建筑结构的数字化方向

摘 要：数字化的飞速发展为建筑形式带来了更为丰富的可能性,同时也带来了新的挑战,挑战之一便是许多造型绮丽的数字建筑方案由于缺乏合理的结构系统从而难以施工.因此我们的研究是通过分析数字化平台的特质,根据这些特质找到适合应用于此平台的建筑结构系统,从而将建筑结构本身的几何性质作为设计元素引入数字建筑设计,使这些建筑方案在拥有合理结构的同时也可以形成新奇的建筑造型.本文中列出了我们的现阶段的成果：仿生结构,几何形体重复排列以及外结构的数字化应用.

关 键 词：结构数字化；仿生；几何形体重复排列；外结构

中图分类号：TU17

文献标识码：A

文章编号：1008-0422(2011)01-0073-02

1.数字化建筑提出的挑战

信息的数字化在如今已经相当普遍,在建筑领域同样也是发展的如火如荼.数字化技术确实为建筑设计带来了越来越多的可能,例如建筑外形的数字化,建筑模拟的数字化和建筑设备的智能化等等.也许由于建筑外形能最为直观地反映建筑之美,所以建筑设计师最热衷的仍旧是建筑外形的数字化.因此,近些年许多城市开始不断矗立起数字化设计的建筑成果,这些建筑造型绚丽的让人叹为观止,无一不给人带来新奇的视觉享受.但是,随着这些建筑的问世,我们同样也发现数字建筑给我们带来了新的问题与挑战.

作为建筑设计师,不论数字化平台发展到什么样的程度,它始终是我们解决形式、结构、功能和美感之间矛盾的一种手段.但是我们不得不承认,这种手段已经对我们的思维过程产生很大的影响.它能够将十分复杂精确的数学、物理模型引入我们的设计,也能够将文字化的图表转化成三维的图形,这些革新给设计师提供了更为广阔的思维空间,使更多样的设计元素被引入建筑方案从而形成前所未见的奇异形式.但是,这些新形式也带来了新的问题与矛盾,矛盾之一便是许多数字建筑在设计过程中起主导作用的是控制外形的参数,很少加入控制结构的参数,最终导致建筑方案缺乏合理有效的结构系统,这会大大提高建筑的建造难度和人力物力的投入,那么,很多方案可能因此而无法建造.

很多设计师认为,过多的考虑结构会限制数字化设计的创造空间,从而对新的建筑形式的发展有不利的影响.在这样的思维指引我们做选择的时候,我们应该先问自己一个问题,那就是：新的建筑形式和合理的结构是非此即彼的关系么,它们是不可兼得的么答案很显然,当然不是.

2.结构数字化的意义

建筑结构本身,抛开其抵抗来自地球引力的功能不谈,它本身就是一种构筑物,它也是由平面或者空间几何形体连接组合而成的,那么这些几何形体不仅有着其内在的结构原理,同时其外在形态都可以被作为一种强有力的元素被数字化后运用到设计当中,也就是说,如果设计师能够对于有着良好结构性质的几何形态找到合理的方式将其用作数字化设计的参数,那么我相信这些建筑在拥有了有效的结构保证的同时,一样不会缺少新奇的形式.

3.结构数字化的发展方向

了解到这一点,我们所需要解决的问题就很明确了,就是如何合理地利用数字化的手段来引入各种结构参数的问题.那么首先让我们来分析一下数字化平台的特质：①它能够通过多种多样的软件来接收外界不同种类的信息；②它能够将不同种类的信息整合为整体或者将同一类信息按照一定的规则进行筛选和拆分；③它能够准确快速地对大量的信息进行分析和运算.这些特质便决定了数字化平台的优势和劣势,那么其优势就是①能够对十分大量的数据进行操作②对数据进行多步同样或者相关的操作.那么它不擅长的则是对小量数据分别进行多种不同的运算或者进行难以量化的操作.所以根据以上分析,我们需要研究的就是哪些种类的结构形式适于被引入数字化设计.

