隨著建造技術(shù)的發(fā)展，很多建筑師不滿足于傳統(tǒng)的建筑造型，越來越多的非線性作品應(yīng)運(yùn)而生，并且建筑師開始使用諸如Grasshopper或Dynamo等工具，直接在設(shè)計(jì)和建模階段創(chuàng)建參數(shù)化模型，這就使得越來越多的結(jié)構(gòu)工程師也開始使用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具。

       參數(shù)化設(shè)計(jì)可以改善以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)師更容易探索設(shè)計(jì)空間。參數(shù)化設(shè)計(jì)可以在很短的時(shí)間進(jìn)行精確的計(jì)算，根據(jù)設(shè)置的約束參數(shù)或算法，通過計(jì)算可以給出Z好的結(jié)構(gòu)形式，并提出更優(yōu)化的設(shè)計(jì)解決方案。

參數(shù)化設(shè)計(jì)甚至可以追溯到19世紀(jì)80年代，圣家大教堂的建筑師高迪就采用了參數(shù)化的設(shè)計(jì)思維，在那個(gè)非數(shù)字化的年代，高迪通過可變模型來推敲設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)動(dòng)的框架和彈性的繩索作為變量，在沒有精確數(shù)據(jù)的條件下，通過在石膏模型上試驗(yàn)得出，這種設(shè)計(jì)手法與形體的創(chuàng)新，開創(chuàng)了參數(shù)化設(shè)計(jì)的先河。

       與高迪同時(shí)期的詹姆斯·戴納是Z早提出用參數(shù)來定義空間幾何體，將時(shí)間追溯到20世紀(jì)60年代，路易吉·莫雷蒂開發(fā)了一套數(shù)學(xué)方程，其中的參數(shù)用于分析空間關(guān)系。他用這些公式在1962年制定了羅馬的城市規(guī)劃，并且創(chuàng)造了參數(shù)化建筑這個(gè)術(shù)語。

       第一個(gè)使用數(shù)學(xué)和參數(shù)方程的計(jì)算機(jī)程序，是由著名的Ivan Sutherland在1963年開發(fā)的Sketchpad程序。這個(gè)程序可以說是CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))程序的先驅(qū)，像我們熟知的Autodesk(1982)。盡管CAD目前是被廣泛使用的主流程序，但其仍然存在一些相當(dāng)嚴(yán)格的約束，使得許多復(fù)雜的三維幾何圖形無法被創(chuàng)建和理解。

       直到1989年，NURBS(非均勻有理b樣條)被開發(fā)出來，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以精確的表示二次規(guī)則曲線曲面，從而能用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式表示規(guī)則曲面與自由曲面。隨著像Rhino這類技術(shù)軟件的出現(xiàn)，NURBS逐漸成為現(xiàn)代曲面造型中Z為廣泛流行的技術(shù)，同時(shí)也帶動(dòng)了參數(shù)化設(shè)計(jì)的流行。

       弗蘭克·蓋里的作品標(biāo)志著參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)代的到來，蓋里科技在Catia平臺上研發(fā)了Digital Project，將傳統(tǒng)的工業(yè)曲面造型設(shè)計(jì)方法引入到建筑領(lǐng)域，率先在模型的信息管理與分析上進(jìn)行了大膽的嘗試。

       讓這些雕塑感強(qiáng)烈的非線性作品不僅僅是流于表面的美感，而是追求高效率的功能性，這才是參數(shù)化設(shè)計(jì)真正發(fā)揮作用的地方，允許設(shè)計(jì)沿著不同的定量參數(shù)變化。

       非線性的建筑外觀流暢自然，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)難度往往呈幾何倍數(shù)增長，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足這種復(fù)雜的形式要求，這就要求結(jié)構(gòu)工程師掌握更先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段與構(gòu)造思維。參數(shù)化軟件具有得天獨(dú)厚的造型控制能力與數(shù)據(jù)信息處理能力，根據(jù)給定的數(shù)據(jù)或坐標(biāo)信息，可以很方便的生成三維結(jié)構(gòu)模型，并可直接對其做受力分析與合理性分析。

