摘 要：结合超高层建筑结构设计特点，梳理了超高层建筑结构的内部逻辑，提出了超高层建筑结构参数化建模和结构分析的一体化设计框架，通过对Grasshopper参数化设计平台进行二次开发，开发了超高层建筑结构方案智能设计工具。工具以建筑模型为基础，通过参数化方式，快速创建结构方案和分析模型，帮助结构工程师更好地与建筑师进行沟通协调，优化并保证结构安全，提高了结构设计效率和质量。详细阐述了工具开发的整体架构和关键技术，并通过工程实例验证了工具的有效性和实用性，以期为类似智能设计工具的开发提供参考。
关键词:超高层结构;智能设计;参数化; Grasshopper;二次开发;
Development and implementation of intelligent design tool for super high-rise building structure scheme
ZHANG Shen YIN Pengfei WANG Jie MENG Fankai
GU Wenfei
Central-south Architectural Design Institute Co, Ltd.
Abstract：According to the structural design characteristics of super high-rise building, the internal logic of super high-rise building structure was sorted out, and an integrated design framework of parametric modeling and structural analysis of super high-rise building was proposed. Through the secondary development of the Grasshopper software, an intelligent design tool for super high-rise building structures has been developed. The tool is based on the architectural model, and quickly creates structural scheme models and analysis models through parametric methods to help structural engineers better communicate and coordinate with architects, optimize and ensure structural safety, and improve structural design efficiency and quality. The overall architecture and key technologies of tool development were elaborated in detail, and the effectiveness and practicability of the tool were verified through engineering examples, with a view to provide a reference for the development of similar intelligent design tools.
Keyword: super high-rise structure; intelligent design; parametrization; Grasshopper; secondary development;
0 引言
近几十年来，我国陆续建成了一批包括金茂大厦、上海中心大厦等在内的超高层建筑，对于这类建筑，结构抗侧力体系是决定其结构是否经济合理的关键[1]。相关研究[2,3]表明，对于超高层这类复杂的建筑工程，在方案设计和初步设计阶段进行结构体系与结构布置的比选，确定合理的结构方案，对于节省成本和提高结构整体性能有着重要的意义。然而，超高层建筑往往造型复杂、结构体量大，传统手工建模的工作模式效率较低，在有限的设计期限内仅能比选较少的几种方案，限制了结构方案进一步优化的可能。而参数化设计模式则是解决上述问题的有效途径之一。
