数字技术在异形结构中的应用探索
2018年9月25日 15:09数字技术研究应用探索（上）
方案及初步设计阶段的数字技术应用
数字设计
是以三维设计为核心，
针对设计过程的具体需求，
利用编程手段，形成一整套
基于数据、逻辑和图形的解决方案。
借鉴高端制造业，建筑行业近年来逐渐形成了数字化设计的方法技术。BCG（波士顿咨询公司）估计,在10年内，非住宅建设全面数字化改造将使工程和施工阶段的年节约成本达到0.7万亿美元至1.2万亿美元（13-21％），并且使操作阶段的年节约成本达到0.3亿至0.5亿美元（10-17％ ）。
数字技术在几何形体生成及优化、面板分割及优化、幕墙与结构的一体化设计、幕墙细部构造的精准表达及幕墙的建造控制、多模型分析的批量处理、提高结构比选效率、优化设计师时间分配等诸多方面具有不可比拟的优势，从而极大地丰富了建筑的表现手段，优化了建筑设计及管理的决策流程。
本期，我们将通过案例来和大家分享数字技术在不同设计阶段的诸多优势。
Part 1 方案设计阶段数字技术应用
案例一：某城市广场
1 基于BIM平台的精确性设计
· 可描述的数据 ·
将自由曲线和不规则形体在三维空间中通过矢量化方式得到定义，保证组成图形的每个点都具有完整、精确的三维信息。
▲参数化找形
· 可控制的数据 ·
通过曲率、发现、权重等参数对几何形态进行控制，控制方式可以是人工干预，也可以是计算机辅助下的参数化控制。
▲竖挺自动生成
▲横向百叶自动生成
· 可传递的数据 ·
几何信息能转化成为某种通用的格式进行信息的传递。这些可传递的信息储存在数据库中。
▲ 参数化设计模型
2
· 基于Rhino平台的参数化设计 ·
通过Rhino平台grasshopper插件，结合C#自定义程序，快速实现建筑形体生成、幕墙分割、优化与深化设计，并做到幕墙随形而动，自动修改，实现高效的设计流程。
▲ 轮廓线生形过程
▲ 复杂形体几何构建
· Rhino到Revit的数据传导 ·
利用Revit平台、Dynamo插件及Python语言，实现rhino数据格式的自动读取与BIM设计模型的精确建构，从而实现Rhino到Revit平台的无缝对接，大大提高模型生成效率和精度。
3
利用程序实现Rhino参数化结构数据的自动读取与构件生成，再通过程序来调整相关参数，实现构件的批量修改。
▲ 参数化结构数据导入
案例二：某未来城
1
通过曲率分析可知，曲面绿色区域在满足工程误差范围内可以完全当平板处理，蓝色区域为双曲面板，红色区域为球面。通过将蓝色区域和红色区域进行三角面处理，降低造价。后续通过参数化技术将双曲变单曲，单曲变平板，从而大大降低造价。
2 面板优化与自动编号
利用参数化编程技术，将二次曲面拟合，优化后使大部分曲面成平板、少部分成单曲面，并将曲面展开，进行自动标注与编号。从而大大降低造价，同时方便加工和现场拼装。
▲ 面板自动编号
3 渐变方案细部设计
利用参数化编程技术，并结合建筑功能空间，设定渐变逻辑，将面板分为多个渐变区域，形成逐渐变化的面板机理。
▲ 面板渐变机理生成
▲ 面板角度调整
4 结构参数化表达
利用参数化编程手段，读取结构的截面信息自动生成主次龙骨，从而实现对主龙骨进行细分，形成次龙骨幕墙网格结构。
5 幕墙、结构一体化设计
通过三维设计手段实现优化后幕墙结构与原有柱位的精确匹配，同时保证与上部幕墙网格完美衔接，实现幕墙与结构的一体化设计。
Part 2 初步设计阶段数字技术应用
案例一：某传媒中心
1 参数化曲面优化找形
将三维模型与平面有理化曲线进行比对，可视化误差值，对差值较大的曲线进行再调整，对模型找形实现精准控制，以及对平立剖墙身的边界进行精准定位。
▲ 曲面优化找形
2 参数化曲面误差分析
通过参数化方式实现复杂建筑形体的修改，并自动将修改结果与原有平面控制线进行误差分析，以评判是否满足工程误差要求。
▲ 误差分析
3 立面不规则横向构建找形
利用参数化技术，优化与深化复杂立面设计，运行脚本，自动修改，实现高效的设计流程。
▲ 立面横档分析
4 立面竖向分割与定位
