建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)在低密度合院項(xiàng)目中的應(yīng)用

周文琪 勘志豪 鄧佛丹 王 潔 谷 琦 李慶存

(上海杰地建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200080)

引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)技術(shù)和方法也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中。

參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)是一種建筑設(shè)計(jì)方法，很多建筑師或?qū)W者都對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行了探討[1-4]。參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)的核心思想是把建筑設(shè)計(jì)的全要素都變成某個(gè)函數(shù)的變量，通過(guò)改變函數(shù)，或者說(shuō)改變算法，使設(shè)計(jì)師能夠獲得不同的建筑設(shè)計(jì)方案[5]。參數(shù)化設(shè)計(jì)為建筑師和結(jié)構(gòu)工程師提供了更豐富的設(shè)計(jì)工具和更高效的設(shè)計(jì)手段。

相較于其他制造行業(yè)領(lǐng)域，參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)作為技術(shù)手段的應(yīng)用，在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的推廣仍具有一定的滯后性[6-7]。這種滯后性不僅僅源自于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域獨(dú)特的工作性質(zhì)，也有社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境、人文環(huán)境等復(fù)雜因素。如何將參數(shù)化設(shè)計(jì)思想和工具在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行普適性應(yīng)用，仍是一個(gè)需要探討和嘗試的主題。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)往往應(yīng)用于一些較為復(fù)雜的超高層建筑、異形曲面建筑及大跨空間建筑等項(xiàng)目中，通過(guò)參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的高效方案調(diào)整和分析[8-10]。參數(shù)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身是一種結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，參數(shù)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用并不局限于復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)。在常規(guī)的住宅類的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，參數(shù)化技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文基于對(duì)參數(shù)化技術(shù)的理解，結(jié)合對(duì)低密度合院項(xiàng)目中設(shè)計(jì)難點(diǎn)的總結(jié)，在Rhino及Grasshopper平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)于低密度合院及別墅項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的輔助下，建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在傳統(tǒng)住宅類型項(xiàng)目中得以充分地利用，以往需要大量人力完成的工作被參數(shù)化的手段高效地完成，結(jié)構(gòu)工程師在該類型項(xiàng)目中的工作效率也因此得到了大幅度提高。

1 傳統(tǒng)低密度合院項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

與復(fù)雜的超高層結(jié)構(gòu)或大跨空間結(jié)構(gòu)不同的是，傳統(tǒng)的低密度合院項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并未有太多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)造技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)工程師在面對(duì)這類項(xiàng)目時(shí)主要的痛點(diǎn)和難點(diǎn)在于：在項(xiàng)目體量較大的情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建模和制圖工作均依靠結(jié)構(gòu)工程師手工完成，需要大量的人力成本和時(shí)間成本。

首先，該類項(xiàng)目的總工作量十分巨大。雖然低密度合院項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)戶型種類有限，但是每個(gè)建筑組團(tuán)由多個(gè)戶型拼裝而成，每個(gè)組團(tuán)內(nèi)戶型數(shù)量不同，每個(gè)戶型的相對(duì)位置和相對(duì)鏡像關(guān)系往往也錯(cuò)綜復(fù)雜，因此從項(xiàng)目總體而言，由戶型之間的關(guān)系衍生而來(lái)的建筑物組團(tuán)種類數(shù)量十分龐大。在建立模型和繪制圖紙時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師首先需建立每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)戶型的模型，然后按照建筑總圖逐一地拼裝到相應(yīng)的模型上。每個(gè)戶型的定位及組團(tuán)內(nèi)戶型之間交界面的構(gòu)件內(nèi)聯(lián)關(guān)系處理，往往需要結(jié)構(gòu)工程師手動(dòng)完成。這樣的工作不僅會(huì)耗費(fèi)結(jié)構(gòu)工程師大量的時(shí)間和精力，且很難保證每個(gè)組團(tuán)戶型的統(tǒng)一性。

