参数化在超高层建筑形体设计中的应用

【摘要】本文通过将参数化建模的方法应用于超高层建筑的选型，揭示了参数化建模这种技术手段，给建筑的设计所带来的高效率与灵活性。

【关键词】：参数化；高层建筑；设计

中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：

一、参数化的概念，参数化的表象

参数化，这个近年来在建筑设计领域相当流行的概念，来源于一种设计理念的完全更新，它的中心思想有两个部分；参数化图元和参数化修改。参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。从而提高了工作效率和工作质量。但是，在实际工程应用中，整个项目进行参数化设计需要强大的BIM系统的支持。

目前建筑的建造、使用和管理水平，还不足以掌控和利用BIM系统中的大规模参数和数据，所以，目前建筑参数化设计的领域还相对集中在建筑的外观方面。当参数化与表皮主义在进几年结合起来之后，参数化这词渐渐的偏离了原来的内涵，转而变成了一种立面生成的手段。这种参数化表皮设计，通过操控数学函数，利用电脑辅助软件，生成了各种美观新奇、眼花缭乱甚至是匪夷所思的建筑外表面。而且，随着这些建筑的逐渐落成，“参数化”的含义被这种表象所定格。

追溯到参数化的理念源头，它并不是根据给定参数自动生成建筑（虽然近来理论研究上有这样的趋势，但设计不是一个纯理性推导的过程，人的作用不可替代），它本质上还是一种辅助设计的手段，通过对图元构件及其修改的参数化，使得设计过程获得一定的灵活性，在设计条件变更或调整的时候可以快速的通过修改参数来获得新的设计成果，这种便利性和高效率是传统的辅助设计手段（相比之下，传统的辅助设计手段可以看作是辅助画图）所不能比拟的，同时其使用的参数生成方式，给设计与建造之间搭建了一个理性的桥梁，使设计在这一过程中自然而然的数字化成可转述和实践实体。本文将以一个工程实例来实践这一设计过程。

二、利用参数化对北部湾科技园A1超高层办公楼进行建模

北部湾科技园总部基地一期工程，A1超高层办公楼项目是位于南宁经济技术开发区，壮锦大道和国凯大道交汇处的东南地块，北部湾总部基地建筑群中的一栋超高层建筑综合体，它由总高220米，51层的超高层的主塔楼和高层裙楼以及地下车库组成，总建筑面积245430.04m2。主塔楼采用核心筒--钢管混凝土框架结构，外墙全部采用玻璃幕墙。

选择函数，建立数学模型

超高层建筑受结构合理性的要求，一般采取高耸型体形设计，平面布局比较简单，形状规则，主要造型变化一般沿高度方向设置。A1塔楼平面形状采用沿长轴平行布置两个长椭圆，平行椭圆间再通过短矩形连接的形式，短矩形连接部位内部布置核心筒，主要使用空间设置在长椭圆位置。立面设计上，为了使建筑高耸挺拔，采取逐层收分的手法。考虑到平面上采用的是椭圆作为主要形体，如果立面采取线性收分的话，建筑体形会比较生硬，故考虑采取抛物线的形式。将上开口的抛物线旋转90度，截取靠近顶点的一小段抛物线来作为立面收分的控制线，该抛物线段的特点是越靠近顶点位置，收分越缓慢，越远离顶点，收分越快。由于核心筒大小上下基本不变，立面的收分，主要是影响各层平面两个长椭圆的大小。但是要以怎么样的方式来影响椭圆的大小呢？对于圆形和多边形这类的形态，改变其大小只需要简单将其外轮廓向内offset所需要收分的数值，得到的形状的轮廓与原型的轮廓是平行的。但是，椭圆不行，相同的操作并不能得到与原形相平行的形状，甚至会在长轴两端出线锐角的相交线，所以，椭圆的收分，只能采取按比例收分的办法，将椭圆对其自身圆心进行缩放，而缩放的参数，就采用立面收分抛物线与各层标高线交点上的取值。然后将各层轮廓放样连接起来，获得的曲面，就是沿抛物线收分的椭圆在空间垂直轴向中划出的双曲面。根据以上的几何分析，可以开始在计算机软件中建立数字化模型了。

