御力于形 | DigitalFUTURES 2019

御力于形：基于拓扑优化的建筑形态生成与建造

导师：Prof. Yi Min ‘Mike’ Xie 谢亿民 | Dingwen ‘Nic’ Bao 鲍鼎文 | Xin Yan 严鑫

助教：Zhewen Chen 陈哲文 | Albert Zhi Li 李至

以“Architectural Intelligence 建筑智能”为主题的DigitalFUTURES Shanghai 2019上海数字未来暑期工作营已圆满结束。其中，来自墨尔本皇家理工大学（RMIT）的谢亿民院士以“基于拓扑优化的建筑形态生成与建造”为题，集结了加州伯克利大学、宾夕法尼亚大学、都灵理工大学、新南威尔士大学、哈尔滨工业大学、中国科学院大学等海内外高校18位学员，共同探讨数字化建筑背景下的结构力学与建筑美学的有机结合。

教学背景

Background

谢老师，咱们本次工作营的中心思想是什么呢？

精简高效的结构形体常常蕴含着一种内在的美。

--谢亿民院士

渐进结构优化（Evolutionary Structural Optimization, ESO）方法由谢亿民与Steven于1992年提出，其主旨基于简单的算法，逐渐把结构中低效材料删除，以“进化”成最优形态，对设计具有很好的指导意义。其后，其团队提出改进方法——双向渐进结构优化方法（Bi-Evolutionary Structural Optimization, BESO），使得材料不仅能被删除，还可以被添加到结构中重要的部位，这使得BESO方法具有更加良好的的稳定性以及趋于最优设计的能力。

由谢亿民院士团队自主研发的Ameba软件可以帮助没有专业结构背景的建筑方向的童鞋们设计出看似复杂但实则受力合理的有机形态。小编将通过拆解本次工作营开幕式上谢亿民院士向大家演示的Ameba视频，向大家梳理一下如何利用拓扑优化算法参与建筑的形体设计。（高清视频请见文末哦~）

整个设计过程可以被分为两个阶段：

①边界条件设定（手动） + ②拓扑优化计算（自动）

边界条件设定：定义INPUT几何形体的边界条件，其中包括工况和支座等条件的设定。

拓扑优化计算（完全自动化，不需要人工干预）：根据已输入的边界条件进行云计算处理，我们可以看到在计算过程中构件内部的低效单元被删除了。

而且同时还会根据迭代过程中的实际情况增加必要的单元，避免因过度删减单元引起计算结果不准确的情况。

是不是很简单？来~我们来举个栗子

这是初始的几何形体

在上表面设置均布荷载，底面中心设置一个支座

之后开始非常智能的BESO计算

最后我们会得到一个计算出来的异形几何形体

嗯...有些糙

没关系，Ameba可以对网格进行优化

继续优化中

还能更光滑点...

直到得到一个可以直接用于设计的光滑几何形体

PLUS,在拓扑优化中，比较高阶一点的玩法可以通过设定“非设计区域”来实现。这里指的是你可以在一开始就圈定哪几块区域是不参与优化的，虽然所得出的计算结果不是一个纯粹的“最优解”，但对于建筑师来说牺牲10%的结构效益来满足自己100%的审美也是相当划算的事了~

通过设置不同的“非设计区域”，你会得出NNNN...种不同的计算结果，在符合设计者本身的审美的同时还拥有相当不错的结构性能，是不是非常棒呢？

工作营课程

Tutorial

本次工作营课程在谢亿民院士与鲍鼎文和严鑫两位博士的指导下圆满完成，并十分感谢李至和姚远在教学期间所提供的Ameba技术支持。课程主要分为5个阶段：

▶ 掌握双向渐进结构优化法的基本概念

▶ 学习Ameba软件操作

▶ 完成小组/个人设计

▶ 3D打印模型

▶ 搭建大型户外3D打印装置

DAY1-DAY2: 拓扑优化基本概念教学

在工作营开营后的前两天导师谢亿民院士向学员们介绍了结构拓扑优化的理论知识，并由鲍博士和严博士分别从不同角度对基本理论知识进行深入教学。

DAY3-DAY4: Ameba的教学与实践

在工作营导师们和两位来自谢亿民科技的Ameba软件开发者李至和姚远的帮助下，学员们开始学习并尝试进行实际的形体设计。

DAY5-DAY6: 3D打印模型

最终工作营总共产出了12件设计作品，并在同济大学数字设计研究中心（DDRC）的实验室内完成了SLS激光烧结打印过程。

DAY7-DAY8: 户外装置搭建

在工作营结束前两天，全组学员们一起合作搭建完成了户外的大型机器人3D打印装置~

设计作品

Design Works

户外装置：X-Form Pavilion

X-Form Pavilion生成过程

X-Form Pavilion模型及分析图解

X-Form Pavilion打印过程及模拟

X-Form Pavilion打印效果

该装置被拆分为8个主要构件在RMIT实验室完成机器人分块打印并进行预拼装，随后运往同济大学建筑系C楼地下展厅。

展厅模型：3D-Printed Models

课上学员们对各自作品进行汇报

我此次的设计是关于对长椅的结构优化，外形会随着结构的优化而有所变形是我设计这座长椅最为关键的概念。而我的长椅用途主要是能够提供人们在两侧能够躺以及坐，我在长椅中央还留有一定的空间，让植物能够在此生长。我在长椅首尾两头设立支撑点，并且我希望长椅两侧能够形成拱来支撑对面，因此我在两边设立了对称的支撑。而受力分布以及配给是根据人们坐下时会对长椅所传递的力来设定，位置以及大小都有所不同。经过不同的测试以及设定我找到这张长椅的最佳结构。

