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参数化设计在建筑实践深化过程中的应用.rar

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    编号:20181101170523270    类型:共享资源    大小:258.22MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    参数 设计 建筑 实践 深化 过程 中的 应用
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    参数化设计在建筑实践深化过程中的应用——以光泽休闲公园服务中心和福建省交通银行大楼项目为例甘魁伟厦门合道工程设计集团有限公司http://hordor.com511397492@qq.com摘要:近年来,参数化设计成为了建筑学界常见的词汇。这是一种全新的思维模式与设计方法,为建筑深化过程的形体细分、空间定位、数据处理、协同配合设计等带来了变革。 本文共分四个部分。第一部分简述参数化设计的优势及其在深化过程中应用初探。第二、三部分是全文的重点,结合工作中的两个实际项目,探索深化过程中参数化设计的应用,包括复杂的建筑形态及表皮有理化细分、复杂形体的三维空间定位、数据提取及编号统计、二维平面输出与其他软件对接配合、跨专业协同设计等领域。在实践应用中,对参数化设计进行了深入探索,总结了一系列独特的设计手法和应用方式。第四部分是结语,对理论和实践进行解读和反思,强调本质问题,以真正发挥参数化设计的巨大潜力。关键词:参数化设计;实践;深化过程 ;应用Application of Parametric Design in the Process of Detailing Architectural Practice——Use the Service Center of Lust-re Leisure Park and the Fujian Branch of Bank of Communication as ExamplesKuiwei GanXiamen Hordor Architecture complex form and 3D orientation; data extraction and count; plan output coordinate with software, interdisciplinary collaboration. Based on the nature of parametric design, a series of unique methods and applications are summarized. The fourth part concludes the theory and application of parametric design, reemphasizes the essence and develop potential of parametric design.Key words: Parametric design; Practice; Deepening the process; Application1、参数化设计的优势及其在深化过程中应用初探近年来,随着国内外建筑学界交流日益频繁,“参数化设计”迅速涌入中国,各种弧形、曲面的建筑形式给予国人前所未有的视觉冲击,彻底颠覆了传统的审美情趣。参数化设计,成为了建筑学界常见的词汇。作为一种全新的思维模式与设计方法,参数化设计引发了强烈的讨论,也成为了建筑学界一个崭新而又重要的领域。虽然目前国内的设计师都采用计算机绘图,但设计过程漫长,修改量大,效率低下,且最终文件经常出现错漏现象。当前,这种粗放式设计模式尚能勉强适应现状,但随着市场的发展,复杂的建筑越来越多,设计难度越来越大,设计完成度要求越来越高,传统的粗放绘图方式显然无法适应复杂的建筑形态,这种矛盾越发被激化。作为一种三维模型设计方式,参数化设计能够将复杂的设计信息处理得更准确、直观和高效。