这次，我们先聊一下建筑与结构的协同设计，再谈谈拓扑优化技术可以怎么样在这个方面发挥作用。
结构是建筑物赖以存在的物质基础，同时能够为建筑的使用功能提供必要的空间。结构形式的选择不仅对结构自身的安全性和经济性起到重要作用，还会影响与建筑相关的使用功能及其美学特点等。一个多世纪以来，建筑设计和结构设计开辟了不同的理论发展道路，相互之间是彼此独立的，这使得建筑和结构专业各显神通，发展迅速。然而，作为建筑师，他们的关注点在于建筑美学和使用功能，着眼于全局；作为结构工程师，他们更关心结构的安全稳定性和经济性，从局部细节入手去解决问题。因此，两者在合作过程中往往会产生各种矛盾，从而导致最终的设计不尽人意，不能体现出建筑与结构的和谐与统一，这归结于建筑与结构设计过程中各个的环节联系薄弱，使得建筑与结构之间本该存在的联系被阻断。
在设计过程中，一些建筑师对结构的认识不够清晰，进行设计时只从建筑美学的角度出发，力求建筑形态之美，有时候又过度地强调标新立异。在这样的情况下最终得出的建筑方案对结构工程师来说往往是个巨大的挑战。作为建筑物，其结构必须承受各种荷载和作用，在设计过程中特别是设计初期，确定结构形式和结构布置决定着设计的成败。而建筑师在敲定建筑方案时，由于缺乏与结构工程师的沟通，不重视建筑物的受力性能，最终可能导致结构工程师只能选择较为不合理的结构形式和结构布置，通过额外地增加建设成本的方法以保证建筑物的安全性。
因此，如何增强建筑设计和结构设计这两者的联系，使建筑与结构从最初的概念设计中就开始协同工作，这应是建筑师与结构工程师需要共同考虑的问题。
建筑师与结构工程师之间所存在的矛盾，事实上就是美学与力学间的矛盾，而这矛盾也并非是不可调和的。超高层建筑之父、著名的结构工程师法兹勒汗（Fazlur Khan)曾经说过：“仅仅运用数学和理性的工程语言不能形成实质性的建筑。同样的，仅仅通过毫无根基的审美偏好也是不行的。相反，通过将不同的观点和创造力结合起来，而不是让建筑师或结构工程师独自苦思冥想，我们能够找到更好的既创新又能呼应建筑本质的设计方案。”其实在很多情况下，建筑物是能够受益于合理的结构形式而展现出良好的建筑功能及其美学效果的。法国建筑大师保罗?安德鲁（Paul Andreu）为了追求结构与建筑的结合，在上海浦东国际机场的屋盖设计中采用了张弦梁结构，将上弦杆隐藏起来，只展现出腹杆和下弦杆，形成了极强的韵律感。瑞士结构工程师海因茨?伊斯勒（Heinz Isler）在对瑞士戴丁根高速公路服务区的结构设计中，将几何学和力学充分结合起来，建造了以受压为主的薄壳结构，其简洁大方得到世人的高度评价。此外还有贝聿铭大师设计的香港中银大厦、圣地亚哥·卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)BCE PLACE等，都兼具着合理的结构形式以及良好的建筑美感。还记得我在房屋建筑学中学过建筑构图的基本法则：统一与变化、均衡与对称、韵律、对比、比例、尺度等，合理的结构与这些基本法则是相契合的。合理的结构形态经过建筑师的后天加工，可以进一步转变为满足建筑功能及建筑美学的建筑形态。
基于此，很多设计人员都希望能够从结构本身出发，去设计美且合理的建筑。我们也知道，在目前这个大环境中，这一点很难马上得到实现。许多学者在这个方面上努力着。
在我所认识且亲身接触过的人当中，苏朝浩老师就是其中一位为建筑结构协同发展而努力着的人。他出身于结构专业，后面怀着对建筑的热爱，去当了何镜堂何院士的博士，转身一变成为一名建筑师（现在是建筑和结构双一注）。他始终坚持着建筑与结构的协同设计。在建筑方案的敲定中，虽然还是以建筑为主，但苏老师总是能够在结构的角度上思考问题，尽量做到建筑与结构的双赢。关于建筑与结构的协同设计，在博士论文的最后，他说[1]：
“非线性”、“参数化设计”等建筑创作热潮的兴起，追求不确定性、混乱、模糊、破碎、片段等艺术风格的建筑手法，对传统的充满确定性的、理性的结构设计带来冲击，而客观上又诉求于结构的协同；结构艺术如何通过参数设置融入于“参数化设计”，从而从定量上决定建筑的形式，将是一个具有挑战性的跨越时代的研究课题，而这当然对于结构学科的理论知识的运用就显得更为密切相关而严格。
