參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在建筑表皮設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

吳蔚

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092）

1 背景闡述

德國(guó)建筑理論家森佩爾（Gotfried Semper）提出了建筑的兩個(gè)基本原型，墻體和屋頂，他們對(duì)應(yīng)了兩個(gè)基本的動(dòng)機(jī)：圍合和遮蔽[1]。為了圍合空間，人們使用藤條和獸皮編織的表皮。在原始的棚屋中，表皮是建筑形成空間的最基本要素，它包含了結(jié)構(gòu)、裝飾等元素。

計(jì)算機(jī)編程以及參數(shù)化設(shè)計(jì)的發(fā)展，使得建筑表皮形態(tài)從描述性的方法走向生成的方法。設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力的幫助下得到復(fù)雜和仿生的建筑形式。它使得建筑設(shè)計(jì)的思維不再局限于傳統(tǒng)的自上而下的方式，而融入了自下而上、關(guān)聯(lián)性以及生成等諸多新的思想。這些思想深深影響了建筑形式的發(fā)展。

2 建筑參數(shù)化表皮設(shè)計(jì)的發(fā)展

2.1 建筑參數(shù)化表皮設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)發(fā)展

國(guó)內(nèi)對(duì)于建筑參數(shù)化表皮設(shè)計(jì)的研究，較多集中于算法層面，對(duì)于幾何學(xué)方面的研究較少。這主要是因?yàn)楫?dāng)代幾何學(xué)相較于算法更加抽象，需要高等數(shù)學(xué)的知識(shí)作為基礎(chǔ)。并且不同于當(dāng)今建筑算法有大量的軟件平臺(tái)以及教程，幾何學(xué)研究對(duì)于大部分建筑師而言門檻較高，難以入手。

然而這種情況正在發(fā)生改變，隨著當(dāng)代國(guó)內(nèi)自由曲面建筑實(shí)踐的增多，相關(guān)的研究也在需求中被催生出來。在Mcneel 中國(guó)公司針對(duì)建筑師的培訓(xùn)課程中，融入了大量的曲面幾何學(xué)知識(shí)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)當(dāng)前一些如HHD-FUN、ArchiUnion 這樣的先鋒建筑事務(wù)所的作品中，也運(yùn)用了大量新的幾何操作方法。國(guó)內(nèi)建筑學(xué)院校在低年級(jí)開設(shè)的形態(tài)生成課程，也推進(jìn)了該領(lǐng)域的研究步伐。

在曲面設(shè)計(jì)方面，袁烽與尼爾里奇合著的《建筑數(shù)字化編程》和《建筑數(shù)字化建造》孫澄宇的《數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)方法入門》涵蓋了大量的建筑曲面形式實(shí)例。

對(duì)于曲面建筑形式，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究有：西南交通大學(xué)鄧飛同學(xué)的碩士論文《自由曲面建筑形態(tài)研究》大致的介紹了自由曲面建筑形式的起源、演化過程和特征。重慶大學(xué)的劉春陽同學(xué)碩士論文《非線性建筑形態(tài)的生成方法研究》不但介紹了非線性設(shè)計(jì)的概念，也包含了一部分實(shí)際操作方法的內(nèi)容，將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來。建筑師第129 期，蘇毅和曾堅(jiān)所著的《從尺規(guī)到NURBS——用于輔助設(shè)計(jì)曲面型建筑的幾何工具的前沿》一文，從技術(shù)歷史的角度介紹了曲面型建筑設(shè)計(jì)手法的發(fā)展過程。而常庚哲所著的《曲面的數(shù)學(xué)》介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的曲面原理。

