李 媛 王其明 李寶龍 趙妍妍 何金生 趙 培

(中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

預(yù)制裝配式停車樓的參數(shù)化生成設(shè)計(jì)

李 媛 王其明 李寶龍 趙妍妍 何金生 趙 培

(中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071)

通過(guò)深入分析參數(shù)化生成設(shè)計(jì)方法及基于Revit的編程插件Dynamo的優(yōu)勢(shì)，本文以預(yù)制裝配式停車樓為例，研究了停車樓的生成邏輯，并在歸并構(gòu)件族的基礎(chǔ)上，展示生成設(shè)計(jì)中的四個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了輸入任意長(zhǎng)寬高參數(shù)即可自動(dòng)生成三維模型的程序，同時(shí)可通過(guò)參數(shù)精細(xì)化設(shè)計(jì)構(gòu)件，為信息傳遞的真實(shí)完整性和未來(lái)的3D打印構(gòu)件打下基礎(chǔ)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法； 生成設(shè)計(jì)； 預(yù)制裝配式建筑； 停車樓

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.05.10

東西方建筑史中都應(yīng)用過(guò)參數(shù)化的理念，比如古羅馬柱式底部柱徑與其他部分之間的比例關(guān)聯(lián)[1]； 《營(yíng)造法式》[2]中開(kāi)間、進(jìn)深、柱徑、脊高和斗拱之間的關(guān)聯(lián)，因而可以通過(guò)已知某個(gè)參數(shù)便可確定整個(gè)構(gòu)件或建筑，保證了設(shè)計(jì)和構(gòu)件預(yù)制精度并提高了施工速度。這一理念在科技長(zhǎng)足發(fā)展的今天，其內(nèi)涵和外延又獲得了新的拓展。

1 參數(shù)化生成設(shè)計(jì)的概念與方法

提起參數(shù)化生成設(shè)計(jì)，人們更多會(huì)聯(lián)想到其美學(xué)上的識(shí)別性，即有序復(fù)雜的優(yōu)雅和無(wú)縫流動(dòng)感[3]，而這只是其原則性內(nèi)核的一種外在表現(xiàn)形式。參數(shù)化的實(shí)質(zhì)是一個(gè)協(xié)同概念，是將一個(gè)物體中每個(gè)部分的約束條件及各部分之間的關(guān)系用可變的數(shù)值表示，任何一個(gè)部分的改變都會(huì)引發(fā)其他部分的關(guān)聯(lián)性改變[3]。因而，任何用數(shù)學(xué)關(guān)系連接的自變量(自然因素、社會(huì)因素和技術(shù)因素)和因變量(建筑的幾何形態(tài))均屬于參數(shù)化生成設(shè)計(jì)。

誠(chéng)然，這種數(shù)學(xué)關(guān)系有時(shí)是環(huán)環(huán)相扣的，上一個(gè)環(huán)節(jié)的因變量即是下一個(gè)環(huán)節(jié)的自變量(圖1)[4]，且變量數(shù)目不等。

圖1 參數(shù)間的邏輯關(guān)系

2 Dynamo在裝配式建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

Dynamo是基于Revit的參數(shù)化編程軟件，Revit的建模理念是建筑由各個(gè)族構(gòu)成，而裝配式建筑也是由各預(yù)制構(gòu)件組成。因而，相對(duì)于其他編程軟件，Dynamo具有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是可以通過(guò)程序直接調(diào)用Revit族并改變族實(shí)例參數(shù)(包括某個(gè)參數(shù)的數(shù)值和用0/1控制的族中組件的可見(jiàn)性)； 二是編程結(jié)果直接生成Revit三維模型，模型也可在Revit中修改，確定后直接出施工圖； 三是Revit還可以自動(dòng)統(tǒng)計(jì)不同類型預(yù)制構(gòu)件的數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)向下游工廠無(wú)縫傳遞信息。

3 預(yù)制裝配式停車樓的參數(shù)化生成設(shè)計(jì)

下面以長(zhǎng)春一汽技術(shù)中心研發(fā)基地預(yù)制裝配式停車樓為例，介紹應(yīng)用Dynamo實(shí)現(xiàn)該停車樓的參數(shù)化設(shè)計(jì)和普適性應(yīng)用。

3.1 項(xiàng)目背景

一汽技術(shù)中心研發(fā)基地項(xiàng)目總建筑面積46×104m2，其中配建兩棟完全相同的七層停車樓(圖2)，每棟停車樓建筑面積3.9×104m2，停車位1 209個(gè)，其標(biāo)準(zhǔn)層面積5 500m2，長(zhǎng)104m，寬53m，分三跨，每跨17.5m，采用剪刀梯式雙向坡道設(shè)計(jì)，車位呈垂直式布置(圖3～4)。

