数字化工具赋予结构更多创造空间

数字化的工作流程和新兴的设计工具，正在彻底改变工程的设计、建设，以及我们体验工程结构环境的方式。本文将通过两个对比案例，机场项目和小型展馆，两者都采用了最新一代的参数化设计工具，进一步探讨如何利用软件的互操作性成功实现这些工作流程。

提高软件的互操作性

尽管可能没有像预期那样成为主流，BIM却以某种形式在项目中得到了较为普遍的使用。BIM早期的关注焦点很大程度上是由客户主导的，而对设计师来说，其直接收益并没有那么明显。然而，从设计师、主要承包商、供应链和工程管理团队的角色来看，这些问题更多地反映出重组行业采购的必要性。不仅在单个组织内，在整个项目生命周期内无缝传递数字信息的需求，是BIM的更大图景，但有时会被冲突检测报告、每周下降的数据和夸张的可视化所淹没。

BIM技术变革推动了开发新工作方法的需求，更详细、周密地创建设计信息，以及管理相关数据。通过强调软件的使用，以及开发有效的方法来准确地传输这些大量的信息。因此，BIM面临的最大挑战之一是互操作性，并能够简单地交换这些通用数据。尽管近年来取得了巨大的进步，但是在一个典型的建筑项目中，使用的数百个软件包之间缺乏通用的文件格式和有效的链接，这仍然是一个需要克服的关键障碍，在可预见的未来也将如此，特别是在软件开发速度迅速的情况下。

多年以来，我们团队已经在一些复杂的项目中使用参数化的设计工作流程。这些工作流程不仅用于定义结构的几何形状，而且用于自动更新的荷载和结构分析参数，以适应对控制截面几何形状的任何修改，这是工程师和建筑师通过预先建立的参数定义的。

案例研究1：香港机场二号客运大楼

中国香港国际机场二号客运大楼的大跨度屋顶及外立面，采用了最新的参数化设计工具。Grasshopper程序语言是自下而上建立的，首先执行几何定义命令，从最初的屋顶和天花板几何形状创建出合理的和可定义的表面，然后将结构框架映射到这些表面上。几何定义在层中逐步应用。程序语言也允许迭代变更，并且可以被全面检查，这是必要的，并且需要一定的经验。每一步都必须考虑周全，并始终着眼于最终的产品，这不仅包括基本的中心线几何形状，还包括连接、拼装、门架的次级框架、骨架外墙支撑和天花板挡板等构件的偏移量。结构的每个部分或层可以被隔离,并直接导入到分析软件——Nemetschek SCIA Engineer,在Grasshopper中已经定义了所有的荷载、材料和截面特性、释放、偏移、支撑和边界条件,以确保所有构件都是由参数连接的。因此,SCIA Engineer软件在这个工作流程中主要是用作解决程序和代码检查,而Grasshopper中的所有相关数据作为“数据中心”。

中国香港机场二号客运大楼楼顶的早期概念模型渲染图

所有的结构荷载和特性都可以在Grasshopper中进行参数化的定义，包括来自物理模型数据的风荷载映射。然后，Grasshopper中的数据以XML数据的形式链接到分析软件。分析软件仅用于FE求解器和代码检查。根据变更的复杂性和项目的规模，分析所产生的变更将在Grasshopper定义中进行更新，可以手动更新，也可以通过分析软件的XML链接更新。采用共享参数和数据管理，使用XML文件，将分析信息传输到Revit模型中，从而形成完善的互操作模式。

在Grasshopper中进行参数化定义

将几何模型和分析模型相互连接到这种程度，并不总是合适的。但是，当经常发生更改时，如果初始设置考虑周全，确实可以节省大量的时间。因此，这个代码是由我们的工程师来执行，而不是几何数学专家，因为这需要高深的工程专业知识。同时，也要求工程师和技术人员需要更加了解程序语言、复杂的几何定义、3D建模技术和制作方法，这也使得他们在整个设计周期的创建过程中有更强的主控意识，能够使用这些方法进行快速测试和分析选项的能力。结合更传统的二维草图设计和力学原理计算，也有助于提高我们年轻工程师的结构设计技能。

