肖明

（中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

伴隨著科技水平的不斷進(jìn)步，我國(guó)工程領(lǐng)域的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用水平得到了前所未有的提升，毫無(wú)疑問(wèn)這給建筑形式的不斷豐富帶來(lái)了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也產(chǎn)生諸多新的挑戰(zhàn)，問(wèn)題主要集中于各種外形美觀建筑在數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有合理的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為支撐而不能實(shí)現(xiàn)。面對(duì)這種情況應(yīng)該充分了解數(shù)字化平臺(tái)的特點(diǎn)，依次為基礎(chǔ)尋找與之相適應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并作為數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)中的重要元素，充分發(fā)揮數(shù)字化平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)出更多可以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的建筑作品，進(jìn)一步提升建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性及合理性。

1 數(shù)字化平臺(tái)的特點(diǎn)分析

數(shù)字化平臺(tái)是由不同類型軟件組合而成，以此接收海量信息，隨后按照相應(yīng)原則對(duì)這些信息進(jìn)行分類整合，這也就說(shuō)明數(shù)字化平臺(tái)具備信息甄別和分類功能，當(dāng)然還可以及時(shí)對(duì)正確信息進(jìn)行分析和深入研究。數(shù)字化平臺(tái)這些特點(diǎn)也就使其具備以下兩方面優(yōu)勢(shì)，一方面可以同時(shí)對(duì)諸多數(shù)據(jù)資料和信息進(jìn)行分析和處理，另一方面可以對(duì)資料進(jìn)行進(jìn)行多步相同處操作或者類似操作。然而任何事情都具備兩面性，數(shù)字化平臺(tái)亦是如此，在具備上述優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，數(shù)字化平臺(tái)還存在不擅長(zhǎng)對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)信息分別進(jìn)行各種不同換算、數(shù)據(jù)分別進(jìn)行不同類型換算不能及時(shí)量化等弊端，為此設(shè)計(jì)師需要熟練掌握何種類型的建筑結(jié)構(gòu)比較適用數(shù)字化設(shè)計(jì)[1]。

2 數(shù)字化建筑面對(duì)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

2.1 機(jī)遇

2.1.1 結(jié)構(gòu)數(shù)字化

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，堅(jiān)固、實(shí)用以及美觀是其設(shè)計(jì)要素，由此可見(jiàn)既然是要素那么也就缺一不可。絕大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)往往以不同形式依據(jù)作為重要參數(shù)，然而幾乎不會(huì)融入結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)建筑生成進(jìn)行有效控制，而這種設(shè)計(jì)只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)后果，即造成建筑結(jié)構(gòu)合理性及經(jīng)濟(jì)性的匱乏，另外還有部分設(shè)計(jì)人員提出在數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該打破以往傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的局限性，采用更加跳脫的設(shè)計(jì)手段，然而以這種思維方式為導(dǎo)向設(shè)計(jì)出的建筑方案往往由于結(jié)構(gòu)不能達(dá)到現(xiàn)實(shí)的承重要求而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在這種局面下可以從其他角度思考問(wèn)題，數(shù)字化設(shè)計(jì)也好，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)也罷，無(wú)非是對(duì)不同幾何形態(tài)予以簡(jiǎn)單或者復(fù)雜的處理設(shè)計(jì)，并且無(wú)論哪種幾何形態(tài)都隱藏著一定的結(jié)構(gòu)原理，可以將這些作為設(shè)計(jì)元素運(yùn)用其中，那么也就可以充分利用有著較強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能的平面或者空間幾何形態(tài)進(jìn)行數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)。另外通過(guò)對(duì)不同類型幾何形態(tài)所具備的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行深入探究，結(jié)構(gòu)則不會(huì)成為建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的攔路虎，反倒可以成為捷徑。例如日本著名建筑師伊東豐雄在對(duì)蛇形畫廊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就是將諸多方形疊加起來(lái)，進(jìn)而形成三角形，并以其為設(shè)計(jì)元素，同時(shí)運(yùn)用這種幾何形態(tài)固有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提升建筑結(jié)構(gòu)的合理性及多變性。

