结构参数化建模技术在广州白云站钢屋盖中的应用

文／徐鹏辉 中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063

1.参数化设计应用背景及建模技术简介

1.1 参数化设计应用背景

随着我国经济的快速发展和科学技术的不断进步，现代铁路客站建筑造型千变万化、形式活泼新颖，越来越多地采用极富现代感的新型建筑形态，大空间、大跨度的空间钢结构屋盖得到了广泛应用，如武汉站、襄阳东站、杭州西站和广州白云站等。但复杂空间曲面和形式多样的结构形式给结构建模带来很大难度，传统手工或半手工的建模方式耗时长、易出差错、工作效率低。随着建筑结构理论的成熟、计算机技术的快速发展，高效、准确、易修改的参数化设计法应运而生。

参数化设计，是指一种将设计要素作为某个函数的变量，通过算法将相关变量关联起来，通过输入参数便可自动生成模型的设计方法。它使用计算机算法，将建筑的设计条件视为参数，设计结果实时响应参数的变化。参数化设计方法的核心在于参数化建模，其始于建筑表皮、终于结构分析模型，是结构分析与设计的基础。相比于传统设计方法，参数化设计可以大幅提高模型的生成和修改速度，具有极强的建筑造型自由度和控制能力，根据既定的控制点或控制线，就可以方便地进行曲面造型的凹凸变化、光滑程度的修改，使得自由曲面的成形和修改不再困难。

1.2 参数化建模技术简介

参数化设计是计算机辅助建筑设计发展到一定阶段的产物，脚本语言和脚本技术是参数化建模的主要工具，参数化建模过程即设计师通过脚本程序建立容纳各类参数信息的参数化模型。在参数化建模平台中，建筑师通过拉拉棒、按按钮或输入数字建立参数化模型。随着计算机技术的飞速发展，各种应用于建筑工程的参数化建模软件相继出现，如Rhinoceros 及其插件Grasshopper、Digital Project软件和Generative Component软件等。由于具有强大的造型能力，满足当代建筑外观的设计要求，拥有丰富的专业建筑设计扩展插件，Rhinoceros 与Grasshopper 插件组成的参数化设计平台在建筑领域应用最为广泛。

Rhinoceros 具有强大的建模功能，具有快速修改能力，用户可以选择多种模型修改操作，包括曲线、曲面和实体编辑工具等，在不改变约束的情况下用户任意地修改模型；犀牛还具有多种文件格式/数据格式，可以与其他软件进行数据传递（图1）。Grasshopper 是基于参数化平台Rhino 软件的编程插件，它采用可视化节点编程设计，通过程序算法，任意调整初始设置参数，控制计算机辅助生成模型代替人脑和手工建模，软件能实时动态的显示参数调整的过程，实现参数化建模的目标（图2）。Grasshopper 具有强大的可视化功能，当输入数据发生改变时，在Rhinoceros 界面中也会实时动态地反映出图形的变化；Grasshopper 通过编写算法程序，利用计算机的循环运算取代机械性操作及具有逻辑的演化过程；Grasshopper 以独特的方式完整地记录起始模型和最终模型的建模过程，从而达到通过简单改变起始模型或相关变量就能改变模型最终形态的效果，从而有效地提升设计人员的工作效率。

图1 Rhinoceros 软件界面

图2 Grasshopper 电池组图

理论上说，只要建筑师提供了建筑表皮的Rhino 模型，就可以利用Rhino&Grasshopper 组成的参数化平台自动生成钢屋盖结构计算所需的空间网格，但该网格还不够准确，往往还需要进行少量的人工修改，从而得到钢屋盖结构的几何模型。在得到几何模型之后，通过Salamander 插件赋予荷载、材料、截面尺寸和约束条件等结构信息，即可得到结构分析模型。

2.钢屋盖结构参数化建模

2.1 工程概况

广州白云站位于广州市白云区，是新一代站城融合的特大型站房，为广州市“五主三辅”客运布局的五个主客站之一，站房规模为11 台24 线，站房面积约14.3 万平方米，站房效果图如图3 所示。站房屋盖南北长252.5 米，东西长412 米，投影面积约9.7 万平米，屋盖结构不设缝。广州白云站屋盖建筑造型复杂，由候车厅、进站光谷和波浪飘带三部分组成，候车厅屋盖设置了通长采光带，站房东西侧设置了大跨度“光谷”和大悬挑“花瓣”，南北侧屋盖设置了折线形“波浪”。屋盖结构同时具有大跨度、长悬挑结构，为超限结构。