运用GH脚本使立面设计与平面关键因素相结合，例如竖挺既在视觉上等分，又可以与平面变形缝相对应。
▲ 立面竖挺定位
5 面板分割与优化设计
通过曲率分析、面板划分，用不同平板度的面板拟合建筑复杂的曲面造型，优化与深化复杂立面设计，节省造价便于施工。
▲ 网格划分
6 复杂形体柱顶标高定位
利用参数化程序，结合屋面构造要求，实现复杂空间的柱顶标高定位。
▲ 对复杂屋面下柱定标高进行统计
7 参数化开窗优化设计
利用参数化编程技术，设定渐变逻辑，形成逐渐变化的面板机理。
▲ 渐变小窗间隙参数调整
▲ 渐变效果调整
▲ 参数化渐变小窗
案例二：某博物馆
1 立面辅助设计
在某项目中考虑消防救援窗对立面的影响，以及立面大块平面对立面造成的比较平和闷的感受，优化设计延续了之前方案设计语言，进行了适当扩展，使立面更为丰富，并将消防救援窗“隐藏”与立面设计元素中，使设计更为完整连续。
▲ 消防救援窗设计
2 多方案比选
通过不同的面板划分方式，可以从面板大小、面板形状、面板组合方式产生多种不同面板机理，提供更加丰富的可选方案。
▲ 面板划分
3 可量化的面板分析
平板率、与原曲面的拟合程度、每个面板的边长等数据都可从优化结果中取得，并以可视化的方式直接呈现。
▲ 平板率分析
▲ 面板边长分析
▲拟合程度分析
4 幕墙参数化设计
根据建筑立面效果及幕墙模数，实现幕墙系统精确、高效的分隔。同时为建筑、结构、设备等各专业提供精准的空间边界。
▲ 侧面采光洞口深化
▲ 屋顶采光洞口深化
下篇
数字技术研究应用探索（下）
施工图及其深化设计阶段的数字技术应用
在施工图及其深化设计阶段实施数字化技术的主要目的是提高项目设计质量和效率，从而减少后续施工期间的商洽和返工，保障施工周期，节约项目资金。而参数化技术为几何控制系统的建构提供了灵活的控制途径，通过自动提取数据、预设参数、调试参数的方式建构参数模型、实现深化设计，在动态调整中稳定建筑系统理想的控制关系。
本节，我们将通过案例来和大家分享数字技术在施工图及其深化设计阶段的关键应用点。
Part 3 施工图设计阶段数字技术应用
案例一：某规划馆
1 高质量信息模型构建
利用BIM及参数化技术，将各专业复杂异形模型整合到一起，形成建筑、结构、幕墙高度一致的高质量精确三维模型，实现不同平台、不同阶段的三维数据流动。
▲信息模型
2 局部复杂空间、构件参数化设计
利用参数化手段，实现异形钢结构的自动读取与构件生成。
▲钢结构参数化设计模型
▲钢结构BIM模型
3曲面幕墙面板拟合与优化
利用平板拟合及优化技术，将复杂的直纹曲面分解为合适长度、大小与比例的单曲面及平板，并将面板类型控制在最小数量，从而降低建造难度，大大降低造价。
▲曲面平板拟合及翘曲度云图
▲优化曲面与原曲面的贴合度云图
4 复杂形体的精确定位
利用参数化技术，编制相关程序，将复杂倾斜屋面内外边线展开，实现复杂形体的精确数字化定位，利于各专业设计师、工程师在此基础上进行深化设计，为项目推进提供强有力技术支撑。
▲斜屋面自动展开程序
5 屋顶、墙身、楼板边界定位
利用参数化程序，结合屋面构造要求，实现屋顶、墙身、楼板定位，为建筑、结构、设备等各设计单位提供精准的空间边界。
▲柱顶标高定位
1 渐变面板划分开洞
通过曲面干扰线，调节表皮面板开洞的渐变韵律，保证划分面板开洞规整化的同时体现立面波动韵律。
▲渐变面板
▲立面开洞规格
▲效果图
2 曲面开洞方案对比
通过参数化手段控制曲面干扰开洞的方式，输出对比方案。
▲多方案对比
▲效果图
3 合理分割重构面板
通过重构曲面进行曲面分割，调整分割面板的规格、尺寸，从而保证面板边界合理交接，面板尺寸处于合理区间，降低造价（铝板标准尺寸1.2x2.4m，短边一般为1.2~1.5m）。
▲优化后犀牛模型
4 结构、表皮构造空间分析
通过对比结构表皮层间构造净距与实际构造要求，保证结构表皮的流畅性同时兼顾构造要求。
▲结构、表皮分析图
▲构造空间净空分析数据输出
▲效果图
1 数字编程实现异形复杂曲面重建
与板块快速、精确定位