       結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的桿件結(jié)構(gòu)分為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，在平面結(jié)構(gòu)中，各桿的軸線和外力的作用線都在一個(gè)平面內(nèi)，但是目前很多非線性的設(shè)計(jì)中，桿件多為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，各桿的軸線不在同一平面內(nèi)，此時(shí)傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)思路就需要發(fā)生轉(zhuǎn)變，借助參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法，不但可以批量生成空間的結(jié)構(gòu)桿件，還可以對桿件的長度模數(shù)以及荷載進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)能夠提取全部的下料信息。

       為了滿足結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)工程師可以采用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，即根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化相對于傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化具有更多的設(shè)計(jì)自由度，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展前景Z好的一個(gè)方面，也是參數(shù)化設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)專業(yè)的重要應(yīng)用。

       空間結(jié)構(gòu)體系中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以其整體性好、空間剛度大等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各類建筑中都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算方法的提高，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系得到了逐步的完善，其中有限元法成為了Z主要的計(jì)算方法，并且其應(yīng)用已由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題，由彈性平面問題擴(kuò)展到空間問題。

       通過數(shù)字來定義形式，可以創(chuàng)造出自由度很高的結(jié)構(gòu)體系。借助3D打印技術(shù)，讓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式在小尺寸和大尺寸上都取得了進(jìn)步。機(jī)器人的現(xiàn)成3D打印帶來了結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的新發(fā)展，設(shè)計(jì)師不需要再考慮如何簡化幾何形式以滿足工藝要求，取而代之的是用更先進(jìn)的技術(shù)將美學(xué)和力學(xué)融為一體。

       隨著人工智能(AI)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠?qū)斎氲膮?shù)進(jìn)行響應(yīng)，并可計(jì)算出無數(shù)種不同的迭代結(jié)果，結(jié)構(gòu)工程師可以進(jìn)行多方案對比和不同模型的計(jì)算分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。特別像一些高層建筑中，計(jì)算中需要考慮地震和風(fēng)荷載、以及偶然偏心和平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

       傳統(tǒng)的二維圖紙已經(jīng)無法準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)雜的三維空間，特別是面對復(fù)雜形體的建筑，建筑師是無法憑借一般的工程經(jīng)驗(yàn)來確定其合理性，這就需要結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)初期就參與進(jìn)來，在搭建結(jié)構(gòu)體系時(shí)引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)，可以對每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行精確定位，并對施工進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控。

? 中南建筑設(shè)計(jì)院工程數(shù)字技術(shù)中心

       參數(shù)化設(shè)計(jì)的發(fā)展與當(dāng)今一些先鋒派設(shè)計(jì)師的非線性作品的涌現(xiàn)有著相輔相成的關(guān)系，結(jié)構(gòu)工程師們很有必要去迎接這個(gè)挑戰(zhàn)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)的思維應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與深化中，本文將介紹幾個(gè)應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)踐的項(xiàng)目。

倫敦水上運(yùn)動(dòng)中心

       倫敦水上運(yùn)動(dòng)中心的靈感來自流體的幾何形態(tài)，形成了與奧林匹克公園的河流景觀相一致的空間和環(huán)境。巨型的拱起頂棚保持與水池相同的軸線，位于觀賽臺正上方并且籠罩整個(gè)游泳池大廳。頂棚的形態(tài)是根據(jù)觀眾視線計(jì)算得出的，通過雙曲率的幾何形態(tài)生成了拋物線拱形結(jié)構(gòu)。

       頂棚起伏的程度體現(xiàn)了競賽和潛水池不同區(qū)域的體量，并向外延伸至室外空間。整個(gè)屋頂跨度為160米，Z寬處是90米的復(fù)合鋼屋頂。三個(gè)實(shí)心混凝土支柱有效的支撐起了重達(dá)3000噸的屋頂結(jié)構(gòu)。拋物線拱形的結(jié)構(gòu)在視覺上讓人聯(lián)想到起伏的波浪，與水上運(yùn)動(dòng)中心的功能相呼應(yīng)。

云洞圖書館

       云洞圖書館位于?？谑?，其建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為馬巖松帶領(lǐng)的MAD建筑事務(wù)所，工程設(shè)計(jì)單位是華東院，特別值得一提的是施工單位為北京益匯達(dá)清水建筑工程有限公司，正是有了這樣高質(zhì)量的施工，才會(huì)帶來如此驚艷的效果，云洞圖書館的建成為我國異形清水混凝土建筑打開了一個(gè)全新的開始。

