12、基于生物计算与拓扑优化的创新设计研究

基于生物计算与拓扑优化的创新设计研究

1. 计算设计原理

在建筑设计领域，计算设计正逐渐成为一种常见趋势。它基于对树木等自然对象的研究结果，借助适当技术创建初始设计方法，并运用计算手段设计施工技术。以图灵为代表的计算生成领域重要人物，在其著作中阐述了利用几何描述模式以及数学方程理解反应 - 扩散效应等内容。

本项目借鉴图灵研究叶序的方法，分两个阶段解决问题。第一阶段分析植物结构，随后创建计算设计来解释原型。项目概念源于1948年Van Den Honert所著的《植物水分运输的悬链线过程理论》，该理论指出水分通过根、木质部和叶的运输可视为悬链线过程，由此形成基于粒子的分支系统概念作为生物设计。

在这个阶段，对木质部结构的研究至关重要。木质部系统基于粒子系统原理工作，由许多死细胞组成，水分通过密度差异被输送到顶部。项目使用Houdini建模软件对这一关键粒子系统进行模拟。

木质部血管与死细胞结合，形成类似图灵理论中描述的管状系统，大量粒子连接可形成管子，多个管子组合构成木质部系统。不同的脉冲计数反映原始粒子数量，从而产生不同的形态，如图5所示，展示了使用不同数量原始粒子得到的二维和三维结果。

二维形式可模拟木质部系统结果，但在三维空间中建模粒子，结果会有所不同，这类似于涌现现象，即小而简单的实体相互作用形成大的原型，并展现出小原型所没有的特性。粒子是小而简单的实体，当粒子生长时，小部分会消失并出现新部分，模拟自然生长模式。

维度	模拟效果
二维