参数化设计本质是将影响设计结果的因素转化为参数后以一定的逻辑关系关联起来形成最终的参数化模型[4]。目前，国内外已有多个项目应用了参数化技术，并在一定程度上提高了设计效率，如北京凤凰国际传媒中心、上海中心大厦、中国尊大楼等[5,6,7]。然而，当前参数化技术在结构设计上的应用主要集中在快速创建几何模型方面，而在结构分析模型的参数化创建方面的研究与应用较少。考虑到参数化技术在结构设计方面的较大应用前景与意义，本文以超高层结构为研究对象，提出了超高层结构参数化建模和结构分析一体化设计框架，并基于Grasshopper平台开发了超高层结构智能设计工具。通过该工具，结构工程师可以快速创建结构分析模型，高效地与建筑师进行沟通协调，更加专注于结构方案的比选与优化工作，大大提高了设计效率和质量。
1 Grasshopper参数化设计平台
Grasshopper作为一款在Rhino平台上运行的采用程序算法生成模型的参数化建模软件，其因采用节点式可视化数据操作方式，具有程序编写简单、模型可实时预览等特点而深受广大设计师的青睐。利用该软件，设计师能根据已有的运算器（也被称为电池）快速方便地搭建参数化模型，也可以该参数化模型为基础，通过模块调用或是程序调用的方式与其他功能模块或是其他程序结合使用（图1），扩展其应用范围，实现参数驱动从建模到分析的延伸，如通过模块调用方式调用Ladybug工具进行建筑日照分析，通过跨程序调用方式调用OpenFOAM软件对建筑风荷载进行CFD（computational fluid dynamics）分析，调用ETABS软件进行结构有限元分析。还可以与优化模块搭配使用进一步实现参数优化与智能设计的目的。
目前，用户除了可以利用Grasshopper提供的原生运算器外，还可以通过编写代码的方式自定义运算器，以扩展Grasshopper的功能。自编运算器的方式有两种：1）通过Grasshopper的脚本编辑器（支持C#、VB.Net和Python语言）采用编写脚本的方式实现；2）通过Visual Studio编写.gha格式（Grasshopper的插件格式）文件来实现[8]。第一种方式简单易用，为常用的自编运算器方式，但若是编写一些功能复杂的运算器或是需要自定义类库，则推荐使用第二种方式。
2 超高层结构智能设计工具开发
为了有效提高超高层结构的设计效率，本文以Grasshopper平台为基础开发了超高层结构智能设计工具，该工具以参数化的方式快速创建结构分析模型，然后通过程序调用的方式远程调用ETABS软件进行结构有限元计算，另外还可调用优化模块实现参数优化。该工具系统架构图如图2所示，功能上主要包括前处理、ETABS程序调用、后处理和优化四个功能模块，各个模块功能介绍如下：
（1） 前处理模块：该模块主要由超高层结构几何模型创建与结构分析模型定义两个部分组成。几何模型创建部分包含各类结构体系的几何线框模型创建；结构分析模型定义部分包含各类截面、荷载、约束等的定义与指定，将几何线框模型转换为结构分析模型。
（2） ETABS程序调用模块：该模块主要为Grasshopper与ETABS软件的通信模块，可将前处理模块中定义好的结构分析模型导入ETABS软件进行计算分析，也可在Grasshopper中提取ETABS软件计算完成后的结果数据。
（3） 后处理模块：主要为计算结果处理模块，用于提取节点位移、单元内力、层间位移角等结果数据，并对其进行分析处理或是可视化展示。
（4） 优化模块：Grasshopper平台提供了众多基于进化算法的优化工具，如基于遗传算法的Galapagos、基于粒子群算法的Silvereye、基于NSGA-2算法的Wallacei等，利用这些优化工具可以与参数化的结构模型一起构建优化流程，实现结构智能优化。
2.1 前处理模块关键技术
2.1.1 超高层结构几何模型参数化建模
常用的超高层建筑结构体系主要有框架-核心筒结构、框筒-核心筒结构、斜交网格筒-核心筒结构、巨型框架-核心筒结构和巨型框架-核心筒-巨型支撑结构等，每种结构体系都有其各自的受力特点和合理的适用高度。但从几何构造角度来看，超高层结构的各类结构体系都具有明确的构造逻辑和相似的构造关系，如都可以按照层的概念从下向上建模，抗侧力体系基本都由核心筒、外框架、伸臂结构、次框架这几类构件组成，其中外框架作为形成建筑外轮廓的主要结构，常常随建筑体型的变化而变化，其构造组成上主要由外框柱、环带桁架、斜向支撑等构件组成[1]。
明确的构造逻辑为参数化设计提供了有利条件，以目前我国超高层结构中应用最为广泛的框架-核心筒体系为例，可根据其几何构造组成，对核心筒、外框架、楼面梁和楼板这几个部分进行分块参数化建模，其参数化建模流程如图3所示。
参数化建模步骤如下：
（1） 创建楼层平面。可根据楼层高度创建所有楼层平面。