       建筑采用CNC模板進(jìn)行混凝土整體澆筑，局部異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用3D打印模板進(jìn)行澆筑，這樣可以解決曲面混凝土墻面施工的精度難題，同時(shí)也讓建筑的樓板、墻體、天花、結(jié)構(gòu)等渾然一體。該項(xiàng)目對于設(shè)備管道的處理也是非常用心，將其放置于混凝土腔體內(nèi)，這樣就不會(huì)影響到整體的視覺效果，也無需后期做吊頂進(jìn)行遮蔽。

       建筑主體通過三維建模和數(shù)控機(jī)床制作木模板，在三維異形曲面定位測量中，施工方益匯達(dá)團(tuán)隊(duì)采用了數(shù)字化的施工技術(shù)，借助Rhino和Grasshopper提取世界軸網(wǎng)坐標(biāo)定位，然后計(jì)算導(dǎo)出CAD圖紙以及EXCEL文檔，以此來輔助模板定位，可以在定位盤上完成定型背楞的點(diǎn)位、矢量朝向定位。

哈爾濱大劇院

       哈爾濱大劇院坐落于松花江北岸江畔，宛如飄動(dòng)的綢帶，成為北國延綿的白色地平線的一部分。整個(gè)建筑由多種形式的鋼結(jié)構(gòu)組成，包括單層網(wǎng)殼、雙層網(wǎng)殼、折梁結(jié)構(gòu)等。鋼結(jié)構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)上設(shè)置合理的支座與連接，有機(jī)結(jié)合為一體。

杭州奧體中心體育場

       杭州奧體中心體育場占地面積430畝，總建筑面積22.9萬㎡，地上六層，地下一層 。整個(gè)體育場的蓮花造型由55個(gè)花瓣組成，其中28片為大花瓣造型，并且一大一小構(gòu)成一個(gè)和諧的單元體?；ò甑拈g隙留白致敬中國傳統(tǒng)的景窗造型，讓體育場外部景觀自然的融入內(nèi)部空間。

       花瓣使用布滿直徑5毫米小孔的穿孔金屬板（鋁鎂錳板）制成，透光性好，并且可以看到外面的景觀，在保證私密性的同時(shí)遮擋外面風(fēng)塵。半透明罩棚隨著時(shí)間與光影的變化，展現(xiàn)“大蓮花”的靈動(dòng) 。體育場采用鋼結(jié)構(gòu)框架，鋼罩尺寸為南北333米，東西285米，經(jīng)過多輪調(diào)整優(yōu)化，總用鋼量僅2.8萬噸，比“鳥巢”減少了1.4萬噸。

卡塔爾AJ Janoub體育場

       AJ Janoub體育場是2022年卡塔爾世界杯建造的第一個(gè)體育場，該項(xiàng)目的建筑設(shè)計(jì)方為Zaha Hadid建筑事務(wù)所，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方為德國的施萊希工程設(shè)計(jì)公司（sbp)，該工程事務(wù)所的項(xiàng)目內(nèi)容涵蓋了橋梁、膜結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)等相關(guān)領(lǐng)域的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

       AJ Janoub體育場可容納4萬個(gè)座位，其可調(diào)式屋頂設(shè)計(jì)將三角帆船的外殼進(jìn)行了抽象化的融入，并采用了褶皺式PTFE膜材包層和纜索，在展開時(shí)猶如船帆一般覆蓋在球場上方。被動(dòng)式設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)建模和風(fēng)洞測試的運(yùn)用使建筑外殼的性能得到了Z大限度的提升。

       屋檐巨大的懸垂處采用了以金屬包覆的條形元素，弓形梁支撐屋頂，類似于船體。屋頂和檐下空間使用白色和灰白色的光面進(jìn)行覆層，使人聯(lián)想起海里的貝殼。

深圳寶安國際機(jī)場

       深圳寶安國際機(jī)場的建筑設(shè)計(jì)方為FUKSAS，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顧問方為KnippersHelbig Engineering。造型靈感來源于深海蝠鲼，一種可以根據(jù)呼吸改變自身形態(tài)的魚類。整個(gè)機(jī)場南北長約1120米，東西寬約為640米，主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，整個(gè)形體由雙層蜂窩狀表皮包裹，屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)。整個(gè)工程的工藝流程非常復(fù)雜，可以說是一件融合了數(shù)字技術(shù)于結(jié)構(gòu)技術(shù)的藝術(shù)珍品。

