非線性建筑設計中的細部優(yōu)化與誤差調節(jié)

李曉岸

LI Xiao’an

楷亞銳衡設計規(guī)劃咨詢（上海）有限公司北京分公司

1 研究背景

近些年來隨著我國經(jīng)濟和技術水平的提高，越來越多奪人眼球的非線性建筑作為城市地標建成并投入使用，其中不乏國內設計方完成的作品。但目前國內設計方在設計和建造復雜非線性建筑，特別是其細部設計和建造方面與歐美發(fā)達國家仍存在一定的差距。

以扎哈·哈迪德設計的廣州歌劇院為例，扎哈事務所只做到了項目的初步設計階段，后期的施工圖設計由當?shù)卦O計單位完成。但擁有較強非線性建筑設計經(jīng)驗的扎哈事務所在施工圖階段沒有給予足夠的指導和幫助，加之當?shù)卦O計單位經(jīng)驗不足，導致建筑立面的細分、室內管線與結構交接節(jié)點等細部設計處理不當。建造過程中未能及時修正這些問題，再加上本身復雜的曲面形體選擇石材作為表皮就極不合理，最終導致建成的廣州歌劇院立面拼縫參差不齊（圖1，2），室內管線的保護板與主體結構之間連接粗糙（圖3）。廣州歌劇院的建成效果在一定程度上反映了國內非線性建筑存在的問題，作為造型獨特的地標性建筑，“只可遠觀”成為人們詬病的對象。

受到成本、工期、技術等因素影響，非線性建筑的建造精度無法達到汽車、飛機等工業(yè)產品的加工精度，需要在設計階段提前考慮如何處理可能出現(xiàn)的誤差。本文總結了非線性建筑設計中常用的幾類細部和節(jié)點設計方法，有助于增加建筑細節(jié)、減小誤差或降低誤差感知，使建筑的外觀更加精致。

1 廣州歌劇院細部效果

2 廣州歌劇院細部效果

3 廣州歌劇院細部效果

2 非線性建筑的細部優(yōu)化設計

不少本土的非線性建筑遠看造型別具特色，但近看往往缺乏細節(jié)設計。非線性建筑的細部優(yōu)化是通過一些細部構造的設計增加建筑近人尺度的細節(jié)，提高人對建筑的感知精度。這里的感知精度是指人對物體的精確程度的感受，感知精度高的建筑給人以“精致”“高檔”的心理感受，所以感知精度也可以理解成建筑的精致程度[1]。它是一個評價概念，因人而異。細部設計的種類非常多，在非線性建筑設計中常用的幾類包括：構件拼貼方式的設計、轉角的設計、分隔縫的細部設計等。

2.1 構件拼貼方式設計

構件拼貼通常指采用曲面板材單元彌合建筑整體曲面的組合方式，主要有無縫拼貼、等縫拼貼、搭接拼貼等。

（1）無縫拼貼

無縫拼貼是使用單獨一整塊構件組成建筑，或采用跟構件單元相同的材料填充單元間的縫隙，并通過處理讓人看不到縫隙。無縫拼貼使得建筑看起來是一個連續(xù)光滑的整體，在視覺效果上很有吸引力。比如英國藝術家安尼詩·卡普爾在芝加哥千禧公園設計的“云門”（Cloud Gate）雕塑，因為特別像一顆豌豆，所以當?shù)厝擞H切地稱呼其為“芝加哥豆”（Chicago Bean）。高20m、寬10m的“芝加哥豆”由168塊10mm厚的曲面不銹鋼板固定在內部的鋼骨架上，通過焊接填充不銹鋼板之間的縫隙，使用砂紙和打磨機對焊接縫進行細致的打磨拋光，最后展現(xiàn)出光滑如鏡面般無縫隙的視覺效果（圖4，5）[2]。

4 “芝加哥豆”外觀

5 “芝加哥豆”外觀

無縫拼貼一般只適用于小型建筑、建筑小品或溫度變化不大的室內設計中。因為大型建筑受溫度變形影響較大，當單元間的縫隙沒有預留變形的空間或使用軟性材料吸收變形產生的應力時，積累的應力有可能會對接縫處產生破壞，產生漏水或結構裂縫等問題。

