拓扑优化在参数化建筑设计中应用.docx

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1、JSK你参卿S鞠iSit酶引言：构造主义是20世纪初期兴起的一种艺术和建筑运动，旨在通过使用新材料和新技术来创造出功能主义的建筑和设计。它强调建筑的结构和材料的真实性，倡导形式与功能的一致性。构造主义认为建筑应该表达其结构和构造方式，避免装饰性的修饰和附加物。这种理念反映了当时对机械工业的崇拜和对简约美学的追求。参数化主义是建筑和设计领域的一种新兴概念，其兴起与数字计算能力的提升密切相关。参数化主义建筑强调建筑的复杂性和差异化，通过使用计算工具和算法来探索和生成各种可能的设计方案。参数化主义建筑的设计过程涉及建筑师定义和调整一系列参数和规则，然后通过计算机模拟和优化来生成设计方案。这种方法使得

2、建筑可以更好地适应不断变化的需求和环境要求，同时也提供了更多的创意和个性化的可能性。构造主义和参数化主义在建筑和设计领域的发展中扮演着重要的角色。构造主义强调建筑的结构和材料，倡导简约和功能主义。参数化主义建筑则与计算工具相结合，使得建筑的形态和性能可以更好地融合在一起。随着数字计算能力的提升，参数化主义建筑的应用越来越广泛。计算工具和算法使得建筑师能够探索和生成复杂且多样化的设计方案，同时考虑到建筑的结构、功能和环境要求。参数化主义建筑的发展也促进了与工程学科的紧密合作，通过结构工程的专业知识和计算工具，从而有机会实现复杂建筑形态和结构以及材料的有机整合。拓扑优化正式连接构造主义和参数化主义

3、的桥梁。拓扑优化属于参数化主义的技术分支，是通过数值分析和优化算法来寻找最优结构形态的方法，从而实现材料的节约和结构的优化，体现出构造主义对于材料的功能性和真实性的美。本文将对拓扑优化在设计理论上的突破进行阐述，并结合当下的建筑案例进行分析和评价。1.类型学到拓扑学的范式转变1.1 传统的类型学范式：局限性和需求变化传统的建筑设计和工程学往往依赖于类型学范式，这种范式将建筑系统和结构分解为离散的子系统和构件，每个子系统都有特定的功能和形式规范。例如，建筑中的柱、梁、拱等被视为固定的类型，其形态和结构特征事先确定，设计师在此基础上进行组合和配置1。这种类型学范式追求的是统一性和标准化，旨在简化设

4、计和施工过程，并降低成本和风险。然而，类型学范式在面对日益复杂和多样化的社会需求时显得有限。它所提供的有限的设计选项和刚性的结构形式难以满足当代建筑的灵活性和创新性要求。建筑师和工程师开始意识到，仅仅依赖于预定义的类型和构件无法应对不断变化的设计挑战和技术进步。1.2 现代的拓扑学范式：整体性和多样性的追求随着计算能力的提升和数字化工具的发展，传统类型学范式逐渐转向拓扑学范式。拓扑学关注的是建筑系统中各个元素之间的关系、连接和空间连续性，而不再局限于固定的类型和离散的构件。通过使用有限元分析、拓扑优化和计算工具，工程师能够更好地理解和优化建筑系统的结构形态和性能。拓扑学范式的转变为建筑和工程带

5、来了许多优势。首先，拓扑学强调整体性和一体化，使得建筑系统能够更好地适应复杂和多样化的需求。相比于类型学范式中的固定类型和构件，拓扑学范式允许建筑师和工程师更自由地探索不同的形态和连接方式，从而实现更灵活和创新的设计方案。其次，拓扑学范式注重关系和连接的优化，使得建筑系统能够更好地满足性能要求。通过分析和优化结构的关系和连接，设计者能够实现更高效的结构和优化的性能。这种系统性的思维方式使得建筑和工程能够更好地协同工作，实现结构、功能和形态的有机整合。同时，参数化主义建筑思潮的兴起也推动了拓扑学范式的应用。参数化主义强调建筑的复杂性和差异化，通过数字化工具和算法的支持，建筑师能够探索和表达更多样

