参数化设计可以为结构工程师带来诸多好处,从重复任务的自动化和项目后期设计变更的便捷化,到赋能复杂几何体的设计。

 

——Stuart Campbell,Trimble结构工程部门经理


 

参数化设计也被称为数据驱动的设计,或许与建筑学更加息息相关。当然,建筑师多年来对参数化设计的开放态度,并不代表工程师不了解这一领域。建筑师可以利用参数化建模来实现设计中的复杂的几何图形,而工程师则可以通过这种参数化或数据驱动的方法获得更大的好处:不仅有利于他们的业务和流程,也有利于更好地服务客户。


 

所以说,建筑师并不是参数设计和建模领域唯一的主导者,越来越多的工程师开始探索和进一步开发这种数据驱动和参数化的工作方式能够发挥的价值。参数化设计也开始不止适用于主要的、标志性的建设项目:相反,它正广泛应用于整个工程部门的各种类型的项目。


 


 


 

自动化


 

 


 

虽然每个建筑项目都不同,没有两座建筑是相同的,但从不同建筑项目所涉及的过程、特别是结构工程的角度来看往往是相同的:因此,自动化过程颇有裨益。


 

比如,任何建筑,无论其功能如何,在设计上往往都是重复的,特点是具有大量相同的钢构件,如横梁、柱子或板材。


 

从建模的角度来看,需要添加相同的组件添加到单独的模型中,这个过程是重复且费时的。如果手动和重复的任务能够自动化,就能够在其他地方更有效地投入时间和资源。


 


 

虽然现有的CAD工具(如Tekla Structures)可能已经具备一些参数化和自动化功能的元素,但参数设计可以将此功能提升到一个新的水平。


 

如果我们有一系列钢柱,每个钢柱的外形相同且彼此保持一定间距。那么使用参数设计工具(如Grasshopper),你只需输入所需的参数(比如x轴的值),即可自动生成多个相同的柱子到相应的模型中,每个柱子的间距是根据设定好的脚本来的。然而在结构分析中,自动化的应用价值或许更大。工程师的很大一部分时间被将用于审查和分析数据,去验证建筑物是否满足规定的结构要求,或是确定最佳的结构设计。随着客户在质量材料成本和碳足迹方面对高性能建筑设计的要求越来越高,工程师们面临的压力越来越大。如果使用手动工作流程去确定最高效的设计,通常会非常耗时,因为工程团队必须手动更改每个变量、运行分析、记录结果,然后重复很多次。而通过将参数设计纳入工作流程,这个过程将发生天翻地覆的变化。


 

例如在最近的一个项目中,工程团队使用了Grasshopper和Rhino,与Tekla Structural Designer的实时互联,分析系统中出现的偏转。通过Grasshopper脚本,团队能够快速运行各种设计迭代。软件能够列出每个变型的偏转结果,并自动对最高效的变量集合进行突出显示:也就是,最小的钢结构重量和最小偏转这两个变量之间的平衡。


 

Grasshopper和Rhino在Tekla Structures种生成复杂的混凝土顶棚


 

参数和计算设计标志着从手动和重复工作向更具创造性的工程的转变,这是一个节省时间的大杀器。即使是使用一个简单的数学公式来代替重复任务也会有显著的结果,让你能够花更多的时间为客户提供项目的增值服务。


 


 


 

复杂的几何设计


 

这种创造性的工程理念是参数化设计的又一令人振奋的好处。正如自动化过程所节省的时间和资源可用于提高建筑物的成本或碳效率一样,我们也可以把省出来的时间和资源来创造更加复杂的几何图形和更美观的形式。参数建模如果使用得当,能够让计算机软件去分析结构复杂的建筑,而手动建模和分析的难度堪比登天。


 

除了让工程师有更多的时间进行创意性的工作并突破结构设计的界限外,参数化设计还使其他具有挑战性的结构(如复杂的建筑外墙)能够以更快的速度建模。


 

智利的圣地亚哥国际机场就是一个例子。工程团队花了六个月的时间才完成了对第一候机楼的曲线屋顶系统的手动设计,而在设计第二候机楼时,使用了Grasshopper动态链接和Rhino以及Tekla Structures的联动,在短短一周就完成了对屋顶系统的建模,大大节省了时间。