其次，建筑師對(duì)單體位置和戶型的修改較為頻繁。由于業(yè)主和建筑師在不同的設(shè)計(jì)階段持續(xù)優(yōu)化總平面布局、戶型組合以及戶型內(nèi)部空間，導(dǎo)致建筑戶型不停地變動(dòng)。結(jié)構(gòu)分析模型和圖紙也要隨著建筑設(shè)計(jì)的修改而頻繁地修改，這也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)工程師的工作量成倍地增加。

2 低密度合院參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目背景

低密度合院參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)依托于臨沂奧正雅園項(xiàng)目，如圖1～圖2所示。本項(xiàng)目位于山東臨沂，共包含50個(gè)組團(tuán)，240個(gè)單體戶型，單體戶型主要分為四種。其中，H1戶型為三層，H2～H4戶型為四層； 如圖3所示，每個(gè)組團(tuán)戶型組合的數(shù)量有3～7個(gè)不等； 每個(gè)組團(tuán)戶型之間相互連接，有多種鏡像關(guān)系； 相鄰戶型之間存在相互錯(cuò)位的情況。

圖1 臨沂奧正雅園鳥(niǎo)瞰圖

圖2 臨沂奧正雅園戶型分布圖

如果使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在組裝結(jié)構(gòu)模型階段，至少需要一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師約三周的工作量。

本項(xiàng)目雖然各個(gè)組團(tuán)類型及戶型拼接類型較多，但是，整個(gè)項(xiàng)目是以四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)戶型為基本單元，這就構(gòu)成了生成參數(shù)化模型的基本條件。在整個(gè)地塊的模型組裝過(guò)程中，這些標(biāo)準(zhǔn)戶型可以被定義為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型，根據(jù)每個(gè)戶型的坐標(biāo)及邊界條件，調(diào)整這些標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化戶型的變量，確保滿足設(shè)計(jì)需求。

3 低密度合院參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)路徑

3.1 定義標(biāo)準(zhǔn)戶型的參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型

在建筑師提供標(biāo)準(zhǔn)戶型的資料后，結(jié)構(gòu)工程師可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)戶型的結(jié)構(gòu)布置。參數(shù)化流程首先進(jìn)行的是標(biāo)準(zhǔn)戶型分析模型的參數(shù)化，即在Grasshopper中創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)戶型的所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件都包含了結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的信息，包括構(gòu)件尺寸、荷載等。所有構(gòu)件的組合，就形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)戶型的參數(shù)化分析對(duì)象(如圖4所示)?；贕rasshopper的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型的任意構(gòu)件參數(shù)，都可以通過(guò)Grasshopper內(nèi)的邏輯進(jìn)行調(diào)整。

圖3 典型組團(tuán)二層平面圖

圖4 基于Grasshopper的H1戶型參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)模型

構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型主要可以通過(guò)以下兩種方法：

(1)通過(guò)Rhino及Grasshopper自身的邏輯創(chuàng)建，在Rhino及Grasshopper創(chuàng)建相應(yīng)的線模，將線模中的各個(gè)對(duì)象都綁定截面材料、尺寸、荷載等相關(guān)信息；

(2)直接讀取諸如盈建科YJK、PKPM等有限元分析軟件中的結(jié)構(gòu)模型信息，轉(zhuǎn)化為基于Grasshopper的參數(shù)化模型。

標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型創(chuàng)建完成后，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表達(dá)都是基于Grasshopper本身的幾何對(duì)象。因此，標(biāo)準(zhǔn)戶型就可以任意地被復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和鏡像。標(biāo)準(zhǔn)戶型內(nèi)的任意構(gòu)件也可根據(jù)需求進(jìn)行修改，綁定在相關(guān)幾何對(duì)象上的諸如截面、荷載等信息，也必須跟隨幾何對(duì)象的變化而變化。