---张耿嘉

Ameba Bench

我们很好奇，当两个曲面受到剪切力和扭转力时，会产生什么样的形式和关系。所以我们试着在两个通过杆件连接在一起的表面实体的顶部施加扭转力，并在转角的曲面结构线上施加剪切力。根据两种力的应力特性，通过Ameba计算，得到了一种结构性能良好的表面造型，并通过这种方法得到的孔最终使得两种表面之间产生了联系。

---金沛沛

Curiosity

我们组对如何优化自行车骨架结构非常感兴趣，希望可以通过AMEBA的BESO算法生成一种更为有机的形式。我们在最初形式中添加的力和约束条件是基于对人们使用自行车方式的行为分析。优化过程分为两个环节，我们首先对主框架进行整体优化，然后选择其中的部分区域进行下一级的细节优化。我们发现有趣的是，所生成的连接支杆和孔隙，可以使整体受力更加稳定，其形态更是不同于正常的自行车骨架。

---陈蕴怡，冯文瀚，叶可鸣

Cycle

受到高迪的圣家族大教堂的影响，结构优化的概念被引入到此鞋子的设计中。从基本楔形开始，不同高跟鞋跟将被测试，通过利用拓扑优化方法来搜寻最佳的鞋跟形态。被考虑最多的主要是施加在鞋底面上的人体重量荷载。各种不同分布和类型的作用力决定了高跟鞋的分叉状分支的形态。Ameba作为是一种设计辅助工具，可以帮助设计师识别高结构性能且有效材料的最终鞋跟形态。与传统的设计方法不同，这次的鞋跟设计是通过计算机自动生成的，而不是手动操作的。此设计的美学自然地遵循着设计师设定的边界条件，并让计算机自动计算出所需的最有效的材料分布区域并对其进行形态发展。BESO方法的灵活适用性将引出无限可能性的设计结果。由于重点设计的是鞋跟的外观，因此这次我将鞋子分为三个部分，用Ameba分区优化整个鞋子，此外多工况荷载将被引入以用来实现最终鞋子的形状。

---黄钰容（Blair）

High Heels

作品的设计灵感来自于对自然界植物的观察。这件作品我命名为“自然之声”。“自然之声”是我设计作品的重要概念。我希望人类的生存环境能够与自然环境共存。基于BESO算法的Ameba软件在设计中对材料进行了合理的分配，Ameba可以在建筑设计的进程中带来意想不到的效果。这件作品外观神似蘑菇，也像池塘里的荷叶。我希望这种设计可以让人与自然更加亲近。

---李丹利

Megatree

电缆桥架作为一种重要的非结构构件，在商业和住宅建筑中随处可见。其结构自身具有跨度长、柔度大，结构形式复杂的特点。这类非结构构件破坏不仅会严重威胁到用户的安全，同时会影响建筑的正常功能使用，造成巨大的经济损失。在该项目中，我们基于BESO拓扑优化方法开发的Ameba软件，设计了抗震支撑，以企增强电缆桥架系统的抗震性能。在初始设计域中，我们保留了传统桥架垂吊杆件，进而在双向地震荷载作用下，以结构刚度最大化为目标，渐进的获得了不同体积剩余率下最优支撑形态。所得抗震支撑能够有效的减小结构体系的变形，从而有效的保证了结构稳定性。

---吴思远，周保林，徐晨旭

Seismic Brace

人们对中国传统建筑的印象通常是浮顶，因为木框架结构具有合理的受力特点和轻巧的造型。有什么方法可以使结构更轻吗？本设计对中国传统木框架结构进行拓扑优化。我们利用基于BESO算法的Ameba对其中两件的结构形式进行优化。初始实体被分为三层，底层和柱体结合为框架，在屋顶下方提供空间，能够承受整个屋顶的重力和风、地震等水平力。上两层是对传统的桶拱系统的解构，逐步将重力从上到下传递。经过优化，模块可以自由组织，形成不同的室内空间形状，就像中国传统的木框架结构。

---王鼎明

Wood Frame

最后在文末附上本次工作营的展示视频 ↓

展示视频

欢迎大家来参观

DigitalFUTURES 2019工作营成果展！

DigitalFUTURES Shanghai 2019

主办单位

同济大学

联合主办单位

中国建筑学会计算性设计学术委员会

中国建筑学会数字建造学术委员会

全国高等院校建筑学学科专业指导委员会建筑数字技术教学工作委员会

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

承办单位

同济大学建筑与城市规划学院

上海建筑数字建造工程技术研究中心

协办单位

同济大学本科生院

支持单位

一造科技

DADA

全筑股份

支持媒体

编辑 | Reina

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