图3 白云站俯视图

图4 白云站正立面图

复杂的屋盖造型需要在不同造型部位分别采用桁架、网架、实腹梁以及拱等多种结构形式组合进行实现，依靠传统方法进行结构建模效率低、准确性差、工作量大、设计困难。在实施方案阶段，在满足结构安全及使用功能前提下，需要综合衡量成本、空间利用率、建筑效果等指标来找到最优结构体系。本文通过Rhnioceros&Grasshopper 分三部分对白云站钢屋盖进行了参数化建模，并基于参数化比选对钢屋盖结构体系进行了优化分析。

2.2 网架模块建模方法

网架模块网格划分的核心算法包含区域划分、网格划分两大部分。首先，将原曲面转化为若干梯形区域，并保证所有柱点均位于梯形区域的端点处。其次，在保证边界处网格节点一致的情况下，进一步对梯形区域内部进行划分。其中，区域划分将引入柱位信息，同时需要人工进行一定程度的干预，保证划分完毕后区域满足后续算法的条件；网格划分采用受限四边形过渡网格划分算法，根据四边形对边边长差异决定过渡方向，并采用最近点相连的方式构成四边形；上下弦杆添加寻找、平移上弦曲面的网格中心点来获取下弦杆曲面的节点，同样采用最近点相连的方式构成四边形与倒放四角锥。网架结构建模流程图如图5 所示，根据以上步骤划分得到的网架网格几何模型如图6 和图7 所示。

图5 网架结构建模流程图

图6 网架网格划分

图7 网架网格划分大样

2.3 桁架模块建模方法

桁架模块网格划分的算法是通过定位桁架的轴线，根据网格尺寸、柱点等信息对轴线进行划分，进而生成相应的上下弦节点。进一步地，将相应节点按一定顺序进行连接，形成相应的杆件。算法具体可分为以下步骤：（1）根据桁架轴线端点，确定桁架轴线；（2）根据桁架高度，确定桁架下弦轴线位置；（3）根据桁架横截面宽度，确定桁架上弦轴线；（4）根据结构柱网节点、桁架网格尺寸，分别对所得到桁架上弦、下弦轴线进行节点划分，并依次寻找每个节点的最近节点，再连接形成相应的杆件；（5）分别连接桁架下弦杆节点与上弦网格单元的端点（上弦节点）得到腹杆。桁架结构建模流程图如图8 所示，根据以上步骤划分得到的桁架网格几何模型如图9 和图10 所示。

图8 桁架结构建模流程图

图9 桁架网格划分

图10 桁架网格划分大样

2.4 桁网模块建模方法

桁网模块的网格划分算法是先根据桁架划分算法生成桁架，再从目标曲面中去除桁架部分，最后对剩余部分进行网格划分生成网架。算法具体可分为以下步骤：（1）连接桁架轴线的起始端点，形成一条直线作为桁架辅助轴线；（2）根据桁架横截面宽度，确定桁架的上弦轴线并将其作为曲面划分线；（3）分别利用桁架的上弦轴线划分目标曲面，得到网架的网格划分曲面；（4）根据网架的划分曲面尺寸及网格大小分别计算各曲面的网格划分数量，然后根据网格数量对网架曲面进行网格划分，并提取划分结果生成网架上弦杆及上弦节点；（5）根据网格划分结果计算网格中心点，沿网架高度方向偏移网格中心点得到网架下弦节点，然后对下弦节点进行分组排序并依次相连得到下弦杆，再对应连接下弦节点与上弦节点得到网架腹杆；（6）整理得到桁网组合结构的弦杆、腹杆及节点。桁网结构建模流程图如图11 所示，根据以上步骤划分得到的桁网结构网格几何模型如图12 和图13 所示。

图11 桁网结构建模流程图

图12 波浪网格划分

图13 候车厅屋盖网格划分

2.5 白云站站屋盖整体模型建模

广州白云站屋盖由候车厅、“光谷”和“波浪”三部分组成，根据前述建模方法，通过Rhnioceros&Grasshopper分三部分对白云站钢屋盖进行了参数化建模，然后再将三部分连接成整体。具体建模过程总结如下：首先对建筑Rhino 模型进行处理，提取建筑边皮，并根据建筑装饰需要对获得的建筑表皮进行处理，得到结构建模所需要的控制面和控制线；将建筑平面图CAD 模型导入Rhino 模型，并提取结构建模所需要的柱网信息；根据柱网对已提取到的结构控制面和控制线进行划分，得到每个柱网单元的控制面和控制线；对每个柱网单元的控制线和控制面进行网格划分，得到结构的上弦网格；通过已得到的上弦网格分别生成下弦网格；依次连接已得到的上弦网格和下弦网格，得到结构腹杆；依次连接各个区域，得到结构几何模型，如图5；通过GH 的二次开发插件Salamander 分别赋予各几何元素相应的结构信息，即可得分析所需结构模型。建模流程如图14 所示，所得白云站屋盖几何模型和结构模型分别如图15 和16 所示。