在实际项目的设计过程中,参数化设计能够将复杂的建筑形态有理化细分,对其进行空间定位,与BIM或CAD结合应用,有效对接当前的绘图和出图方式等。同时,复杂的建筑形态对其他专业来说也是一种空前的难度,运用参数化可以辅助其他专业进行深化设计。在当前的市场形势下,特别是对于复杂建筑的深化过程,参数化设计具有空前的绝对优势。参数化设计可以贯穿在整个建筑实践的全过程,本文重点探讨深化过程中的应用。在设计深化过程,建筑形态已经大体确定,主要是对其进行细化和定位。此时,建筑形态受外界的影响已经较小,但自身的设计变动因素还比较多,而且各要素紧密相连,相互影响。对于复杂的建筑形态,其变动因素更多,关系也更为复杂。如果采用传统设计的手动调控,操作较为困难还不直观,而且一旦修改起来工作量将倍增,因此消耗的时间往往比常规建筑多得多。为了更好地控制设计深化过程,可以对复杂建筑的异形部分运用参数化设计。在这个过程中,通过深入剖析形态的生成逻辑,设定多组参数来控制建筑的形体,不断调试和修改,最终确定精准的形状、尺寸、定位数据、编号,与BIM或CAD结合,与其他专业协同设计,为项目施工图设计提供重要支撑。从某种意义上讲,对于复杂建筑的施工图设计,参数化起到了关键性作用,有效地解决了复杂建筑与当前粗放设计模式之间的矛盾。 目前在深化过程中的运用可以归纳为四个方面:1. 形体拓扑:对复杂的建筑形态及表皮有理化细分2. 参数转化:三维空间定位、数据提取、统计编号 3. 成果输出: 二维平面展开,导入Revit、CAD,进行深度优化 4. 协同设计:结构基本构件、幕墙支撑体系的简单建模与初步定位2、光泽休闲公园服务中心深化过程中参数化设计的应用2.1 项目简介光泽休闲公园服务中心位于福建省光泽县,项目用地东南侧为西溪,水面宽度约 100m,环境优美。建筑造型呼应基地环境,采用自由的曲线形态,与玻璃幕墙相结合,映射出绿化和沿溪的美景,极具动感和时代感。(图 1)图 1 光泽项目效果图 图 2 光泽项目局部透视图 2.2 形体拓扑 ——弧形流动 的建筑表皮有理化细分首先需要对建筑形态的异形部分进行有理化细分。有理化细分的基本策略是根据异形部分的几何特性进行深刻的解剖,分析其生成原理,明确各个变动要素之间的逻辑关系,再由此编译转化为参数控制的计算机程序,形成有“自组织性、自适应性”特征的参数模型。通过参数调试,最终获得理想的有理化细分形体。建立符合逻辑关系的参数模型是参数化设计中最为关键的,对后续的设计起了决定性作用。在光泽项目中,遇到的最大难题是玻璃幕墙,整体幕墙呈弧形流动的曲面姿态(图 2),如果细分单元也均为曲面的话,即意味着全部幕墙单元需要三维数控定制加工,造价失控。另一方面,从施工方面考虑,实际建造过程中也很难对曲面玻璃随意切割,并无缝交接,需要采用平板玻璃来代替,并控制其尺寸规格。因此,为了减少建造成本、降低施工难度,必须对弧形曲面玻璃幕墙进行合理细分,转化为平板玻璃,并完全拟合。同时,还需要对每个平板玻璃单元进行精确空间定位。在这个过程中,借助 Grasshopper 软件及相关插件来进行弧形曲面玻璃幕墙的有理化细分及其空间定位。一般情况下,对于曲面形体的有理化最常用的是PanelingTools插件,这的确是很好的方法,可以非常方便快捷的把曲面转化为平面单元组合。采用这个插件可以有两种方式。第一种是分解为四边形单元,但这些相邻边界并没有完全拟合衔接,而是相互错开成锯齿状,特别在弯曲度比较大的位置,错开的距离明显,极大影响了建筑形态的视觉效果(图3);第二种是分解为三角形单元,可以很好的解决拟合问题,但三角形玻璃幕墙杆件过多,也会影响了建筑形态的视觉效果,而且尖角部位易碎、也不易安装(图4)。此外,不管三角形还是四边形,都还有一个问题,即生成的方式是系统默认定义的,人工控制程度较低,且每个单元形状都不一样,这样造价过高,也不利于生产和安装。通过对曲面的几何特性进行深入分析,发现球体或锥体表面上的四个点是可以共面的,这些表面是可以转为完全拟合的四边形平面组合。这样问题就转化为如何把曲面形体转化为球体或锥体的局部表面。