國家級(jí)空管中心設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐
——以中國民航三中心設(shè)計(jì)為例

陳自明 姜海玉 姜力萍 尚文昊

中國中元國際工程有限公司

自2005年起，我國民航運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量已躍居世界第二位。航空運(yùn)輸業(yè)務(wù)量的持續(xù)快速增長，對(duì)空中交通管理水平提出更高要求。民航運(yùn)行管理中心、氣象中心工程及中國民用航空情報(bào)管理中心工程（以下簡稱“民航三中心項(xiàng)目”），是中國民用航空局批復(fù)的重點(diǎn)項(xiàng)目，是以民航運(yùn)行管理及數(shù)據(jù)處理為主的多功能、智能型項(xiàng)目。民航三中心項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)于提高民航空管運(yùn)行保障能力和航空氣象服務(wù)水平，以及進(jìn)一步提高我國民航的國際地位和影響力具有重大意義。

1 以“民航引擎”為起點(diǎn)的一體化設(shè)計(jì)

1.1 概念構(gòu)想

作為一架飛機(jī)的心臟，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是人類迄今為止所建設(shè)的最復(fù)雜的工程技術(shù)之一，既要在特殊的工作條件下滿足極端的安全性，又要考慮噪音、壽命和油耗問題，技術(shù)難度很高。我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)建設(shè)從仿制改進(jìn)到完全獨(dú)立研發(fā)，曾經(jīng)走過一條波折重重的道路。因此，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為民航空管行業(yè)最具象征意義的符號(hào)再貼切不過，這也成為了整個(gè)設(shè)計(jì)的靈感。航空發(fā)動(dòng)機(jī)以嚴(yán)密的工業(yè)技術(shù)為基準(zhǔn)，流暢柔和的力學(xué)曲線輕盈又強(qiáng)韌，理性又不失美感，設(shè)計(jì)力圖在平衡各種問題的同時(shí)，將其特性融入建筑之中。

1.2 功能整合

項(xiàng)目總建筑面積7.5萬m2，由具有世界先進(jìn)水平流量管理系統(tǒng)的運(yùn)行管理中心、氣象中心和新一代航空情報(bào)管理中心、后勤中心四大主要功能組成，各功能之間既要彼此聯(lián)系又要相對(duì)獨(dú)立，以滿足各部門之間信息安全與業(yè)務(wù)交流的雙重需求。結(jié)合整個(gè)院區(qū)規(guī)劃，確定場地以東西軸線為主要軸線，南北軸線為次要軸線，四個(gè)體量分置其中，同時(shí)每個(gè)體量都擁有獨(dú)立的私密院落，日照和自然通風(fēng)良好。相對(duì)獨(dú)立的四個(gè)院落型單體，圍繞中間流線型的共享大廳環(huán)形布局，形成外向性與內(nèi)向性兼具的空間形態(tài)。在緊張的用地條件下，不僅在各個(gè)入口形成廣場、花園、休閑空間，還在場地西南角預(yù)留了未來發(fā)展用地。

1.3 立面、景觀、室內(nèi)一體化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目對(duì)立面、室內(nèi)、景觀、照明進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，延續(xù)航空元素，使建筑在概念與形式上整體統(tǒng)一。立面以飛機(jī)舷窗為設(shè)計(jì)母題，柔美舒展的曲線與建筑形體交織錯(cuò)落、一氣呵成。屋面起伏、扭轉(zhuǎn)，同時(shí)機(jī)房被統(tǒng)籌其中，以淺色穿孔板覆蓋其上，形成整潔又動(dòng)感十足的第五立面。景觀設(shè)計(jì)的靈感來源于航空氣象圖的流線元素，曲線形綠化依建筑之勢漸次展開，形成別具特色的觀賞、休憩空間。用地中原有較多高大樹木，設(shè)計(jì)將其最大限度地保留，并使其成為景觀的一部分。室內(nèi)設(shè)計(jì)結(jié)合五大功能空間，從自然、人文、未來的角度取材，與建筑造型渾然一體。

2 參數(shù)化支撐空間的理性表達(dá)

在概念初始階段，建筑曲面造型與空間設(shè)計(jì)更偏感性，缺乏嚴(yán)密的邏輯性與唯一性。如何使民航三中心優(yōu)雅的造型得以“平穩(wěn)著陸”，高完成度地實(shí)現(xiàn)概念方案的落地建設(shè)，是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)面臨的又一個(gè)挑戰(zhàn)。