2.1.2 數(shù)字化同樣需要允許有一定的誤差

其實(shí)有很多時(shí)候某些數(shù)字化建筑不但可以滿足功能等客觀方面的需求，而且其結(jié)構(gòu)體系也十分合理，然而就是很難實(shí)施，究其主要原因則是絕大多數(shù)數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)十分繁冗，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度要求也隨著復(fù)雜程度的提升不斷增加，加之施工過(guò)程中會(huì)存在一定誤差，其可能存在于各個(gè)環(huán)節(jié)，例如溫度變化造成構(gòu)建伸縮、安裝誤差等，這些誤差無(wú)法采取措施從根本上消除，故而如果數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)根據(jù)其復(fù)雜程度對(duì)精準(zhǔn)性有更高要求，那么在實(shí)施起來(lái)難度也會(huì)大大升級(jí)，在很大程度上增加建設(shè)成本費(fèi)用。就拿廣州歌劇院來(lái)說(shuō)，其外形猶如圓潤(rùn)雙礫，在珠江邊十分奪目，雖然外形美觀，但是建設(shè)單位在建筑過(guò)程中為其投入大量精力，且其中還有部分建造還需求依托機(jī)械臂才能完成，而實(shí)際上很少有建筑項(xiàng)目有著如此大的投資，導(dǎo)致這類建筑幾乎沒(méi)有大規(guī)模建設(shè)的可能，因此，從經(jīng)濟(jì)性的成本的角度來(lái)說(shuō)，需要逐步弱化建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。而數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)最顯著的特點(diǎn)就是可以處理不同的復(fù)雜信息，建筑復(fù)雜程度較高，實(shí)行起來(lái)難度較大。因此需要在制定數(shù)字化設(shè)計(jì)方案時(shí)，為某些數(shù)據(jù)信息預(yù)留一定的誤差范圍，不必準(zhǔn)確到某個(gè)數(shù)值，只要施工過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)保持在合理誤差范圍以內(nèi)，不僅可以降低原有施工難度，也不會(huì)對(duì)建筑外觀及承重能力產(chǎn)生任何影響。

2.2 挑戰(zhàn)

我國(guó)工程界目前在數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件以及信息數(shù)字化方式上投入大量精力，并且每年都會(huì)組織開展不同規(guī)模的數(shù)字化設(shè)計(jì)競(jìng)賽，越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)企業(yè)在設(shè)計(jì)中融入現(xiàn)代化數(shù)字技術(shù)。但是這樣僅僅局限在競(jìng)賽中，現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行建設(shè)的設(shè)計(jì)方案少之又少，需要對(duì)數(shù)字化建筑的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行分析才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵所在。數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)步驟如下：①根據(jù)前期調(diào)查研究工作對(duì)所收集的相關(guān)信息進(jìn)行分析和梳理，例如地質(zhì)條件、功能、地域文化等。②對(duì)上述數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)字化處理。③充分運(yùn)用數(shù)字化平臺(tái)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、形式以及業(yè)務(wù)要求，科學(xué)選擇數(shù)字語(yǔ)言系統(tǒng)，從眾多數(shù)據(jù)中篩選有價(jià)值的信息，計(jì)算并進(jìn)行驗(yàn)證后形成建筑信息模型。通過(guò)對(duì)數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合相關(guān)方案可以看出，導(dǎo)致數(shù)字化建筑不能廣泛實(shí)施的原因主要包括3 個(gè)方面，首先是所獲得信息缺乏全面性，并且信息數(shù)字化處理方式不夠合理，或者沒(méi)有完善的驗(yàn)證系統(tǒng)作為強(qiáng)力支撐，以上種種都會(huì)造成設(shè)計(jì)中信息得不到充分利用，或者計(jì)算結(jié)果不能為原有地形以及功能提供相應(yīng)的信息支持；其次，未將結(jié)構(gòu)參數(shù)融入數(shù)字化設(shè)計(jì)當(dāng)中，導(dǎo)致建筑信息模型因結(jié)構(gòu)不合理而不能實(shí)施建設(shè)；最后，大部分建筑方案對(duì)施工準(zhǔn)確度要求較高，普通的施工工藝和技術(shù)不能滿足其要求。在面對(duì)以上問(wèn)題是應(yīng)該積極尋找問(wèn)題原因，嘗試深挖這些挑戰(zhàn)背后隱藏的新契機(jī)。

3 數(shù)字技術(shù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)作用

3.1 改變數(shù)字化設(shè)計(jì)模式，推動(dòng)數(shù)字性能化發(fā)展

現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)下，我國(guó)逐步加大了對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、以及機(jī)械工程等與建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)緊密相關(guān)的學(xué)科的研究力度，提出了新型的“性能化”設(shè)計(jì)思想，并將其作為數(shù)字化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)研究方向，就現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域發(fā)展情況分析，許多純粹的“形式主義”數(shù)字化設(shè)計(jì)已被“性能化”設(shè)計(jì)所取代。