       參數(shù)化設(shè)計(jì)貫穿了機(jī)場從設(shè)計(jì)到施工的整個(gè)流程，借助Grasshopper首先用圓柱面去擬合圓錐面來確定整個(gè)屋頂?shù)亩ㄎ磺妫缓笊闪藵u變開洞的外側(cè)表皮，在深化設(shè)計(jì)階段，通過參數(shù)化優(yōu)化的手段，降低了玻璃及幕墻板塊尺寸的分類。鑒于本項(xiàng)目的異常復(fù)雜性，幕墻顧問公司還基于Rhino平臺開發(fā)了一款專用的單元生成軟件。

阿那亞“云中心”方案設(shè)計(jì)

       阿那亞“云中心”方案位于秦皇島市，是由MAD建筑事務(wù)所發(fā)布的方案，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顧問為中科（北京）建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司。該建筑超大的結(jié)構(gòu)懸挑實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)烈的輕盈感，Z大懸挑達(dá)到30米，除核心筒外再看不到任何柱體，建筑外立面采用激光打印乳白色超白玻璃，增強(qiáng)了建筑的漂浮感。

阿卜杜拉國王金融區(qū)地鐵站

       由zaha事務(wù)所設(shè)計(jì)的阿卜杜拉國王金融區(qū)地鐵站圖案花紋靈感來自于沙漠中的沙丘，交錯(cuò)的正弦波通過不斷的重復(fù)，為該建筑增添了靈動(dòng)流暢的感覺。外立面鋼結(jié)構(gòu)為單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，建成后將成為該地區(qū)的新地標(biāo)。

       阿卜杜拉國王金融區(qū)地鐵站是通過使用參數(shù)化和BIM建模來設(shè)計(jì)的，得以在現(xiàn)場獲取準(zhǔn)確的施工模型。波浪形的外觀、超高性能混凝土包裹的鋼鐵結(jié)構(gòu)，可以充分吸收沙漠地區(qū)太陽熱量。

Atyrau Bridge

       Atyrau Bridge運(yùn)用了參數(shù)化設(shè)計(jì)手法，并且采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)中常見的吸引子思路，將2500個(gè)單元體進(jìn)行了漸變映射，在滿足場所功能的前提下，將參數(shù)化設(shè)計(jì)的美感體現(xiàn)的淋漓盡致。Atyrau Bridge的設(shè)計(jì)靈感來源于當(dāng)?shù)貥?biāo)志性的鱘魚形體，將橋體的線條設(shè)計(jì)的舒展且柔美。

? New Moon Architect

南京歡樂谷廣場與東側(cè)大門設(shè)計(jì)

       南京歡樂谷主題樂園的東大門設(shè)計(jì)是全球Z大的改性塑料3D打印建造體，其建筑設(shè)計(jì)與數(shù)字建造方為創(chuàng)盟國際和一造科技，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為謝億民工程科技有限公司，該公司也是Grasshopper插件Ameba的開發(fā)團(tuán)隊(duì)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的Z大問題是基于參數(shù)化設(shè)計(jì)的拓?fù)鋷缀涡误w如何轉(zhuǎn)譯為可建造的模式語言，為此還自主研發(fā)了FURobot軟件平臺，將建造轉(zhuǎn)譯成機(jī)器人加工路徑的規(guī)劃。

       通過數(shù)控激光定位與掃描系統(tǒng)為每個(gè)3D打印外掛板進(jìn)行精確定位，并搭建了數(shù)字工地，能夠形成全局智能感知與反饋，該項(xiàng)目也成為了全球規(guī)模和尺度Z大的改性塑料3D打印建筑實(shí)踐之一。

ICD/ITKE研究亭

       斯圖加特的ICD/ITKE亭向人們展示了一種全新的建筑，其建造靈感來自于水蜘蛛的建巢方式。整個(gè)結(jié)構(gòu)完全是用機(jī)器人編織的碳纖維組成，其設(shè)計(jì)理念也是基于仿生學(xué)在纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究。通過研究水蜘蛛的生活模式，模擬其水泡支撐結(jié)構(gòu)在遭遇水流變化時(shí)承受的壓力，是如何保證水泡內(nèi)的安全和穩(wěn)定。

       實(shí)際建造過程中，外層的輕薄薄膜在機(jī)械產(chǎn)生的空氣壓力下成型，然后通過機(jī)械臂在薄膜內(nèi)部植入碳纖維束，碳纖維變硬后就成為了主體的受力支撐結(jié)構(gòu)，Z終的成果就是一個(gè)高性能節(jié)省材料的綜合構(gòu)筑物。

