大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的应用

　　摘 要：大数据技术的发展为建筑结构设计提供了数字化模型。仿生方法在建筑结构设计中应用拓展建筑结构空间、丰富建筑结构设计元素，为人们提供了个性化的建筑。文章立足于大数据视角，分析仿生方法在现代建筑结构设计中的应用价值，分析仿生方法的应用种类，最后提出仿生方法在建筑结构设计中的具体应用策略，以此为建筑结构设计提供创新思路。

　　关键词：大数据;仿生方法;建筑结构设计;BIM

　　0 引言

　　随着大数据技术的不断发展，尤其是BIM在现代建筑结构设计中的应用，建筑仿生成为新时代建筑学领域的新潮流。建筑仿生是根据自然与社会生态规律，结合生物学、美学以及信息学，将建筑结构、功能与自然生态环境进行综合搭配，实现建筑工程的生态效益、经济效益以及社会效益的有机结合。仿真建筑结构设计是“生态+科技+创意”的体现，基于社会对建筑工程多元化需求的不断增长，仿生建筑设计理念成为现代建筑设计的内在创新驱动。

　　1 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的应用价值

　　仿生方法顾名思义就是将大数据技术模仿自然生态环境中的景物等运用到建筑设计中。随着大数据技术的发展，尤其是BIM技术为仿生设计提供了有力的技术支撑。例如位于江苏昆山开发区的昆山电子展示馆，是一座充满科技感的场馆，其设计就是充分融合了仿生技术，利用计算机技术将建筑工程的各项元素进行参数化调整[1]。该建筑的造型以圆形为母题，通过运用BIM技术综合环境分析、风速测试、阴影计算等对该建筑形态进行优化，从而形成科学的设计方案，通过BIM模型检验，该方案实现了与当地环境的有效搭配，尤其是规避了与周围环境不相容的问题。

　　通过实践调查，仿生方法在现代建筑结构设计中的应用具有重要的价值：首先随着大数据技术的发展，利用仿生方法能够有效地实现绿色设计理念。BIM技术环境下的建筑设计更加突出绿色理念，例如通过BIM技术可以将建筑结构设计的各项参数进行优化计算，以此达到最准确的设计方案，避免后期出现设计调整;其次将仿生方法运用到建筑设计中能够体现虚拟设计的价值。近些年，随着虚拟技术的发展，将虚拟技术应用到结构设计中能够体现建筑设计的审美理念。而仿生方法则是借助虚拟技术，利用三维动画的设计手段，将建筑功能与生态环境要素相结合，从而达到建筑工程绿化发展的要求。例如在建筑结构设计中通过引入PRIOVR可以让人们通过自然行动体验虚拟现实环境，让人们按照自然环境的场景实施建筑结构设计。

　　2 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的类型

　　基于大数据与仿生方法的融合催生建筑结构设计的数字化发展。仿生建筑主要通过研究有机生物生理、结构、行为作为建筑结构设计的灵感来源，其通过对大数据技术的运用力求实现建筑与外部多变环境因素的融合，以此满足人类高品质的需求。例如欧洲最著名的斯图加特大学Elytra展厅就是将甲虫纤维结构转化为建筑结构，以甲虫的前翅结构为起点，将轻质生物纤维结构转化为建筑结构，由自动化机器人制作，以编织的手法将其转化为更强韧的结构单元体。一个个如细胞般的单体被串联在一起，创造了造型独特的Elytra展厅。结合调查在大数据技术的推动下，仿生方法在建筑结构设计中的应用类型主要包括：(1)筒体结构。筒体结构是建筑结构设计的重要内容，也是建筑工程最常见的构造。筒体结构的设计理念主要是来源于自然界竹子的特点。竹子在生长的过程中需要承受风载与自重荷载双重压力，但是其不容易被折断，原因就是其内部空间的圆形结构能够承受较高的压力。因此将竹子的负载压力引入建筑筒体结构中，能够增强建筑工程结构的刚度。例如设计人员在设计时通过利用BIM平台对建筑工程的受力元素进行优化，以此准确核算建筑筒体结构的空间布局与支柱布局位置。比如天津的津塔就是仿照竹子受力特点，利用BIM软件系统设计混凝土支柱、剪力墙以及外伸臂相结合的结构。(2)悬索结构。悬索结构是源于蜘蛛网。蜘蛛网的结构比较强，尤其是能够承受诸多应力的冲击。蜘蛛网内部的受力点配置比较均匀。因此，在现代建筑设计中，设计人员通过虚拟技术对蜘蛛网的网状张力进行参数优化，从而有效地提升了建筑结构的柔性度。德国著名建筑师和工程师奥托设计的德国奥运会的奥林匹克中心也是采用这种结构，由网索支撑的帐篷似覆盖物覆盖体育场、体育馆、游泳馆设施，使其成为整体，不但结构合理，而且取得了经济和造型的双赢。索网结构一般应用在大型临时性建筑[2]。(3)壳结构。自然界中薄壳状的物质通常具备曲度均匀、质地轻盈的特点，此种弧状曲面能够有效分散外部的作用力，提高建筑物的承载力，同时在确保建设较大空间的基础上减少建材的使用量，通常在设计大型场馆时应采用薄壳结构的设计方法。例如，天津博物馆便是应用了仿生方法，利用网壳体结构有效提高了建筑空间的使用率。(4)膜结构。植物细胞的泡状结构原理也可以应用到建筑结构的设计中，膜结构主要应用了薄膜材料，将薄膜材料进行张拉进而形成一种能够跨越较大空间的建筑结构。例如，德国的安联球场便是应用了膜结构，该体育场的表面应用了2 874个膜结构，且膜结构的形状为菱形，同时选择网架结构为支撑。膜结构具有良好的防水防火、隔热、自清洁的优点，并且在菱形膜结构中持续保持350 Pa的大气压，使得安联球场的外观看起來更像是一个橡皮艇，不仅满足了体育场的基本建设功能，还提高了美观度[3]。

　　3 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的具体应用策略

　　仿生方法应用于建筑功能的主要目标是使建筑与环境形成一种良性的循环系统，同时将生物结构特点与建筑技术进行合理的融合，最终建设生态型建筑。

　　3.1 运用BIM软件，修改仿生形态参数

　　将仿生方法运用到建筑结构设计中需要本着绿色、创新的理念，实现建筑工程与自然生态环境的和谐发展。由于仿生方法在建筑结构设计中的运用要求合理设计仿生对象的特点，实现高品质的建筑功能。无数案例表明仿生方法在建筑结构设计中的运用需要设计人员关注参数计算工作，保证设计方案的每项数据准确无误。尤其是装配式建筑的发展，设计人员在运用仿生方法时需要融合BIM软件系统，利用BIM软件系统对设计参数进行优化调整。在建筑结构仿生设计中，通过对有机生物结构的模仿可以有效提升建筑结构的质量。例如北京水立方体育馆就是通过对大自然中常见水滴的分析，构建了一个三维立体空间，虽然从外面看属于较为薄弱的结构体系，但是其内部有着科学的钢结构作为支撑，有效地满足了空间扩大的需求。而水立方体育馆的设计主要是在运用仿生方法的同时通过BIM软件系统进行虚拟模型，以此优化钢结构的设置空间。

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文章名称： 大数据环境下仿生方法在建筑结构设计中的应用

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