智能化建筑、生态建筑成为了当今国际上建筑理论研究与创作领域中的大方向。可动的建筑结构对于智能化建筑来说意义重大，它促进建筑作为一个积极、活性的系统响应环境作用，而且对于科技日益发达的21世纪人类社会来说，实现可动结构的形式多样化并不是十分遥远的事情，借用机械专业的相关结构形式与理论知识，开发协同于智能化建筑的可动结构形式，将成为结构艺术与建筑协同的重要研究方向。
自然是人类取之不尽的技术、艺术的题材宝库，从力学仿生的角度深入自然界的“有机结构”的本质，研究其力学上的规律性，在此基础上与建筑创作的内容相结合，开发协同于建筑创作的结构形式，不仅具有现实可能性，而且对于“结构形态学”这个新的研究方向具有推动作用。
所谓的结构形态，一个是“形”，一个是“态”。结构的“形”是指结构的形状，它是可见的，不仅影响着建筑审美，也影响建筑功能；结构的“态”而是表示在荷载作用下的结构力学性质，如应力、应变等，它虽然是不可见的，但它却是评判建筑合理性的依据所在。[2]
结构形态的选择不仅影响建筑物的安全性和经济性，也直接影响建筑物的使用性，审美性等对建筑物的所有要求。如何科学地决定结构形态，可以说它是建筑与结构交叉领域的一种新的课题。
二十世纪初，形态学思想逐渐被引入建筑结构领域，建筑结构大师们进行了相关探索与实践。例如，西班牙建筑师高迪提出逆吊实验方法，并藉此设计了一系列具有雕塑感的建筑； 瑞士工程师海因茨·伊斯勒(Isler)利用充气膜和悬垂膜方法设计了许多混凝土薄壳结构； 意大利工程师皮埃尔·奈尔维(Nervi)创造多个兼具技术和美学价值的结构，被誉为钢筋混凝土诗人； 西班牙建筑师坎德拉(Felix Candela)利用双曲抛物面的组合创造了多项富于表现力的混凝土薄壳结构； 德国建筑师奥托·瓦格纳(Otto)利用肥皂膜实验，解决了索膜结构的初始形态确定问题； 美国学者巴克敏斯特·富勒(Fuller)通过对自然现象的观察和思考，提出了全张力体系的思想，对空间结构的体系创新发展具有推动作用。[3]
在大自然中，优胜劣汰的过程使许多不合理的结构形式被淘汰掉了。因此许多的设计人员都善于从大自然身上获取设计的灵感。但我们也明白，建筑物并非自然物，它的建成与许多的非自然因素相关。结构形态的假定是人为的，它的合理性与设计人员的经验和所掌握的知识水平有着密切关系，并很大程度上受建筑意图的制约，缺乏科学理论依据。一般来说经验再丰富，理论水平再高也不能完全客观地保证结构形态的合理性，而且对比较复杂的建筑项目来讲寻找一个合理的结构形态是相当困难的。
但是，假如我们给定足够多的边界约束条件，再让建筑物模仿自然进化的过程来优化其结构形态，这是否可行呢？
结构形态优化的核心问题是在一定的边界条件和容积内通过调整结构参数和控制结构单元来得到最优的形状分布。在某种程度上来讲，拓扑优化可以是结构形态学得以实践的一个方式。我们知道，概念设计阶段是整个建筑结构设计流程中的关键环节。而拓扑优化与概念设计阶段相对应，其基本概念是在给定的荷载、边界条件以及其他额外的约束条件下，在设计域内寻找满足目标要求的材料空间布局，以获得刚度、强度等特性最佳的结构。在建筑结构领域，利用拓扑优化技术去对方案进行优化，不一定是要追求性能上最佳的结果，而是要结合建筑的审美、功能需求（也就是说对优化对象需要施加足够多的边界约束条件），来得到更合理的结果。对于最终形貌未知的建筑模型，拓扑优化可以做到使结构材料消耗合理化，同时为建筑师和结构工程师提供更多受力合理且符合建筑美学的建筑初始方案进行选择。结合结构形态学的思想，对结构进行拓扑优化，这并非传统意义上的结构优化，这个过程往往能够创造出意想不到的几何形态和结构形式。
谢亿民团队在这个领域上做了许多贡献。他所提出的渐进结构进化法（ESO）在建筑结构领域得到了广泛的应用，其基本思想是：模仿自然选择的过程，按照一定的优化准则，逐步去除被优化结构中的低效单元，保留高效单元，最终展现出结构中的最佳传力路径，从而得到更为高效的拓扑结果。[4]