图14 白云站屋盖结构建模流程图

图15 屋盖结构几何模型

图16 屋盖结构分析模型

3.钢屋盖结构参数化比选分析

参数化建模的主要工作量在前期模型建模逻辑的建立，之后不同方案的结构分析模型就可以快速完成。通过利用参数化建模可以快速输出结构模型的优势，在类似的建筑造型下短时间内建立不同结构体系的结构模型，避免了建筑设计修改对于设计周期的影响。同时只有采用参数化建模，才能达到在复杂的体形中快速精准建模。

参照本文第二节建模流程，先建立白云站屋盖的建模逻辑，然后根据不同结构体系的特点生成多方案模型，最后对不同的结构方案进行比较。白云站屋盖结构由中央候车室屋盖（简称候车室）、东西侧“光谷”（简称光谷）以及南北侧“波浪”飘带（简称波浪）组成，各部分分别考虑了以下结构方案中：中央候车室屋盖为钢桁架+网架结构方案，东西侧“光谷”考虑实腹拱+实腹悬臂钢梁、实腹拱+实腹悬臂钢梁+刚性环钢梁、实腹拱+悬臂桁架+刚性环桁架3 种方案，南北侧“波浪”飘带考虑实腹钢梁+网架、桁架+网架2 种方案。屋盖共考虑4 种结构组合形式，分别如下图所示，其中图17 为中央候车室屋盖采用钢桁架+网架、“光谷”采用实腹梁+网架、“波浪”采用实腹梁+网架，图18 为中央候车室屋盖采用钢桁架+网架、“光谷”采用拱+实腹梁+刚环梁、“波浪”采用实腹梁+网架，图19 为中央候车室屋盖采用钢桁架+网架、“光谷”采用拱+实腹梁+刚环梁、“波浪”采用折桁架+网架，图20 为中央候车室屋盖采用钢桁架+网架、“光谷”采用拱+悬臂桁架+环桁架、“波浪”采用折桁架+网架。

图17 屋盖组合方案一

图18 屋盖组合方案二

图19 屋盖组合方案三

图20 屋盖组合方案四

在完成屋盖建模以后，分别对屋盖结构进行了静力计算分析，并根据计算结果对4 种屋盖方案进行了结构方案比选。结构方案比选计算结果表明，采用桁架结构时最为经济，但桁架截面较实腹钢梁截面梁高更高。由于白云站“光谷”部分要求结构外露，因而对结构造型要求较高，因而“光谷”部分采用实腹钢梁方案。由方案二和方案一对比可知，通过在“光谷”花瓣之间增加刚性环钢梁，使花瓣结构受力得到优化，增加了“光谷”的整体性，显著降低了结构的用钢量。见表1

表1 结构方案比选

同理，也可以很容易对得到的参数化设计模型进行其他结构参数分析，因此参数化建模不仅在结构方案比选中十分方便，在结构体系的研究中也大有用处。这需要设计者在参数化建模前期保证模型的参数选取、数据结构关系设计与结构体系层次一致，能突出关键参数，理清参数对结构各分体系的影响。

结语：

本文介绍了结构参数化建模技术在广州白云站钢屋盖设计中的应用过程，详细阐述了白云站屋盖结构的参数化建模、方案比选过程。本文对铁路客站复杂空间结构的参数化建模技术进行了经验总结，可为同类型复杂钢屋盖结构的设计提供借鉴和参考：

（1）参数化建模技术相对于传动建模方法准确性高、出错率低、建模效率高，通过该参数化建模方法所得结构模型能与建筑造型严格吻合，可以显著提高铁路站房屋盖设计过程中建筑与结构的配合度，实现经济性与美观的完美统一；

（2）本文提供了复杂曲面形态下的桁架、网架及网壳屋盖的建模逻辑基本流程，简化了屋盖结构参数化模型逻辑的复杂性，提高了模型效率，流程思路清晰，易于掌握；

（3）在结构分析采用参数化设计策略，能更有效地对不同结构体系进行对比和优化，同时在概念设计初期还能更容易对体形等其他重要因素进行分析，以提供更清晰的设计方向。