——數(shù)字設(shè)計(jì)與建筑工業(yè)化

形式對于建筑師來講是一個(gè)相當(dāng)微妙的詞匯，大家總是熱烈地?fù)碜o(hù)形式，但又怕自己被貼上形式的標(biāo)簽。提及數(shù)字建筑，更是天然地與形式脫不開干系，每個(gè)人腦海中浮現(xiàn)的多半是各種眼花繚亂的數(shù)字設(shè)計(jì)形式。而講到工業(yè)化，則是千篇一律的標(biāo)準(zhǔn)化，與數(shù)字設(shè)計(jì)很難發(fā)生聯(lián)系。本人在經(jīng)歷了兩個(gè)規(guī)模不大的工程實(shí)踐之后，對數(shù)字設(shè)計(jì)的認(rèn)識發(fā)生了一些轉(zhuǎn)變，先和大家分享其中兩個(gè)小故事。

我設(shè)計(jì)的第一座非標(biāo)準(zhǔn)建筑萬科創(chuàng)展中心，在建造過程中工地頻繁發(fā)生一些不曾預(yù)料到的施工問題。原以為這些問題多會出現(xiàn)在非標(biāo)準(zhǔn)的曲面部分，豈料正好相反，都發(fā)生在最平常的部位，例如混凝土現(xiàn)澆的排水溝、擋土墻、屋頂檐口等處出現(xiàn)很多施工質(zhì)量問題。第二個(gè)經(jīng)歷是懸浮咖啡廳的建造。復(fù)雜的曲面GRG表皮與內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)之間的容差只有幾厘米，誤差很容易累計(jì)導(dǎo)致無法安裝。之前預(yù)計(jì)建造過程一定會有波折，沒想到實(shí)際安裝出奇地順利，期間沒有接到要求去工地解決問題的通知就已順利完工。

接觸數(shù)字設(shè)計(jì)，一開始也是被其生成的復(fù)雜多樣的形式所吸引，迫切希望掌握產(chǎn)生這些形式的具體操作方法。在了解最基本的參數(shù)化設(shè)計(jì)原理之后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生形式變化僅僅是表面，更為重要的是背后的幾何規(guī)則、算法機(jī)制等更為基礎(chǔ)的原理。轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用后，開始是迫切地想將電腦中的數(shù)字形式轉(zhuǎn)化為實(shí)物，但隨著實(shí)踐的深入，逐步體會到需要的不僅是一個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)成果，整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)鏈的支撐作用不可或缺。沒有產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)支撐的數(shù)字化，數(shù)字設(shè)計(jì)只能停留于電腦當(dāng)中。數(shù)控加工等新型建筑工業(yè)化手段是數(shù)字建筑依存的重要基礎(chǔ)，此時(shí)，數(shù)字設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅是一個(gè)形式問題。

數(shù)字設(shè)計(jì)是一場由建筑師發(fā)起和推動(dòng)的建筑設(shè)計(jì)變革，而業(yè)主往往只關(guān)注結(jié)果，對于達(dá)到結(jié)果的技術(shù)手段并不關(guān)心。但建筑師沒有資源的支配權(quán)，假如沒有業(yè)主對數(shù)字技術(shù)的理解與支持，設(shè)計(jì)就只能是紙上談兵。萬科創(chuàng)展中心應(yīng)用參數(shù)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)反饋設(shè)計(jì)信息，統(tǒng)計(jì)每一個(gè)構(gòu)件的用鋼量。結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)精確控制鋼格柵厚度，每減少兩毫米厚度可以節(jié)省二十萬元造價(jià)。業(yè)主直觀地感受到參數(shù)化設(shè)計(jì)帶來的價(jià)值。懸浮咖啡廳項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案是一個(gè)不規(guī)則球體，采用非數(shù)控的方法加工。在全尺寸鋼結(jié)構(gòu)框架加工完成后因?yàn)檎`差太大而被廢棄。我們應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)提出的設(shè)計(jì)方案形態(tài)比原方案更為復(fù)雜，但依靠合理的設(shè)計(jì)策略及工業(yè)化數(shù)控加工技術(shù)的支撐，項(xiàng)目順利實(shí)施，再次讓業(yè)主感受到數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)與建筑工業(yè)化帶來的價(jià)值。

