对未来不为人知的建议——日建设计的专业服务
第3回寻求建筑形态与力的合理关系 (后篇)
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在DEL,五个专业团队正在为现代建筑设计和城市规划所需的新领域和跨领域设计技术提供技术建议和设计支持。C日建设计
我们与结构形式创造团队的负责人设计技术总部总监玉井弘树进行了交谈，了解他的灵感来源、利用 DEL 的独特技术对建筑进行合理化以及与形式相关的美学。
结构形式的创建是“形式查找”，可以通过使其更有效地传输力和“优化”与建筑相关的各种价值来节省资源，例如材料，构造，成本它是以这种方式完成的。让我们看看这个过程。
优化有助于资源节约，并增强经济合理性。
让我们来看一个具体的优化例子，这是结构形式生成的另一个特点。
首先，让我们来看一些来自自然界的例子，这些例子可以为优化建筑提供一些启示。
例如，与大多数垂直游动的鱼类不同，比目鱼需要强壮的骨骼才能将海底的重水举起。令人惊讶的是，它们的骨骼形状像H型钢，这种钢结构常用于建筑中，以最少的铁来最大限度地提高抗弯刚度。
此外，生长在干旱沙漠地区的仙人掌内部呈网状管状结构，既能储存水分又能有效地支撑自身。这与纽约旧世贸中心的管状结构原理相同，而更先进的斜交网格管状结构则应用于近期的摩天大楼设计中。仙人掌表面的星形横截面也可能有助于降低风荷载。这些都是生物体优化自身形态以适应重力、风、高温和干燥等恶劣自然环境的例子。
首先，让我们来看一些来自自然界的例子，这些例子可以为优化建筑提供一些启示。
例如，与大多数垂直游动的鱼类不同，比目鱼需要强壮的骨骼才能将海底的重水举起。令人惊讶的是，它们的骨骼形状像H型钢，这种钢结构常用于建筑中，以最少的铁来最大限度地提高抗弯刚度。
此外，生长在干旱沙漠地区的仙人掌内部呈网状管状结构，既能储存水分又能有效地支撑自身。这与纽约旧世贸中心的管状结构原理相同，而更先进的斜交网格管状结构则应用于近期的摩天大楼设计中。仙人掌表面的星形横截面也可能有助于降低风荷载。这些都是生物体优化自身形态以适应重力、风、高温和干燥等恶劣自然环境的例子。
为了承受水压，比目鱼（上图）的骨骼呈H形，以最大限度地提高强度。仙人掌（下图）的储水组织是空心的网状结构，能够有效地展现其抗弯刚度和强度。© mikroman6（左上）、Nikken Sekkei（右上）、Charles Harker（左下）、Moelyn Photos（中下）、MWCPhoto（右下）
“优化在于创造多样性，并探索针对每个项目量身定制的独特解决方案，”塔迈解释道。“为了实现这一点，我们会考虑采用最小化技术，在特定条件下最小化或最大化某些输出。”这与自然界万物通过自然选择不断塑造和完善，以更好地适应周围环境的方式类似。
例如，在建筑设计中，目标是最大限度地减少结构材料的用量、成本和结构位移。反之，成本效益和强度则是需要最大化的目标。问题的定义取决于优先级，并需考虑每个项目的价值和优先事项。例如，在给定约束条件（包括材料总量）下最小化变形是结构优化中常用的方法。
与形态寻找类似，日建设计（Nikken Sekkei）自主研发的优化程序NSOpt（主要由玉井开发）在此也发挥着至关重要的作用。其优势在于自主研发，允许用户自由选择需要改变和优化的建筑相关条件。它还支持选择适合项目需求的优化方法以及集成分析程序。通常，优化方法涉及修改设计变量、进行结构分析和评估结果，并不断调整变量以获得更优结果。最终，会达到一个称为极值的点，在该点附近，会找到一组变量值组合，在该组合下结果无法再进一步改进。这就是所谓的最优解。通过充分利用NSOpt，DEL结构形态创建团队为每个项目提出最优的结构设计和施工方案。
例如，在建筑设计中，目标是最大限度地减少结构材料的用量、成本和结构位移。反之，成本效益和强度则是需要最大化的目标。问题的定义取决于优先级，并需考虑每个项目的价值和优先事项。例如，在给定约束条件（包括材料总量）下最小化变形是结构优化中常用的方法。