（2）等縫拼貼

等縫拼貼是構件單元之間留出均勻的縫隙，縫隙中空或者使用其他材料填充。采用這種方式進行拼貼，縫與構件單元一起作為建筑外觀的一部分，所以一方面要將建筑曲面劃分為便于構件單元加工且視覺美觀的網(wǎng)格，另一方面要對縫的細部外觀進行設計。一般采用三角形、四邊形、六邊形等結構更合理、建造更簡單的單元網(wǎng)格對曲面進行劃分。

三角形劃分得到的構件是平面三角形，構件的加工建造是最簡便的，但節(jié)點一般連接有6個三角形構件單元，且連接角度各不相同，所以節(jié)點的制作及安裝比較麻煩。福斯特的大英博物館中庭屋頂、扎哈的廣州歌劇院都采用了三角形劃分方式。

四邊形劃分一般是在計算機中提取描述曲面特征的四邊形線框，對曲面進行劃分。這種劃分方式形成的圖案較均勻，結構也比較合理，劃分形成的網(wǎng)格既可以是四邊形表皮面板的輪廓，也可以是面板后龍骨結構的框架。劃分形成的四邊形表皮面板通過構件優(yōu)化，盡可能多地轉化為平面和單曲面構件，或者少量雙曲面構件，從而達到降低造價的目的。扎哈設計的蓋達爾·阿利耶夫文化中心就采用的是標準的四邊形網(wǎng)格對外表皮曲面進行劃分，以GRC面板進行拼貼的方式（圖6）。為了讓四邊形劃分的外觀效果更加豐富，也可以對分割線進行平移或局部刪除等操作，形成有趣的劃分圖案。建筑師朱锫設計的深圳OCT設計博物館對立面四邊形劃分做了小的調整，設計師將豎直方向的分隔縫整體平移，水平方向上保持不變，形成類似磚塊堆砌的效果（圖7）。蓋里在西雅圖設計的體驗音樂中心則以標準的四邊形劃分為基礎，通過程序控制刪減一部分分隔線，形成看似不規(guī)則的四邊形劃分圖案（圖8，9）。建筑師采用大小不一的曲面四邊形彩色金屬板，上面的金屬板下緣搭接在下面的金屬板板上緣，擬合復雜的整體曲面外表皮。

6 立面的四邊形劃分方式

7 立面的四邊形劃分方式

8 體驗音樂中心的立面設計劃分過程

9 體驗音樂中心的立面設計劃分過程

六邊形劃分像蜂巢一樣，整體形式美觀，且結構合理，常用于規(guī)則的球形曲面或橢球形曲面的劃分上，這樣能夠保證細分成的六邊形構件仍是平面構件，比如格雷姆·肖設計的伊甸園項目。當曲面比較復雜時，細分成的六邊形不是平面構件，加工難度比較大，且比起四邊形構件更加浪費材料，則不適合采用六邊形劃分方式。

相比于搭接拼貼，等縫拼接要求建造后縫均勻整齊，所以對構件的加工精度及安裝精度要求更高。

（3）搭接拼貼

搭接拼貼是將構件單元像中國傳統(tǒng)屋頂瓦片的布置方式一樣相互搭接。在搭接時一般采用統(tǒng)一的上層壓下層或左側壓右側的方式，上層壓下層更有利于排水。搭接保證同一層構件的下邊緣是對齊的，上邊緣是隱藏在上一層構件的內側，即使構件因為加工精度問題造成上邊緣不齊，也不會被看到。蓋里設計的洛杉磯迪士尼音樂廳（圖10）和西雅圖體驗音樂中心的立面曲面金屬板（圖11），都是采用搭接拼貼的方式。搭接拼貼能夠有效地隱藏部分加工誤差，并且不需要額外設計連接節(jié)點，只需要將曲面板連接到背面的龍骨結構上即可，是非線性建筑曲面拼貼簡便易行且效果較好的方式。選擇合適的構件拼貼方式需要根據(jù)建筑的大小、設計外觀效果、立面的功能需求、加工精度的情況等方面進行綜合考慮。