（2） 创建核心筒模型。核心筒布置方式多样，为快速有效地创建各种类型的核心筒模型，可采用下述两种方式建模：1）对于九宫格形、十字形、一字形这类较为规则的核心筒类型，可在梳理其构造逻辑后编制相应类型电池（图4），专门用于指定类型核心筒的参数化建模；2）对于其他类型的核心筒，可采用更为一般的建模方式，即先绘制核心筒的结构平面布置图，并区分好剪力墙、连梁和框架梁定位线，然后将这些平面定位线作为输入参数提供给核心筒参数化建模工具生成核心筒的三维模型，如图5所示。
（3） 创建外框架模型。外框架模型是反应建筑外轮廓的主要部分，因而建模上一般是先用楼层平面与建筑立面求交线，然后将交线内偏一定距离得到楼板边缘线，以楼板边缘线为参考可用来创建外框柱、外框梁模型，也可根据需要创建环带桁架模型。
（4） 创建楼面梁和楼板模型。按照项目设计逻辑在核心筒与外框架之间连接杆件作为楼面梁定位线，然后根据楼板边缘线、楼面梁控制线和洞口边线创建楼板模型。
根据上述逻辑在Grasshopper平台创建的框架-核心筒参数化建模程序如图6所示。
类似地，参照上述逻辑可以在Grasshopper平台上创建斜交网格筒-核心筒结构、巨型框架-核心筒-巨型支撑等体系的参数化建模程序（图7、8），可供项目设计时直接调用进行多方案比选。
2.1.2 结构分析模型定义
在将上述创建的几何线框模型导入ETABS软件中，计算前还需添加一些必需的结构信息，将其转换为结构分析模型。为此，本程序自定义了一系列用于结构属性定义与指定、结构分析模型组装的运算器，如图9所示。其中属性定义类运算器主要用于定义楼层属性、荷载模式和工况、荷载大小、荷载组合、反应谱函数等属性；属性指定类运算器主要用于将定义的属性信息指定给Grasshopper生成的点、直线和网格几何模型从而创建结构分析模型中的点单元、线单元和面单元；模型组装运算器用于将前面所定义的单一零散的属性信息和单元构件组装成完整的结构分析模型。
2.2 ETABS程序调用模块关键技术
Grasshopper与ETABS软件有两种方式可以进行数据交互：1）通过文本文件的形式，即在Grasshopper中将结构分析模型数据按照.e2k（ETABS软件的文本文件格式）文件格式写入文本文件，然后调用ETABS读取该文件，计算完成后将结果保存到.e2k文件中反馈给Grasshopper；2）通过OAPI读写数据库的形式，即在Grasshopper中通过OAPI提供的相关函数向ETABS数据库写入模型数据或是从中读取计算结果。两种数据交互方式如图10所示，其中第二种方式更加直接简便，数据传递速度快，故本文采用第二种方式作为Grasshopper与ETABS软件的数据交互方式。
ETABS软件提供的应用程序编程接口OAPI，允许开发者使用C++、C#、VB等语言来进行二次开发外部程序，用于模型处理、执行计算分析、结果输出与处理等操作。本文采用C#语言在Grasshopper平台上开发相应运算器用于调用ETABS软件并与其进行数据通信，基本步骤如下：
（1） 获取ETABS模型对象。ETABS模型对象是所有结构属性、构件单元和结果数据等的集合，用户通过访问ETABS Object.SapModel属性即可获得ETABS模型对象。
（2） 编辑ETABS模型对象。利用OAPI提供的相应函数可以对模型对象数据进行增加、修改与删除操作，从而实现将Grasshopper中组装定义好的结构分析模型导入到ETABS软件中，编辑ETABS模型对象所用到的部分函数如表1所示。
（3） 执行计算分析与提取计算结果。在Grasshopper中向ETABS发送计算指令开始计算任务，待计算完成后，利用OAPI中cAnalysisResults类型提供的相应函数提取节点位移、杆件内力、面单元内力等结果数据。但是该类型提供的函数功能有限，只能查询部分类型的结果数据，对于更多结果数据的查询，可以利用cDatabaseTables类型提供的函数根据表头名称（表2）直接访问ETABS的数据库表，从而获取相应的结果数据。
2.3 后处理模块关键技术
利用ETABS软件提供的OAPI函数，在Grasshopper中开发结果数据提取运算器用来提取计算结果数据，如结构周期、节点位移、单元内力、层间位移角、楼层侧向刚度比、竖向构件轴压比与剪重比等。
利用上述运算器，用户可以获取指定荷载工况或是荷载组合下的结果数据，进而将其用于三维可视化展示，如结构变形图（图11）、单元内力云图（图12）等。
另外，也可以通过与Galapagos、Silvereye、Wallacei等具有优化功能的工具搭配使用，通过设置相应的优化变量（如外造型控制参数、外框柱数量、环带桁架布置位置、剪力墙厚度等）、约束条件（如层间位移角、位移比、竖向构件轴压比等）和目标函数（如材料用量最小等）来实现结构方案的自动优化，从而得到满足相应条件的最优方案，优化流程如图13所示。