首先,对幕墙的顶边缘和底边缘曲线进行有理化,即使之转变为若干圆弧线和直线相切连接而成;然后将底边缘连线顺着曲面倾斜方向挤出,生成弧形曲面(实际是若干锥形体的局部表面和若干平面相切连接),用上边缘连线将这个弧形曲面剪切成上下两部分,下半部分即为与原造型相近的均质幕墙曲面,并且能确保后续划分的幕墙曲面单元四个角点共面。接着以固定尺寸距离X等分下边缘各个圆弧线和直线,通过每个等分点沿均质幕墙曲面生成径向线,这些径向线切割均质幕墙曲面,使之生成宽度一样的竖条状子幕墙曲面。最后以一定等距H的等高平面切割子幕墙曲面,生成幕墙曲面单元,这些幕墙曲面单元四个角点共面,将其连接起来就是平板幕墙单元,相邻的单元也无缝连接、完全拟合的,并且同一高度上的平板幕墙单元形状大小是一样的。这样,就完成了建筑形态的参数模型。根据建造要求和外形视觉效果,不断调试参数X、H,直到确定合理的平板幕墙单元尺寸,最终完成弧形曲面玻璃幕墙的有理化细分(图5)。图 3 光泽项目玻璃幕墙有理化(四边形) 图 4 光泽项目玻璃幕墙有理化(三角形)图 5 光泽项目玻璃幕墙有理化参数化设计的本质是基础几何构成与数学逻辑的结合,如果没有深入去理解曲面的几何构成原理和特性,没有严谨的思考其中的数学逻辑关系,一开始就直接采用PanelingTools插件进行划分,那得到的有理化结果并不尽人意,不能真正完成弧形曲面幕墙的有理化细分。这也说明参数化设计的前提是基础几何与数学逻辑结合,然后才是运用合适的工具完成设计工作。参数化设计的一大优势是利用计算机程序编译快速实现并有效控制设计过程,通过参数的调试产生多种不同的形态,便于细分方案的调整和比选。在项目实践中,运用参数化设计,可以多次调试参数,对比形态,直到获得满意且合理的结果。2.3 参数转化 ——三维空间定位、数据提取、编号统计理论上,Grasshopper中物体完成有理化后,生成的细分单元本身已经被定位了,也就是细分单元的各个角点都具有唯一的空间坐标。但Grasshopper采用的是三维的坐标系,必须把三维的空间坐标等价转化为常规的二维的平面坐标及建筑标高。在这里,通过运用文本编辑运算器,提取三维空间坐标的数值,经过一系列复杂有序的编译转化分解为二维的平面坐标及建筑(相对)标高。另一方面,细分单元数目繁多,形状也不尽相同,为了能快速统计并有效管控,必须对这些单元进行合理、有序的编号。这样从设计到生产再到最后的建造中,每个单元才能“对号入座”。如果没有合理、有序的编号,那么这些单元就会杂乱无序,失去控制,对设计、生产、建造都是不利的。此外,编号也是需要一定规则的,如果单纯编号为1、2、3、4……,那信息量依然过大,不易记忆和控制,没有太大意义。所以,编号需要契合有理化细分的拓扑关系,逻辑清晰、科学有序。在光泽项目中,首先顺应建筑分为三部分幕墙系统,每部分分别编为A、B、C,形成第一级编号;接着各个部分自西向东给每列竖向子幕墙依次编号C1、C2、C3、C4……,形成第二级编号;最后各列竖向子幕墙自下而上给每个幕墙单元依次编号1、2、3、4,形成第三级编号(图6、图7)。这样,每个单元都有唯一的编号x-x-x,由三级组成,每一级都有其特定的涵义,清晰有序,逻辑性强。图 6 光泽项目幕墙单元编号定位 图 7 光泽项目幕墙单元编号定位控制程序 2.4 成果输出 ——二维平面展开,导入 CAD,进行深度优化完成参数转化后,需要将这些信息转化为图形,也就是把细分的立体幕墙单元及其坐标标高编号等拍平,按一定逻辑顺序水平排列展开。Grasshopper中并没有运算器可以直接完成,因此需要编制一套新的运算程序,可以将这些幕墙单元轮廓整齐有序的拍平展开,且相应将每个幕墙单元的定位信息转为文字数据,以符合制图规范和深度。当前,Rhino和Grasshopper并不利于直接施工图出图,因此必须把这个导入CAD或者Revit,完成最终的施工图绘制。在光泽项目中,弧形曲面玻璃幕墙是向外倾斜的,细分形成的单元不是矩形,而是等腰梯形(局部除外),但上下单元的交界处宽度一样。这样在展开图中,上下相邻单元可以紧紧拼贴排成竖状。在单元中心出标示编号,在角点标示坐标和标高(图8、图9)。最后,导入CAD进一步完善作为玻璃幕墙大样(图10)。