2005 年，日本建筑师矶崎新使用BESO算法分别对卡塔尔会议中心以及上海喜马拉雅中心进行拓扑优化设计。
值得一提的是，在04年的时候，谢亿民团队发现，在巴塞罗那圣家族大教堂的设计过程中[5]，利用渐进结构优化方法优化出的结果与上世纪高迪初用逆吊实验法得到的结果非常类似。
除了ESO算法，变密度法（SIMP）也能有效应用于建筑结构设计。2013年，Altair公司的Frattari博士通过SolidThinking软件（基于SIMP）对一座行人天桥进行拓扑优化设计[6]
华南理工大学的4D梦工坊团队（指导老师就是前面我提到的苏老师）曾经结合拓扑优化以及3D打印，打造了一个大尺度的蝶形壳体《蝶变广州》并参加了16年广州国际灯光节的展出。考虑到建筑造型需要，结合拓扑优化技术，在保证壳体强度、稳定性等满足要求的前提下，在壳体上开了若干个大小、位置不一的孔洞。该作品是建筑、结构、材料、机械等不同学科共同合作下诞生的结晶。
可以看到，以拓扑优化为主的结构形态优化技术应用于建筑中，得到的结构形态往往具有以下特点：1）美的形状；2）巧妙、奇怪、有趣的形状；3）意想不到的形状；4）合理而高效的力学性能。
除此以外，拓扑优化也完全可以应用于高层建筑结构的设计中。SOM公司的Beghini博士[7]、华南理工大学的乔升访博士[8]等人曾利用拓扑优化来探索高层结构中的最佳支撑布局，后者还更深入地对优化结构进行地震工况下的弹塑性分析。这也说明，拓扑优化技术在结构设计中具有实际的意义。
由此看来，在建筑结构设计领域，拓扑优化能够在概念设计阶段发挥重要的作用，同时能够促进建筑师和结构工程师的协同工作，若能利用好这一技术，将能得到兼具建筑美学又符合结构性能的创新性的建筑形态。
由此可见，结合相关的设计规范和实际的工程状况，将高效可靠的优化方法引入到建筑设计中，为建筑师与结构工程师的协同工作提供条件，开发实用而专业的建筑结构优化设计软件，具有极大的实用价值、经济效益以及广阔的应用前景，这是建筑师、结构工程师、科研工作者以及其他建筑业人员所追求的。
在当前，关于建筑结构的拓扑优化设计还是一个正待开发的领域，前景良好，但是要将其应用到实际的工程当中，还有不少的问题亟需解决。
参考文献：
[1]苏朝浩. 结构艺术与建筑创作之协同研究[D]. 华南理工大学，2010.
[2]姜宝石. 基于改进进化论方法的平面结构形态创构研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2009.
[3]结构形态学在现代结构中的应用. (百度看到的。。出处未明)
[4]Xie Y.M. and Steven G.P. A simple evolutionary procedure for structural optimization[J]. Computers and Structures, 1993, 49: 885～896.
[5]谢亿民，左志豪，吕俊超. 利用双向渐进结构优化算法进行建筑设计[J]. 时代建筑，2014, (5):20-25.
[6]http://www.altairuniversity.com/wp-content/uploads/2013/06/AECs_ehtc_2001_03_Eng.pdf
[7]L.L.Beghini. Building science through topology optimization[D]. Dissertations & Theses – Gradworks, 2013.
[8]SF Qiao, XL Han, KM Zhou. Bracing configuration and seismic performance of
reinforced concrete frame with brace[J]. The Structural Design of Tall and Special Building, 2017.
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