數(shù)字技術(shù)與工業(yè)化結(jié)合所發(fā)酵出的結(jié)果，不再局限于傳統(tǒng)建筑工業(yè)化重復(fù)生產(chǎn)帶來的效率提升。當(dāng)數(shù)字技術(shù)拓展到建筑全產(chǎn)業(yè)鏈，帶來的是建筑設(shè)計(jì)的豐富性與建筑品質(zhì)的同時(shí)提升。長期以來，中國建筑工業(yè)化體系發(fā)展緩慢，中國建筑設(shè)計(jì)對于世界建筑界的影響往往是借助其文化獨(dú)特性，而物質(zhì)層面的創(chuàng)新則一直比較欠缺。數(shù)字技術(shù)特別是數(shù)字加工技術(shù)的引入，縮小了加工建造技術(shù)的差距。萬科創(chuàng)展中心和咖啡廳兩個(gè)項(xiàng)目的加工方和施工方均為本地化團(tuán)隊(duì)，采用當(dāng)?shù)卦O(shè)備進(jìn)行加工。設(shè)計(jì)配合過程中我體會比較深的是，目前欠缺的不是硬件設(shè)備，更需要的是各環(huán)節(jié)之間的整合，而這正是建筑師可以發(fā)揮設(shè)計(jì)才能的地方。

綜上，數(shù)字建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展已由單純追求形式走向探索數(shù)字時(shí)代建筑的全面變革，也許未來會用一個(gè)新的術(shù)語——“數(shù)字建筑工業(yè)化”來概括建筑這一新的發(fā)展方向。

VanKe exhiBition Center

萬科集團(tuán)創(chuàng)展中心

撰文 鐘華穎 南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院數(shù)字建筑工作室

適應(yīng)加工條件的幾何選型

非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的幾何形體如果在三維方向同時(shí)變化，需要進(jìn)行三維數(shù)控加工，造價(jià)高昂。如果將非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的形狀變化限定在二維平面內(nèi)，其造價(jià)就會大幅降低。走訪本地加工廠發(fā)現(xiàn)，很多常規(guī)的直線形構(gòu)件也采用數(shù)控加工，數(shù)控加工技術(shù)的普及為設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。在加工費(fèi)用上，以數(shù)控切割機(jī)為例，加工平面內(nèi)的曲線形構(gòu)件與加工直線形構(gòu)件單位時(shí)間的加工費(fèi)相同，不同之處在于材料的利用率。根據(jù)這一加工條件，創(chuàng)展中心將構(gòu)件形狀變化限制在二維平面內(nèi)，同時(shí)利用合理的幾何選型，將構(gòu)件進(jìn)一步簡化為直線形構(gòu)件，提高了材料利用率，降低了總體造價(jià)。在多種自由曲面類型中，滿足這一要求的是由空間中不共面的兩條直線定義的規(guī)則曲面，而沿兩條邊等分線的連線均為直線。這一特性方便了后期加工，建造過程中的定位也比較方便。規(guī)則曲面的弱點(diǎn)在于形態(tài)變化不夠豐富，因此創(chuàng)展中心采用多組規(guī)則曲面的組合，構(gòu)成豐富的形態(tài)變化。

參數(shù)化構(gòu)件生成

根據(jù)規(guī)則曲面的幾何特性，編寫了曲面格柵和曲面幕墻的參數(shù)化生成程序，輸入密度、進(jìn)深等控制參數(shù)，即可生成構(gòu)件。同時(shí)將面積、厚度以及對應(yīng)的用鋼量等指標(biāo)存儲在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，實(shí)時(shí)輸出反饋給相關(guān)專業(yè)以及業(yè)主，為比較不同設(shè)計(jì)方案的造價(jià)變化提供了快速準(zhǔn)確的依據(jù)。以程序描述的形體生成為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)在不改變總體控制原則的前提下對比不同方案，研究構(gòu)件細(xì)部尺寸，實(shí)現(xiàn)方便和高效。在設(shè)計(jì)周期很短的情況下，我們對比了十種以上不同可能性的方案，最終確定了曲面格柵和幕墻方案，并在很短的時(shí)間內(nèi)完成方案模型的重建。

易于調(diào)節(jié)的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

曲面鋼板幕墻是由多個(gè)小的平面單元拼接而成的，初期方案擔(dān)心安裝精度難以保證，將幕墻單元拼接設(shè)計(jì)為明縫。這一設(shè)計(jì)需要在鋼板背面增加防水層，構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)難以承受。因此將幕墻拼縫改為焊接密封，焊縫允許的最大寬度有限，且幕墻單元數(shù)量較多，精度要求較高。幕墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了不同方案的試樣對比研究，最終采取在每一幕墻單元設(shè)可調(diào)節(jié)的定位鋼片進(jìn)行初步定位，待整片幕墻對縫確認(rèn)完畢后再進(jìn)行焊接固定的方法。實(shí)際應(yīng)用的效果簡便易行，安裝快速。