6、化的设计选项。拓扑学的思维方式与参数化主义的理念相契合，共同促进了建筑和工程之间的紧密协作和创新。这种从类型学到拓扑学的范式转变为建筑和工程领域带来了新的机遇和挑战。建筑师和工程师需要掌握新的计算工具和技术，以更好地应对复杂性和不确定性。跨学科的合作和知识共享变得至关重要，建筑师和工程师之间的沟通和理解也需要加强。只有通过共同努力和持续的创新，建筑和工程才能实现更高水平的协同发展，为当代社会提供更具创意和可持续性的建筑环境。2 .拓扑优化和差异化的实现2.1 拓扑优化的定义和类型拓扑优化是一种基于结构力学和形态探索的优化方法，通过结合有限元分析和进化算法等计算工具，寻找最优的结构形态。拓扑优化

7、的目标是通过去除低应力区域，最大程度地减少材料的使用量，同时保持结构的稳定性和性能。这种方法的出现和应用为建筑和工程领域带来了革命性的变化。拓扑优化可以在指定的材料区域内通过对负载和约束条件分布材料。目前拓扑优化分为两种常见方法，渐进结构优化法(EVOIUtionaryStrUCtUralOptimization5ESO)和双向渐进结构优化法(Bi-directionalEvolutionaryStructuralOptimizationjBESO)渐进结构优化法通过确定负载位置，渐进去除结构中的低应力材料，从而在形态上达到最优结构形态。双向渐进结构优化法是在渐进结构优化法基础上，对材料进一步

8、的移除，同时在最需要的部位生长的方法2。2.2 拓扑优化实现设计差异化差异化设计是指通过巧妙地运用结构和参数化形态的变化，创造出独特而个性化的建筑设计。传统的建筑设计往往依赖于预定义的类型和形式，导致建筑之间缺乏差异性和创新性。然而，通过拓扑优化和差异化设计的方法，建筑师能够突破传统限制，创造出更富有表现力和创意的建筑形态。差异化的实现可以通过拓扑优化在以下两种方式实现:(1)功能差异化：通过将不同的功能要求需求融入设计中，实现功能差异化。例如，在一个家具设计中，可以通过将不同的功能进行叠加，创造出独特的家具空间环境。(2)结构差异化：通过对建筑结构的差异化设计，如在不同部位采用不同的结构形式

9、、材料或连接方式，创造出多样化的建筑形态。例如，在高层建筑中，可以通过在底部采用钢筋混凝土结构，在中部采用钢结构，在顶部采用轻质结构,实现结构形态的差异化。(3)形态差异化：通过在建筑形态的不同部位引入差异化的几何形式、比例和尺度，创造出独特的外观效果。例如，在建筑立面设计中，可以通过改变窗户的形状、大小和布局，创造出丰富多样的外观表现。以下章节将通过案例对这三种差异化的拓扑优化应用表现进行阐述，让读者理解拓扑优化在设计中应用原理，以及对传统类型学范式的突破。3 .拓扑优化的设计应用3.1 功能叠加的复合椅(HybridBench)笔者参加ZahaHadid事务所CODE小组开展的墨西哥AA访

10、校中设计了复合椅(HybridBenCh)。该设计将两种不同的功能，即书架和长椅两种功能进行融合和杂交。将基础的设计形态放入SolidWOrkS3中，并对荷载位置和大小进行参数化调试，最后使用渐进结构优化法材料的分布达到算法优化。该结果可以生成形态和结构抽象的一体化的结果，但这一结果需要进行加工，并将模型的精度提高，最终使用Maya建模对形态进行精细化重塑。从设计结果而言，复合椅打破了传统范式的家具支撑结构和功能平面的分离特点，塑造了一个力学合理，形态优化的复杂拓扑形态。这是传统家具设计难以用类型学推导出来的设计结果，同时由于参数化控制的拓扑优化过程，可以生成大批量的多样结果，丰富了设计的可能