3.2 單體戶型參數(shù)的獲取及布置

標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型定義完成后，整個(gè)項(xiàng)目的所有戶型就可以根據(jù)每個(gè)戶型的定位進(jìn)行拼裝。每個(gè)單體戶型在組裝前，需要編寫(xiě)相應(yīng)的程序，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型和每個(gè)單體戶型的特征，提取以下四個(gè)參數(shù)：

(1)確定每個(gè)單體戶型的戶型。本項(xiàng)目包含四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)戶型，需要對(duì)每個(gè)單體位置處的戶型進(jìn)行區(qū)分。在對(duì)應(yīng)單體戶型位置復(fù)制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型。

(2)確定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型與平面上的每個(gè)戶型對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型和每個(gè)單體戶型之間參考點(diǎn)之間的向量差，可以決定標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型定位時(shí)需要移動(dòng)的向量。

(3)確定每單體戶型與標(biāo)準(zhǔn)戶型之間的角度差。如果角度差大于0，則需對(duì)復(fù)制的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理。

(4)確定每個(gè)單體戶型與標(biāo)準(zhǔn)戶型之間是否存在鏡像關(guān)系。根據(jù)每個(gè)戶型定位的坐標(biāo)和轉(zhuǎn)角關(guān)系，確定是否在相應(yīng)位置布置好標(biāo)準(zhǔn)戶型后，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行鏡像。

圖5 各單體戶型定位及轉(zhuǎn)角

如圖5所示，為本項(xiàng)目所有單體的位置及轉(zhuǎn)角方向的示意圖。在根據(jù)上述參數(shù)布置標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型的過(guò)程中，模型各構(gòu)件均可根據(jù)Grasshopper自帶的幾何運(yùn)算單元進(jìn)行處理。此外，每個(gè)構(gòu)件上的參數(shù)需要根據(jù)相應(yīng)的幾何運(yùn)算進(jìn)行修改。如梁上的梯形荷載，在梁發(fā)生鏡像后，需要對(duì)調(diào)梯形荷載的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)交接面模型

圖7 處理交界面模型

3.3 戶型之間交接面的處理

本文采用參數(shù)化類比的方法處理結(jié)構(gòu)交界面。首先根據(jù)3.2所述流程，統(tǒng)計(jì)出項(xiàng)目中存在的交界面類型。類型根據(jù)交界面左右戶型的種類、鏡像關(guān)系、偏移尺寸等進(jìn)行劃分。根據(jù)每個(gè)劃分好的交界面類型，在Grasshopper上定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的交界面模型，如圖6所示。該模型包含結(jié)構(gòu)工程師定義好的戶型交接面，交界面可根據(jù)戶型之間的偏移尺寸進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整。通過(guò)這種方式，避免了模型組裝后相鄰互相堆疊造成的交界面混亂。

在模型組裝過(guò)程中，定義每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型的交界面處理作用域。在拼接時(shí)，根據(jù)3.2的流程，程序自動(dòng)識(shí)別每個(gè)交界面兩側(cè)的戶型種類及交界面類型，并匹配符合該交界面類型的標(biāo)準(zhǔn)交界面模型。匹配完成后，程序?qū)⒆饔糜騼?nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件替換為標(biāo)準(zhǔn)交接面模型里的構(gòu)件。標(biāo)準(zhǔn)交接面模型中的構(gòu)件根據(jù)戶型之間的相對(duì)偏移，參數(shù)化地調(diào)整尺寸。這樣，單體戶型的交界面就可以滿足結(jié)構(gòu)分析的需求。如圖7所示，為交界面處理后的模型。

3.4 生成有限元分析模型

在完成模型的拼裝后，需要將Grasshopper(如圖8所示)上的分析模型轉(zhuǎn)換為盈建科YJK的分析模型。因此編制了將Grasshopper模型轉(zhuǎn)換為盈建科YJK模型的程序。該程序有以下優(yōu)勢(shì)：