1 整體鳥瞰

2 布局生成圖

業(yè)主：中國民用航空管理局空中交通管理局

建設(shè)地點(diǎn)：北京市朝陽區(qū)

建筑設(shè)計(jì)：中國中元國際工程有限公司

聯(lián)合設(shè)計(jì)：中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司（工藝系統(tǒng)）

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：陳自明、姜海玉

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：塔林、馮睿、孔迪、姜力萍、周剛、楊文、羅佑新、江世茹、高敬、李順、張晨、高磊、時(shí)姍姍、邵琛

總建筑面積：74 985m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2016

建成時(shí)間：2021

攝影：存在建筑

3 園區(qū)沿街立面

在非線性建筑方案設(shè)計(jì)階段，首先，通過Rhino、3DMax、Maya等數(shù)字化建模軟件搭建復(fù)雜非線性空間，并通過NURBS曲面邏輯提升建筑師建模效率以及對(duì)復(fù)雜空間的感受度；第二，依托Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)中Ladybug、Honeybee、Geco、Elk等插件，實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)模型與環(huán)境模擬模型的實(shí)時(shí)同步，將實(shí)時(shí)反饋結(jié)果作為設(shè)計(jì)決策的依據(jù)之一，優(yōu)化建筑與環(huán)境間互為反饋的關(guān)系，提升建筑的節(jié)能性與使用舒適度；最后，依托遺傳算法理論的Galapagos插件，提升方案設(shè)計(jì)階段建筑師對(duì)多種不同方案的把握程度，快速得到相對(duì)優(yōu)化的解決方案。

2.1 感性造型的有理化表達(dá)

在方案深化階段，搭建各層輪廓數(shù)字化模型，通過調(diào)整輪廓范圍與各層高度可以快速得到建筑形體與總體面積指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)面積指標(biāo)、形體關(guān)系與建筑層高的平衡。在此基礎(chǔ)上，我們可以將非線性理解為未遵循幾何規(guī)律的線性變化，對(duì)此需要尋求基本的方法對(duì)原有曲線進(jìn)行重新定義，形成各專業(yè)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。在民航三中心項(xiàng)目中，我們分別運(yùn)用了曲線拆分法和曲線擬合法對(duì)曲線進(jìn)行有理化設(shè)計(jì)，通過空間圓弧、空間橢圓、拋物線函數(shù)、三角函數(shù)等對(duì)曲線進(jìn)行歸納。

（1）曲線拆分法

4 景觀廣場

5 內(nèi)庭院鳥瞰

6 黃昏立面

7 庭院景觀

8 建筑造型有理化

在民航三中心項(xiàng)目中，我們將共享大廳平面輪廓曲線拆解為兩段圓弧與一段橢圓相切，分別拾取橢圓和圓弧的部分弧長組合形成完整曲線造型。對(duì)于空間曲線，以共享大廳空間曲線S為例，我們運(yùn)用y=x2/2p來形成曲線的平面定義，同時(shí)運(yùn)用y=xsinA作為曲線的豎向定義，則S定義為y=x2/2p×sinA，其中P與A為可變量，通過對(duì)可變量的參數(shù)化調(diào)整可以快速得到曲線S的空間形態(tài)，且S可以為唯一曲線。

（2）曲線擬合法

對(duì)于空間形態(tài)復(fù)雜的曲線，當(dāng)無法用平面加豎向的組合方式來定義時(shí)，需要運(yùn)用微積分的原理進(jìn)行曲線擬合，即先明確曲線方程，然后確定擬合誤差范圍。首先將原有曲線拆解成多段簡單三維曲線，通過捕捉拆解后曲線的起始點(diǎn)及其他中心點(diǎn)坐標(biāo)，確定擬合曲線的輸入數(shù)值，根據(jù)數(shù)值及點(diǎn)坐標(biāo)形成圓弧或橢圓，通過定義圓心空間位置、圓弧所在平面、圓弧起始點(diǎn)坐標(biāo)等，對(duì)拆分后的每一段曲線進(jìn)行定義，這些多段曲線定義的集合即為完整的復(fù)雜空間曲線。雖然擬合后的曲線無法完全與原有三維空間曲線重合，但在合理的誤差范圍內(nèi)，即是一種合理的可進(jìn)行后期數(shù)據(jù)傳遞的曲線有理化方法。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有理化拆分