2.2 建筑參數(shù)化表皮設(shè)計(jì)的國(guó)外發(fā)展

設(shè)計(jì)手段方面。近幾年隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)手段的興起，關(guān)于設(shè)計(jì)手段的文獻(xiàn)擢發(fā)莫數(shù)。從幾何知識(shí)出發(fā)有關(guān)于曲面幾何學(xué)概論的書籍，例如Bentley 公司出版的《建筑幾何學(xué)》（Architectural Geometry）、《建筑幾何發(fā)展》（Advances InArchitectural Geometry）。 從 技 術(shù) 施 工 角 度 出 發(fā) 有Michael Meredith 撰寫的《從控制到設(shè)計(jì)：參數(shù)化 算法建筑》（From Con trol to Design：ParametricAlgorithmic Architecture），這本書以六個(gè)實(shí)際項(xiàng)目為案例介紹了參數(shù)化建筑的建構(gòu)過程。從設(shè)計(jì)軟件方面出發(fā)，當(dāng)前最流行的曲面建筑設(shè)計(jì)軟件，諸如McNeel 公司的Rhinoceros 以及Au todesk 公司的Maya 都有大量的教程。其中值得一提的是基于Rhinoceros平臺(tái)上可視化參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Grasshopper，使得設(shè)計(jì)者對(duì)于建筑曲面的把控到了新層面，降低了參數(shù)化設(shè)計(jì)的編程難度。這個(gè)平臺(tái)綜合了許多幾何操作方法插件，并在不斷的發(fā)展壯大。2011 年第212 期Architec ture Design 雜志邀請(qǐng)GeorgeL Legendre 作為編輯，完成了一期名為數(shù)學(xué)空間的專題，在其中詳細(xì)的闡述了新的幾何學(xué)在當(dāng)今建筑形態(tài)操作中的角色和意義[2]。

設(shè)計(jì)思想方面，一些文獻(xiàn)試圖對(duì)近幾年百花齊放的新的曲面建筑形式實(shí)踐進(jìn)行系統(tǒng)性的總結(jié)與分類，如Jane Burry 和Mark Burry 所著的《當(dāng)代建筑數(shù)學(xué)》（The New Mathematics Of Architecture） 將當(dāng)今的新的建筑形式按照它們背后的幾何邏輯羅列并分類，為研究當(dāng)今建筑形式與幾何的關(guān)系提供了清晰的脈絡(luò)。Jesse Reiser 的《Atlasof Novel Tectonics》論述了當(dāng)今科學(xué)體系下的新的形式語言。Fran?ois Blanciak 的《Siteless》忽略了一切其他建筑因素，單純的從形態(tài)操作的方面來羅列新的建筑形態(tài)的塑形方式。Farshid Moussavi 的《形式功能》（The Functionof Form）將歷史以來的建筑按照形式分類并闡述了它們的效果與形態(tài)之間的聯(lián)系。全書以百科全書的方式，為建筑師提供了設(shè)計(jì)工具包。2011 年第212 期Archi tecture Design 雜志邀請(qǐng)GeorgeL Legendre 作為編輯，完成了一期名為數(shù)學(xué)空間的專題，在其中詳細(xì)的闡述了新的幾何學(xué)在當(dāng)今建筑形態(tài)操作中的角色和意義。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑表皮設(shè)計(jì)中的運(yùn)用手段

3.1 基于性能的曲面優(yōu)化

自由曲面的實(shí)際建造問題是建筑工程和設(shè)計(jì)階段的巨大挑戰(zhàn)。完整的設(shè)計(jì)和施工流程包括了許多方面，包括了形式尋找、分組建、材料、數(shù)據(jù)以及造價(jià)。幾何學(xué)雖然不能解決所有的問題，但是對(duì)于幾何體的認(rèn)知是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵步驟。在實(shí)際中，對(duì)于自由曲面的優(yōu)化是很關(guān)鍵的知識(shí)。

諾曼·福斯特（Norman Foster）的大英美術(shù)館改造項(xiàng)目中，從自由曲面的形態(tài)到曲面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)劃分都經(jīng)過了數(shù)學(xué)優(yōu)化。首先曲面的形狀是由三個(gè)方程疊加而確定的。這三個(gè)方程考慮到了建筑、規(guī)劃、結(jié)構(gòu)和凈空的要求。屋頂?shù)南薷呤乔娴氖滓拗茥l件。其次，曲面還要考慮到新的結(jié)構(gòu)如何與舊建筑結(jié)合。因?yàn)闄M向的推力會(huì)使得舊的建筑受到破壞，所以曲面在四邊的方向上只能有單向的曲率，從而保障單向的荷載能夠由四邊上的垂直梁化解。同時(shí)曲面的最高點(diǎn)沒有落在跨度的中心而是偏向了一邊，這解決了舊建筑門廊上的山花問題。同時(shí)減小了屋頂對(duì)原有建筑的側(cè)推力，保證了屋頂荷載分布的均勻。

