土木工程黑科技—结构参数化
日新月异，斗转星移。近几年各种新事物、新概念，如井喷般出现在结构设计这个有着悠久历史的传统行业，如数字化、大数据、人工智能、BIM、参数化、VR、AR等等。这些新玩意有时如天边的云虚幻缥缈，有时又如手边笔触手可及。小i接下来就分几期内容，为大家介绍这些结构领域的“黑科技”。
Heydar Aliyev文化中心
参数化大家可能并不陌生，核心思想就是把建筑设计的全要素都变成某个函数的变量，通过改变函数，或者说改变算法，人们能够获得不同的建筑设计方案。
参数化在建筑设计领域已得到了广泛的应用，如建筑师常用的Revit和基于Rhino平台的Grasshopper等软件，建筑师利用参数化，也完成了众多令人惊叹的建筑。
望京SOHO
看到这些作品，各位读者感受如何？可能很多人和小i的第一感觉相同，酷炫。可在严谨的结构设计领域，酷炫并不一定是褒义词。各位结构工程师先别急着给参数化留下“轻佻”的印象，下面小i就为各位介绍已在悄然萌芽的结构参数化。
上海中心全参数化建模（GH建模详见参考文献）结构参数化
凌晨两点半，拼了老命，终于按照建筑新提资把结构模型调好，起个名字“最终模型”，长吁一口气。第二天，打开邮箱，建筑表皮调整新提资，柱位变了，边界变了......此时结构工程师内心是奔溃的。
方案阶段，甲方要求方案比较，于是建模、摘指标、数据比对，长吁一口气。甲方爸爸意见，要不其他体系也比比，钢结构混凝土比比，柱跨调整一下再比比......此时结构工程师内心是奔溃的。
结构工程师可能都有类似的经历，说多了都是泪。而参数化就是通过控制个别参数来自动调整整体模型，因此在面对重复工作时，可以为我们带来极大便利。
首先要了解，参数化并不是让我们去面对计算机语言和海量数据。结构参数化作为工程师的语言，所有数据都是可视的。
GH中国尊的参数化流程
比如下面这个例子，对于固定楼面布置和荷载情况，通过参数化计算各种方案，计算机自动挑选最为适合的支撑结构布置。建模、计算过程、计算结果等，数据与图形都是交互的，任何数据的变动都可以在图形窗口实时显示。
自动优化柱子位置摆放
高层建筑参数化
超高层项目中楼层与表皮变动频繁，但整个结构模型建立，通常是有固定而简明的逻辑的。在参数化系统中，搭建结构模型就像搭积木一样，即使建筑参数发生变化，结构模型也可以通过固有的逻辑，及时发生变化。同时，发生变动后的楼层信息，材料用量，单层面积等都可以一目了然。
对于固定的建筑方案，参数化可以根据已有的建筑表皮，快速建立不同结构体系的模型。并逐步优化相应的结构体系，细化至结构构件、材料、荷载等信息。
超高层结构体系的自动优化
在重复性极高的方案比对阶段，参数化更有其天生的优势。通过参数化，我们可以同时在相同几何和荷载条件下，比较各种结构体系和结构布置，快速比对结构动力特性、侧向位移、材料用量等各项结构指标。
结构体系的横向比选
结构指标的可视化分析
同时，参数化也是结构优化的基础，比如在下面中信金融中心的案例中，SOM通过对框架斜撑几何造型进行参数化优化，在确保整体结构刚度的同时，将整个结构材料用量减少至最小。
结构支撑的优化
参数化就是把建筑结构数据化，因而我们可以将建筑数据导入AR软件，让我们的结构模型、计算结果，以更加直观的方式呈现。想象一下，当面对业主汇报结构方案时，打开手机扫描二维码，通过屏幕即可看到整个结构模型，是不是感觉既清晰直观，又逼格满满。
中国尊的AR空间结构参数化
对于大跨度结构，我们以往的结构计算流程如下：根据固定的建筑表皮手动划分网格，将面离散为线；将网格导入计算软件，赋予杆件截面、施加荷载、指定支座等；对结构模型进行计算，调整构件截面。如建筑表皮发生变化，重复以上流程。
传统流程无法实现自动化主要有两个原因。首先，结构计算与建筑表皮构造不是同一平台，需要重复完成模型建立、荷载布置等操作；其次，结构网格划分并非逻辑的推演。而参数化解决了这两个问题，就如同打通了“任督二脉”，结构计算自动化也就迎刃而解了。
屋面桁架模型的自动建模
大跨度屋面结构，相对于高层建筑结构设计师自由度更大。因此，利用参数化思维，我们能够实现更多的可能性。比如，对于给定的自由曲面，我们以支座约束为变化参数，可以找到结构最优的支座约束布置；对于不同的荷载布置，也可以通过参数化，自动调整构件截面；可以计算动荷载下，结构响应，并进行实时显示。
支承位置的自动优化
荷载变动时截面自动优化
车过桥梁时的动态分析
当然，我们也可以对应某一自由曲面，快捷地对不同的结构布置进行方案比对，计算结果直观可视，同时非常炫酷。
方案比选
结构布置自动优化关于参数化二三事
从上面小i简要的介绍中，大家可以感受到，结构参数化并非遥不可及。也许在我们刚听说这个概念时，它已经在悄然颠覆我们对于传统结构设计的认识。
本篇文章大量的案例，有来自于传统结构设计巨头ARUP、SOM的实际项目，也有来自于新兴设计软件Karamba、ParaStaad官方网站的案例。小i们也在这方面做了很多探索，并且在几个超高层和空间结构工程中实际应用，取得了良好的效果，同时，也启发了我们很多新的设计思路。
小i认为，一方面，结构工程师应该以更为开放的心态，来面对这个快速更迭的时代，让更多新的技术为我们所用。另一方面，避免走向唯技术论。参数化是一个工具，本质上和CAD一样，不用参数化可以做出好建筑，就好像不用电脑也可以做设计。但是参数化给我们带来了新的思维方式，给设计带来更多的可能性。真正重要的始终在于设计者的思维，这才是真正可以创造出好设计的源泉。参考资料
建筑结构丨超高层背后的故事：集成智能设计环境
SOM丨中信金融中心 CITIC Financial Center
GH结构分析插件—match—ParaStaad
学犀牛丨上海中心大厦纯GH参数化精细建模
建筑结构访谈丨京城第一高楼“中国尊”结构技术挑战
部分图片来源于百度图片
