数字化技术在工程设计中的应用

文｜陈沉

随着科技现代化的程度不断提高，数字化设计的手段和方法在引进和利用国外的先进技术和理念后发生了巨大的变化，参数化设计在数字化设计浪潮中应运而生，可以模拟人的逻辑思维、记录各个对象的创建方式、设定各个对象间的关系，让设计师以以过去无法想象的方式实现设计和灵感。对于复杂建筑群工程通过结合参数化平面布局与参数化建筑模型，实现平面布局可动态调整，建筑群可统一调整，单一建筑可参数化驱动，最大程度上实现了设计过程和设计参数的可追溯。

＞＞图1 GC典型工作流程

在科技进步的背景下，数字化设计的理念也是日新月异，在建筑设计领域涌现了一大批新型技术，BIM(Building Information Modeling)、衍生式过程设计、参数化设计、过程式城市建模等。新的技术带来了新的设计思路，设计师以过去无法想象的方式来实现设计和灵感。本文参数化平台为GenerativeComponents（以下简称GC，是Bentley公司开发的一款基于MicroStation平台的关联参数化建模系统。

GC的参数化规则和关系是用户自定义的，通过界面图形操作和脚步编程的混合方法，设计师能够使用GC模拟出各类几何结构，并记录各类对象的创建过程，从而获得无与伦比的创造灵活性。其理念是能够灵活的创建各类几何形体，支持各种几何和逻辑可能性，为工程师提供了许多全新的设计方式。GC 采用图形方式展示元素及其相互关系，支持您有效展示和重用设计方案，使用 GC，设计师既可完全采用图形方式工作，也可在适当时将图形与脚本和编程结合使用。

典型工作流程

GC的典型工作流程为先对工程进行分析，选取最优方程，并提取以后需要作方案调整的公共参数；然后由方程生成各类特征，一般先生成点，由方程和公共参数控制点；再由点生成曲线，使用点来控制曲线；再由曲线生成曲面，使用曲线来控制曲面；再由曲面生成实体，使用曲面来控制实体。GC也可直接生成各类专业模块比如建筑、结构的构件，所以也可参数化切图，统计材料甚至动画漫游，形成的方案调整，后期修改方程和公共参数即可。（如图1）

＞＞图2 拱坝细节模型构建

＞＞图3 拱坝方案参数化调整

拱坝工作流程实例

首先，提取公共参数以便于后期模型重用和方案调整；其次，由有限元分析软件计算出的拱坝方程构造GC图形函数；然后将参数传入GC图形函数生成拱圈线；再然后由拱圈线生成坝体；接下来由表孔、深孔、底孔方程完成细部建模；最后进行方案修改，更改公共参数，模型中所有与该参数相关的图形都会随之更改，比如更改左岸参数Cl_D由 0.173710为 1.173710，GC图形计性能率非常高，如下图18000个元素在20秒左右全部更新完成，后期方案调整方便快捷。（如图2、3）

建筑群参数化设计

目前已有很多设计师开始尝试参数化的建筑布置方案，参数化技术的创新在于一是利用GC平台实现建筑群场地平面布局参数化；二是利用Geopak平台中自动开挖和放坡功能对建筑群场平进行动态调整分析；三是在GC中对建筑群整体实现参数化；四是在GC中对建筑群中所有单体建筑实现参数化。同时，将这4大参数化有机结合起来，形成一种全新的建筑群布置设计方法。

八卦起源于人文始祖伏羲，八卦表示事物自身变化的阴阳系统，在规划设计中，八卦布局也常常得到应用，本文八卦布局创建过程是首先构建参数化同心圆，将圆n1等分，并按对应关系连接各点，n1大小可调。第二步，将两圆中间的直线n2等分，n2大小可调。第三步，按对应关系连接两圆中间的各个点。最后，尝试不同参数下的组合方案。（如图4）

在八卦平面布局的基础上，创建简单三维圆柱体示意建筑以占位，设置干扰因子，随机调整圆柱体大小和位置，尝试可控随机布置方案，在不规则布局中需找部分对称布局平衡点，以获得最佳布置。GC在设计对象和元素之间建立起强大的逻辑关系，通过界面图形操作和脚步编程的混合方法，能够模拟出各类形态，并记录各类对象的创建过程，从而获得无与伦比的创造性，能够更加灵活的发挥主观能动性进行创作。（如图5）

场地平整分析，由测绘专业提供的等高线在Geopak软件中生成地面模型，将八卦布局设计应用于地面模型中，自动生成开挖与回填，分析各剖面及开挖回填工程量，优化布置方案。Geopak中Site模块在处理导入三维图形、开挖回填和放坡方面十分高效，这样我们可以前期创建任意复杂的场平图形，然后导入Geopak自动生成开挖模型。并由模型计算开挖工程量及切取剖面图。（如图6、7）

＞＞图4 创建八卦布局流程

＞＞图5 建筑物布置方案

＞＞图6 场地平整动态调整分析

＞＞图7 场平剖面分析（H/V=3：1）

＞＞图8 玛丽莲·梦露大厦

建筑形体推敲，玛丽莲·梦露大厦是一个典型的采用参数化数字建模技术的成功案例，将整栋建筑设计得如梦露的性感身材般，呈现出自由扭动的曲线，婀娜多姿，以“性感女神”玛丽莲·梦露为创作灵感，建设一栋具有时代意义的超高层建筑，从而树立城市新形象。（如图8）

本文借鉴玛丽莲·梦露大厦做建筑形体方案，首先要构建参数化椭圆截面；其次以层高N米，在Z方向上递增复制多层；再创建一个与椭圆集合对应的旋转角度的数据集合并赋予椭圆；再由椭圆集合加厚生成楼板；再由椭圆集合放样生成外墙轮廓；再对外墙轮廓进行曲面划分；最后，提取曲面上的线条特征生成外立面柱。（如图9）

建筑形体方案调整。带参数按逻辑创建建筑模型的优势在于整个过程可以记录，在方案初期阶段，将椭圆截面大小、层高、层数、旋转角度、外轮廓柱数量、外轮廓柱直径设计为可调节参数。在方案调整阶段，调节参数，模型能迅速响应并更新。

＞＞图9 参数化建筑形体创建过程

＞＞图10 复杂建筑模型布置图

＞＞图11 城市建筑群模型整合

三维模型布局设计，随着单一建筑形体推敲工作的不断积累，会有越来越多的参数化方案复杂的建筑模型，这些模型都可实现参数化调整来得到不同的造型，为我们后续的城市建筑群提供有力的支撑。将建筑模型库应用到八卦平面布局中，对整个区域中的某一建筑形体单独调整。（如图10）

模型整合,将建筑布局场平、城市建筑群模型及周边建筑模型整合，综合反映建筑群在整个城市规划中的位置及相互影响关系。动态调整建筑群的位置，经过多次调整，可以得到更合理的布置方案。有的时候甚至可以将多种布置方案同时叠加到地形图上来辅助我们的决策。（如图11）

科技的进步引发了部分传统设计手段的变革，数字化设计技术给土木工程行业带来了新的机遇和挑战，借助新的技术手段，我们能高效的完成传统业务设计，积累知识模板工程，提高设计效率，在创新性方面，能打破传统设计理念，创造出更符合人类居住和工作的环境，建造更美好的城市。