順應(yīng)加工工藝的表面肌理

幕墻全尺寸試樣焊接完畢后，焊縫的處理成為一個(gè)難題。預(yù)想的處理方法是焊接完成后逐一打磨，由于焊縫的數(shù)量大，打磨費(fèi)工費(fèi)時(shí)。通過試樣發(fā)現(xiàn)，打磨用的砂輪會在焊縫周邊留下明顯的痕跡，表面噴涂后痕跡會更加明顯。如果保留焊縫，整體效果將十分粗糙。是否打磨焊縫成為一個(gè)兩難的選擇。正當(dāng)設(shè)計(jì)陷入困境時(shí)，走訪加工單位發(fā)現(xiàn)，用于加工鋼板的折彎機(jī)可以精確地按照預(yù)定角度將鋼板折彎。因此，我們提出將三角形幕墻單元兩兩組合為四邊形單元，對角線用折彎機(jī)加工，這樣僅焊接四邊即可，這一方法大大減少了焊接量。折彎的壓痕形成精細(xì)的轉(zhuǎn)折線條，與周邊粗獷的焊縫形成對比。幕墻整體形成了對角線與四邊形兩個(gè)方向網(wǎng)格交織的特殊肌理，在不同光線下將產(chǎn)生微妙的光影變化。

規(guī)則曲面幾何特性

鋼格柵的參數(shù)化建模

方案對比研究

曲面鋼幕墻節(jié)點(diǎn)

幕墻肌理

建筑結(jié)構(gòu)一體化的參數(shù)化設(shè)計(jì)

BIM建筑信息模型

結(jié)語

結(jié)構(gòu)-表皮三維模型（圖片來源：李輝提供）

BIM模型（圖片來源：李輝提供）

中等尺度的設(shè)計(jì)策略

懸浮咖啡廳是一個(gè)材料決定形態(tài)的設(shè)計(jì)。玻璃材料因?yàn)榉e灰難以清潔而被放棄，可塑性高并具有防火性能的纖維加強(qiáng)石膏材料（GRG）成為首選。數(shù)控加工成型的GRG板材可以通過填縫打磨等工序?qū)崿F(xiàn)無縫的光滑表面。考慮到打磨工藝要求，選擇凸形曲面形體更為合適，而通過增加孔洞降低曲面板塊的尺寸有利于掩蓋加工的瑕疵。因此，構(gòu)造具有孔洞的連續(xù)凸形曲面成為形態(tài)設(shè)計(jì)的原則。相對于曲面建模常用的NURBS曲面，T-SPLINE這一幾何工具更能適應(yīng)復(fù)雜拓?fù)潢P(guān)系的建模。

通過幾何建模對形體截面尺寸進(jìn)行推敲，希望結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡可能小，同時(shí)咖啡廳頂部單邊懸挑的尺寸較大，故選擇鋼材作為支撐GRG表皮的結(jié)構(gòu)材料。平面數(shù)控切割設(shè)備在深圳當(dāng)?shù)氐匿摻Y(jié)構(gòu)加工企業(yè)中較為普及，二維平面內(nèi)變化的構(gòu)件在加工精度和成本方面與加工標(biāo)準(zhǔn)型材沒有顯著區(qū)別。因此，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀變化限制在二維平面內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置和找形。利用多個(gè)方向的平面與橢圓球體相交，形成交織的網(wǎng)格，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)布置網(wǎng)格。根據(jù)這一網(wǎng)格重新生成結(jié)構(gòu)構(gòu)件，加工便利，成本可控。

模具費(fèi)用是加工三維曲面構(gòu)件的一項(xiàng)重要成本。GRG表皮的自由曲面形態(tài)沒有重復(fù)性，模具無法反復(fù)使用。如果采用鋼模、木模、塑料模等模具材料，加工成本高昂，浪費(fèi)太大。GRG生產(chǎn)廠家上海恒豪開發(fā)的蠟質(zhì)模具技術(shù)，采用CNC機(jī)床雕刻蠟錠制造模具，使用后將模具融化重新還原為蠟錠，解決了模具重復(fù)利用的問題，大大降低了加工成本。經(jīng)過數(shù)控加工翻模后的三維GRG表面精度能夠忠實(shí)還原三維數(shù)字模型的細(xì)節(jié)，打磨拋光后平整度更高。

材料與加工方式確定之后，開始進(jìn)行具體的形態(tài)設(shè)計(jì)。采用最小斷面作為控制參數(shù)，生成表皮的連續(xù)曲面。參數(shù)設(shè)定考慮了形態(tài)、構(gòu)造尺寸和造價(jià)三者的平衡，最終確定直徑為30cm。在去除12cm的結(jié)構(gòu)厚度、2cm的GRG外殼壁厚之后，剩余的容差數(shù)值僅為14cm，再加上誤差等因素，實(shí)際容許空間更小。最小斷面控制增加了加工建造的精度要求，為了實(shí)現(xiàn)這一精度，對節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)線形設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的技術(shù)措施。

（b）結(jié)構(gòu)與表皮 平面化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件

（c）D=200 P=0.5

最小截面控制

構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

曲面變形引起的結(jié)構(gòu)-表皮不匹配問題

大容差的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

參數(shù)化表皮結(jié)構(gòu)匹配技術(shù)