曲線有理化過程作為整體建筑深化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，定義了建筑的骨架，進(jìn)而對(duì)建筑表皮提出確定性定義。復(fù)雜曲面的形成往往依附于建筑主體結(jié)構(gòu)造型，而異常復(fù)雜的空間三維曲梁受力方式需要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，同時(shí)還受限于加工設(shè)備與加工費(fèi)用。因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將復(fù)雜三維曲面拆解為單曲面和平面，通過合理的幾何分解控制工程造價(jià)。三角拆面方法是一種常用的曲面拆解方法，其原理在于空間中任意三個(gè)點(diǎn)既可以形成一個(gè)平面，同時(shí)面域內(nèi)本身也具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

9 建筑中庭夜景

10 建筑中庭鳥瞰

11 編織筒建造過程

12 結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算

中央共享大廳是設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，也是實(shí)施的難點(diǎn)。前期設(shè)計(jì)雖然對(duì)編織桶進(jìn)行了唯一性定義，但對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)及幕墻來說很難實(shí)施，同時(shí)超大三層雙曲夾膠鍍膜玻璃無法生產(chǎn)，所以需要運(yùn)用平板曲面對(duì)其進(jìn)行拆解。考慮結(jié)構(gòu)模數(shù)與幕墻模數(shù)的一致性，我們決定使用三角平面進(jìn)行曲面拆分。通過拾取UV曲線對(duì)曲面進(jìn)行分層，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算均分曲線形成均值等分點(diǎn)，通過對(duì)最近間距三個(gè)等分點(diǎn)進(jìn)行分組形成三角平面。等分點(diǎn)的拆分通過參數(shù)控制，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)力情況、幕墻加工情況，室內(nèi)效果等因素綜合考慮并作出快速調(diào)整。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用犀牛軟件搭建結(jié)構(gòu)中線模型，對(duì)共享大廳鋼結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行模數(shù)優(yōu)化。對(duì)側(cè)立面雙曲幕墻結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行幾何優(yōu)化，優(yōu)化后的幾何數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)交點(diǎn)坐標(biāo)通過參數(shù)輸入至MIDAS與盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)荷載分析、震動(dòng)模擬分析，確定各部分結(jié)構(gòu)材料與計(jì)算桿件截面尺寸。同時(shí)對(duì)鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析與節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)，分析得到的結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)尺寸等基本數(shù)據(jù)以矢量模型與數(shù)據(jù)列表的組合形式傳遞到建筑專業(yè)，建筑專業(yè)以此作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。室內(nèi)精裝專業(yè)根據(jù)完善后的多專業(yè)模型進(jìn)行室內(nèi)幕墻及精裝設(shè)計(jì)并形成空間效果，建筑師根據(jù)綜合效果對(duì)大廳結(jié)構(gòu)、土建、機(jī)電、照明、精裝提出綜合意見，從而修改基礎(chǔ)幾何模型，構(gòu)成循環(huán)往復(fù)的多專業(yè)信息傳遞閉環(huán)。

2.3 數(shù)字化施工協(xié)調(diào)

2.3.1 鋼結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)

非線性建筑通常需要使用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工與搭建，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面。傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)中，施工階段的模型是基于設(shè)計(jì)模型的深化，本身不具有可逆性，當(dāng)原有設(shè)計(jì)模型通過鋼結(jié)構(gòu)加工及安裝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，工程會(huì)遇到較大資金及技術(shù)阻力。鋼結(jié)構(gòu)逆向工程階段，在結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)中同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)加工、安裝及造價(jià)，實(shí)現(xiàn)了圖紙信息、加工信息、安裝信息的協(xié)同優(yōu)化。

民航三中心項(xiàng)目共享大廳內(nèi)有12根復(fù)雜的空間曲梁，施工及安裝難度高。在深化階段，我們根據(jù)廠家提供的彎管機(jī)加工參數(shù)、彎管半徑、彎管長度等，將空間曲梁拆分為多段二維平面圓弧曲梁，從而通過彎管機(jī)快速加工，并在工廠預(yù)拼接，滿足吊裝要求。項(xiàng)目現(xiàn)場通過地面坐標(biāo)定位各段曲梁位置，吊車吊裝后快速焊接完成整體拼裝，安裝過程中實(shí)時(shí)對(duì)測試點(diǎn)進(jìn)行空間定位。整體設(shè)計(jì)、制造、安裝過程的數(shù)字化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工程的經(jīng)濟(jì)化、預(yù)制化、工業(yè)化。

2.3.2 幕墻逆向設(shè)計(jì)