呼倫貝爾海拉爾機(jī)場

       呼倫貝爾海拉爾機(jī)場的主體結(jié)構(gòu)形式為框架柱在二層呈雙V形斜撐來支撐屋面，這個(gè)形體走向?yàn)槟细弑钡?，雙向波浪式單層網(wǎng)殼屋面的曲面造型呼應(yīng)具有草原地域文化特征的白云和羊群。鑒于建造難度很大，在實(shí)際施工過程中，以屋面網(wǎng)架的尺寸作為基本模數(shù)，對鋁板的曲率就行分析，將曲率較大的雙曲板優(yōu)化為單曲，將曲率較小的單曲板優(yōu)化為平板。

中國花卉博覽竹藤館

       中國花卉博覽館位于上?；ú﹫@，設(shè)計(jì)從竹器中找形，選取“繭”為原型，模擬中國傳統(tǒng)的編織工藝。該竹藤館從前期設(shè)計(jì)到后期施工均采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)的手段，將交叉編織單元從平面沿曲面法線方向逐漸扭轉(zhuǎn)，并按照建構(gòu)層劃分的不同，區(qū)分了主體鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)骨架與附加受力單元的竹材構(gòu)件。

上海天文館

       上海天文館位于浦東新區(qū)的臨港新城，其主體結(jié)構(gòu)樣式多樣，曲線型構(gòu)件和斜構(gòu)件種類很多，鋼結(jié)構(gòu)部分包含了空間弧形桁架、雙層空間桁架、單層網(wǎng)殼。其上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架，局部采用鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)，其中大懸挑鋼構(gòu)和異型梁柱給施工帶來了很大問題。

       為了解決各種問題，工程師在Rhino中進(jìn)行了仿真的模型搭建，對于邏輯清晰的結(jié)構(gòu)體采用了Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化輔助設(shè)計(jì)。

Terra – 迪拜世博會(huì)可持續(xù)展館

       Terra可持續(xù)館是2020年迪拜世博會(huì)人氣Z高的三個(gè)館之一，其設(shè)計(jì)靈感來源于植物的光合作用。建筑的上方從左到右有130米長，相當(dāng)于五條藍(lán)鯨排成一列，碳纖維在本項(xiàng)目中被大量使用，可以創(chuàng)造處非常復(fù)雜且輕量化的結(jié)構(gòu)體。

       Terra是地球可持續(xù)性的拉丁語，展館表面覆蓋著光伏電池，可以吸收太陽的能量，還能從空氣中提取淡水，該展館向世人展示了極端沙漠環(huán)境下的可持續(xù)生活新方式，也體現(xiàn)出了建筑的無限可能性。

長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心

       長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心是湖南省的地標(biāo)性建筑，以“芙蓉花”造型為設(shè)計(jì)靈感，主體結(jié)構(gòu)為框架-鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，屋面鋼結(jié)構(gòu)為異形雙曲單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，外立面由幾萬塊曲面GRC板組成，室內(nèi)裝修墻面由不規(guī)則的漸變GRC拼接而成。

       梅溪湖項(xiàng)目由于形體非常復(fù)雜，外皮結(jié)構(gòu)需要隨形布置，結(jié)構(gòu)完成面要與建筑完成面的距離恒定保持在1m，周邊斜柱與地面的夾角Z小僅為37°，外皮鋼柱或網(wǎng)殼同時(shí)也是主體結(jié)構(gòu)樓蓋的柱。

極小曲面裝置

       在數(shù)學(xué)概念中，極小曲面指的是平均曲率為零的曲面。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，極小曲面以其豐富的形體變化和流動(dòng)性，被越來越多的應(yīng)用于不同的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。極小曲面應(yīng)用在建筑上可以產(chǎn)生連續(xù)流動(dòng)的曲面，像是臺中國家歌劇院就是利用其中的原理。

       Minima | Maxima裝置位于哈薩克斯坦的阿斯塔納世博會(huì)，這個(gè)永久性的裝置為世博會(huì)的繁忙場地提供了一個(gè)沉思的場所。裝置的外部材料由6毫米超薄鋁板組成，如果把一個(gè)雞蛋縮放到與之相同的高度，雞蛋的外殼甚至要更厚一些。起伏的形體使裝置顯得柔軟而輕盈，從底部褶皺過渡到平滑連續(xù)的雙曲表面，為整個(gè)裝置帶來了更多的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

