàn)建筑設(shè)計的審美理念。而仿生方法則是借助虛擬技術(shù)，利用三維動畫的設(shè)計手段，將建筑功能與生態(tài)環(huán)境要素相結(jié)合，從而達到建筑工程綠化發(fā)展的要求。例如在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中通過引入PRIOVR可以讓人們通過自然行動體驗虛擬現(xiàn)實環(huán)境，讓人們按照自然環(huán)境的場景實施建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的類型

基于大數(shù)據(jù)與仿生方法的融合催生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)字化發(fā)展。仿生建筑主要通過研究有機生物生理、結(jié)構(gòu)、行為作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈感來源，其通過對大數(shù)據(jù)技術(shù)的運用力求實現(xiàn)建筑與外部多變環(huán)境因素的融合，以此滿足人類高品質(zhì)的需求。例如歐洲最著名的斯圖加特大學(xué)Elytra展廳就是將甲蟲纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)，以甲蟲的前翅結(jié)構(gòu)為起點，將輕質(zhì)生物纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)，由自動化機器人制作，以編織的手法將其轉(zhuǎn)化為更強韌的結(jié)構(gòu)單元體。一個個如細胞般的單體被串聯(lián)在一起，創(chuàng)造了造型獨特的Elytra展廳。結(jié)合調(diào)查在大數(shù)據(jù)技術(shù)的推動下，仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用類型主要包括：（1）筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容，也是建筑工程最常見的構(gòu)造。筒體結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念主要是來源于自然界竹子的特點。竹子在生長的過程中需要承受風(fēng)載與自重荷載雙重壓力，但是其不容易被折斷，原因就是其內(nèi)部空間的圓形結(jié)構(gòu)能夠承受較高的壓力。因此將竹子的負載壓力引入建筑筒體結(jié)構(gòu)中，能夠增強建筑工程結(jié)構(gòu)的剛度。例如設(shè)計人員在設(shè)計時通過利用BIM平臺對建筑工程的受力元素進行優(yōu)化，以此準確核算建筑筒體結(jié)構(gòu)的空間布局與支柱布局位置。比如天津的津塔就是仿照竹子受力特點，利用BIM軟件系統(tǒng)設(shè)計混凝土支柱、剪力墻以及外伸臂相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。（2）懸索結(jié)構(gòu)。懸索結(jié)構(gòu)是源于蜘蛛網(wǎng)。蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比較強，尤其是能夠承受諸多應(yīng)力的沖擊。蜘蛛網(wǎng)內(nèi)部的受力點配置比較均勻。因此，在現(xiàn)代建筑設(shè)計中，設(shè)計人員通過虛擬技術(shù)對蜘蛛網(wǎng)的網(wǎng)狀張力進行參數(shù)優(yōu)化，從而有效地提升了建筑結(jié)構(gòu)的柔性度。德國著名建筑師和工程師奧托設(shè)計的德國奧運會的奧林匹克中心也是采用這種結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)索支撐的帳篷似覆蓋物覆蓋體育場、體育館、游泳館設(shè)施，使其成為整體，不但結(jié)構(gòu)合理，而且取得了經(jīng)濟和造型的雙贏。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在大型臨時性建筑^[2]。（3）殼結(jié)構(gòu)。自然界中薄殼狀的物質(zhì)通常具備曲度均勻、質(zhì)地輕盈的特點，此種弧狀曲面能夠有效分散外部的作用力，提高建筑物的承載力，同時在確保建設(shè)較大空間的基礎(chǔ)上減少建材的使用量，通常在設(shè)計大型場館時應(yīng)采用薄殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。例如，天津博物館便是應(yīng)用了仿生方法，利用網(wǎng)殼體結(jié)構(gòu)有效提高了建筑空間的使用率。（4）膜結(jié)構(gòu)。植物細胞的泡狀結(jié)構(gòu)原理也可以應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，膜結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用了薄膜材料，將薄膜材料進行張拉進而形成一種能夠跨越較大空間的建筑結(jié)構(gòu)。例如，德國的安聯(lián)球場便是應(yīng)用了膜結(jié)構(gòu)，該體育場的表面應(yīng)用了2 874個膜結(jié)構(gòu)，且膜結(jié)構(gòu)的形狀為菱形，同時選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為支撐。膜結(jié)構(gòu)具有良好的防水防火、隔熱、自清潔的優(yōu)點，并且在菱形膜結(jié)構(gòu)中持續(xù)保持350 Pa的大氣壓，使得安聯(lián)球場的外觀看起來更像是一個橡皮艇，不僅滿足了體育場的基本建設(shè)功能，還提高了美觀度^[3]。

3 大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用策略

仿生方法應(yīng)用于建筑功能的主要目標(biāo)是使建筑與環(huán)境形成一種良性的循環(huán)系統(tǒng)，同時將生物結(jié)構(gòu)特點與建筑技術(shù)進行合理的融合，最終建設(shè)生態(tài)型建筑。