非線性建筑復(fù)雜曲面需要幕墻來實(shí)現(xiàn)，在首層立面GRC幕墻設(shè)計(jì)中，首先運(yùn)用五軸雕刻機(jī)制作1:1比例木質(zhì)磨具，其次制作石膏的陰模來翻制精細(xì)化蠟?zāi)?，然后通過熱熔注漿的方法完成GRC幕墻的加工成型。為此團(tuán)隊(duì)考察了加工過程的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，明確五軸雕刻機(jī)加工尺寸、蠟?zāi)７瞥叽纭嶙{時(shí)模型強(qiáng)度要求、成品厚度要求、吊裝重量等。根據(jù)以上信息對(duì)GRC造型進(jìn)行優(yōu)化，降低幕墻厚度，減少二次結(jié)構(gòu)費(fèi)用及加工盲區(qū)，同時(shí)結(jié)合百葉透氣要求增加幕墻孔洞，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、造價(jià)的最優(yōu)化。

13 建筑鋁板幕墻

14 建筑室內(nèi)

15 夜景鳥瞰16 室內(nèi)環(huán)境分析

16 室內(nèi)環(huán)境分析

利用VR技術(shù)輔助設(shè)計(jì)，將三維空間模型與VR設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑室內(nèi)外各個(gè)空間的直觀體驗(yàn)。同時(shí)結(jié)合5D體驗(yàn)對(duì)施工團(tuán)隊(duì)進(jìn)行安全教育，借助全息投影技術(shù)，呈現(xiàn)具有真實(shí)空間維度的立體影像，使建筑的展示與表達(dá)更加直觀，也使施工團(tuán)隊(duì)對(duì)建筑整體效果有全面而細(xì)致的把握。

3 參數(shù)化平臺(tái)的全面應(yīng)用

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過多軟件協(xié)同，以Revit 為多類型軟件協(xié)同運(yùn)用的中樞平臺(tái)，使用Rhino、Grasshopper、Midas、盈建科及風(fēng)環(huán)境模擬、聲環(huán)境模擬等優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)感性美學(xué)與理性空間的平衡。Revit模型通過Autodesk360云渲染可以快速生成渲染效果，便于研究建筑空間與細(xì)部，節(jié)約人力、物力及時(shí)間成本。

（1）室外風(fēng)環(huán)境分析

方案階段，利用斯維爾Vent軟件對(duì)建筑風(fēng)壓及周邊風(fēng)速進(jìn)行分析，確保方案的可行性；深化階段，為了獲得更加精準(zhǔn)的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過3D打印技術(shù)建造超精度實(shí)體模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，保證結(jié)構(gòu)及形體設(shè)計(jì)更加安全經(jīng)濟(jì)。

（2）室內(nèi)聲環(huán)境分析

在戰(zhàn)術(shù)流量管理運(yùn)行大廳、業(yè)務(wù)系統(tǒng)監(jiān)控大廳放置聲源，運(yùn)用Raynoise進(jìn)行聲環(huán)境模擬。根據(jù)分析結(jié)果確定空間體積、墻壁與吊頂材料的吸聲系數(shù)，以滿足不同運(yùn)行狀態(tài)下的聲學(xué)要求。

（3）室內(nèi)采光分析

對(duì)Revit模型進(jìn)行斯維爾DALI室內(nèi)空間采光模擬，根據(jù)不同空間的功能調(diào)整窗戶尺寸，使采光與照明系統(tǒng)相互補(bǔ)充平衡，實(shí)現(xiàn)采光效率的最優(yōu)化。

4 結(jié)語

伴隨當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展，AI人工智能及工業(yè)4.0已納入國家科技發(fā)展綱要，數(shù)字化技術(shù)在建筑領(lǐng)域的研究對(duì)未來建筑設(shè)計(jì)施工智能化發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，也將成為實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期設(shè)計(jì)的重要手段。通過六年時(shí)間的反復(fù)打磨，民航三中心項(xiàng)目得以順利建成，被列為民航空管領(lǐng)域的“一號(hào)工程”，獲得第九屆“創(chuàng)新杯”建筑信息模型（BIM）應(yīng)用大賽科研辦公類第二名，2020年Active House Award（國際主動(dòng)式建筑）中國區(qū)競賽卓越獎(jiǎng)。項(xiàng)目通過參數(shù)化設(shè)計(jì)與建造全流程運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的提升，其中工程量核算效率提升5%，鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制率100%，鋼結(jié)構(gòu)模數(shù)化提升5%，管線碰撞減少70%。希望通過數(shù)字化技術(shù)在本項(xiàng)目中的應(yīng)用及總結(jié)，為后續(xù)相關(guān)工程提供幫助與參考。