图 8 光泽项目幕墙单元平面展开图图 9 光泽项目幕墙单元平面展开图(局部) 图 2 光泽项目幕墙单元 CAD 大样图2.5 协同设计 ——弧形建筑屋顶形态的简单建模与初步定位异形复杂的建筑形态对结构和幕墙二次设计也带来一些难题,包括基本构件的形态及定位、整体受力的计算、幕墙支撑体系的形态和定位等等。其中,结构基本构件、幕墙支撑体系跟建筑有着比较密切的关系。通过运用Grasshopper 软件对建筑异形部分的结构基本构件、幕墙支撑体系进行简单建模和初步定位,以帮助结构设计和幕墙二次设计。在光泽项目中,建筑屋顶形态高低错落、起起伏伏,这就决定整体屋面板不是平面的,而是曲形的。如果直接采用弧形屋面板,设计和建造难度都极大,甚至可以说无法实现。因此,必须近似转化为折面板,即若干平面板组合。对于弧形屋面板的转化,其塑性逻辑也可以有四边形组合和三角形组合两种方式。采用四边形时,整体呈锯齿形状,相邻的四边形无法紧密衔接,特别在弯曲弧度比较大的位置,错开的距离非常大,整个屋面板不能连在一起(图 11)。在实际施工中,这样会带来次生问题,建造困难、防水效果差,也不利于覆土。而采用三角形,可以避免这些次生问题,相邻的三角形可以无缝衔接,所有单元屋面板可以连成整体。经过比较,最终选择三角形组合方式。同时,为了使屋面板定位易于识别,以及其与梁的关系更合理,屋面板的划分界线与定位轴线严格重合,且各跨内水平等距划分。结合实际建造要求,最后确定大跨度(6 米以上)水平二等分,转化为四个三角形平面板,小跨度内不再等分,转化为两个三角形平面板。其实这也是对弧形屋面板的有理化,之后在赋予三角形平面板厚度就完成了简单建模(图 12)。同时,对其进行三维空间定位,数据提取,平面展开等(与幕墙有理化类似,不再赘述),最终完成屋面板的初步定位。图 3 屋面板(四边形)简单建模 图 4 屋面板(三角形)简单建模此外,曲折多变的屋面形态,导致了柱顶位置高度不一,也没有规律性,人工计算困难,容易出错,最外层的柱子向外倾斜,更为复杂。通过运用Grasshopper软件,简单建立柱子的模型,并与有理化后的折屋面板相交,交点即为柱顶位置,之后对其空间定位,并转化为二维坐标和标高,对柱子和梁初步定位,为后续结构的深度设计提供必要的帮助。3、福建省交通银行大楼深化过程中参数化设计的应用3.1 项目简介福建省交通银行大楼位于福州台江区,项目用地南侧为闽江,景观良好,地理位置极为优越。设计构思从交通银行“百年知交,相融相通”的企业愿景出发,在中正、稳固、对称之中又兼顾了曲线的流畅,体型流畅隽永,典雅精致,将传统的方型体量与创新的曲面体型互为融合,刚柔并济。(图13) 图 13 交行项目 效果图 图 14 交行项目局部立面透视 3.2 形体拓扑 ——异形复杂的高层建筑表皮有理化细分交行的立面造型中,有四个曲面,这些曲面是由一个方向平面向另一个方向平面混接而成,形态特殊而复杂(图14)。如果采用曲面玻璃幕墙单元,造价过高,交接不易,施工难度大。因此,需要将这些曲面有理化细分为平板玻璃幕墙单元。另外,在立面造型中面部分与直面部分紧紧相接,曲面部分的划分还必须与直面部分的划分相协调,使整体立面肌理的保持统一,确保外形视觉效果。同样的,这些曲面也不适合直接用PanelingTools插件进行细分,需要分析曲面的几何特性。这些曲面使用两个垂直方向的两个平面混接而成的,可以理解为其中一个平面的边缘线段沿着混接路径挤出而成。根据这个生成原理,可以这样设想有理化的过程:由一个横向平面以自身高度为距离沿混接路径连续复制移动,在沿中心线旋转,缩放,这些连续的横向平面单元组合的整体形态与原始曲面相似。虽然这个整体形态成锯齿状,但锯齿状沿着路径有规律变化,形成一定韵律感,也能跟平面部分自然交接,并不影响外观效果,是可行的方案。在确定这个细分方案之后,首先需要考虑的是这些横向平面的尺寸。其长度很显然是由曲面的两边混接路径曲线决定的,是一系列定值,而高度则是不定值。从理论上讲,高度值越小,平面单元越多,整体形态越显得圆滑,也越接近原始曲面;反之,则越粗糙,越远离原始造型。但现实中并不能无限的小,需要控制在一定范围内,同时最好能和建筑层高产生关系,保证横向划分方式与直面部分取得协调。