仿生结构

自然界的结构是在生物自身的基因和外界环境因素的双重控制下形成的,并且这些结构都由大量的细胞组成,所以往往都具有很明显的重复或者渐变机制,以上特点刚好能与数字化平台的优势一大量数据、同样或相关性操作――相契合.下面的案例也许能明确地反映这一点.

树形结构

树形结构是自复制生长系统的代表结构,在数学中有一种叫做“L型系统”的数学模型与之对应,其数学模型(如图2)是对一个等式多次迭代的过程,这个模型的运行其实就只需要两个步骤：1一个可以重复迭代的等式；2设置迭代次数并运算.这两个步骤便符合①大量数据②多步同样和相关的计算的特点,所以是适合用于数字化平台的,图三是将等式F等于F[+FF][&FF][^FF][-FF]进行多次迭代并且加入随机生长枝权的过程.

海螺结构

海螺的结构也是自然界坚固结构的代表之一,不仅是因为其拥有碳酸钙这种坚硬的材料,更重要的是它的空间结构在受力的时候,结构上的每个质点受到的基本都是切向的拉压,而很少有法向的剪切应力.这种良好的受力结构的源头则是海螺结构具有的完美几何形态,其剖面是“黄金螺旋线”(如图5),这个螺旋线是一个隐含着黄金比例的数列所形成的,这个数学模型就是斐波那契数列.这个数列可以表达为：F0等于0,F1等于1,Fn等于Fn-1+Fn-2,只要给这个数列加入一定的参数便能形成黄金螺旋线,将这些螺旋线连接呈网状(如图4),最终形成壳体结构(如图6).这个过程也是对一系列数据进行多步相关的运算,同样迎合了数字化平台的优势,是适于被数字化的建筑结构.

几何形体的重复排列

几何形体可以是一维的、二维的或是三维的,这些形体都可以用数据在数字化平台当中表现出来,那么我们可以将这些几何形体按照合理的力学方式对其进行空间排列,那么就可以形成较为合理的建筑结构.如图7,则是对六边形和空间四面体框架的排列组合.这个结构的截面近似于拱形,拱形在建筑结构中是较为有效合理的结构形式,同时,正六边形和空间四面体也都是具有良好传力性能的几何形态,因此,在这个截面是拱形的圆筒上不断地排列六边形来传递应力,又运用空间四面体来防止壳面变形的可能,可以说是相当稳固的建筑结构.所以这个结构既运用了数字化的方式,又拥有了良好的受力模式,绝对是我们运用数字化平台解决结构设计的成功案例.

外结构

外结构的设计则不单纯是建筑结构的数字化设计,它同样是建筑表皮和建筑造型的一部分,外结构的形成,相对前两种数字化结构就会复杂一些.在我们考虑这个结构是否合理的时候,同时也需要考虑其表皮的肌理还有所形成的建筑造型.外结构要做的合理,又要能够形成丰富的建筑肌理,我们要做的有以下几步：首先需要先有一个适当的建筑形体,只有建筑形体的重心是稳固的,外结构才会是稳固的；然后分析这个形体外表面的受力状况,找到应力相对集中的部位；第三,找到一种适合这个形体并符合其功能的结构,按照应力集中程度来分布这些结构.

当有了合理的建筑外形,我们可以通过许多方式获得不同的但是各自合理的建筑外结构.以下面的外结构为倒,在找到一个重心平衡的体块组合之后,对体块进行受力情况的有限元分析,这种分析将会在体块的表面形成应力点阵,即应力越大的部分则点阵越密(红色区域),应力越小则点阵越稀疏(蓝色区域),根据这些点的分布,可以对点进行多种操作,从而形成网络状的外结构(如图8).图九则是形成了Voronoi的网状结构.这样所形成的结构,能够有效地回应建筑所受到的集中应力,同时也具有了丰富的造型与肌理.

4.结语

结构数字化的研究还在继续,将来会有更多形式的结构可以被用于数字化平台.结构的数字化不单单能够解决建筑的受力问题,同时也会推动整个数字化建筑领域的发展.数字化技术的快速发展将会不断给我们带来新的问题,但是只要我们不断地用新的眼光从新的角度去看待这些问题,那么我们总会找到有效的方式去解决这些问题.