木結(jié)構(gòu)裝置及建筑

       木結(jié)構(gòu)建筑或構(gòu)筑物作為一種傳統(tǒng)的構(gòu)造體系，其構(gòu)件預(yù)制化程度很高，這也與參數(shù)化設(shè)計(jì)中的模數(shù)思維不謀而合。傳統(tǒng)的二維平面施工圖思維導(dǎo)致復(fù)雜的木構(gòu)件加工難度很大，但是隨著三維技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了很多參數(shù)化主導(dǎo)的木結(jié)構(gòu)建筑及裝置。其中隈研吾事務(wù)所和板茂事務(wù)所的作品堪稱木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的先鋒派，其Z終目標(biāo)是通過技術(shù)手段減少在實(shí)際操作中對環(huán)境的影響及對材料的消耗。

       由板茂設(shè)計(jì)的蓬皮杜梅斯中心展館，其結(jié)構(gòu)形式采用了木制的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，可以很容易的在二維方向產(chǎn)生彎曲，是一種理想的殼體荷載結(jié)構(gòu)。借助Grasshopper強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以對每個(gè)木構(gòu)件進(jìn)行數(shù)字模擬和分組編號，對于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也可搭配機(jī)械臂或建筑機(jī)器人共同作業(yè)。

結(jié)構(gòu)外露類

       在建筑的美學(xué)表現(xiàn)元素中，建筑造型與結(jié)構(gòu)的聯(lián)系Z為直接，當(dāng)清晰的結(jié)構(gòu)得到精確的表現(xiàn)時(shí)，它就變成了建筑藝術(shù)。作為澳門城市新地標(biāo)的The Morpheus酒店，是全球率先采用自由形態(tài)外骨骼結(jié)構(gòu)的摩天大樓，其結(jié)構(gòu)、幕墻、立面在建造過程全部使用三維建模，總用鋼量是埃菲爾鐵塔的4倍。

       鳳凰國際傳媒中心的方案創(chuàng)意來自于西方數(shù)學(xué)經(jīng)典的立體幾何模型“莫比烏斯環(huán)”，其主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外殼采用復(fù)雜空間曲面的鋼結(jié)構(gòu)體系，將兩個(gè)混凝土樓連在一起。包括鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的整體模型采用MIDAS和PKPM軟件建模，該模型用于結(jié)構(gòu)的整體分析。

       鳥巢國家體育場是典型的鋼結(jié)構(gòu)外露案例，整體形體由巨型馬鞍形鋼桁架編織而成，其中屋頂?shù)闹麒旒芟嗷ソ徊妫c頂面和立面的次結(jié)構(gòu)共同編織生成整個(gè)結(jié)構(gòu)體系。由于鋼結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型異常復(fù)雜，普通的建筑類軟件已無法滿足要求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)直接采用了工業(yè)設(shè)計(jì)類軟件CATIA對其進(jìn)行參數(shù)化建模，這也是CATIA軟件在中國建筑工程中的首次使用。

       以Rhino和Grasshopper為平臺的參數(shù)化應(yīng)用，通過設(shè)置參數(shù)或算法，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了諸多變革，本文將介紹一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的插件以及應(yīng)用實(shí)例。

Ameba

       國產(chǎn)插件Ameba由謝億民團(tuán)隊(duì)開發(fā)，基于ESO算法發(fā)展出的擴(kuò)展?jié)u進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法，Ameba不僅具有拓?fù)鋬?yōu)化功能，還有強(qiáng)大的網(wǎng)格優(yōu)化功能。目前該插件的版本已更新至2.0，在Rhino平臺形成了完整的“前處理—云計(jì)算—后處理”設(shè)計(jì)工具。

? Ameba謝億民科技

       拓?fù)鋬?yōu)化通過顯示材料的分布情況，可在設(shè)計(jì)空間找到Z佳的分布方案，并提供精簡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)。借助有限元分析提供的建議，可將優(yōu)化結(jié)果逐步演化為Z終的產(chǎn)品，這也改變了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)思維。