3.1 運用BIM軟件，修改仿生形態(tài)參數(shù)

將仿生方法運用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要本著綠色、創(chuàng)新的理念，實現(xiàn)建筑工程與自然生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。由于仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用要求合理設(shè)計仿生對象的特點，實現(xiàn)高品質(zhì)的建筑功能。無數(shù)案例表明仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用需要設(shè)計人員關(guān)注參數(shù)計算工作，保證設(shè)計方案的每項數(shù)據(jù)準確無誤。尤其是裝配式建筑的發(fā)展，設(shè)計人員在運用仿生方法時需要融合BIM軟件系統(tǒng)，利用BIM軟件系統(tǒng)對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。在建筑結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計中，通過對有機生物結(jié)構(gòu)的模仿可以有效提升建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。例如北京水立方體育館就是通過對大自然中常見水滴的分析，構(gòu)建了一個三維立體空間，雖然從外面看屬于較為薄弱的結(jié)構(gòu)體系，但是其內(nèi)部有著科學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)作為支撐，有效地滿足了空間擴大的需求。而水立方體育館的設(shè)計主要是在運用仿生方法的同時通過BIM軟件系統(tǒng)進行虛擬模型，以此優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)置空間。

3.2 構(gòu)建虛擬仿生系統(tǒng)，實現(xiàn)可視化設(shè)計

將仿生方法應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵就是要實現(xiàn)仿生方法與信息技術(shù)的融合，通過對有機生物生理、結(jié)構(gòu)以及行為的數(shù)字化處理，實現(xiàn)仿生方法與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的融合。在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須要利用BIM技術(shù)實現(xiàn)對仿生方法設(shè)計過程的可視化操作。例如高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，由于高層樓層越來越高，為了實現(xiàn)低碳、綠色的設(shè)計理念需要考慮高層樓高與周圍環(huán)境的沖突。例如樓層過高會導(dǎo)致高層樓受力較大，影響人們的居住。所以在具體的設(shè)計時需要利用BIM軟件對高層結(jié)構(gòu)設(shè)計進行可視化模擬操作。例如可以將設(shè)計的建筑參數(shù)化計算，以此檢驗高層建筑對周圍環(huán)境的影響，以此不斷優(yōu)化高層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

為了增強建筑結(jié)構(gòu)的環(huán)保性，可以利用仿生方法設(shè)計建筑環(huán)保材料?，F(xiàn)階段，建筑材料的研發(fā)與生物界有著密切的聯(lián)系，例如，模仿蜂巢的建造結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出了蜂窩板，使其具有了強度高、薄壁輕質(zhì)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。并且在此基礎(chǔ)上又創(chuàng)新出了石材蜂窩板，將蜂窩建造的結(jié)構(gòu)與石材相結(jié)合，有效降低了制作石材板所要消耗的材料，降低了建筑建設(shè)成本。除此之外，人們結(jié)合蜂巢的特點創(chuàng)造出了空心磚、泡沫混凝土等建筑材料，此類材料均具有良好的保溫、隔音性能，屬于環(huán)保綠色型的新型建材^[4]。

總之，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要應(yīng)用于建筑的外觀、材料、結(jié)構(gòu)以及工程方面，為了充分發(fā)揮仿生方法的應(yīng)用價值，在運用仿生方法時需要融合大數(shù)據(jù)技術(shù)，依托BIM軟件系統(tǒng)實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的科學(xué)化與合理化，達到建筑工程與生態(tài)環(huán)境的有效融合。

作者簡介：王希偉（1982— ），男，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士;研究方向：土木工程施工、設(shè)計和鑒定檢測。

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[2]馬鯤飛.大數(shù)據(jù)環(huán)境下仿生方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].江西建材，2019（7）：82.

[3]王立防.仿生設(shè)計在商業(yè)展示空間中的應(yīng)用研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2020.

[4]王磊.基于BIM技術(shù)在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的推展應(yīng)用分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020（8）：14-15.

（編輯?王永超）

Application of bionic method to building structure design

in Big Data environment

Wang Xiwei¹， Tang Xuan²

（1. Harbin Vocational and Technical College， Harbin 150000， China; 2. Heilongjiang University， Harbin 150000， China）

Abstract：The development of Big Data technology provides a digital model for architectural structure design. The application of bionic method to architectural structure design expands architectural structure space， enriches architectural structure design elements， and provides people with personalized architecture. Based on the perspective of Big Data， this paper analyzes the application value of bionic method in modern architectural structure design， analyzes the application types of bionic method， and finally puts forward specific application strategies of bionic method in architectural structure design， so as to provide innovative ideas for architectural structure design.

Key words：Big Data; bionic method; architectural structural design; BIM