依据此要求,将平面高度描述为建筑层高的N等分(N为参数),控制横向的划分数量。接着对每个横向平面的再细分,将其竖向M等分(M为参数),生成最终的平板幕墙单元。当然,这需要兼顾直面部分的划分规则,也就是这两部分幕墙在竖向的等分数量一致,以保证这两部分竖向分割线能整齐对接,上下连贯有序,确保立面的视觉效果。这样,就将曲面形态转化为N、M控制的参数模型。通过调试N、M变量,对比造型效果和实际建造要求,最终确定合理的N、M值,并完成曲面部分的有理化细分(图15、图16)。图 15 交行项目玻璃幕墙有理化 图 16 交行项目玻璃幕墙有理化控制程序3.3 参数转化 ——三维空间定位、数据提取、编号统计在交行项目中,曲面玻璃幕墙有共有四处,并且形态是一摸一样的,最终有理化细分结果也一样的。与光泽项目相类似,首先给每部分分别编为C1、C2、C3、C4,形成第一级编号;接着,各个部分自下而上给每排横向子幕墙依次编号1、2、3、4……,形成第二级编号;最后各排横向平面子幕墙从左向右给每个单元幕墙依次编号1、2、3……,形成第三级编号(图17)。这样就完成了给每个单元唯一编号x-x-x。最后,还可以统计各个单元的尺寸、面积等信息,并导出Excel表格,有利于指导设计、生产和建造(图18)。图 17 交行项目幕墙单元编号定位 图 5 交行项目幕墙单元统计3.4 成果输出 ——二维平面展开,导入 Revit,进行深度优化在交行项目中,由于原始曲面的扭转特性使得横向宽度不断变化,中间窄上下宽。在展开图中,同一横向各个单元衔接在一起,上下各排横向的宽度却不一样。有趣的是,宽度变化趋势是对称的,先向中间逐渐变小,再逐渐变大,且上下相对称位置的横向宽度一样(图 19)。其实,这也是科学有理化的必然结果。除了曲面部分外,对直面部分也进行划分,与曲面部分协调,使整体造型统一,保证视觉效果。最后,经过 SAT 格式转换,将整个主楼立面幕墙导入Revit 中,与建筑其他部分组成完整的 BIM 模型,进行后期施工图设计(图20)。图 6 交行项目幕墙单元平面展开图 3.5 协同设计 ——复杂高层幕墙支撑体系的简单建模与初步定位在交行项目中,虽然曲面只是一小部分,但位于高层建筑中,其幕墙支撑杆件体系变成是一个大难题,基本思路是顺应曲面的有理化趋势自然“生长”。首先紧随曲面部分有理化后的两端“锯齿长边”形成贯穿上下的竖向折杆件,杆件上下两端分别固定于上下层的圈梁;接着沿横向幕墙平面上下边缘分别设置横向杆件,杆件固定于两端竖向折杆件;最后上下横向杆件之间沿幕墙单元分界线布置小竖向杆件,既增强上下杆件的连接强度,也用于固定细分幕墙单元。由于曲面部分比较大,仅凭两端的竖向折杆件连接结构,杆件受力受力过大,不合理,且整体刚度也比较弱,因此在中间增设两跟竖向折杆件,共同支撑整个幕墙系统(图21)。这么多不规则的杆件,形体变化复杂,定位困难,常规手动是很难完成的。通过参数化技术,却可以很容易完成这些支撑杆件的简单建模和初步定位,而且便于调整。图 70 交行项目 Revit 模型 图 81 交行项目幕墙支撑体系简单建模4、结语从理论上讲,单单对一个复杂的建筑形态进行有理化难度并不是很大,只要掌握软件的基本操作就可以实现。但在建筑实践深化过程中的应用就不是那么简单,特别是各种实际建造问题会逐渐出现,给设计增加不少难度。因此,不能一味的遵循理论的逻辑关系,应该结合实际建造要求适时调整逻辑关系,运用适当的方法和工具。在实践应用中,必须时刻明确设计的最终目标、设计的逻辑思维、设计的建造问题、设计的方法和工具等。通过实际项目深化过程中的应用,深深地感受到参数化设计强大的建模能力,高效、直观、精确的表达方式,并且便于调整修改。当然,参数化设计的本质依然是把形象思维与计算机的数字逻辑互译,并通过参数变量来实现互动的过程。同时,在实践应用中还需要充分考虑实际建造问题。总之,只有具备严谨的逻辑思维、清晰的建造概念,才能在建筑实践中正确地运用参数化设计,真正发挥参数化设计的巨大潜力。参考文献:
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