10 曲面搭接拼貼方式

11 曲面搭接拼貼方式

2.2 轉角設計

正如領口、袖口在服裝中的重要地位一樣，建筑的轉角是形體發(fā)生轉折、收口的位置，處理好轉角的細節(jié)對于提升人對建筑的感知精度非常明顯[1]。一般非線性建筑表皮都會干掛較薄的面板，如金屬板、GRC板等。在建筑轉角處，兩塊板之間會形成一道縫隙，也會露出面板的邊緣截面，需要專門對轉角處的面板構件進行處理，提高轉角的精度。

例如蓋里設計的路易斯威登基金會的墻體采用GRC板進行拼貼，并對轉角處的GRC板切口做了小圓角處理，相鄰兩個面相交處留出均勻的縫隙，突出建筑的轉角（圖12）。更好的處理方法是直接定制生產轉角構件，保證建筑在轉角處是連續(xù)的。例如扎哈設計的香港理工大學藝術系館立面使用白色不銹鋼板，轉折處的構件不是分成兩個部分進行拼貼，而是一體化加工而成，保證轉角光滑、連續(xù)且沒有縫隙（圖13）。根據(jù)人的知覺規(guī)律，一般情況下弧形的轉角相對于尖角感知精度更高[1]。比如卡拉特拉瓦設計的里昂機場火車站主結構的柱腳采用的是現(xiàn)澆曲面混凝土，曲面的轉角從底部轉折往上逐漸變成圓角平滑過渡，提高了構件感知精度（圖14）。

有時在建筑的轉角處會專門以一些構件進行包裹，隱藏轉角處的誤差。住宅室內裝修常用的地板踢腳線、墻的護角都起到類似的作用。例如在蓋里的迪士尼音樂廳設計中，立面的轉角處使用了顏色相同的鋁合金護角壓條，在保護轉角不被破壞的同時，遮擋住兩塊拼貼的不銹鋼板之間的縫隙。不過迪士尼音樂廳只是在人使用的高度設置了壓條，較高的位置則裸露出縫，因為縫并不均勻，難免略顯粗糙（圖15）。邁耶設計的蓋蒂中心，表皮采用白色的鋁塑板，轉角處則專門設計了一體化的轉角構件，消除了轉角處的縫隙，形成非常干凈整齊的交接線（圖16）。

12 非線性建筑的轉角處理

13 非線性建筑的轉角處理

14 非線性建筑的轉角處理

15 建筑轉角構件

16 建筑轉角構件

2.3 建筑分隔縫細部設計

建筑的分隔縫是在兩個構件單元間留出一定空間，或是在之間填充軟性材料（如結構膠、泡沫等），區(qū)別于建筑因結構功能需要而設置的變形縫、沉降縫和防震縫。分隔縫的設置起到釋放構件因溫度等變形產生的應力、增加建筑細節(jié)、提高感知精度、消解構件單元的加工誤差等作用。分隔縫的細部根據(jù)縫的材料進行分類，主要有直接將構件空開一定縫隙、使用結構膠填充縫、使用構件遮蓋縫隙等方式。

當外立面沒有防水保溫的功能，只是作為飾面材料時，常常直接留出分隔縫。外飾面板通過背面的連接件與龍骨結構相連，即干掛幕墻結構。大部分非線性建筑的外墻板之間都是采用這種形式，例如建筑師朱锫設計的深圳OCT設計博物館采用了不銹鋼板進行立面拼貼，水平方向預留了約10mm寬的縫，豎直方向預留了約5mm寬的縫（圖17）。直接預留縫的方式建造比較簡單，不用再對縫進行處理，但要求構件加工和安裝的精度較高，以保證縫均勻整齊。

使用結構膠填充縫和構件遮蓋縫是在玻璃幕墻建造中使用最為廣泛的方式。結構膠有很好的防水、保溫、耐候特性，而且能吸收玻璃熱脹冷縮產生的變形應力。劃分幕墻的框架提供一定的結構加強的功能，并且能隱藏因玻璃加工誤差導致縫隙不均問題，設計精巧的構件也能增加整個立面的細節(jié)。這兩種處理方式同時應用在蓋里設計的路易斯威登基金會帆船造型的曲面玻璃上，主方向采用鋁合金玻璃框架，次方向上在玻璃之間填充白色結構膠（圖18）。蓋里設計的迪士尼音樂廳在水平方向上采用搭接形式，豎直方向的縫之間插入了與立面板材相同的不銹鋼條（圖19），使得分隔縫的細部更加精致，同時起到一定的防水作用。

