數(shù)字鏈
——生成設計與精確建造的橋梁

李飚 唐芃 李鴻漸

東南大學建筑學院建筑運算與應用研究所

東南大學建筑設計研究院有限公司建筑運算與應用聯(lián)合教授工作室

業(yè)主：南京湯山溫泉旅游度假區(qū)管理委員會

建設地點：江蘇省南京市江寧區(qū)

建筑設計：東南大學建筑設計研究院有限公司建筑運算與應用聯(lián)合教授工作室

聯(lián)合設計：南京倍立達新材料系統(tǒng)工程股份有限公司

項目負責人：李飚

設計團隊：李飚、唐芃、李鴻漸、郭翰宸、楊波（結構）

建筑面積：293m2（橋面面積）

設計時間：2018

建成時間：2019

攝影：許昊皓、王笑、唐芃

1 項目概要

南京湯山礦坑公園入口景觀廊橋是連接城市道路與園區(qū)的人行入口，景觀橋北起美泉路，橋身跨越場地既有池塘，指向北側湖面并與礦坑宕口遙遙相對。作為園區(qū)游覽路線的起點，廊橋一方面是城市景觀與自然景觀的過渡載體，引導游人進入園區(qū)、跨越通行；另一方面作為景區(qū)入口的標識，需兼顧其引導性和標志性，同時體現(xiàn)出園區(qū)的風格定位，形成由喧鬧城市到天然盛景的“過濾器”。廊橋內外空間貫通，其本身也成為公園一景。

橋身設計順應場地既有現(xiàn)狀，借助自然地形，緩坡向西北方向引入場地。橋面入口處標高57.4m，出口處標高58.3m，高差約1m，平橋橋面長52.7m，橋面面積293m2；上蓋部分長43.2m，平均寬度8.7m，內部最低點距橋面3.1m，外部最高點距橋面6.1m。廊橋連廊對景巧妙地將人流引導向北側礦坑宕口，出口與園區(qū)內景觀道路連通，向東可到達茶室，向西可通往園區(qū)游客中心。橋體為鋼筋混凝土框架結構，廊道上蓋為鋼筋混凝土網架結構外掛GRC（Glass Fiber Reinforced Concrete，即玻璃纖維增強混凝土，異形曲面建筑常用表皮造型材料）。項目抗震設防烈度為7度一組，結構設計使用年限為50年。

2 設計意象

為體現(xiàn)從城市環(huán)境到礦坑公園的氛圍轉換，穿過廊橋進入景區(qū)的設計意象在方案設計之初就已經確定。這是一條由城市道路跨越水面指向公園湖面的通道，其本身的體量厚重而低矮，仿佛在崖洞中穿行。光線通過“崖壁”上富有韻律的自由開孔引入，在橋面上形成富有節(jié)奏的光影。與這個空間體驗形成鮮明對比的是走出廊橋后開闊明亮的公園美景，而始終引導著人們向前探索的是作為廊橋出口對景的礦坑特有的景觀。從厚重低矮到豁然開朗的空間氣氛轉換，在心理上加強了場景切換的儀式感，完成從路途奔波到輕松游園的心理過渡。這種特殊的進入體驗也在后續(xù)方案的調整中一直得以延續(xù)。

最終實施的方案造型來源于自然山體和巖洞，并關注人在廊橋內部的感受與周邊環(huán)境的互動關系。為簡化受力邏輯，使結構體系更加清晰明確，景觀橋分為步行橋面（平橋）及罩住步行橋的上蓋兩個相互獨立的結構體。上蓋部分采用白色有顆粒感的GRC裝飾混凝土表皮，使廊橋整體顯得粗獷自然，其側邊緣流暢起伏的曲線與場地中的自然山體和礦坑遙相呼應，在堅硬質感的基礎上使整體效果更加流暢輕盈。褶皺內部預留空間安裝燈帶，在夜色中勾勒出廊橋標志性的輪廓曲線。構件分縫順應曲面形態(tài)均勻分布，表面微微凹陷的三角圖案若隱若現(xiàn)，隨整體形態(tài)收放變化，形成連續(xù)自然的紋理，為橋面空間增添了更多尺度宜人的有趣細節(jié)。

