建筑结构参数化设计在低密度合院项目中的应用

2022-08-26周文琪勘志豪邓佛丹李庆存

土木建筑工程信息技术 2022年3期

周文琪勘志豪邓佛丹王洁谷琦李庆存

(上海杰地建筑设计有限公司，上海 200080)

引言

近年来，随着计算机及其相关技术在建筑设计领域中的广泛应用，参数化建筑设计技术和方法也得到了长足的发展，越来越多地应用于实际项目当中。

参数化建筑设计是一种建筑设计方法，很多建筑师或学者都对参数化设计的概念进行了探讨[1-4]。参数化建筑设计的核心思想是把建筑设计的全要素都变成某个函数的变量，通过改变函数，或者说改变算法，使设计师能够获得不同的建筑设计方案[5]。参数化设计为建筑师和结构工程师提供了更丰富的设计工具和更高效的设计手段。

相较于其他制造行业领域，参数化建筑设计作为技术手段的应用，在建筑设计领域的推广仍具有一定的滞后性[6-7]。这种滞后性不仅仅源自于建筑设计领域独特的工作性质，也有社会经济环境、人文环境等复杂因素。如何将参数化设计思想和工具在建筑设计领域内进行普适性应用，仍是一个需要探讨和尝试的主题。在建筑结构设计领域，传统的建筑结构参数化设计往往应用于一些较为复杂的超高层建筑、异形曲面建筑及大跨空间建筑等项目中，通过参数化建模实现复杂异形结构的高效方案调整和分析[8-10]。参数化建筑结构设计本身是一种结合了计算机技术的设计方法，参数化建筑结构设计的应用并不局限于复杂异形结构。在常规的住宅类的建筑结构设计中，参数化技术也有广泛的应用场景。

本文基于对参数化技术的理解，结合对低密度合院项目中设计难点的总结，在Rhino及Grasshopper平台上开发了一套针对于低密度合院及别墅项目的设计流程及相应的软件系统。在该系统的辅助下，建筑结构参数化设计的优势在传统住宅类型项目中得以充分地利用，以往需要大量人力完成的工作被参数化的手段高效地完成，结构工程师在该类型项目中的工作效率也因此得到了大幅度提高。

1 传统低密度合院项目的设计难点

与复杂的超高层结构或大跨空间结构不同的是，传统的低密度合院项目的结构设计并未有太多复杂的结构分析及构造技术相关的问题。结构工程师在面对这类项目时主要的痛点和难点在于：在项目体量较大的情况下，结构设计的建模和制图工作均依靠结构工程师手工完成，需要大量的人力成本和时间成本。

首先，该类项目的总工作量十分巨大。虽然低密度合院项目的标准户型种类有限，但是每个建筑组团由多个户型拼装而成，每个组团内户型数量不同，每个户型的相对位置和相对镜像关系往往也错综复杂，因此从项目总体而言，由户型之间的关系衍生而来的建筑物组团种类数量十分庞大。在建立模型和绘制图纸时，结构工程师首先需建立每个标准户型的模型，然后按照建筑总图逐一地拼装到相应的模型上。每个户型的定位及组团内户型之间交界面的构件内联关系处理，往往需要结构工程师手动完成。这样的工作不仅会耗费结构工程师大量的时间和精力，且很难保证每个组团户型的统一性。

其次，建筑师对单体位置和户型的修改较为频繁。由于业主和建筑师在不同的设计阶段持续优化总平面布局、户型组合以及户型内部空间，导致建筑户型不停地变动。结构分析模型和图纸也要随着建筑设计的修改而频繁地修改，这也会导致结构工程师的工作量成倍地增加。

2 低密度合院参数化设计技术开发的项目背景

低密度合院参数化设计技术开发依托于临沂奥正雅园项目，如图1～图2所示。本项目位于山东临沂，共包含50个组团，240个单体户型，单体户型主要分为四种。其中，H1户型为三层，H2～H4户型为四层；如图3所示，每个组团户型组合的数量有3～7个不等；每个组团户型之间相互连接，有多种镜像关系；相邻户型之间存在相互错位的情况。