圖2 停車樓透視圖

圖3 停車樓標(biāo)準(zhǔn)層布置

圖4 停車樓剖面圖

圖5 構(gòu)件拆分的計(jì)算過(guò)程

圖6 雙T板剖面圖

3.2 理順生成邏輯

想要搭建通過(guò)輸入任意建筑長(zhǎng)度、寬度和高度就能自動(dòng)生成的三維Revit模型，就需要深度挖掘各預(yù)制構(gòu)件尺寸與位置等各參數(shù)間的關(guān)系，并理順各參數(shù)間生成與被生成的關(guān)系。

對(duì)本項(xiàng)目起重要制約作用的是跨度為17.5m的橫向受力構(gòu)件——由高強(qiáng)度混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作的雙T板(圖6)，它將梁板合二為一以承載4.0kN/m2的停車活荷載?？v向構(gòu)件都是為了實(shí)現(xiàn)橫向構(gòu)件的功能而存在，因而生成程序需要滿足的邏輯關(guān)系如下：

1)雙T板翼緣長(zhǎng)度為0～600mm，梁間距為1 200mm；

2)每塊墻板的寬度與其支撐的雙T板寬度一致；

3)墻板上牛腿的位置與雙T板兩個(gè)梁底的位置一致；

4)停車樓東西兩端非坡道部分是固定不變的，坡道長(zhǎng)度是可變的，但坡度不超過(guò)5%。

分析理順停車樓的一層生成邏輯如圖7， 2～3層、4～5層和6～7層與一層生成邏輯一致，不贅述。

圖7 停車樓一層生成邏輯

3.3 歸并構(gòu)件族

構(gòu)件族是構(gòu)成預(yù)制停車樓的基本元素，為了便于管理和編程，將建族時(shí)構(gòu)成邏輯相同的構(gòu)件盡量歸并為一個(gè)族。比如，本項(xiàng)目中的柱子共有10種不同外形，除了高度不同，大小牛腿的數(shù)量和位置亦各不相同(圖8)，但這些柱子可以歸并為一個(gè)族(圖9)，可通過(guò)程序調(diào)用的參數(shù)見(jiàn)圖10，利用Dynamo改變柱子族中每個(gè)實(shí)例的參數(shù)見(jiàn)圖11。

同理， 6種寬度不同、牛腿數(shù)量不同的墻板可以歸并為一個(gè)族(圖12)，族中可調(diào)用的各參數(shù)見(jiàn)圖13，利用Dynamo改變墻板族中每個(gè)實(shí)例的參數(shù)見(jiàn)圖14。

圖8 外形不同的各種柱子

圖9 柱子族

圖10 柱子族可調(diào)用參數(shù)

圖11 改變柱子實(shí)例參數(shù)的程序

圖12 墻板族

圖13 墻板族可調(diào)用參數(shù)

圖14 改變墻板實(shí)例參數(shù)的程序

3.4 編程過(guò)程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)

3.4.1 確保符合規(guī)范的剪刀梯坡度

規(guī)范中要求斜樓板式汽車庫(kù)樓板坡度不應(yīng)大于5%[2]，為保證輸入任意長(zhǎng)度時(shí)，能將不滿足長(zhǎng)度要求的值排除出去，編程時(shí)將輸入的長(zhǎng)度值與層高對(duì)應(yīng)的坡道長(zhǎng)度及兩端頭非坡道部分長(zhǎng)度之和相較取大值(圖15)。

3.4.2 適應(yīng)任意長(zhǎng)度的構(gòu)件布置

首先，要確保任意長(zhǎng)度下中間標(biāo)準(zhǔn)寬度墻板Q2300的個(gè)數(shù)是整數(shù)個(gè)。將上一步結(jié)果去除兩端非標(biāo)準(zhǔn)墻板的長(zhǎng)度后，除以2 400mm(Q2300寬度加板間縫隙100mm)后取整。

而后，確保第四行墻垛的相對(duì)均勻分布。該停車樓每?jī)蓧Χ忾g都支撐3個(gè)雙T板，但當(dāng)長(zhǎng)度值為任意時(shí)，Q2300墻板的數(shù)量被3除的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)