其曲面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化采用的是一種“張馳法”的方法，目的是盡量使桿件的尺寸統(tǒng)一，同時(shí)具有相對(duì)均衡的受力狀態(tài)。這一方法的原理是通過數(shù)字化的迭代過程，將原有的曲面上的節(jié)點(diǎn)組合，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都被迭代重復(fù)計(jì)算。曲面頂點(diǎn)在每一次松弛后都被投射回最初設(shè)計(jì)的曲面。這樣，曲面上的頂點(diǎn)就相當(dāng)于在曲面上移動(dòng)，并逐漸達(dá)到了平衡狀態(tài)。這個(gè)過程不斷的重復(fù)，知道最終頂點(diǎn)之間的距離差別小于某一個(gè)設(shè)定的誤差值。設(shè)計(jì)師就得到了理想的分面結(jié)果。

這種迭代一直持續(xù)直到建筑師和結(jié)構(gòu)工程師滿意的狀態(tài)，整體網(wǎng)格呈現(xiàn)出螺旋的結(jié)構(gòu)，同時(shí)屋頂網(wǎng)格的交點(diǎn)恰好能結(jié)束于曲面的四邊上。最終，這層表皮被“貼”在曲面上，每一個(gè)桿件被賦予一個(gè)沿表面隨意變換的角度，以便調(diào)整每塊玻璃的尺寸。

3.2 BIM 技術(shù)輔助自由曲面形態(tài)設(shè)計(jì)

自由曲面建筑的結(jié)構(gòu)普遍比一般的建筑形態(tài)要復(fù)雜，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（CAD）及建筑信息模型技術(shù)（BIM）的發(fā)展，自由曲面建筑形態(tài)結(jié)構(gòu)也越來越容易實(shí)現(xiàn)。

在筆者參與設(shè)計(jì)的南京蜂巢酒店項(xiàng)目中，多個(gè)軟件平臺(tái)下的電腦模型貫穿于從方案設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)施工的各個(gè)階段。整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程大致如下：

方案階段：

通過矢量圖形軟件，將設(shè)計(jì)師的手繪草圖轉(zhuǎn)化為建模軟件可識(shí)別的nurbs 曲線，并通過rhino 建成方案造型模型。

初步階段：

初步階段建筑的面積需要精確的控制，同時(shí)房間的凈高、采光、疏散、通風(fēng)以及結(jié)構(gòu)的合理性都會(huì)對(duì)建筑形體產(chǎn)生一定的影響。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將平面cad 圖紙與rhino 建筑模型進(jìn)行擬合，并直接在rhino 模型上進(jìn)行修改，可以直觀的控制建筑形體的變化程度。

施工圖設(shè)計(jì)階段：

施工圖階段幕墻的深化工作需要解決兩個(gè)主要問題：①結(jié)構(gòu)和構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的精確定位；②機(jī)電專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容在模型中的擬合。為了解決這兩個(gè)問題，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用了更加工程化的revit 平臺(tái)模型。

區(qū)別于通常以平面提資為主的工作方式，該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)專業(yè)通過有限元分析軟件和BIM 模型軟件的接口，直接將結(jié)構(gòu)部件的模型整合在BIM模型中。這樣各專業(yè)可以清晰的觀察到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大小尺寸。同時(shí)，對(duì)于一些復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)專業(yè)可以將精確的模型直接提供給鋼結(jié)構(gòu)公司生產(chǎn)。

機(jī)電專業(yè)的提資也不僅僅是平面信息，各個(gè)專業(yè)將自己所需的空間做成包絡(luò)體定位在BIM 模型中，這樣可以直觀的排查沖突點(diǎn)，從而精確的控制建筑設(shè)計(jì)完成度。暖通專業(yè)除了通常的管線碰撞試驗(yàn)外，還需要考慮到各個(gè)排煙口對(duì)造型的影響，通過與建筑專業(yè)在模型上更加直觀的溝通，最大程度的保證建筑造型的美觀程度，如圖1、圖2 所示。

圖1 南京蜂巢酒店外觀效果

圖2 特殊鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)BIM 模型

4 總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的變化發(fā)展，研究人員把工作重心逐漸向設(shè)計(jì)配合計(jì)算機(jī)技術(shù)上進(jìn)行轉(zhuǎn)移。歷經(jīng)多年嘗試，參數(shù)化設(shè)計(jì)理論和手段已經(jīng)取得相應(yīng)成效，達(dá)成了遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)的預(yù)期發(fā)展目標(biāo)。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)在建筑形態(tài)中終究只是輔助的角色。曲面建筑形態(tài)終究還是受到一套邏輯體系的控制。設(shè)計(jì)師只有知其然也知其所以然，才能更好的掌握新的方法，更合理的運(yùn)用新的技術(shù)做出理想的設(shè)計(jì)。