? 證大喜馬拉雅中心

       隨著3D打印等數(shù)字化建造技術(shù)以及有限元技術(shù)的發(fā)展，建筑的空間將不再拘泥于傳統(tǒng)的格局。將拓?fù)鋬?yōu)化的方法應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠使結(jié)構(gòu)本身就具有強(qiáng)有力的藝術(shù)表現(xiàn)力，同時(shí)允許設(shè)計(jì)師在方案初期即可引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念。在滿足受力要求的情況下，將設(shè)計(jì)中的多余材料減去，能夠很大程度上縮短工程周期與節(jié)約成本。

RhinoBim

       RhinoBim是為建筑行業(yè)開發(fā)的一套建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析插件。該插件具有豐富的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫以及齊全的材料庫，是添加和編輯結(jié)構(gòu)鋼梁的穩(wěn)定工具，同時(shí)還能快速的進(jìn)行碰撞分析。

Karamba

       Karamba是Grasshopper插件中一款具有代表性的力學(xué)分析插件，可提供空間桁架、框架結(jié)構(gòu)和殼體的精確分析結(jié)果，通過在Karamba中添加邊界條件、荷載、材料屬性，并完成彈性受力分析等操作，這就使得參數(shù)化模型與有限元計(jì)算和優(yōu)化算法能夠更好的結(jié)合起來。

       Karamba目前有免費(fèi)版和收費(fèi)版，免費(fèi)版限制很多，僅能用于學(xué)習(xí)和測試，遇到實(shí)際項(xiàng)目需要購買正版才能滿足需求。Karamba包含了多種分析的算法，較為常用的有較大變形分析、屈曲模式分析、自然振動(dòng)分析、梁的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、殼體的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、殼體的補(bǔ)強(qiáng)加固設(shè)計(jì)分析。

       Karamba提供了多種分析反饋結(jié)果，包含變形能量、節(jié)點(diǎn)位移、主應(yīng)變近似值、梁的利用率、殼體利用率、梁的位移、合成截面力、殼體上的力學(xué)流線、殼體上的等值線、殼體上的主應(yīng)力方向等。

       Karamba理論上可用于分析任何規(guī)模的結(jié)構(gòu)模型，使用分析運(yùn)算器評估結(jié)構(gòu)性能時(shí)，需要注意的是雖然材料會(huì)表現(xiàn)出線性彈性，即變形的加劇總是與荷載的增加相關(guān)聯(lián)，但實(shí)際材料的行為會(huì)有所不同，會(huì)在某些時(shí)候衰減并Z終斷裂。

3D GRAPHIC STATICS

       3D GRAPHIC STATICS插件通過圖解靜力學(xué)提供了一種結(jié)構(gòu)找形方法，空間力的系統(tǒng)可以通過將力多面體組合成一個(gè)三維的力多面體圖解的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即力圖解和形圖解。該插件的常用功能包含形狀查找過程、計(jì)算力、生成截面等等。有了這個(gè)數(shù)字工具，設(shè)計(jì)師和研究人員可以創(chuàng)建一個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，生成特定美學(xué)的Z佳結(jié)構(gòu)。

       該插件將3D圖解靜力學(xué)與Grasshopper進(jìn)行了連接，其核心原理之一是高中物理中的力的平行四邊形定則，這種原理可用來研究和探索在給定荷載和支座條件下純受壓分叉結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何形式。圖解靜力學(xué)獨(dú)特的形態(tài)與力學(xué)一體化原則，在數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)代又迎來的新的發(fā)展。

Peregrine

       Peregrine是一個(gè)強(qiáng)大的Grasshopper結(jié)構(gòu)優(yōu)化插件，其優(yōu)化算法用的是幾何布局優(yōu)化算法，這與Ameba的擴(kuò)展?jié)u進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是不同的，近乎全局Z優(yōu)的解決方案可以在幾秒鐘內(nèi)得到。該插件雖然不是免費(fèi)的，不過使用教育版是不用支付任何費(fèi)用的，并且與商業(yè)版功能一樣。

RhinoVault

       RhinoVault是Rhino平臺的一款結(jié)構(gòu)找形插件，其底層原理與3D GRAPHIC STATICS插件一樣，都是通過圖解靜力學(xué)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬與優(yōu)化。RhinoVault是一個(gè)使用COMPAS構(gòu)建的開源研發(fā)平臺，COMPAS是一個(gè)基于python的框架，用于建筑、工程和數(shù)字制造領(lǐng)域的計(jì)算研究和協(xié)作。

