APPLICATION AND DEVELOPMENT OF PARAMETRIC DESIGN OF WOODEN BUILDINGS

Как объем здания с длительной историей и множеством характеристик, деревянный каркас по-прежнему демонстрирует неповторимое очарование и потенциал применения в современной строительной сфере. С быстрым развитием науки и техники, непрерывным обновлением различных архитектурных концепций — параметрика, как передовой метод, постепенно меняет процесс и режим проектирования деревянных каркасных зданий.

В данной статье на основе всестороннего анализа состояния международных исследований, теоретических основ, примеров применения и других аспектов, параметрическое проектирование первоначально изучается в повышении эффективности, точности и инновационности проектирования деревянных каркасных зданий. В результате исследования выяснилось, что параметрическое проектирование с помощью цифрового моделирования, алгоритмов оптимизации и автоматизированных методов строительства может не только эффективно создавать сложные и разнообразные формы деревянных зданий, но и эффективно оптимизировать характеристики здания, снижать затраты и удовлетворять конкретные требования к дизайну. Все это способствует развитию инноваций в проектировании современных деревянных зданий и интегрирует их в современную строительную систему, способствуя устойчивому развитию строительной отрасли.

1.1. Характеристики параметрического проектирования

Параметрическое проектирование — это инновационный метод, основанный на параметрических моделях, который делает процесс проектирования более гибким и регулируемым за счет параметризации формы, размера, материала и других атрибутов здания. Основная идея параметрического проектирования заключается в том, чтобы превратить процесс проектирования в вычислительный процесс вариаций параметров и корреляций, чтобы генерировать разнообразные проектные решения

Параметрическое проектирование обладает следующими характеристиками:

Гибкость: регулируя параметры, можно быстро генерировать различные проектные решения для повышения эффективности проектирования.

Точность: параметрическое проектирование позволяет достичь высокой точности управления проектированием и уменьшить количество человеческих ошибок.

Повторяемость: процесс проектирования может быть записан и повторен, что облегчает оптимизацию проектирования и контроль версий.

Совместная работа: команды могут работать вместе, а разные команды могут одновременно работать над одним и тем же проектом.

Адаптивность: параметрическое проектирование может быть адаптировано к различным потребностям и условиям и обладает высокой степенью адаптивности.

1.2. Характеристики деревянных каркасных зданий и необходимость параметрического проектирования

Деревянные здания — это здания, построенные с использованием дерева в качестве основного строительного материала и с применением определенных конструктивных форм и соединений. Деревянные конструкции можно разделить на древние деревянные конструкции и современные деревянные конструкции

Современное деревянное каркасное строительство, однако, благодаря индустриализации производства и технологическим инновациям, не только повышает эффективность производства и контроль качества, но и сохраняет преимущества традиционного деревянного каркасного строительства, которое может быть хорошо адаптировано к потребностям развития современного общества, поэтому оно становится все более и более популярным.

Формы современных деревянных каркасных зданий можно разделить на тяжелые деревянные каркасы, легкие деревянные каркасы и смешанные деревянные каркасы. Они обладают следующими характеристиками:

Экологичность: будучи природным возобновляемым ресурсом, дерево является признанным во всем мире углеродно-отрицательным строительным материалом, 1 м³ древесины может зафиксировать 900 кг углекислого газа, мало того, благодаря низкой теплопроводности самой древесины и научному энергосберегающему дизайну стен, энергосберегающий эффект деревянной конструкции может быть увеличен на 50–70% по сравнению со стальной и бетонной конструкцией

Легкость: благодаря меньшей плотности древесины снижается собственный вес здания и уменьшается нагрузка на фундамент и основание.

Сейсмостойкость: деревянные каркасные здания обладают хорошими сейсмическими характеристиками и могут эффективно противостоять стихийным бедствиям, таким как землетрясения. В Японии, где землетрясения происходят часто, 95% новых зданий — это деревянно-каркасные здания.

Огнестойкость: тяжелые деревянные конструкции во время пожара образуют на поверхности карбонизированный слой, сохраняя основную конструкцию с высокой несущей способностью, что значительно повышает огнестойкость здания. Современные деревянные каркасные здания могут повысить свою огнестойкость за счет огнезащитной обработки.

Эстетичность: дерево имеет естественную текстуру и цвет, теплую фактуру и сильную пластичность, что может придать зданию уникальную эстетику.

