结合衍生式设计与桥梁美学在桥梁设计中的应用

宋福春，李光宇，李正坤，吕贵芳

(1.沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168; 2.沈阳建筑大学 管理学院 沈阳市 110168;3.百川伟业建筑科技股份有限公司 天津市 300450)

0 引言

在我国各个领域高速发展的今天，衍生式设计逐渐被大家所认知。在技术和工具的成熟后，许多数字建筑因此得以被设计和建造出来，不少知名建筑师都大量运用设计运算技术，他们在复杂建筑结构造型的反复推敲过程及验证众多生成的结果，在某种程度来说，也符合衍生设计的定义。本文致力于研究衍生式设计在桥梁领域中的具体应用。

为了使桥梁形体与周围的环境相互统一，相互和谐，同时又要达到实用与安全的功能，在衍生式设计的基础上添加了桥梁美学、镂空艺术和光影艺术多种美学元素，对桥面上部的空间形体进行设计。在桥梁美学中，镂空技法也经常被应用在设计作品当中，它以独特的方式去提升桥梁结构的美学特性(例如：高度重复、韵律、节奏等)。而镂空技法的应用便离不开光影现象，随着一天之中太阳的升起与降落，光线的角度和强度会随之变化而变化，形成不同的光影效果，与桥梁整体的美感相互呼应。

1 基于衍生式设计软件的建模工具开发

1.1 衍生式设计

衍生式设计步骤如下：

(1)设计师根据重量、成本、材料、体积和强度等约束条件输入要求。

(2)计算机使用算法和AI生成数千种设计，同时对每种设计进行性能分析。

(3)设计师在需要时改变设计目标，控制设计的迭代循环。计算机使用其AI来创建预先验证的解决方案。

(4)导出文件并生成原型。如果设计师对结果不满意，或者希望探索其他选项，可以根据需要重复步骤(3)。

以上大致就是衍生设计的系统形成过程。

1.2 整体建模工具开发过程

首先，选择不同功能的几何功能模块进行合理的连接，来描述构件之间的关系。在坐标原点处自动创建控制点。

其次，在不同功能的几何模块中，嵌入条件语句和循环语句执行形成结构点的指令，直至约束条件不成立后进程结束，反复核算，直至运算通过。

设置点的生成轨迹，按照生成点的轨迹关键节点进编写程序(图1)。

在变量调节模块列表中调用相符合的参数控制开关，对整体结构进行全面的参数控制，反复调试直至没有错误出现。最终建模初步设计完成，通过将程序语言与软件的功能相结合，快速地将模型以点排列的方式(图2)，勾勒出模型框架。

1.3 二元性方案建模工具的开发

高度重复单元组成的结构是一种独立的三维结构，通常由一个复杂的格架组成，它由简单的结构单元组成，而结构单元又由三个或更多的斜杆组成，形成单个单元。然而这种结构由于其简单、美观和易于排列而具有美观性，创建这样的结构既困难又复杂。但是使用可视化编程功能与语言编程功能，便可以轻易实现不同的二元性方案。采用所开发的二元性方案的建模工具，从一系列不同复杂程度的高度重复单元结构中选取一种。

图3中第一行图形是重复结构单元。第三行图形是旋转对称的棋盘式平铺网格，从图3中可以看出，如果用单元以及棋盘式平铺网格相结合，单元对棋盘式平铺网格进行填充，便可以得到图上显示的不同的结构形式。通过这样的类比，可以得出以下结论:通过定义语法规则，按照相应的平铺方式，则生成这种二元性方案。

二元性方案建模工具开发完成(图4)。

1.4 生成备选方案及建模工具开发流程

通过调整基本的参数和构件之间的关联关系，给予所有变量参数不同的约束条件，包括不同方向上点的生成轨迹、二元性方案疏密程度和构件尺寸等约束条件，由电脑快速生成备选方案。