与形态寻找类似，日建设计（Nikken Sekkei）自主研发的优化程序NSOpt（主要由玉井开发）在此也发挥着至关重要的作用。其优势在于自主研发，允许用户自由选择需要改变和优化的建筑相关条件。它还支持选择适合项目需求的优化方法以及集成分析程序。通常，优化方法涉及修改设计变量、进行结构分析和评估结果，并不断调整变量以获得更优结果。最终，会达到一个称为极值的点，在该点附近，会找到一组变量值组合，在该组合下结果无法再进一步改进。这就是所谓的最优解。通过充分利用NSOpt，DEL结构形态创建团队为每个项目提出最优的结构设计和施工方案。
NSOpt 是 DEL 中执行的一种优化过程。它能够可视化和评估结构形式的变化。© 日建设计
让我们来看一些在结构设计过程中实际执行的优化示例。
结构优化主要有三种方法：给定形状下构件截面的最优分布、结构拓扑优化和形状优化。下图展示了每种方法的初始解、最优解和次优解，以便进行比较。这些方法也可以组合使用。DEL 可以根据需要将这些方法结合起来，找到最优路径。
结构优化主要有三种方法：给定形状下构件截面的最优分布、结构拓扑优化和形状优化。下图展示了每种方法的初始解、最优解和次优解，以便进行比较。这些方法也可以组合使用。DEL 可以根据需要将这些方法结合起来，找到最优路径。
左上部分展示了构件截面优化，即在可接受的变形范围内尽可能减小截面尺寸。左下部分展示了拓扑优化，即在保持材料不变的情况下最大化刚度，对刚度影响不大的构件进行减薄甚至移除，并在有效的情况下使用更厚的构件。右上部分展示了形状优化，即在不改变构件连接方式的前提下，通过改变坐标来获得更刚度的形状。在这些优化过程中，构件的重量保持不变。右下部分展示了截面优化和形状优化相结合的示例。© Nikken Sekkei
网格壳优化。本问题中，我们比较并检验了基于不同网格概念的最优解。通过可视化每种方法的优化计算过程，我们还可以直观地看到最优解附近的解。左图：通过近似非对称性并建立对称轴，可以获得更有效的拱形；中图：使用非90度网格对对称拱形进行非对称平移；非对称拱形优化后的条件更接近初始要求。© Nikken Sekkei
与形态探索类似，优化在项目初期进行更为有效，因为此时建筑形态仍具有灵活性。因此，DEL致力于从项目初始阶段就提供设计支持，力求探索更合理的形态，并实现最优的结构体系。
DEL 可以同时进行形状 查找和优化。NSForm 和 NSOpt 都是高度复杂且独立的数值计算程序，但由于 DEL 专注于其专有开发，因此可以通过更紧密地集成这两个程序来提高计算效率。
例如，下图展示了我们为实现膜结构可伸缩而考虑的设计方案。网格上索网的平衡形状具有一定的灵活性。然而，为了打开屋顶，所有由悬挂和支撑膜材的点所围成的四边形都必须满足几何条件，以确保在沿作为开合导轨的索道打开时不会撕裂。此外，为了在满足这些条件的同时最大限度地减少索道交叉处的夹紧力，我们进行了分析以最小化（优化）索道轴向力的差异，并提出了一种屋顶开合机构。这是大量计算机计算和现代分析技术共同作用的结果。
DEL 可以同时进行形状 查找和优化。NSForm 和 NSOpt 都是高度复杂且独立的数值计算程序，但由于 DEL 专注于其专有开发，因此可以通过更紧密地集成这两个程序来提高计算效率。
例如，下图展示了我们为实现膜结构可伸缩而考虑的设计方案。网格上索网的平衡形状具有一定的灵活性。然而，为了打开屋顶，所有由悬挂和支撑膜材的点所围成的四边形都必须满足几何条件，以确保在沿作为开合导轨的索道打开时不会撕裂。此外，为了在满足这些条件的同时最大限度地减少索道交叉处的夹紧力，我们进行了分析以最小化（优化）索道轴向力的差异，并提出了一种屋顶开合机构。这是大量计算机计算和现代分析技术共同作用的结果。
为了在简化索道结构的同时实现膜结构屋顶的开启和关闭，我们优化了屋顶的形状贴合度和索道应力。© 日建设计
“通过追求结构形式和系统的合理性，
有助于有效利用有限的全球资源，
为了提高建筑物的经济效益，
与此同时，我们也在探索新的建筑表现形式和多样化建筑结构的美感。
这是DEL结构形式创建团队的使命。
我们从自然中汲取智慧，并运用尖端数字技术，追求新颖优美的建筑。这种汲取传统经验、拥抱创新，并结合数字技术的方法，正是DEL的强项之一。
我们从自然中汲取智慧，并运用尖端数字技术，追求新颖优美的建筑。这种汲取传统经验、拥抱创新，并结合数字技术的方法，正是DEL的强项之一。