图1 临沂奥正雅园鸟瞰图

图2 临沂奥正雅园户型分布图

如果使用传统的设计方法，在组装结构模型阶段，至少需要一个结构工程师约三周的工作量。

本项目虽然各个组团类型及户型拼接类型较多，但是，整个项目是以四个标准户型为基本单元，这就构成了生成参数化模型的基本条件。在整个地块的模型组装过程中，这些标准户型可以被定义为标准参数化模型，根据每个户型的坐标及边界条件，调整这些标准参数化户型的变量，确保满足设计需求。

3 低密度合院参数化设计技术路径

3.1 定义标准户型的参数化结构模型

在建筑师提供标准户型的资料后，结构工程师可以进行标准户型的结构布置。参数化流程首先进行的是标准户型分析模型的参数化，即在Grasshopper中创建标准户型的所有结构构件，每个结构构件都包含了结构分析相关的信息，包括构件尺寸、荷载等。所有构件的组合，就形成了一个标准户型的参数化分析对象(如图4所示)。基于Grasshopper的标准结构模型的任意构件参数，都可以通过Grasshopper内的逻辑进行调整。

图3 典型组团二层平面图

图4 基于Grasshopper的H1户型参数化标准模型

构建标准参数化结构模型主要可以通过以下两种方法：

(1)通过Rhino及Grasshopper自身的逻辑创建，在Rhino及Grasshopper创建相应的线模，将线模中的各个对象都绑定截面材料、尺寸、荷载等相关信息；

(2)直接读取诸如盈建科YJK、PKPM等有限元分析软件中的结构模型信息，转化为基于Grasshopper的参数化模型。

标准参数化模型创建完成后，所有结构构件的表达都是基于Grasshopper本身的几何对象。因此，标准户型就可以任意地被复制、旋转、移动和镜像。标准户型内的任意构件也可根据需求进行修改，绑定在相关几何对象上的诸如截面、荷载等信息，也必须跟随几何对象的变化而变化。

3.2 单体户型参数的获取及布置

标准参数化模型定义完成后，整个项目的所有户型就可以根据每个户型的定位进行拼装。每个单体户型在组装前，需要编写相应的程序，根据标准参数化模型和每个单体户型的特征，提取以下四个参数：

(1)确定每个单体户型的户型。本项目包含四个标准户型，需要对每个单体位置处的户型进行区分。在对应单体户型位置复制相应的标准参数化模型。

(2)确定标准参数化模型与平面上的每个户型对应的参考点。根据标准参数化模型和每个单体户型之间参考点之间的向量差，可以决定标准参数化模型定位时需要移动的向量。

(3)确定每单体户型与标准户型之间的角度差。如果角度差大于0，则需对复制的标准模型进行旋转处理。

(4)确定每个单体户型与标准户型之间是否存在镜像关系。根据每个户型定位的坐标和转角关系，确定是否在相应位置布置好标准户型后，对结构构件进行镜像。

图5 各单体户型定位及转角

如图5所示，为本项目所有单体的位置及转角方向的示意图。在根据上述参数布置标准参数化模型的过程中，模型各构件均可根据Grasshopper自带的几何运算单元进行处理。此外，每个构件上的参数需要根据相应的几何运算进行修改。如梁上的梯形荷载，在梁发生镜像后，需要对调梯形荷载的起点和终点。

图6 标准交接面模型

图7 处理交界面模型

3.3 户型之间交接面的处理

本文采用参数化类比的方法处理结构交界面。首先根据3.2所述流程，统计出项目中存在的交界面类型。类型根据交界面左右户型的种类、镜像关系、偏移尺寸等进行划分。根据每个划分好的交界面类型，在Grasshopper上定义一个标准的交界面模型，如图6所示。该模型包含结构工程师定义好的户型交接面，交界面可根据户型之间的偏移尺寸进行参数化调整。通过这种方式，避免了模型组装后相邻互相堆叠造成的交界面混乱。

在模型组装过程中，定义每个标准参数化模型的交界面处理作用域。在拼接时，根据3.2的流程，程序自动识别每个交界面两侧的户型种类及交界面类型，并匹配符合该交界面类型的标准交界面模型。匹配完成后，程序将作用域内的结构构件替换为标准交接面模型里的构件。标准交接面模型中的构件根据户型之间的相对偏移，参数化地调整尺寸。这样，单体户型的交界面就可以满足结构分析的需求。如图7所示，为交界面处理后的模型。