11、性和多样性。3.2 柏林新国家博物馆新馆提案柏林新国家美术馆的扩展馆竞赛中，ZahaHadid事务所使用HyPerWOrkS系列软件中的OPtiStrUCt软件生成了设计提案中主要结构。柏林新国家美术馆是由密斯凡德罗在1968年引入激进的匀质空间设计和精细的结构细节设计出通透的展览空间4。当年设计的理论和结构创新在于打破了墙体承重的概念，利用连续宽大的玻璃形成主要的建筑立面，并与设计精致的钢结构柱进行了分离。建筑外围的钢结构柱与井字形钢结构屋顶共同构成了一个一层的巨大的室内无柱空间，这一激进的设计满足了展览根据需要随意的摆放展板。ZahaHadid事务所在这一设计理念基础上进一步将建筑的简洁形

12、式和结构优化相配合，利用双向渐进结构优化生成遵循自然有机体结构逻辑的高效肋骨图案的混凝土结构的屋顶，从而达到减轻混凝土结构的重量，实现了最轻的设计解决方案。形成肋骨图案的混凝土结构的屋顶的依据在于对室内柱子的摆放控制和空间需要。在内部，第二排围护柱划定了精心组织的画廊和展览区域，描述了合理展览空间的清晰而富有趣味的组织方式。画廊展示了内部流通和对其他画廊的视野的逻辑组合，同时在玻璃围护结构周围的不同位置提供了独特的体验。该提案的建筑原则与设计的结构安排直接相关，并允许画廊的布置具有完全的灵活性,以适应未来艺术展览、展示或不断变化的项目和访客需求，同时保持清晰而独特的外部表达。并且技术上，Zah

13、aHadid事务所提案将复杂的结构力学表达与先进的材材制造技术相结合，创造出高效的层叠楼板和屋顶结构形式，达到了构造主义的真实性的美感与参数化主义设计的差异化设计相平衡的独特美学。3.3利马艺术博物馆扩建利马艺术博物馆发起了扩建竞赛，旨在为博物馆增建一个当代艺术馆作为其现有博物馆的一个翼部5。竞赛要求设计艺术馆作为一个富有灵感的空间，并与现有博物馆的建筑概念协调一致。结构的入口设计被想象为一个吸引人、热情欢迎的结构，适用于各个年龄和社会背景的居民、博物馆游客和通勤者。ZahaHadid事务所对利马市和博览公园的特殊地形和地理环境做出回应，他们的提案是将新的艺术馆翼部打造成一个与景区自然环境融为

14、一体的景观运动，而不仅仅是一个建筑物。他们设想一个起伏的景观，融入公园的特性，弘扬旧宫殿中所包含的历史，其中有一个贝壳状的入口从地面上升起，向城市敞开。图1功能叠加的复合椅(HybridBenCh)的设计过程和结果(图片来源：作者自绘)图2ZahaHadid事务所的柏林新国家博物馆新馆提案（图片来源4）图3ZahaHadid事务所的利马艺术博物馆扩建提案基于贝壳状的结构，确定荷载的类型和方向，并生成不同的优化模式，从而实现了结构牢固、轻量化的混凝土外壳结构。利用HyperWorks的先进模型可视化功能，ZahaHadid能够以高分辨率和引人注目的视觉效果展示他们的项目。贝壳状的结构壳体最终由一

15、系列大小不一的矩形体组成，矩形较大的地方材料分布相对较少，受到的应力也较低。这一项目展示出拓扑优化与参数设计的形态差异化相结合的特点。这也说明了拓扑优化的结果不应被完全和直接的进行建筑转换，而是可以作为工作流的一部分提供设计创意的源泉，给建筑师提供模糊化的模拟，进而在建筑师判断下进行进一步的参数化转译。结语：在工业时代的先锋如柯布西耶和密斯凡德罗等建筑大师在有限的机械设备条件下，制造和组装标准化的零部件，从而在传统的类型学的设计思维下寻找对建筑设计的突破。而当下由于数字工具和先进制造方法的帮助，一体化并具有差异性的设计已经不再是纸上建筑了。建筑师和工程师的隔阂也没有以前那样不可逾越。将工程学的优化设计融入到设计的工作流中，不仅可以在工程学上达到材料和重量的优化，还可以对建筑学的构造和结构进行理论和实践的创新突破。