浅谈建筑结构的数字化建造与拓扑优化设计

摘 要：在建筑结构的数字化建造时代中，人类将利用3D打印等数字化建造技术实现密度、强度、质量高度可控的材料柔性分布体系，使更多的灵感与创意成为真实。在随之而来的数字化结构性能生形时代中，以拓扑优化方法为核心的数字化设计工具将极大地拓宽建筑结构的设计空间，使结构语言在建筑空间形态中实现更和谐完美的诠释。文章对当前国内外3D打印建造技术与建筑拓扑优化设计的研究与应用状况进行了介绍。

关键词：建筑结构；数字化建造；3D打印；拓扑优化

纵观建筑结构历史的发展，变革往往来自背后的设计方法与建造工具，如透视法对文艺复兴的影响，切石法对巴洛克的推动，轴侧画法对现代主义的作用，而现如今，随着建造的操作主体经历手工、传统机械、数控机械乃至3D打印机的转化，建造的操作对象从传统砖混材料向先进复合材料发展，同时结合由计算机技术孕育而生的参数化设计、算法化设计，毫无疑问地，建筑结构的数字化设计与建造时代已经到来。

1 3D打印

作为建筑结构数字化建造中极其重要的组成部分，3D打印是以设计模型的三维数据为基础，采用材料逐渐累加的方法生成三维实体的技术，因此又被称为增材制造。作为第三次工业革命的重要标志，3D打印目前已广泛应用于航空航天、汽车、医疗、珠宝、玩具等行业领域，对传统社会生产造成巨大冲击，成为公认的将改变人类未来的创造性技术。

与传统的建筑结构建造方式相比，3D打印方式具有可实现高度复杂结构的自由生长成形、极大地减少施工工序、缩短施工周期、降低施工成本、环保节能等突出优点，并且可以极大地拓宽建筑结构的设计空间，使建筑师更多的灵感与创意成为真实。

目前，轮廓工艺、D-Shape、自由形式建造是国际上建筑结构领域最被寄予厚望的三大3D打印技术。

美国南加州大学的Khoshnevis教授所提出的轮廓工艺研究项目已获得美国宇航局NASA的资助，用于测试并评估采用轮廓工艺在月球上快速就地取材，批量建造住所、实验室以及其它设施的可能性。Khoshnevis教授指出，在2050年左右，建筑结构的3D打印将会成为一种成熟的技术。

由意大利发明家Enrico Dini发明的D-Shape打印机使用的原料主要是砂与镁基胶而非混凝土，建造出来的建筑结构质地类似于大理石，这种新型材料由于其坚固的微结晶结构而表现出良好的密实度和抗拉强度。

自由形式建造工艺是由英国拉夫堡大学创新和建筑研究中心提出的，并得到英国工程和自然科学研究委员会、福斯特建筑设计事务所等的资助与合作。

2014年，上海青浦张江工业园，我国的盈创建筑科技有限公司（以下简称盈创）采用自主研发的全球最大建筑3D打印机在24小时内打印了10栋房屋。2015年初，盈创又宣布打印出一栋15米高的六层住宅，以及作为上海浦东汤臣一品售楼处的1100平方米三层别墅。该别墅的建筑成本约100万元人民币，3D打印所用材料为回收的建筑垃圾、玻璃纤维以及高强混凝土。

2014年，奥雅纳工程顾问（以下简称奥雅纳）为荷兰海牙的某项目设计张拉整体结构，但由于整个结构和电缆构成的网络过于错综复杂，导致结构中处处存在着不规则连接与特殊结构角度，即1200个钢节点各不相同。奥雅纳的工程师们尝试解放受传统机械加工工艺束缚的设计思路，通过对钢节点进行纯力学意义上的优化设计，得到相比传统设计节省约75%材料的异形钢节点，并利用选择性激光烧结3D打印技术生产出了这些复杂的异形钢节点。

2 拓扑优化

正如奥雅纳的工程师将3D打印技术与结构优化结合起来从而充分享受到了自由设计的巨大优势，哈佛大学设计研究院的帕纳约蒂斯教授也指出，数字化建造技术最重要的贡献并不在于让人类更易于建造复杂的建筑结构，而在于脱离建筑结构的拼装体系、连接建构体系从而达到材料柔性分布体系。帕纳约蒂斯教授认为，3D打印技术允许材料在空间中更加连续地复合在一起，同时建造出具有材料层级的结构，尤其是在多重材料打印技术的辅助下，将可以制造出各点材料属性不一的结构。

帕纳约蒂斯.米哈拉托斯教授基于连续体拓扑优化等结构优化方法，在参数化设计工具Grasshopper中开发出插件Millipede，允许建筑师在方案设计阶段融入结构性能优化的概念，使结构性能分析工具与建筑形态生成工具一体化。

作为数字化结构性能生形工具Millipede的算法原理之一，连续体拓扑优化是过去二十多年里结构多学科优化领域最热门的研究方向。连续体拓扑优化是指在指定的设计区域内，给定荷载与边界条件，在一定的约束条件下，通过改变结构的拓扑形式或者说材料布局，使结构的某种性能指标达到最优。目前最常见的连续体拓扑优化方法有SIMP法、水平集法、ESO/BESO法等。连续体拓扑优化方法在航空航天、汽车、机械等行业早已成为概念设计的有力工具，而对于采用3D打印技术建造的建筑结构，作为其数字化结构性能生形工具更是极具发展潜力。

2004年，大森博司等在日本的芥川河畔办公楼项目中使用扩展ESO算法对该楼的西、南、北三个立面进行拓扑优化设计。2005年，矶崎新和佐佐木睦郎使用BESO算法对卡塔尔国际会议中心长达250m的入口进行拓扑优化设计。谢亿民等与澳大利亚BKK建筑事务所使用BESO算法对澳大利亚某城际高速公路净跨72m的步行桥进行概念设计，同时还采用壳体单元优化得到穿孔壳管设计，通过引入不同的周期性几何约束调整出精彩各异的设计方案。2014年，Lauren等采用变密度法并考虑对称约束与模式重复约束，实现超高层建筑的斜撑布局优化。

3 结语

在建筑结构的数字化设计与建造时代中，人类将告别传统的梁板柱构件拼装体系，利用3D打印技术等数字化建造技术实现性能更优更可控的材料柔性分布体系，使更多的灵感与创意成为真实。同时，以拓扑优化方法为核心的建筑结构数字化设计工具将极大地拓宽建筑结构的设计空间，使结构性能化设计与建筑美学设计进一步融合。

参考文献

[1] Lim S，Buswell R A，Le T T，et al.Developments in construction-scale additive manufacturing processes[J].Automation in Construction，2011，21（01）：262-268.

[2] 帕纳约蒂斯·米哈拉托斯，闫超.柔度渐变在设计过程与教学中重新引入结构思考[J].时代建筑，2014（05）：26-33.

[3] 牛飞，刘鹏，张浩等.结构拓扑优化综述[A].中国cae工程分析技术年会会议[C].2014.

作者简介：李祖宇（1991- ），男，广东茂名人，硕士，华南理工大学土木与交通学院，研究方向：建筑结构优化。