結(jié)合性能化設(shè)計(jì)發(fā)展需求分析，其目的在于通過(guò)控制建筑形式幾何的內(nèi)在參數(shù)與外部因素互動(dòng)并生成形式，但這一目的的實(shí)現(xiàn)還需處于特定的邏輯系統(tǒng)控制之下。該領(lǐng)域建筑師在滿足充分明確性能化目標(biāo)的前提下，完成感性形式的操作與優(yōu)化，突破原有純粹自主的形式邏輯，賦予其半自主的性能化優(yōu)勢(shì)。建筑結(jié)構(gòu)性能化、環(huán)境性能化以及行為性能化已成為我國(guó)建筑形式發(fā)展的重要考慮目標(biāo)，也對(duì)建筑形式的根本性意義也產(chǎn)生了較大沖擊，建筑工程師在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)更多考慮到了材料節(jié)省性、環(huán)境友好性以及人類行為貼切性，為建筑學(xué)發(fā)展拓展了新的空間。受益于數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，工程師也就建筑復(fù)雜性與可持續(xù)性等問(wèn)題，提出了更高效、更精確的解決方案，這位為建筑學(xué)在數(shù)字性能化方向的發(fā)展起到了有效推動(dòng)作用。

3.2 突破數(shù)字化建造技術(shù)，創(chuàng)建數(shù)字性能化結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代化建造技術(shù)的發(fā)展，3D 打印、機(jī)器人建造等技術(shù)迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)，其應(yīng)用技術(shù)水平與施工質(zhì)量都得到了很大的提高。傳統(tǒng)數(shù)字建筑發(fā)展中的運(yùn)算生成與物質(zhì)實(shí)現(xiàn)之間的缺陷，也隨著數(shù)字建造技術(shù)的應(yīng)用逐漸消失。在數(shù)字建造技術(shù)不斷發(fā)展歷程中，以機(jī)器人建造為主的一系列建造技術(shù)也不再局限于純粹的工具范圍，建筑師只有不斷對(duì)建筑設(shè)計(jì)理念進(jìn)行更新，完成建筑設(shè)計(jì)方式優(yōu)化，重新對(duì)現(xiàn)代化背景下的建造技術(shù)進(jìn)行定義，才能對(duì)數(shù)字建筑領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化未來(lái)有明確評(píng)判。

這里需要重點(diǎn)提及機(jī)器人建造技術(shù)，作為一個(gè)開放性較強(qiáng)的工具平臺(tái)，各建筑師可將材料性能與設(shè)計(jì)需求作為機(jī)器人工具端的定制參考條件，為新一代建筑師創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)的創(chuàng)新發(fā)展環(huán)境，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)化與新型文化內(nèi)容的融合。在此推動(dòng)下，數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)也完成了對(duì)機(jī)器人工具端各方面的融合，打破了傳統(tǒng)數(shù)字化性能設(shè)計(jì)的局限，切實(shí)提高建筑生產(chǎn)過(guò)程的工作效率。某種意義上來(lái)說(shuō)，機(jī)器人數(shù)字建造技術(shù)與性能化設(shè)計(jì)方法發(fā)融合發(fā)展已成為新時(shí)期“性能化建構(gòu)”的核心發(fā)展理念，為數(shù)字時(shí)代建筑建構(gòu)文化提供了新的發(fā)展方向。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中數(shù)字化平臺(tái)運(yùn)用的方向

4.1 仿生結(jié)構(gòu)

仿生結(jié)構(gòu)類型主要包括人物、動(dòng)物、植物以及其他各色景物造型，例如水波紋理以及不同類型植物表層的肌理等，應(yīng)用數(shù)字化平臺(tái)，可以較快捷地將各種仿生結(jié)構(gòu)運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中。

4.1.1 樹形結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)是自然界當(dāng)中可以自復(fù)制成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的典型代表，并且其還與數(shù)學(xué)理論內(nèi)容中的“L 型系統(tǒng)”模型相互呼應(yīng)，其實(shí)這種數(shù)學(xué)模型并不難理解，也就是對(duì)同一等式反復(fù)進(jìn)行多次替換，該模型在運(yùn)行過(guò)程中主要包括羅列可以進(jìn)行多次替換的等式、設(shè)定替換次數(shù)并做好等式換算工作兩個(gè)階段，而這兩個(gè)階段皆與數(shù)字化優(yōu)勢(shì)相匹配，因此可以較為方便地運(yùn)用于數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)當(dāng)中，并取得良好效果。

4.1.2 海螺結(jié)構(gòu)

