基于微观结构仿生学的壳体建筑模块化设计研究

孙新慧 陈 平

建筑业以集约式高质量发展为导向，推动设计建造的装配式模块化发展道路。随着数字模拟、优化及数控建造技术的发展与变革，建筑业数字化转型加快，日益注重建筑的轻量化和高效化设计，具有优良结构性能和轻薄艺术造型的壳体建筑实践得到了长足发展，但也因其技术要求高、多学科综合性强而难以高效精准地设计建造。混凝土壳、冰壳[1]、空间网壳、极小曲面壳、分段木壳[2]等壳体建筑的设计建造研究层出不穷，壳体建筑呈现出从低技术水平向高技术水平、从整体向装配模块化的发展趋势，而模块化设计旨在将壳体离散成若干均匀的模块单元，降低建造难度，推动壳体建筑标准化发展。借助仿生学等相关理论探索卓越自然结构和构建合理的壳体建筑模块化设计方法，可进一步提升壳体建筑设计的科学性和高效性。

1 结构仿生学与壳体建筑概述

所谓“仿生”，就是向生物学习、模仿或取得启示，仿造各种生物的优点以用在人类科学技术的创造或改进上。仿生学是促进人类社会发展的重要科学，如何有效寻找和利用自然界生物的生长规律来适应人类社会发展对建筑的需求是一个经久不衰的研究课题。建筑仿生学作为仿生学的分支，为建筑设计的多元化和综合性的创新提供了更多解决方案。19 世纪下半叶，建筑仿生从拟态表达向数理规则转化，1947 年诺伯特·维纳提出的“控制论”奠定了仿生学与工程技术联系的理论基础，1957 年奥托·施密特首次使用“仿生”一词[3]，1960 年“仿生学”正式成为独立学科，直到1983 年勒伯多的《建筑与仿生学》正式奠定了建筑仿生学的理论基础，而现代计算性设计[4]的发展，使建筑仿生学逐渐从早期的建筑形态的仿生延伸到更深层次的建筑结构仿生。

建筑结构仿生学可以实现建筑结构形态的优化，从而更好地满足人类的需求。建筑结构仿生学将自然界中生物的结构性能、结构关系等作为研究对象，并尝试将生物体的优良结构性能应用于建筑工程设计，为建筑结构体系的生成方式提供思路，建筑宏观结构仿生领域的优秀建筑设计作品不断涌现，同时自然界中的微观生物高效结构也逐渐被挖掘和应用；微观结构仿生学将具有高性能的生物微观结构逻辑运用到建筑设计之中，极大拓展了壳体建筑设计外沿。近年来，利用微观结构创新壳体建筑的设计建造的作品不胜枚举：以蟹钳纤维结构为原型，使用黑色碳纤维材料设计并建造了独特的双曲面结构；以海胆骨骼为原型，实现了分段木壳从计算性设计、机器人制造到自动化装配的设计建造一体化过程；以生物细胞结构为原型，使用纸板进行了模块化壳体搭建。微观结构仿生学为壳体建筑的研究提供了新的灵感源泉，通过模块化方法将设计与建造提升到一体化的层面探讨解决方案，可更高效和灵活地实现壳体建筑的设计建造。

2 基于微观结构仿生学的壳体建筑模块化设计方法

研究将壳体结构系统与微观结构仿生学进行交叉，将壳体建筑作为由整体形态、基础网格、模块单元组成的层级系统，依托Rhino 的参数化建模平台Grasshopper，提出基于微观结构仿生学的壳体建筑模块化设计方法，包括几何转译、壳体优化、网格均化、单元生成4 个部分，并以六边形微观结构为例细化各部分流程（图1），即捕捉、提炼微观结构原型，使其转译为基础单元形式；将设计变量与结构性能目标结合进行壳体形态设计优化，获得初始模型；使用网格均化方法处理初始模型后获得网格均匀的最终网格模型；利用最终网格模型构建模块单元生成的流程，对模块单元进行后期加工处理。

图1 基于微观结构仿生学的壳体建筑模块化设计方法流程图（来源：作者自绘）

2.1 微观结构的几何转译

高效合理的结构有利于最大程度提升材料的利用效率，同时使建筑本身呈现出建筑空间艺术美学。几何转译是将生物微观结构作为壳体建筑模块单元的细分方式，主要是指捕捉、抽象与简化生物微观结构，转译为结构中可应用的几何符号或语言，使壳体建筑模式体系更具创造性，建立和完善自然界与壳体建筑的互动机制。研究以从自然界中抽象出的基本几何图形为研究对象，将这些基本几何图形通过设计工具转化为壳体建筑结构组成的模块单元形式，相较于三角形和四边形，六边形模块单元能够在节省材料的同时实现覆盖面积最大化，兼具美学和实用价值，故以六边形为模块单元形式。

2.2 基于结构性能的壳体优化

计算性设计的发展促使结构性能纳入设计阶段，共同主导建筑形态优化。基于结构性能的壳体优化包括壳体找形和形态优化2 个部分，Grasshopper 承载的找形工具主要有3 种：基于“推力网格分析法”的Rhino Vault2 和基于COMPAS 开源设计框架的Form Fingder 与Rhino Vault、拓 扑优化设计软件Ameba、动力学找形工具Kangaroo。鉴于Kangaroo 的找形过程可与Grasshopper 联动，操作性强，可生成自由度更高的壳体形态，故选用Kangaroo2 作为找形工具，另选用Karamba3D 作为结构性能优化工具。

2.3 基于CP Mesh的网格均化

圆相切（Circle Packing Mesh，CP Mesh）是利用圆形作填料的三角形网格[5]，在限定区域内以若干等半径或不等半径的相切圆逼近曲面，各圆形的外切三角形对偶处理后形成六边形网格，具有实现网格均化的潜力。