 

Grasshopper动态链接和Rhino以及Tekla Structures的联动大大节省了智利圣地亚哥国际机场曲线屋顶系统设计的耗时


 

土木工程,如公路、铁路、桥梁和隧道的建设,是参数化设计能够大展拳脚的另一个领域,因为这些工程往往是很有挑战性且结构复杂的。


 


 

在设计巴黎地铁11号线延长线时,由于要考虑到轨道的多变性和耐受性,手动插入不同的元素将会极其耗时。而利用Tekla Structures与Grasshopper的实时链接,开发了一个定制的Grasshopper文件,可以实现元素的自动放置,让它们与轨道对齐。Grasshopper文件能够进行坐标转换,让Tekla的结构元素与原模型接近,并给出每个元素建模的参考坐标。这使得BIM建模员和负责跟踪元件安装点的测量师能够密切合作。


 


 


 

项目末期的设计变更


 

对于任何建筑项目来说,最后一刻的设计变更对于结构工程师来说都可能是一个共同的挑战,特别是对于那些重复性很高、非常复杂的BIM模型。此类请求通常发生在设计阶段的末尾,模型、图纸和附表几乎已完成,并且包含大量信息和数据。所以虽然可能只是某一个结构组件出现了更改,但仍有可能对所有连接的组件产生连锁反应。这使得在变更落地的同时确保模型在工程上的合理性,是一个漫长而复杂的过程。通过参数化设计,建筑物或结构的内部就是互联的。所有参数、输入和输出都是相互关联的,并且保持很好的数据关系,这意味着如果你必须要更改单个参数,那么所有关联组件都会根据新输入的数据自动调整。


 

Grasshopper动态链接和Rhino以及Tekla Structures的联动


 

如前所述,许多一些3D建模软件,如Tekla Structures,已经内置了参数设计功能,核心基础是数据的连续传输链接。例如,如果你更改了Tekla Structures的模型中的内容,那么模型关联的时间表和2D图纸也会自动更新。通过将Grasshopper等参数工具纳入工作流程,就可以在数据链的开头添加一个新链接,使数据能够在从模型到图纸的整个设计过程中保持高效传输和连接。


 


 


 

集成


 

集成的理念是参数化设计的核心。这不仅体现在参数设计本身的集成能力,还体现在参数工具在结构设计过程中的重要地位。在这一过程中,数据从计算机脚本传输到模型,甚至影响到时间表和图纸。事实上,它甚至可能超越这个链条,使学科之间在更广泛的项目背景下整合,并通过项目的整体数字工程计划更好地控制数据流。


 


 

被建筑师和工程师使用的参数话建模,有可能成为建筑和结构设计背后的驱动力,使数字流程更通常,并使设计数据在整个项目中更好地连接。然而,这一理想并非没有挑战,因为为了最大限度地提高协作参数化设计所能提供的集成水平,需要建筑师、工程师及整个施工过程的环节有同样水平的数据质量和准确性。


 


 


 

工程师的未来


 

参数化和数据驱动设计的好处是非常显著的,将传统的重复工作流程自动化,能够使工程师将更多的时间和注意力集中在为项目提供附加值上,无论是在设计优化方面还是在结构的几何复杂性方面。尽管如此,必须明确的是,这种技术进步不能取代工程师本身。BIM和更广泛的建筑行业常常有的一个担忧是,随着技术的发展,传统技能会被技术取代。


 

 


 

事实恰恰相反。即使先进如现代计算机和软件,这些孤立的技术是没有任何价值的。参数化设计的成功整合比简单地运行一个脚本或是让计算机在没有限制或控制的情况下生成设计更加有意义。要正确和成功地使用参数化设计工具,经验丰富的工程师的知识和专业知识是至关重要的。只有这样,你才能控制并理解被输入的参数、正在分析的变量并验证脚本的输出。


 

最几年对计算设计的关注日益突出,更多拥有更大的计算编程技能的应届毕业生进入了工程行业。这些新技能、技术和软件代表了BIM和工程行业向前迈出的令人振奋的一步。如果使用得当,可以进一步扩展和增强工程师的知识边界,而不是取代工程师。这或许就像多年前计算器的使用一样。


 


 

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