RhinoVault包含七個(gè)步驟的工作流：

1.創(chuàng)建和修改Pattern

2.定義邊界條件

3.創(chuàng)建形圖解

4.創(chuàng)建力圖解

5.水平平衡

6.垂直平衡

7.修改圖表

       RhinoVault通過形圖解和力圖解為設(shè)計(jì)師提供了簡易直觀的找形方法，同時(shí)還可以讓非結(jié)構(gòu)工程師更容易了解形體背后的力學(xué)原理。

       RhinoVault完全是用COMPAS生態(tài)系統(tǒng)的開源包構(gòu)建的，因此該插件不僅可以在Rhino平臺上使用，還可以在Blender或其他帶有Python腳本界面的工具上使用。

Rhino.inside

       Rhino.inside就是連接Grasshopper和Revit的橋梁，相當(dāng)于將GH放入到Revit的緩存里，那么GH中創(chuàng)建的幾何體可以直接轉(zhuǎn)化為Revit模型，并可以聯(lián)動(dòng)GH進(jìn)行參數(shù)控制，很大程度上提高了Revit的曲面造型能力以及數(shù)據(jù)處理能力。

Alpaca4d

       Alpaca4d是一款Grasshopper結(jié)構(gòu)分析插件，其核心工作原理是調(diào)用OpenSees的分析結(jié)果，并將其以可視化的形式展示出來。OpenSees是一個(gè)用于結(jié)構(gòu)和巖土方面地震反應(yīng)模擬的一個(gè)開放程序軟件體系，具有較好的非線性數(shù)值模擬精度。

       Alpaca4d目前作為一款比較新的插件，其界面并不十分友好、且分析計(jì)算處理能力相對較弱，還需要更新迭代幾個(gè)版本，目前主要是研究人員和學(xué)術(shù)界在使用。

Swallow(ESD)

       Swallow(ESD)是一款基于GH平臺開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)一體化輔助設(shè)計(jì)插件，由中南建筑設(shè)計(jì)院工程數(shù)字技術(shù)中心團(tuán)隊(duì)開發(fā)，主要包括四大功能模塊：結(jié)構(gòu)信息定義與結(jié)構(gòu)模型組裝、計(jì)算結(jié)果處理、模型導(dǎo)入與導(dǎo)出。

導(dǎo)入Sap2000

       Swallow可用來定義層高、截面屬性、荷載和節(jié)點(diǎn)約束等屬性，并將這些屬性與GH中的幾何體綁定后組裝成結(jié)構(gòu)分析模型，并通過相應(yīng)的API函數(shù)將GH與Sap2000、Etabs軟件直接關(guān)聯(lián)起來，方便程序調(diào)用。

? 中南建筑設(shè)計(jì)院工程數(shù)字技術(shù)中心

Salamander

       Salamander插件可以在GH中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型，包含結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、元素信息、斷面等，并可以像其他參數(shù)模型一樣被修改，然后可以將它們導(dǎo)出到Robot、GSA、ETABS中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

Kangaroo

       Kangaroo將動(dòng)力學(xué)計(jì)算引入gh中，通過物理力學(xué)模擬進(jìn)行交互仿真、找形優(yōu)化、約束求解。將其應(yīng)用于殼體和膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以極大的節(jié)省找形優(yōu)化時(shí)間。

       雖然Kangaroo與其他類似的物理引擎由許多共同特征，不過它能從一個(gè)插件發(fā)展成GH的內(nèi)置運(yùn)算器，Z大原因還是它有一些獨(dú)特的功能適合建筑設(shè)計(jì)。

       Kangaroo可以自定義邊界和受力大小，通過主模擬器的運(yùn)算使整個(gè)形體達(dá)到受力平衡，需要注意的是Kangaroo僅能針對網(wǎng)格進(jìn)行操作，并且其受力點(diǎn)均為網(wǎng)格頂點(diǎn)，隨著Rhino7的SUBD網(wǎng)格功能的極大增強(qiáng)，Kangaroo的應(yīng)用也會(huì)越來越方便。

TeklaLink

       TeklaLink插件可實(shí)時(shí)鏈接GH對Tekla進(jìn)行算法建模，可在GH中直接創(chuàng)建Tekla 中的對象并與之交互，并且可在GH中啟用或禁用Tekla指令、是否重新計(jì)算并生成Tekla組件、刪除Tekla中對象等操作。