1.3. Применение параметрического проектирования в деревянных конструкциях

Параметрическое проектирование в основном применяется в деревянных конструкциях зданий в следующих аспектах: параметрическое моделирование и оптимизация проектирования, генерация и проверка проектной схемы, использование банка памяти, логика, ориентированная на мысли, синергия и выражение схемы, а также тестирование и моделирование проектной схемы

Среди них параметрическое моделирование является основой параметрического проектирования, которое позволяет быстро генерировать и изменять проектные решения путем создания параметрических моделей зданий. В деревянных каркасных зданиях параметрическое моделирование может применяться для создания структурных форм, проектирования компонентов и оптимизации энергопотребления, помогая дизайнерам изучить разнообразие форм деревянных конструкций и быстро сгенерировать различные формы конструкций крыш, планировки фасадов и другие решения для удовлетворения различных пространственных потребностей и эстетических требований. Кроме того, параметрическое моделирование может оптимизировать конструкцию деревянных элементов, например, при проектировании соединений балки с колонной можно параметрически выстроить методы соединения, углы и соединительные материалы для достижения лучших конструктивных характеристик

1.4. Технические маршруты параметрического проектирования в деревянном строительстве

При параметрическом проектировании зданий из деревянных конструкций в основном используются следующие технические маршруты:

Параметрическое проектирование на основе технологии BIM: используя технологию информационного моделирования зданий (BIM), параметрическая информация объединяется со зданием для достижения информационной интеграции проектирования, строительства, эксплуатации, последующего обслуживания и сноса строительного объекта

Параметрическое проектирование на основе Revit: Revit, как интегрированное программное обеспечение для реализации концепции BIM-технологии, обладает свойством «что видишь, то и получаешь», а само программное обеспечение предоставляет фоновые API-команды для исследователей, что закладывает хорошую основу для развития генерации параметрических моделей и других функций

Параметрическое проектирование на основе Grasshopper: Grasshopper — это среда визуального программирования, которая позволяет дизайнерам создавать алгоритмы для генерации сложных архитектурных форм через графический интерфейс.

2.1. Деревянная конструкция крыши на основе цифрового и параметрического проектирования

Проект сельского строительства «Чжули» (см. рис. 1, а, б) в городе Даомин, Чунчжоу, Сычуань, Китай, является классическим примером деревянного здания на основе цифрового и параметрического проектирования. Форма здания разработана с помощью цифровых технологий и органично вписана в сельскую местность, окружающую деревню и природные экологические ресурсы.

Рисунок 1 - Проект «Чжули», город Даомин, Чунчжоу, Сычуань

Примечание: URL: https://www.gooood.cn/in-bamboo-china-by-archi-union-architects.htm?lang=en_US

DOI:10.60797/mca.2025.61.3.1

Участок под строительство состоит из двух соседних квадратных домов, которые соединены двумя смежными круговыми геометриями, чтобы максимально сохранить бамбуковый лес и деревья вокруг участка. Топологическая трансформация круговой геометрии используется для реализации дизайна «бесконечной ( ∞ ) формы» крыши.

Топологическая трансформация геометрического прототипа является морфологической операцией и сама по себе не имеет параметрической логики проектирования. Проект создает параметрическую систему преобразования геометрических форм в строительную систему путем поиска логических связей между геометрическими формами, конструктивными системами и материалами. Параметрическая система деревянного каркаса использует такие элементы, как геометрические прототипы, свойства материалов и масштабы компонентов в качестве необходимых входных параметров, а также использует методы анализа и оптимизации конструктивных характеристик для создания рациональной конструктивной системы, которая реализуется посредством параметрического моделирования. В данном проекте параметрическая система деревянных конструкций состоит из конструктивных колонн, конструктивных балок, диагональных связей, кольцевых балок, прогонов, стропил и других компонентов (см. рис. 2, а, б). В параметрической модели можно точно настроить размеры материалов для производства всех компонентов и требования к узлам обработки, что позволяет создать индивидуальную строительную систему

Рисунок 2 - Топологическая морфология и параметризованная система структуры древесины проекта «Чжули»

Примечание: URL: http://www.landscape.cn/architecture/9771.html

DOI:10.60797/mca.2025.61.3.2

2.2. Целесообразность применения параметрического плетения древесины в сетчатой оболочке конструкция стадиона

Компания SOM Architects недавно выпустила концептуальный проект стадиона MLB «Квинс Брейд» в Нью-Йорке, который демонстрирует инженерную целесообразность использования древесины в большепролетных пространственных конструкциях с помощью параметрического плетения древесины и модульной системы сборки, создавая новую парадигму для устойчивого строительства больших стадионов (см.рис. 3, а, б). Эта программа продемонстрировала инженерную целесообразность использования древесины в большепролетных пространственных конструкциях с помощью технологии параметрического плетения древесины и модульной системы сборки, создав новую парадигму для устойчивого строительства больших спортивных стадионов (см.рис. 3, а, б).

В проекте применен инновационный процесс сборки «заводская сборка + плетение на месте», при котором деревянные компоненты топологически оптимизируются интеллектуальным обрабатывающим центром с ЧПУ и пятиосевым прецизионным раскроем с ЧПУ, чтобы их можно было предварительно изготовить и обработать в цеху для обеспечения допусков на уровне миллиметров при сборке. Модульный ткацкий узел можно быстро собрать в стиле «Лего» с помощью стандартных соединителей (см. рис. 4, а, б), а уникальная реверсивная и простая конструкция узлов обеспечивает зданию полный жизненный цикл компонентов, которые можно разбирать и заменять в циклическом режиме

Рисунок 3 - SOM Architects, концептуальный план дизайна стадионов MLB

Примечание: URL: https://www.som.com/research/the-queens-braid/

DOI:10.60797/mca.2025.61.3.3

Рисунок 4 - SOM Architects, схема структуры плетеной деревянной сетчатой оболочки стадиона MLB

Примечание: URL: https://www.som.com/research/the-queens-braid/

DOI:10.60797/mca.2025.61.3.4

3.1. Преимущества и проблемы параметрического проектирования в деревянных зданиях

• Повышение эффективности проектирования:

Параметрическое проектирование значительно повышает эффективность проектирования в деревянном строительстве:

Автоматизированное моделирование: Параметрическое моделирование позволяет автоматически создавать сложные элементы деревянного каркаса, сокращая время ручной обработки.