结构经过优化设计后，反提资与原有建筑曲面有出入，因此需要根据结构线模重建曲面，并将40000多块太阳能板精确固定到特定曲面位置，太阳能板总尺寸为长595m，宽126m。
▲SAP2000钢结构线模
基于Grasshopper平台，利用数字技术，实现基于结构线模的曲面重建，以及太阳能板在复杂异形曲面的自动、精确定位。
▲C# & Python 曲面重构与板块自动、精确定位
2 参数化数据传导
利用参数化技术，实现Rhino与Revit数据的无缝对接。
▲ 参数化曲面模型重构
▲ 太阳能面板BIM模型
案例四：某大型景观构筑物
1 数字编程实现异形复杂曲面重构
与板块快速、精确定位
大型景观构筑物，经过结构优化后，形体与建筑（景观）设计师原有模型有出入，结构反提资后，建筑（景观）师需要对优化后的形体进行深化设计，如添加“花瓣”形构件。
利用数字编程技术，将深化后的“花瓣”细部根据优化后的形体精确放置在特定位置，方便决策和快速修改。
▲ 局部展示
案例五：某厂房改造项目
项目难点：
该项目幕墙设计单位已经将幕墙进行深化设计，鉴于幕墙曲面的复杂性，幕墙造价估算超出业主与设计预期，因此需要确定单块幕墙板块的翘曲度，并以此判定板块是否为双曲面或平板，从而精确估算造价。整个项目约30000余块，单靠手工拾取并且人工分析、标注已无法胜任，只有借助数字编程技术能够高效、快速的解决问题。
1 幕墙板块自动归类及数据输出
幕墙表皮优化的核心工作在于利用计算机编程技术，尽可能的优化幕墙表皮，降低单曲面、双曲面嵌板在幕墙单元中所占的比例，并尽可能地标准化幕墙单元构件，从而降低工程造价。
本项目利用数字编程技术，实现幕墙板块翘曲度分析，将其自动归类，并将分析结果自动输出至excel表格，同时对犀牛模型中每一块板块进行自动编号。从而实现幕墙面板平板、双曲面板的自动分析与归类。为造价估算提供坚实依据。
▲ 自定义编程自动分析
2 双曲面板自动编号
通过编程技术，实现幕墙翘曲度分析、归类和自动编号，品红色部分为双曲面板，褐色部分为平板。
▲品红色标注为双曲面板
▲ 褐色标注为平板
3 幕墙深化设计及平板自动编号
通过数字技术对幕墙进行深化设计之后，利用编程技术，实现幕墙翘曲度分析、归类和自动编号，图示褐色部分为平板，红色部分为双曲面板。通过程序计算曲面翘曲度，并进行自动归类、导出成表格，进行成果输出。
▲ 板块自动编号
▲ 幕墙深化设计模型及局部展示
Part 4 施工深化设计阶段数字技术应用
案例一：某shopping mall
项目难点
1.接入模型包含大量碎面，给数据处理带来难度；
2.每个取样点处上下曲面所得截面线为变斜率曲线，无法获得特定值夹角；
3.曲面为空间异形，收口处上下曲面夹角非定值，无法实现手工定位放样；
4.上下曲面沿建筑变化剧烈，夹角动态变化，无法手工定位。
▲ 项目应用点
1 参数化建造控制
通过参数化方式实现灯槽与水槽的找形和空间定位。通过可参的模型建立，实现设计模型深化设计与修改快速响应，导出的模型误差可控，直接送达工厂加工生产。
▲普通水槽横剖节点
▲ 灯槽模型
2 算法找形
通过研究模型的几何关系，寻求解决双曲面圆角顺接问题的途径。解决方案为编写程序重建上下曲面，应用遗传算法，经过多次迭代优化，最终得到与上下双曲面误差最小的截面圆，并放样生成圆管。
▲ 曲面重建
▲ 圆管定位生成
▲ 遗传算法模块
▲ 精确化过程
3 误差精确评估
圆管与曲面间的误差可即时从模型取得并可视化地展现出来，可以精确地控制误差，得到可量化的评估结果。
▲误差数据可视化
4 面板划分与数据导出
运用参数化技术划分并展平面板，将各个面板编号，取得面板边长、面积、面板各个角点的空间坐标等数据，并以表格方式导出，便于与后续生产施工快速精确地无缝衔接。
▲ 自动编号
▲面板边长自动标注
资料提供：尹武先、朱元双、丁汝丹、姚稼澍、
陈梓绵、秦颖胤、张春祺、庄浩
编辑：郭丹蕾、宁彤彤
根据《数字技术研究应用探索》整理
（来源：TJAD上海建筑数字中心）
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