圖8 Grasshopper結(jié)構(gòu)分析模型

(1)準(zhǔn)確地生成與Grasshopper模型匹配的盈建科YJK有限元分析模型，如圖9所示，該模型的位置、截面、荷載，特殊構(gòu)件定義等信息均與Grasshopper中定義的模型保持一致；

圖9 生成盈建科YJK模型的樓板荷載

(2)自動(dòng)組裝標(biāo)準(zhǔn)層，項(xiàng)目中的不同戶型中的樓層標(biāo)高各不相同，在拼裝模型的過(guò)程中，程序自動(dòng)將標(biāo)高相同的構(gòu)件合并到相同的標(biāo)準(zhǔn)層上，不同標(biāo)高的標(biāo)準(zhǔn)層分別組裝，如圖10所示，最終生成的模型無(wú)需在盈建科中進(jìn)行工程拼裝的操作，包含了所有的戶型；

圖10 地塊的結(jié)構(gòu)分析模型

(3)一次模型生成的時(shí)間只需要五分鐘，對(duì)比傳統(tǒng)人工拼裝模型的工作模式，工作效率有了極大的提升。

除了一些特定的需求之外，本文程序最終生成的盈建科YJK模型包含了準(zhǔn)確的模型坐標(biāo)、構(gòu)件尺寸、荷載等信息，可直接用來(lái)進(jìn)行有限元分析。

3.5 生成標(biāo)準(zhǔn)的模板圖

由于在Grasshopper中定義了準(zhǔn)確的模型信息，可直接在基于Grasshopper在Rhino中生成各個(gè)平面的模板圖。也可編寫(xiě)Grasshopper與AutoCAD的接口，在AutoCAD上生成相應(yīng)的平面模板圖。

本文首先根據(jù)Grasshopper中的結(jié)構(gòu)模型，編寫(xiě)了在Grasshopper中生成模板圖圖紙對(duì)象的程序。進(jìn)而基于Grasshopper和AutoCAD的ActiveX技術(shù)編寫(xiě)了Grasshopper和AutoCAD的接口程序，實(shí)現(xiàn)了圖紙和模型的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)性地闡述建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在低密度合院項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)流程，提出了一種參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在該類型項(xiàng)目中具體應(yīng)用的方法。通過(guò)臨沂奧正雅園項(xiàng)目及其它多個(gè)項(xiàng)目的綜合實(shí)踐驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)流程對(duì)于提高該類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量有著顯著的作用。

本文的主要結(jié)論如下：

(1)低密度合院參數(shù)化設(shè)計(jì)的工作流程，可以極大地提高結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)該類型項(xiàng)目時(shí)的工作效率，以往三周的工作量可以縮短到半小時(shí)以內(nèi)；

(2)每個(gè)單體的定位和拼裝都是根據(jù)建筑總圖獲取，無(wú)需人工介入，可以最大程度地減小分析模型組裝的工作量，并減小圖紙的誤差；

(3)針對(duì)戶型的修改，結(jié)構(gòu)工程師只需要修改幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型相應(yīng)的參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)小區(qū)所有模型和圖紙的修改，極大地提高了結(jié)構(gòu)分析模型和圖紙更新的效率；

(4)所有單體戶型均由標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)化模型復(fù)制生成，戶型交界面的處理也有標(biāo)準(zhǔn)模型參數(shù)化匹配，可以保證整個(gè)項(xiàng)目各個(gè)單體戶型結(jié)構(gòu)布置的統(tǒng)一性；

(5)Grasshopper上的低密度合院參數(shù)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作流程中大部分組件都由本文作者基于Grasshopper二次開(kāi)發(fā)。作者在開(kāi)發(fā)時(shí)充分考慮了項(xiàng)目的多樣性，可擴(kuò)展應(yīng)用到同一類型的其他項(xiàng)目中，極大地提高了低密度合院項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)的工作效率。