3 应用案例
某办公建筑平面尺寸为45.0m´45.0m，核心筒尺寸约为27.0m´17.4m，结构总高约220.0m，共48层。项目位于抗震设防烈度6度区，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，地震影响系数最大值为0.04，特征周期为Tg=0.35s。建筑场地地面粗糙度为B类，50年重现期风压为0.35kN/m2。
3.1 参数化建模与计算分析
根据本文介绍的超高层结构参数化建模方法，首先在Grasshopper平台创建本项目的钢筋混凝土框架-核心筒体系的几何模型参数化建模程序，将建筑曲面、层高数据、核心筒参数、柱子数量等参数输入该程序后便可自动生成包括梁定位线、柱定位线、剪力墙网格等在内的几何模型，然后利用本文开发的相关工具执行楼层属性、荷载属性和截面属性等定义与相关指定操作后将几何模型组装为结构分析模型，然后调用ETABS软件执行计算分析工作以及提取计算结果，其中结构参数化设计流程如图14所示。以建立的参数化模型为基础，通过修改输入参数便可得到不同的结构设计方案，如通过修改柱子数量便可快速生成12柱方案、16柱方案和20柱方案，如图15所示。
计算完成后可利用后处理模块中的相应运算器提取节点位移、线单元内力等数据用于三维可视化展示，如图16所示。
3.2 结构参数优化
利用Grasshopper自带运算器Galapagos[9]中提供的遗传算法与上述参数化程序一起构建结构参数优化流程，实现结构的自动优化设计。为介绍该优化流程与应用，本例以20柱方案的剪力墙和柱的截面尺寸为优化变量，以楼层位移角、墙和柱的轴压比、周期比满足《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ 3—2010）[10]限值要求为约束对结构重量进行优化设计，具体优化条件如下（需要说明的是本算例仅用于验证本文提出方法的适用性，框架柱的截面边长取[300,1500]）：
目标函数： 竖向构件重量最小。
优化变量： 剪力墙和柱截面尺寸。
约束条件： 楼层层间位移角不大于1/590，柱轴压比不大于0.75，剪力墙轴压比不大于0.5，扭转平动周期比不大于0.85，剪力墙厚度∈[250,900]，柱子截面边长∈[300,1500]。
另外，具体优化过程中以楼层1~5、6~10、11~15、16~20、21~25、26~30、31~35、36~40、41~45、46~48分别对剪力墙和柱截面进行分组，一共设置20个优化变量，每个变量以50mm为梯度进行调整，同时约束低楼层剪力墙和柱的截面尺寸应不小于高楼层的截面尺寸。
在电脑上经过约9.7个小时800多次的迭代优化后，得到了满足约束条件的优化后设计方案，其中，图17为优化过程结构重量变化曲线，从图中可以看出结构重量从初始方案的101502t减少到优化方案的60461t，约减少了40%；表3为优化前后截面尺寸对比，从表中可以看出优化方案中柱和剪力墙的截面尺寸较初始方案得到了较大优化，优化后方案更加经济合理；其中优化后方案结构振型如图18所示，不难看出结构前两阶振型均为平动，第三阶为扭转，结构刚度分布合理，周期比为0.37，小于0.85，满足规范[10]要求。
4 结论
本文在梳理超高层建筑结构内部逻辑的基础上提出了超高层结构参数化建模和结构分析的一体化设计框架，以Grasshopper平台为基础开发了超高层建筑结构智能设计工具，并通过工程案例验证了工具的有效性和实用性，得到的主要结论如下：
（1） 利用参数化技术可以有效解决超高层结构建模难度大的问题，为方案设计阶段的多方案比选与方案优化提供了有效途径。
（2） 本文基于Grasshopper平台编制的超高层智能设计工具可有效提高结构工程师的工作效率，节省超高层结构的建模和计算分析时间，让结构工程师能更加专注于结构方案比选与优化工作，从而设计出更加经济合理的方案。
（3） 本文所开发工具与智能优化工具搭配使用可用于搭建超高层结构参数化优化流程，通过设置相应的优化变量、约束条件和目标函数来实现结构方案的自动优化，从而得到满足相应条件的最优结构方案。
（4） 本文研究工作虽然取得了一定的成果，但仍有诸多不足，如本文案例优化迭代次数较多，优化效率较低，后续可对不同智能优化算法的优化效率和适用情况进行相应研究，另外也可对人工智能技术在结构方案布置中的应用开展相应研究。
参考文献
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