整除、余1和余2三種情況，而墻垛間能支撐雙T板的合理數(shù)量為2～4個(gè)，分別對(duì)應(yīng)余2、整除和余1的情況(圖16～17)。

圖15 限制坡度的程序

圖16 第四行墻垛布置程序

圖17 隨長(zhǎng)度變換間距的墻垛

3.4.3 坡道兩側(cè)墻板的牛腿位置

通過(guò)等差數(shù)列確定坡道上每個(gè)雙T板上表皮中心位置，而后將其旋轉(zhuǎn)與坡度相同的角度，此時(shí)，上表皮中心點(diǎn)與T梁底部中心點(diǎn)位置的關(guān)系如圖18，分析得出：

Z1=Z+600×sinθ-700×cosθ

(1)

Z2=Z-600×sinθ-700×cosθ

(2)

圖18 雙T板各點(diǎn)位置關(guān)系

由此編程得出每塊墻板上牛腿的位置(圖19)，且可以隨坡度變化而變化(圖20)。

3.4.4 適應(yīng)任意跨度和高度的構(gòu)件布置

雙T板的跨度可以由參數(shù)控制，支撐雙T板的各行墻板和梁的間距與其跨度關(guān)聯(lián)； 停車樓高度取

標(biāo)準(zhǔn)層高的整數(shù)倍與首層高度之和(停車樓首層因停大客車層高為4.5m，其他層層高均為3.2m)，除首層外，墻板均為兩層高，每面4個(gè)牛腿(圖21～22)。

圖20 坡道兩側(cè)墻板上的牛腿

圖22 三層高停車樓

圖19 牛腿隨雙T板坡度變化的程序

圖21 二三層停車樓編程

3.5 構(gòu)件的精細(xì)化處理

為了使預(yù)制構(gòu)件信息實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)與廠家制作的完整對(duì)接，需要確保構(gòu)件細(xì)部的準(zhǔn)確性。比如，在建筑建模過(guò)程中，雙T板與梁搭接時(shí)的處理方式是用布爾運(yùn)算減掉雙T板上二者的交集，這樣兩個(gè)構(gòu)件緊挨在一起，沒(méi)有縫隙(圖23)，與實(shí)際構(gòu)造不符。為解決該問(wèn)題，可通過(guò)參數(shù)控制雙T板下的企口位置(圖24～ 25)實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的完全一致。

圖23 雙T板與倒T梁的錯(cuò)誤搭接方式

圖24 企口雙T板

圖25 企口雙T板可調(diào)用參數(shù)

盡管目前預(yù)制構(gòu)件廠家還需要將三維模型轉(zhuǎn)化為二維圖紙后才能制作構(gòu)件，但在未來(lái)3D打印的大趨勢(shì)下，虛擬模型的100%真實(shí)將發(fā)揮更大的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

參數(shù)化設(shè)計(jì)作為建筑信息化的重要一環(huán)，不僅可以提高建筑設(shè)計(jì)中迭代的速度和設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率，更重要的是程序的靈活性和信息向下游傳遞的真實(shí)性和完整性。本文以預(yù)制裝配式停車樓為例，展示了參數(shù)化生成設(shè)計(jì)方法在具體案例中的應(yīng)用以及該程序在更多尺寸下的適用性，并探討了參數(shù)控制的構(gòu)件精細(xì)化設(shè)計(jì)的意義。

[1]陳志華. 外國(guó)建筑史(19世紀(jì)末葉以前)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010.

[2]李誡. 營(yíng)造法式[M].北京：中國(guó)書(shū)店出版社， 2006.

[3]NeilL，YuanPF.ScriptingtheFuture[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社， 2012.

[4]李媛. 大跨建筑表皮的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文， 2013.

[5]汽車庫(kù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ100-2015)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2015.

Parametric Generative Design of Prefabricated Parking Structure

Li Yuan, Wang Qiming, Li Baolong, Zhao Yanyan,He Jinsheng, Zhao Pei

(ChinaAerospaceConstructionGroupCo.，Ltd.，Beijing100071,China)

Based on the analysis of the parametric generative design method and the advantage of Dynamo，which is a parametric programming plugin of Revit，this article takes a prefabricated parking structure as an example to study its generative logic，group the similar components and present four important links of the process.Consequently，the programme can automatically generate a 3D model by inputting any length，width and height and control a component precisely through parameters，which is the foundation of the realness and integrity of the information transmission and 3D printing of components in the future.

Parametric Design Method； Generative Design； Prefabricated Building； Parking Structure

中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司重大自主創(chuàng)新項(xiàng)目“智慧交通中的智能化綠色停車解決方案”(編號(hào)：YK2014-004)

李媛(1983-)，女，博士，工程師，中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心BIM技術(shù)分中心建筑產(chǎn)業(yè)化研發(fā)主管。主要研究方向：參數(shù)化設(shè)計(jì)，BIM應(yīng)用。

TU318

A

1674-7461(2016)05-0051-07