在自然界中，海螺結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性特點(diǎn)顯著，其之所以具備這一優(yōu)勢(shì)并非僅是碳酸鈣這種構(gòu)成材料比較堅(jiān)硬，其在空間結(jié)構(gòu)上擁有受力優(yōu)勢(shì)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)海螺結(jié)構(gòu)表層上的任意質(zhì)點(diǎn)都可以在壓力的影響下拉壓，但是需要注意并非是正面應(yīng)力，主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形態(tài)近乎完美，進(jìn)而賦予海螺結(jié)構(gòu)這這一特點(diǎn)。同時(shí)深入探究其切面不難發(fā)現(xiàn)，其剖面呈黃金螺旋線，其中蘊(yùn)藏著與黃金比例相吻合的運(yùn)算數(shù)列，也就是黃金分割數(shù)列，該數(shù)列還可以表達(dá)為F0=0，F(xiàn)1=1，F(xiàn)n=Fn-1+Fn-2，只需要將特定參數(shù)加入其中就形成了我們所說(shuō)的黃金螺旋線，把這些螺旋線銜接成網(wǎng)狀，進(jìn)而形成課題結(jié)構(gòu)，這個(gè)過(guò)程也就是對(duì)上述數(shù)列進(jìn)行多步運(yùn)算的過(guò)程，且與數(shù)字化平臺(tái)的特點(diǎn)相吻合[2]。

4.2 幾何形體的重復(fù)排列

幾何形體一般可分為一維、二維以及三維等形式，無(wú)論屬于哪一種形體都可以通過(guò)數(shù)據(jù)在數(shù)字化平臺(tái)中展現(xiàn)出來(lái)，隨后采用力學(xué)方式來(lái)對(duì)這些幾何形體予以空間排列，在此基礎(chǔ)上形成建筑結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性，通常情況下在空間排列后組合成六邊形以及四面體框架[3]。這種建筑結(jié)構(gòu)的剖面類似于拱形，在建筑結(jié)構(gòu)中屬于比較合理的結(jié)構(gòu)類型之一，不管是正六邊形還是空間四面體都是擁有較強(qiáng)傳力性能的集合形態(tài)，其中將六邊形不斷在拱形圓筒上重復(fù)排列，以此達(dá)到傳遞應(yīng)力的目的，與此同時(shí)聯(lián)合空間四面體增強(qiáng)殼面抗拉能力，以免受到巨大外力作用而出現(xiàn)變形等不良現(xiàn)象，使這種建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性高于其他類型，有著雙重防護(hù)。

4.3 外結(jié)構(gòu)

在對(duì)建筑外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)該將數(shù)字化問(wèn)題作為建筑外觀甚至整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，在確保建筑外觀科學(xué)性的同時(shí)，提升其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性。而要想實(shí)現(xiàn)這一目的需要將以下方面作為切入點(diǎn)：①建筑形體一定要適宜、恰當(dāng)，只有這樣才能保證其重心穩(wěn)定，牢固其外形。②對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)外觀的受力狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析，準(zhǔn)確尋找受力最大的區(qū)域。③根據(jù)建筑形體尋找與其相匹配并且具備相應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)，同時(shí)綜合受力狀況對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局[4]。待完成建筑外形布局之后，設(shè)計(jì)出不同類型同時(shí)還與建筑外形相一致的外觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)下圖外觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，保證建筑外結(jié)構(gòu)重心穩(wěn)定還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還應(yīng)該利用有限元對(duì)其受力狀況進(jìn)行分析和模擬，根據(jù)最終結(jié)果形成受力點(diǎn)陣，其中結(jié)構(gòu)承受力最大的區(qū)域點(diǎn)陣分布也就越密集，相反則稀疏，這些受力點(diǎn)陣的分布狀況就是建筑外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

就當(dāng)前情況而言，我國(guó)在建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化發(fā)展方面的研究還處于初始階段，但是在不久的將來(lái)一定會(huì)有更多建筑結(jié)構(gòu)與數(shù)字化平臺(tái)高效融合，在實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)字化后既可以全面系統(tǒng)的了解和分析建筑結(jié)構(gòu)整體受力狀況，還對(duì)建筑領(lǐng)域的數(shù)字化發(fā)展產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化發(fā)展過(guò)程中勢(shì)必會(huì)遇到各種機(jī)遇和挑戰(zhàn)，無(wú)論如何都應(yīng)該冷靜應(yīng)對(duì)，將挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨韮?yōu)勢(shì)，為建筑數(shù)字化發(fā)展提供更多助力。