1 鳥瞰

2 總平面圖

3 建成效果與地形關系

4 建成前場地環(huán)境（2017年）

5 建成后礦坑宕口的對景（2019年）

供行人步行的平橋為常規(guī)的鋼筋混凝土結構，橋面總長52.7m，其中最窄處橋面寬度為3.6m，最寬處為7m，橋面總面積為293m2。平面形狀順應上蓋部分的曲線走勢，呈迂回曲折的S形，其中S的兩處突出上蓋的部分形成開敞的可供游客休憩眺望的觀景平臺，為游客穿行增加了趣味感。橋面的面層選用混凝土鑲嵌石子的做法，篩選2～5cm粒徑的黑色石子作為材料，在其中鑲嵌了直徑3cm的點狀LED燈，這些點狀燈具與流線形LED燈帶共同組成橋面的照明系統(tǒng)。經過模擬集群算法，生成了燦若星河的照明效果，在夜晚與橋身的照明共同勾勒出浮于水面的奇幻效果。橋欄桿配合橋的整體形態(tài)采用了模擬生物體骨骼的構成邏輯，通過對自然生物結構的模擬，欄桿形式隨橋面邊緣曲率不斷變化，形成連續(xù)漸變的有機形態(tài)。所有欄桿形狀各異，其加工圖紙均由團隊編寫的計算機程序自動導出，并由激光切割機等數(shù)控加工設備精確制造，保證了最終設計成果的準確性。欄桿扶手在橋面凸出的休憩平臺處逐漸放寬，便于游客放松依靠、駐足觀景。

6 橋面燈帶夜間照明效果

7 方案設計模型

8 白色帶巖石顆粒效果的GRC面材

9 橋面黑色卵石與點狀LED鋪裝試樣

10 形體控制空間曲線及關鍵剖面

11 景觀廊橋軸測分解圖

3 設計細節(jié)

景觀橋的上蓋異形曲面部分采用單層結構網殼外掛GRC混凝土構件做法，也是方案深化設計階段的重點和難點所在。上蓋部分整體形態(tài)可分為上、下表面以及側邊三個區(qū)域，連續(xù)變化的曲面模糊了豎直和水平方向之間的硬性邊界。側邊緣層疊的皺褶形態(tài)呈周圈環(huán)繞，并隨整體形態(tài)起伏收放變化——在橋兩端收窄使邊緣更加輕盈，在中部又如散落的絲帶層層擴大，將鋼結構網殼與混凝土基礎的連接處隱藏其中。上蓋復雜的曲面整體形態(tài)由若干關鍵剖面所限定，并由三維建模軟件中相應的曲面生形函數(shù)計算生成。設計師通過對關鍵截面曲線形狀以及截面位置、角度的調整，實現(xiàn)對整體造型的控制。截面中的折線最終形成側邊區(qū)域的皺褶形態(tài)，通過硬朗的棱線突出曲線的蜿蜒走勢。深化后的截面同時為側面周圈環(huán)繞的燈帶預留了安裝空間，使得燈具線路得以隱藏，通過混凝土表面漫反射形成柔和的燈光效果。

在方案概念設計階段形態(tài)意象初具雛形后，經過與團隊結構工程師的共同探討，最終確定上蓋部分選用單層網殼結構體系。通過概念模型確定鋼網殼的基準三角網格，由團隊結構工程師進行驗算，并根據(jù)結果反復調整，確定合理的結構網格。GRC曲面混凝土構件自身背面預埋鋼架，并通過焊接連接桿件及相關調節(jié)構造與主體結構相連接，因而其表面與主體結構間的距離受自身結構和安裝空間的約束，需控制在一定范圍內。在上蓋罩棚曲面造型的深化階段，主要工作就是在確定的鋼結構網格和GRC預留空間的限制下對曲面形態(tài)的不斷調整。

單個GRC構件的外形尺寸受成型效果、制造工藝、曲面曲率、交通運輸、綜合造價等多方因素的制約，經過與加工單位多次討論和試驗，此次設計中GRC單元構件的尺寸被限制在2m×2m范圍內，以保證構件分縫網格對應于整體的適宜尺度和結構網架的尺寸，在完成效果和加工建造的便利性之間取得平衡。整體造型的分塊設計是本項目的工作重點之一。常規(guī)做法是通過間距固定的正交網格對曲面進行劃分，以便保證構件單元與主體結構之間的連接網架相對統(tǒng)一，降低施工難度。然而考慮到施工安裝階段的誤差，單元構件之間必須預留一定寬度的縫隙用于誤差消解。這一操作使得正交體系下的網格分縫常常顯得生硬，影響曲面造型的整體效果?？紤]到以上因素，設計團隊選擇以單層鋼結構網殼的網格尺寸為參照，結合曲面自身UV曲線對上下表面進行剖分，根據(jù)各構件單元自身形狀尺寸以及與結構網格間連接的合理性，調整和優(yōu)化相關控制參數(shù)。側邊區(qū)域的單元構件則根據(jù)上下表面剖分后曲面邊緣對應的分割點進行劃分，并與上下表面邊緣及與之相連的小構件合為一體，增加了施工的便利性。最終單元構件安裝完成后，通過白色密封膠填補構件間隙，保證了上蓋部分的防水性能。與曲面邏輯一致的分縫線條同時也為整體造型帶來了更多裝飾性細節(jié)，豐富了項目的視覺感受。

4 非標曲面設計的數(shù)字化實現(xiàn)