1、建立参数化比对模型，参数化的优势

根据上述的数学模型，在计算机上采用Rhino软件建立表面模型，参数化采用其插件grasshopper。grasshopper实际上是一种基于“历史”的参数化，调整其控制的图元物件的生成参数后，物件会重新生成一遍，生成的速度很快，几乎即时可预览调整的结果。建筑设计是艺术与技术结合的成果，有了造型艺术上的概念之后，还需要确认其工程实现的可能性。在本工程中，与核心筒连接的钢管混凝土框架柱必须是从底层到顶层位置不变的，其自身的截面收缩楼层的升高的增加，但是幅度不是很大。所以，平面轮廓随楼层的收分变化，受限于钢管混凝土框架柱的位置，这些柱到核心筒的之间的跨度不大于12米，而柱可以出挑楼板的宽度的范围，就决定了平面轮廓外边缘的可收分幅度。与结构专业协商之后，我们确定了最大外挑宽度为4米左右，从而确定了最大层平面轮廓的大小。

根据黄金分割被比例原则，把平面轮廓最大楼层设在第20层，这一层的长椭圆取长轴为33米，短轴为11.7米，标准层层高高4.2米。在grasshopper中建立与楼层标高相对应的数列，作为双曲线函数的x值，输入到根据之前分析所构造的抛物线函数中，y=-aX2+1，x在20层时取值为0，其余楼层时x为楼层标高减去第20层标高的绝对值，1为抛物线函数在顶点时的最大值，函数值y就是一个小于1的小数，它作为20层以外的其他楼层长椭圆的比例缩放值，而参数a，它决定了抛物线函数的变化的快慢，是整个体形调整中最重要的参数，它的大小，将决定整个建筑的形体，同时，它也是控制前述面轮廓外边缘收分幅度的参数，通过对它的调节，我们可以平衡建筑造型与工程可行性。在得到各楼层的长椭圆线后，通过loft放样，把各层椭圆线串成曲面，即为A1超高层的外表面模型。经过一些初步计算尝试后，得到结果为：a取值在小于0.0002时，抛物线比较接近需要的效果，接着进行细微调整。可以看到，当a取值过小时，抛物线收分太慢，立面效果不明显，而当a取值稍大时，抛物线收分过快，超出了结构楼板的可出挑范围，导致柱子超出外幕墙。参数化的建模和修改方式，使得A1建筑形体设计可以在短时间内获得多方案优选比对，并且在结构可行性判断上，提供了直观高效可视化环境。与传统的手工建模相比，参数化不仅仅只是提高效率，它给予了设计更多的可能性，使得设计更容易的转化成为可实施的实际工程。

2、确定形体，固化参数。

经过多方案比对之后，最后的参数a值取为0.00010742，而20层以下的楼层若采用相同参数，收分较慢，考虑到自然生长的植物及果实等其形体多为偏对称形，故采用了a=0.00018141的参数值，加快其收分的速率。以20层为顶点，重新组合两端双曲线，loft成模，A1超高层塔楼的主要形体就确定好了，由此确定的1层平面长椭圆轮廓为最大层的0.92倍，屋面层长椭圆轮廓为最大层的0.89倍，长短轴的收分长度都控制在可收分幅度范围之内。再经过造型上的切割加工，得到了最终的成果。

三、参数化的作用

以上我们应用参数化的方法建立了北部湾科技园A1超高层办公楼塔楼形体模型。正如之前所论述，参数化目前在建筑设计中的应用范围还比较小，但却是一个强有力的工具，它大大改变了的传统设计的工作方式。首先，引进参数建立建筑的物件和图元使得建筑的造型可以更加自由的利用数学函数生成更多新颖的几何造型。其次，通过修改建筑物件和图元的参数，可以快速的生成多个比对方案，为建筑设计转化成实际工程提供有效途径。再次，利用参数化设计，使得设计过程不再像传统方式那样，割裂设计与绘图两个阶段，它使设计的过程成为了一个可不断添加设计条件和约束的动态推导过程，并在这一过程的各个阶段都能得到相应的绘图成果。