由于篇幅有限，所以只展示出以下几种生成方案(图5)。

接下来选取第二种设计方案结合桥梁美学，镂空式设计、光影艺术等方面对结构的美观性进行讨论。

2 结合美学对结构美感方面的探讨

将桥梁美学、镂空艺术、光影艺术等美学理论融入结构设计中，将美感与技术相结合，将桥梁结构的形式美充分地展示出来。

2.1 侧面结构设计

首先用编程完成的二元性方案进行平铺，二元性方案被用来镶嵌一个平面(图6)，与节奏中有规律的重复互相呼应，通过控制参数进一步优化得到的形式正与韵律中的有规律的起伏相对应。

最后通过衍生式设计建模工具将提升到3D(图7)。

为了保证二元性方案的镶嵌是连贯的，系统首先验证指定的二元性方案可以生成2D棋盘式镶嵌;然后对三维交叉网格结构进行优化，进一步保证得到的结构在三维空间内的总体连贯性，再通过调整控制参数，使三维空间内的结构达到完全连续的状态(图8)。

在古今中外的很多桥梁中，都可以找到节奏感与韵律感的踪迹，这是建筑物能产生协调美的关键。在桥梁侧面结构的设计中，加入了桥梁美学中节奏与韵律元素，而采用更加简单，高度重复单元，不仅提高了结构的整体美观性，更为后面的光影美感方面做下铺垫。

2.2 顶部结构设计

具体设计思路与结构侧面设计相同，调整变量控制模块中的曲线参数对其进行调节，在顶部结构的构造中加入两个方向的曲线控制参数，提升到3D(图9)。

将顶部结构与侧面结构连接在一起，形成初步整体结构(图10)。

在整体上看，首先，虽然结合了节奏与韵律元素，但是结构形体形成后，在行车与行人舒适度方面具有极大的局限性，通过结构形体的行人会产生压抑、拘束的感受。其次，形体的总体设计手法比较单一，而在一种结构的设计中也应存在复杂与简单的对立关系，并且复杂与简单本身就是对立与统一的关系且始终不可分割。由此，在原结构基础之上进行了顶部镂空设计，减少行人压抑、拘束的感受，增强整体设计多样性。

2.3 结构顶部优化设计与光影模拟

为了改变行人通过此部分结构时的负面感受，对顶部结构结合镂空技法进行进一步的优化设计，在结构设计中结合镂空艺术会使结构的空间整体塑造形式产生质的改变，从而使结构美感表现力得到充分的提高。在结构的顶部设计上我们决定将结构顶部二元性方案与简单的几何形体进行合理的组合，做进一步的优化设计。

将顶部结构与一个椭圆形进行结合，用椭圆对顶部结构挖空，进行镂空设计(图11)，同时结合镂空设计来提升整体设计的创新性和审美性。

顶部镂空设计完成后，对太阳的日出直至日落的过程中对桥面上部结构投影的变化进行光影模拟，随着一天中太阳方位的改变对其光线的影响，其光线角度、强度所产生的变化投影在桥面上部的结构上所产生的投影也会随着时间的变化而产生虚实、疏密、远近等多种形态，使空间结构的形态变得极为丰富(图12)。

在桥面上部的结构设计中，空间与光影相互作用所产生的美感在空间结构中是非常具有价值的地方。在结构空间中，光影的作用不仅是照明，随着一天中时间的变化，光影跟随着变动，如此便赋予了光影生命的内涵，如果光只发挥采光的作用，那么光影的内涵也将会消失，因此光影与空间结构的关系是密不可分的，探究光影在空间结构中的作用与内涵也是极为重要的。

3 结论

以上总结了衍生式设计结合多种美学元素所能给结构设计带来的丰富多彩的形式美的表现力，这是结合了现在科学技术与新的设计理念而生成的一种全新的设计方式。

衍生式设计的作品是探索一种全新的设计理念，结合多种美学元素给作品赋予更多内涵。现代的设计理念发生着巨大的转变，人工智能在设计中所占比重越来越高。而衍生式设计方式正是这个大环境下的产物，同时也是最适合结合美学来进行结构设计的方法之一。

尽管目前还没有在桥梁领域进行应用，不可否认的是衍生式设计的方式的确为桥梁的设计带来了全新的思路。