Быстрая итерация: параметрическое проектирование позволяет проектировщикам быстро итерировать проектное решение, изменяя параметры, без необходимости начинать проектирование с нуля.

Сочетание стандартизации и индивидуальности: параметрическое проектирование позволяет адаптировать конструкцию к потребностям различных проектов, сохраняя при этом стандартизацию.

• Оптимизация эксплуатационных характеристик зданий

Параметрическое проектирование позволяет значительно улучшить эксплуатационные характеристики деревянных зданий благодаря алгоритмам оптимизации:

Структурная оптимизация: с помощью параметрического анализа можно оптимизировать напряженные характеристики деревянных конструкций для повышения их безопасности и экономичности.

Морфологическая оптимизация: алгоритм генерирует и оптимизирует форму здания, достигая единства функции и формы.

Адаптация к окружающей среде: с помощью параметрического проектирования можно учесть взаимосвязь между зданием и окружающей средой, чтобы оптимизировать энергетические характеристики здания и адаптацию к окружающей среде.

• Повышение устойчивости

Применение параметрического проектирования в деревянных каркасных зданиях помогает повысить устойчивость здания:

Оптимизация материалов: параметрическое проектирование позволяет оптимизировать материалы, используемые в деревянном строительстве, и сократить количество отходов материалов.

Сборка и монтаж: параметрическое проектирование в сочетании со сборкой и монтажом позволяет сократить строительные отходы на объекте и повысить эффективность строительства.

Управление жизненным циклом: с помощью технологии BIM можно реализовать информационное управление всем жизненным циклом деревянных конструкций и повысить устойчивость здания.

В то же время параметрическое проектирование в деревянном строительстве сталкивается с некоторыми проблемами, такими как технические проблемы, проблемы реализации и т.д. Параметрическое проектирование в деревянном строительстве все еще находится на начальной стадии развития, и для его широкого применения необходимо преодолеть эти проблемы, используя при этом преимущества. Среди них стандартизация и нормализация параметрического проектирования является ключом к его широкому применению.

3.2. Будущие тенденции в параметрическом проектировании деревянных зданий

• Интеграция технологий

Сочетание искусственного интеллекта и параметрического проектирования: сочетание технологии искусственного интеллекта и параметрического проектирования позволит повысить эффективность проектирования и инновации.

Виртуальная реальность и параметрическое проектирование: сочетание технологии виртуальной реальности и параметрического проектирования обеспечит более интуитивный опыт проектирования и средства оценки

Роботизированное строительство: сочетание параметрического проектирования и роботизированной строительной технологии позволит создавать более сложные и точные деревянно-каркасные здания.

• Устойчивость

Низкоуглеродное проектирование: параметрическое проектирование будет в большей степени учитывать углеродный след здания и способствовать развитию низкоуглеродного проектирования.

Циркулярная экономика: параметрическое проектирование будет учитывать весь жизненный цикл здания, способствуя переходу строительной отрасли на модель циркулярной экономики.

Адаптивное повторное использование: параметрическое проектирование будет больше применяться для адаптивного повторного использования существующих зданий, чтобы продлить срок их службы.

• Образование и исследования

Междисциплинарное образование: в процессе обучения параметрическому проектированию будет уделяться больше внимания взаимообогащению различных дисциплин, таких как архитектурное проектирование, информатика и строительная инженерия. Кроме того, исследования в области параметрического проектирования будут уделять больше внимания практическому применению и решению практических проблем

Параметрическое проектирование, как инновационный метод проектирования, имеет большое значение для применения в деревянном строительстве. С помощью параметрического проектирования можно повысить эффективность проектирования, оптимизировать эксплуатационные характеристики здания и повысить его устойчивость.

С непрерывным развитием цифровых технологий применение параметрического проектирования в деревянном строительстве будет более обширным и фундаментальным. Интеграция технологий, устойчивое развитие, образование и исследования станут основными тенденциями параметрического дизайна в будущем, не заменяя традиционные методы проектирования, а предоставляет проектировщикам все больше инструментов и возможностей. При проектировании деревянных каркасных зданий сочетание параметрического проектирования и традиционных методов проектирования позволит получить более богатые и инновационные результаты проектирования и будет играть более важную роль в защите, наследовании и инновациях деревянных каркасных зданий, способствуя устойчивому развитию деревянных каркасных зданий.