17 非線性建筑分隔縫細部

18 非線性建筑分隔縫細部

19 非線性建筑分隔縫細部

工廠加工的構件單元運送到現(xiàn)場進行拼裝，拼裝后要保證縫的寬度均勻、合適。構件拼裝過程中同時要保證分隔縫排布整齊，要對齊的縫必須連成一條直線，其他縫也要保證相互平行，使建筑的立面劃分具有規(guī)則性。

3 非線性建筑的連接節(jié)點優(yōu)化設計

非線性建筑的連接節(jié)點優(yōu)化設計是以便于建造、調節(jié)誤差等為目的，對連接構件的節(jié)點所做的優(yōu)化調整。非線性建筑的連接節(jié)點需要建造安裝簡便，可以采用同一種或相似的節(jié)點方式連接各種形狀的構件單元，且具有一定調節(jié)誤差的功能。復雜的節(jié)點盡可能在工廠加工，安裝時只需要將構件與連接節(jié)點對齊，再采用相應方式連接即可，盡量避免每連接一個構件都需要使用測量儀器或工具進行定位。連接節(jié)點盡量藏在構件后面，這樣就不需要對節(jié)點的外觀進行過多處理，滿足使用功能要求即可。非線性建筑的連接主要分為螺栓連接、套管連接、膠粘、焊接等方式。

3.1 螺栓連接

螺栓連接常應用于曲面板材與主體結構連接，通過調節(jié)隱藏在構件單元后面的螺栓長度來調節(jié)構件位置，從而調節(jié)誤差。一般曲面板是通過螺栓連接在后面的龍骨上，龍骨和曲面板之間會為螺栓調節(jié)預留出一定距離。例如蓋里設計的迪士尼音樂廳不銹鋼板外立面，通過螺栓連接在鋼龍骨上，鋼龍骨再通過螺栓連接在主體鋼結構上。曲面板材會因為變形或加工精度不夠等原因，導致相鄰的板材間的縫隙不均勻。通過調整不銹鋼板內側的螺栓，可以調節(jié)板的位置，使得不銹鋼板搭接的縫隙均勻一致，外立面呈光滑連續(xù)的曲面（圖20）。連接件都隱藏在不銹鋼板背后，使得建筑外立面沒有多余的構造，看起來十分純凈，背后的連接件也不需要進行額外的裝飾，降低了建造成本。

20 迪士尼音樂廳不銹鋼板立面的構造調整

3.2 套管連接

套管連接常作為桿件連接的構造方式，通過調節(jié)連接兩個桿件的套管的位置，控制桿件位置的誤差。在國家大劇院鋼網(wǎng)架的設計中，最初巴黎機場設計公司為了滿足預制鈦板和玻璃幕墻的安裝條件，要求構件安裝的允許偏差為±2mm，并且要求全部結構進行預拼裝，保證安裝質量。但對于長212m、寬143m、高45m的巨型橢球屋頂，要達到這種精度需要耗費極大的財力、人力[3]。為降低建造成本，鋼結構設計和施工單位上海機械施工有限公司對鋼結構的連接節(jié)點進行了優(yōu)化。從原先法方提出的利用螺栓和法蘭的連接方式，變?yōu)槔锰坠苓B接，構件與套管進行焊接固定位置。套管可進行較大范圍的移動，調節(jié)誤差量比較大，降低了構件制作的加工精度要求，從而降低造價（圖21）[4]。

21 國家大劇院鋼網(wǎng)架連接節(jié)點

3.3 膠粘連接

膠粘常用于非金屬構件的連接，如玻璃、鋁塑板、膠合木等。用于膠粘的結構膠具有一定變形能力，起到釋放構件因溫度等變形產生的應力，調節(jié)構件間縫隙誤差的作用。但膠粘的耐久性與其他連接方式還有一定差距，對于一些關鍵的不容易進行維護和更換的隱蔽節(jié)點，應選用更為牢靠的方式。

