基于数字化平台的建筑结构设计研究

2013-09-14李伟

电子测试 2013年5期

李伟

（云南省交通规划设计研究院 650011）

1 现阶段数字化设计平台发展现状

信息的数字化在现代社会已经成为一种趋势，在建筑领域同样应用的相当广泛。近年来，很多城市建设了众多外形造型绚丽让人叹为观止的建筑物，给人带来了新奇的视觉享受。然后，这些建筑却面临着新的问题。不管建筑外形如何变幻，却离不开最基础的结构支撑问题，需要解决外在形式、内在结构、建筑功能和美感之间矛盾。虽然数字化能够在设计中引入较为复杂的数学和物理模型，将文字化的图标转变为三维图像，为设计师提供更丰富的思维空间，但最多是外形的参数，缺乏控制结构的参数，使得所设计的建筑方案缺乏有效的结构系统，在施工阶段增加了施工难度，过多的浪费人力、物力，甚至一些方案根本无法实施。

很多人认为，过分重视建筑结构会制约外在设计的创造，对建筑形式的发展产生不利影响。但是如果没有科学的建筑结构的支撑再好的建筑外形只能流于形式而缺乏质量，甚至有可能只能是画饼充饥，难以实施。因而设计的数字化发展还需要重视建筑结构的设计，两者并重，只有这样才能设计出完美的作品，建造完美的建筑工程。

2 建筑结构设计数字化的意义

建筑结构的功能，一方面可以抗衡来自地球的引力；另一方面，在建筑物本身。它由平面形体或者是空间形体组建而来。这些建筑除了在内部结构方面有一定机理之外，其外部形态还可以转化为一些具体的数字。然后就可以把这些数字应用到建筑设计中。换句话说，假如一个建筑形态的数字参数可以被很好的发现，进而应用到一些建筑设计中，那么这些建筑在有质量保证的同时，还会有一些新奇的外观。

3 数字化平台应用于建筑结构设计的发展方向

明了这些道理之后，我们要面对的问题变得十分明了，那就是怎么巧妙的安排这些结构数字。因此，我们要解决的就是数字化平台的建设问题。首先，我们要明确平台的性质：1.它要具备不同的软件，接收来自外界的消息；2.要具备把不一样的消息进行整合或者是把一类的消息根据一定原则进行挑选和分类的能力；3.可以迅速正确的对信息进行研究分析。这些性质给平台带来了一定的优势和缺点。因此，它的优势就是：1.可以对众多的数据资料进行分析；2.对资料实行多步相同或者类似操作。它的缺点是不擅长对少数数据分开实行多种不同的换算或者实行不能量化的操作。因此，依据上文的分析，我们要解决的问题就成了什么类型的建筑结构适合被用于数字化设计。

3.1 仿生结构

自然界生物的结构，一般由自身基因与外部环境共同影响形成，而且这些结构一般由众多细胞组成，它们具有鲜明的重复或者渐变特点，这些特点正好和数字化平台的长处完全契合。下面的这些例子大约可以准确表现这一点。

（1）树形结构

树形结构是自然界中自复制成长结构最具有代表性的一种，它和数学理论中的“L型系统”模型相照应。这种数学模型（如图1）其实就是要对同一等式进行多次替代。它的具体运行过程共分两个阶段：一、列出一个能够进行多次替代的等式；二、设立替代的次数并且对等式进行换算。这两个阶段与数字化的优势相符合，可以运用到数字化平台的建设过程。

图1 树形结构的数学模型图解

（2）海螺结构

海螺结构在自然界中具有比较坚固的特点。它拥有这种特点，不单是因为其构成材料——碳酸钙，比较坚硬；同时还因为其空间结构具有受力上的优势。分析其结构，它表面上的每一个质点都可以对受到的压力进行拉压，而不是正面应力。其结构上的这种特点主要是因为其结构上接近完美的形态。对其切面进行研究，可以发现，那基本上就是“黄金螺旋线”（如图2），这组螺旋线中包含着一个符合黄金比例的运算数列，那就是斐波那契数列。

图2 海螺剖面

3.2 几何形体的重复排列

几何形体一般具有一维、二维或者三维结构。这些形体均能够通过一些数字表现出来，应用到数字化应用平台。如图3，它是对六边形与空间四面体结构进行研究，构建的一个接近于拱形的建筑结构。这种结构在建筑中是比较常见的一种组成方式。与此同时，这两种几何形体构成的建筑结构，还具备很好的传力性能。从结构的截面上看，外围上的圆筒凭借连续排列的六边形转移压力，同时，又通过空间四面体来避免结构表面的变形，这些都增加了结构的稳固性。这个结构综合使用了数字化和受力理论，是我们使用数字化平台和建筑结构的完美组合。

图3 六边形与空间四面体框架在拱形圆筒上分布的结构

3.3 外结构

建筑的外观结构设计不仅要考虑建筑结构的数字化问题，它同时也是建筑外观和整个建筑设计的一部分。建筑外观结构的设计，既要保证外观的合理，同时又保证内部结构的丰富，我们可以从下边几个方面来做：首先要具备适合的建筑形体，保证这个建筑形体具备稳定的重心。这样建筑的外部形体才会坚固；其次，对建筑结构的外观进行受力分析，找出受力比较大的地方；最后，寻找与这种形体符合并且具备这些功能的结构，根据受力情况的分布来安排这些结构。

对建筑的外形有了比较合理的安排之后，我们就可以构建很多不同的、符合这些建筑外形的建筑外观结构。从下面的这个外观结构可以看出，在保证建筑外结构的重心平衡之后，要对它的受力情况进行有限元分析，把这些分析进行总结，在结构的表面构成受力点阵，这些结构受力越大的地方、点阵分布的越密（图中红色部分），反之，则越稀（图中蓝色区域）。我们在对建筑外结构进行设计的时候，就可以根据这些点阵的分布进行设计操作（如图4）。