案例研究2：BarkowLeibinger避暑别墅

小巧型的展馆虽然在几何复杂性上比不过大规模的机场项目，但是同样可以使用参数化的设计流程。

BarkowLeibinger避暑别墅

复杂的钢木结构的Rhino三维模型

像这类具有蛇形走廊的小型别墅，其弯曲钢架的几何形状和巴尔科-莱宾格（BarkowiLeibinger）结构的木质表皮，利用了设计工具包中的参数化几何组件。复杂的钢木框架Rhino三维模型，使用Grasshopper进行参数化定义，并通过XML文件导入到分析软件中。同样的几何形状被用于数控车间模型以及随后的切割和制造工具。然而，由于几何结构的迭代调整受到限制，所以SCIA Engineer软件使用的分析模块和荷载输入更为传统。而且，我们还必须在分析模块中使用全尺寸荷载，对其进行敏感性分析叠加测试。因此，需要提前计划，确定每个项目的最佳解决方案。

数据的往返传递仍面临挑战

根据我们的经验，Grasshopper和Rhino在生成复杂的几何结构和处理相关数据方面处于领先地位，尽管其他软件也有新的发展。然而，对于大部分跨多学科的项目，Revit仍然是记录几何和数据的基础软件。作为Revit的可视程序语言组件，Dynamo的开发是实现Rhino和Revit之间强大链接的关键。

然而，软件的持续开发，包括各种专有的互操作性插件，以及当前的变化速度(可能包括每年的几次更新)可能是一个障碍，但也可能带来令人兴奋的机会。新的软件版本常常会导致“旧的”语言代码和插件不再起作用，这会是一个持续的问题。

因此，就目前而言，我们选择开发自己的插件，这使我们能够更好地响应周围的持续变化。主要数据容器使用定制节点和Visual Basic构建在Grasshopper中，我们使用XML文件在它和分析软件之间传递数据。类似地，我们使用定制的Python脚本将数据导入到单独的容器中，并将数据语法转换为Dynamo，以便在Revit中重新生成信息。

然而，尽管参数化设计在许多项目中已成功实施，但真正的“往返”过程仍然难以实现。这主要是由于3D建模软件中变更管理的功能有限。更新模型中的组件大小可能非常简单，但凡更复杂的几何变化通常就会导致链接断裂。我们正在与Autodesk等软件开发人员合作来改进这一点，许多开发人员正在建立他们自己的基于云的数据中心，以允许数据在产品之间更无缝地转换。这些服务通常是封闭的“黑盒”，因此我们继续使用自己的互操作性系统来维护控制。

与任何建模过程一样,模型的初始设置及其随后的管理是成功的关键,从一开始就小心地使用分层系统和工作集。虽然前期规划和前期投入相对较多,但总体效率上的好处是不可否认的。这只会随着软件开发更加关注互操作性而得到改善。

使用脚本语言来执行更多的日常任务，比如建立文档编号、表格、视图、日程安排、变更管理和更常见的数据挖掘，即使在最简单的项目上也可以节省大量时间。团队的下一步重点是，利用在更复杂的项目上的投资，在所有的项目上获得相同的效率和收益。而如何适应软件的变化，以及如何演示所谓的“复杂”工作流的适用性和可访问性，是我们和整个行业的一个新的关注点。

未来需要更加明智地应用数字化技术

在这两个项目中，与现有共享模型和BIM工作流程直接相连接的增强现实技术被用于协同设计审查，包括碰撞检测和全尺寸虚拟组件的预制施工过程检查。在第一个机场项目中，建立的模型可以同时由英国、美国、远东地区国家的工程师和建筑师，使用这些新的沉浸式技术进行评审。用这些令人兴奋的新工具和交互式的用户界面扩展现有的工作流程，是我们工作的另一个重点，增强我们在共享虚拟环境中检查、测试、审查和协调模型的能力。

结构工程一直以来都是比较保守的早期技术领域之一，但是现在变化的速度如此之快，以至于我们必须在这个过程中发挥积极的主观作用。

数字化设计工具使我们能够更有效地交流和生成可交付的成果，也使我们能够快速创建和复刻复杂的结构，这是一代人以前的梦想。

作为工程师，我们的角色、技能和工具都在不断发展。在3D环境中建立复杂的几何图形模型和使用强大的分析软件，是我们在工程教育过程中越来越重要的一部分，就像我们的设计结构可以使用新技术，如机器人进行制造和建立。

虽然这些工具可以激发创造力,但我们必须明智地应用它们,并确保下一代工程师也可以明智地使用这些技术。我们可以将计算设计作为教育的一部分,向他们逐步灌输正确的工程判断直觉,并使他们理解在采购决策和可行性方面的含义。

通过引领和采用先进的技术，我们不仅可以在设计和施工方面非常高效和创新，还可以为我们的行业吸引和留住最好的工程师。

本文刊载 / 《桥梁 · BIM视界》杂志

2020年 第4期 总第15期

作者 / Jon Leach

作者单位 / 英国AECOM公司

资料来源 / 第39届IABSE研讨会论文集

编译 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 周洋

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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