CP Mesh 依 托Kangaroo2 的Tangentlncircles 实现，配合施加控制优化网格到原始网格的距离及优化网格边界到原始网格边界的距离的约束力，即可提升由三角形对偶形成的六边形的均匀化效果，曲面的复杂度影响网格均化的程度。

2.4 模块单元生成

以六边形实心式模块单元设计为例，网格厚度沿重合顶点的合向量方向生成，模块单元间无缝隙，与原网格性质较贴合。为实现快速且精准的批量化单元生产，拟采用机器人铣销等数控建造技术进行加工，要求输出加工路径文件指导生产，故加工前需要对模块单元进行加工路径设计，拟结合遗传算法，以角度变化差值为目标，以x、y、z轴角度值为变量，进行加工位姿优化计算。

3 设计实践

为了验证所提出的设计方法的有效性，本文研究选用同济大学举办的Architectural Digital FUTURES 2023 的“Knitted Tile Vaults”工作营作品的基本形态进行模拟实验，并且以该工作营作品的建造流程验证了壳体建筑模块化设计建造的可行性。研究以初始平面网格精度为0.1 m、中间开设直径0.7 m 圆洞的3 m×3 m 的方形图案平面为原型，以六边形为微观结构几何转译原型，依次从壳体优化、网格均化、单元生成3 个方面论述方法流程。

3.1 壳体优化

借助Kangaroo2 确定壳体的初始形态，创建初始网格平面参数关系，设置约束力、重力、锚固点等目标，使用BouncySolver 运算器模拟找形，生成以四边形网格为基础的高1 m 的壳体模型。将模型拾取到Karamba3D中，材料定义为木材，重力荷载和点荷载均为-1 kN，以截面尺寸为设计变量，以应变能的最小值为结构性能评价指标，进行结构性能模拟，使受力、形态、单元厚度三者达到相对平衡状态。以0.04 m 为截面厚度，即以原始网格面为基准面，向上和向下网格合向量方向各平移0.02 m，最后得到壳体的初始模型，如图2a 所示，此状态下上表面和下表面应变能分别为0.027与2.08×10-6kN·m。

图2 实验过程示意图（图a、b、c 来源：作者自绘；图d 来源：作者自摄）

3.2 网格均化

取初始模型的上表面网格，定义基础模型，在基础模型对应的平面上构建边长为0.15 m 的平面三角形网格，将其映射到基础模型上生成新的网格，此处设置的三角形网格边长直接影响网格均化后模型的网格尺寸。新网格作为网格均化的初步模型，分别设置约束力和目标力，之后使用Kangaroo2的Solver 运算器进行模拟，根据设计需求权衡约束力与目标力的调节参数，控制新网格相对于基础模型网格的偏离程度，同时实现网格尺寸均匀化，边缘修整处理后获得最终网格模型，如图2b 所示。

排除边缘不完整单元因素干扰，分析网格均化处理前后六边形网格的数量和面积最大值、最小值、平均值、方差、标准差（表1）。处理后六边形数量减少，面积最大值、最小值和平均值有一定程度的增加，表明网格均化使六边形尺寸具有一定的可控性。处理后的面积方差较处理前降低了0.08 m2，面积标准差较处理前降低了0.15 m2，表明各六边形单元面积和面积平均值之间的偏离程度降低，六边形单元的均匀度有所改善。网格均化涉及多种约束力与锚固力，通过增加每个目标强度，其准确性将会提高，而其他目标的迭代和效果将会改变，需根据设计需求综合衡量每个目标的强度值。

表1 优化前后数据分析表

3.3 单元生成

取最终网格模型，统一调整网格边线起点的方向，以保证向同一合向量方向挤出中间肋。选用Weaverbird的Tile 运算器进行网格三角化处理，将处理后的网格沿网格上点的合向量方向向下平移0.04 m，对上下网格面进行放样获得中间肋板，之后对上网格面、中间肋、下网格面进行体积闭合处理，组成壳体建筑的模块单元，平铺排列单元体，使用加工位姿优化算法得到模块单元最小原材料尺寸，如图2c 所示。排除边缘不完整单元因素干扰，共202 个模块单元，各模块单元的最小包围体积的厚度有3 种：7 个厚度0.06 m；130 个厚度0.05 m ；65 个厚度为0.04 m。

借助“Knitted Tile Vaults”工作营作品的建造过程验证模块化设计方法的可行性和展示模拟实验设计的壳体可能建成的效果。作品采用在自由曲面上生成标准矩形砖交错图案的网格重构算法，开展了找型设计、实体建造，完成了结构生形、物化到建造全流程，具体流程分为框架搭建、钢索拉结、木砖定位、织物悬挂、抹灰定型，最后壳体翻转后完成建造，整个建造过程基于逆吊实验法找形，获得了受力合理的壳体形式，如图2d 所示。该作品探讨了一种创新和可持续的壳体设计与建造范式，将壳体整体划分为若干均匀化的矩形砖，极大提高了建造效率，是建筑工业化和壳体建筑模块化设计建造的成功范例。

4 结语

微观结构推动壳体建筑高效稳定的结构体系和美观精致的造型特征的创新，结合微观结构仿生学和网格均化方法，提出了基于微观结构仿生学的壳体建筑模块化设计方法。研究表明，该方法可提升壳体建筑模块单元尺寸的可控度与均匀度，降低制造难度和材料消耗，具有充分的可行性。以宏观形态调控与微观单元规制结合的壳体建筑模块化设计方法，是基于建筑形式、结构与建造需求的综合探讨，在实践层面也将给提升壳体建筑设计建造水平、提高建筑生态环境效益等方面带来巨大影响。