3.4 焊接連接

焊接常用于金屬構件的連接，在非線性建筑建造中，相比于螺栓和套管連接，焊接對工藝要求更高，建造難度較大，一般不推薦。組成非線性建筑的構件往往各不相同，需要設計同一種或相似的連接節(jié)點，以滿足各種形狀構件單元的連接要求。例如大英博物館中庭屋頂?shù)娜切武摼W(wǎng)架，每個節(jié)點都要與6根矩形截面的鋼桿件相連，并且通過節(jié)點傳遞力和彎矩，桿件之間的角度從26°～110°不等。如果采用傳統(tǒng)的球節(jié)點，每個球節(jié)點開孔的位置都不一樣，加工難度大且不容易準確，安裝時出現(xiàn)誤差也比較難以調整。通過和鋼結構專家一起進行研究，福斯特事務所設計了一種簡便易行的節(jié)點連接方式。當矩形截面的鋼桿件匯聚到節(jié)點時，截面縮為三角形，采用焊接的方法連接各個桿件，滿足各方向桿件的連接要求（圖22）。這樣不僅使安裝時節(jié)點焊接更加簡便、準確，同時增加了焊接的長度，減少了焊接的深度，避免了焊接過深導致構件由于溫度變形產生多余應力的情況[5]。

22 大英博物館屋頂鋼網(wǎng)架節(jié)點

有時構件交接的連接節(jié)點并不能完全消除誤差，只需在滿足建筑功能的前提下，用構件遮擋住可觀察到誤差的部位讓人看不到誤差，便可以使得建筑看起來更加精致。這類誤差隱藏構造主要有構件相互搭接布置、在構件交接處使用扣板或壓條等方式。

構件相互搭接布置是最簡單常用的隱藏誤差的方式，不需要額外設置構造節(jié)點，只需將構件像中國傳統(tǒng)屋頂?shù)耐咂牟贾梅绞揭粯酉嗷ゴ罱蛹纯?。搭接常用在曲面板的誤差隱藏中，在搭接時一般采用上層板壓下層板的方式，這樣可以保證水流不進板材內側。搭接保證同一層構件的下邊緣是對齊的，上邊緣是隱藏在上一層的構件內側，即使構件因為精度原因造成上邊緣不對齊，也不會被人看到，如迪士尼音樂廳和體驗音樂中心的立面搭接拼貼方式。

在構件交接處使用扣板或壓條，來遮擋構件交接時出現(xiàn)的誤差。比如在室內裝修鋪地板時，經(jīng)常會在地面與墻交接的地方設置踢腳，一方面是為了保護墻腳，另一方面是通過踢腳遮擋住地板鋪設到墻角時出現(xiàn)的參差不齊的縫。玻璃幕墻的分隔框架在提供一定的結構加強功能的同時，也隱藏了因玻璃加工誤差導致縫隙不均的問題，設計精巧的構件也能增加整個立面的細節(jié)。在建筑的轉角使用的護角壓條，一方面保護轉角不被碰壞，另一方面遮擋住來自兩個面拼貼的構件之間的縫隙。

4 結語

科學合理的細部優(yōu)化和連接節(jié)點優(yōu)化設計，是降低非線性建筑建造成本，縮短建造工期，減少建造誤差，提高建造精度的重要環(huán)節(jié)。這要求建筑師在設計階段就提前與加工方、施工方進行交流，了解可能用到的材料、工藝、節(jié)點的相關知識，選擇合適的材料、工藝和細部節(jié)點，并提前預估可能出現(xiàn)的問題及其解決方案。

另外，一般建筑的細部節(jié)點建造工藝比較成熟，根據(jù)構造圖集進行修改即可。但非線性建筑形體復雜，構件種類多樣，常規(guī)的節(jié)點設計有時并不能達到要求，需要設計方與加工方、施工方一起根據(jù)現(xiàn)有的技術工藝進行改進，研究針對于方案的可行的創(chuàng)新工藝和細部節(jié)點。