非線形曲面造型建筑因其靈動自由的形式特點，常用于對標識性要求較高的設計場景。隨著三維曲面建模軟件的不斷推廣完善以及曲面幕墻技術的逐步普及，越來越多的劇場、高鐵站等城市大型公共建筑通過個性化的曲面造型塑造其獨有的地標形象，參數(shù)化異形曲面建筑設計也成為了建筑設計行業(yè)的高頻熱詞。然而近年來國內大量涌現(xiàn)的曲面建筑實例卻出現(xiàn)了建造困難、造價浪費、空間比例尺度失衡等現(xiàn)象。究其根本，在曲面建筑看似自由流動的形象背后，需要嚴格的數(shù)理邏輯把控，其實現(xiàn)也要依托設計師扎實的形式感、功能性的協(xié)調能力和對施工流程的充分了解與嚴格把控，其建造相較常規(guī)建筑要求苛刻數(shù)倍。通常三維異形曲面在建模平臺通過各類函數(shù)和參數(shù)集得以精確描述，建筑師通過選擇函數(shù)和調整參數(shù)實現(xiàn)對形體的控制，因而必須對相關軟件及生形函數(shù)足夠熟悉，才能加以靈活運用并服務于具體的設計情境中。在實際的設計過程中，結構和造型設計則需要同時考慮，邏輯清晰簡明的結構配合是項目落地的關鍵因素。與此同時，曲面幕墻的加工建造工藝也是形體塑造時需要重要考慮的限制因素，構件尺寸限制、需要預留的最小安裝空間等具體細節(jié)需要在方案造型設計之初就加以考慮，并以參數(shù)方式寫入控制程序。

12 西立面圖

13 西立面建成效果

筆者所在的東南大學建筑運算與應用研究所，在建筑生成算法及數(shù)控加工建造方面具有一定的科研和教學經驗積累，主要研究方向是基于“數(shù)字鏈”的設計—建造全鏈條方法實現(xiàn)。本項目提供了一次很好的將科研成果向實踐轉化的機會，從生成設計到數(shù)控建造的過程，通過設計算法生成形體并導出加工數(shù)據(jù)，通過機械臂、激光切割等數(shù)控加工設備（CNC設備）加工并在現(xiàn)場拼裝建造完成。其中CNC設備的優(yōu)勢在于依據(jù)數(shù)據(jù)而不是依據(jù)圖紙進行加工，因此得到的構件尺寸極其精確，但這同時也要求生成設計本身各個環(huán)節(jié)同樣準確無誤。“數(shù)字鏈”中任意一環(huán)的小錯誤都可能直接導致整體項目無法安裝，因而設計師必須對從生成算法到制造工藝的每一個細節(jié)都了如指掌。在最初接到本次任務時，團隊感受到了巨大壓力：這種規(guī)模的標識性構筑物設計對團隊是首次嘗試，其結構形式、安裝形式都需要專業(yè)配合，工藝細節(jié)也都需要深入探索，對我們是機遇也是一次實戰(zhàn)演練。

14 建成實景

15 建成實景

16 建成實景

17 建造過程

5 結語

本項目作為連接城市與自然景觀的景觀連廊，也是景區(qū)主要的人行出入口。設計追求精確細致的非線性造型，探索基于數(shù)字技術的設計方法，力求建筑設計與結構設計精確配合，既創(chuàng)造出漂浮于水面的外觀效果，又有在洞穴中探險的內部感受。在設計中采用了運算化設計技術，將設計的形態(tài)通過數(shù)據(jù)流傳輸?shù)浇ㄔ於?，再現(xiàn)到實際效果中，是一種無紙化設計技術?；跀?shù)字鏈的算法程序生成了建筑形式，并可以精確調整形式與結構的關系，精確計算出每一個與結構網格相對應的GRC體塊數(shù)據(jù)，使得非標曲面造型可以完美再現(xiàn)，將誤差減少到最小。

基于數(shù)字技術的生成設計—數(shù)控建造的過程，符合未來新型建筑工業(yè)化的要求，建筑設計及其建造實現(xiàn)本身也是對各要素綜合平衡的過程。對于追求表現(xiàn)力的非標曲面形體，對設計師在三維曲面找形、傳統(tǒng)設計訓練下的比例關系、對先進加工工藝的了解等方面提出了更高要求。在專業(yè)分工日益細化、各專業(yè)技術突飛猛進的大趨勢下，建筑行業(yè)需要依托數(shù)字鏈技術，使更多設計要素與行業(yè)先進技術產生聯(lián)系，展現(xiàn)出更多的可能性。在這樣的背景下，生成設計中的算法模塊是可以積累復用的，在不同設計要求下能夠應對不同場景，這也是數(shù)字化設計相比于傳統(tǒng)設計方法的一大優(yōu)勢。

圖片來源

圖3，15，16為許昊皓攝影；圖6，13為侯博文攝影；圖8，9為唐芃攝影；圖14為王笑攝影；其余均為作者自攝或自繪。