數字滲透背景下的復雜建筑設計探索
——淺談東安湖體育場全過程參數化設計實踐

蔣玉輝 周宏偉 盛日照

環(huán)境模擬、性能優(yōu)化、3D打印、機器建造……數字技術正滲透到建筑設計的各個方面，并更新著設計與建造的流程。受益于建筑材料的日趨豐富和建造工藝的進步，建筑師的創(chuàng)造力得到極大解放，以非線性、自由曲面建筑為代表的復雜建筑越來越廣泛地呈現在公眾視野中，在復雜的形體設計邏輯下，結構性能、功能空間及施工建造都表現出對數字技術的依賴。此外，為滿足項目建設周期和大眾審美需求，建筑師亟需尋找一種更科學有效的設計方式，保證設計的高質、高效完成。

東安湖體育場數字技術實踐的探索與思考重點包括：1）將設計概念、項目所在區(qū)域特殊環(huán)境與不同維度建設需求相融合；2）有針對性地將數字技術與不同設計內容相協(xié)調、結合；3）保證體育建筑兼顧視覺標識性與實用價值。

1 數字滲透的全過程設計

東安湖體育場位于成都“東進”戰(zhàn)略核心區(qū)——龍泉驛區(qū)東安湖片區(qū)，是第31屆世界大學生夏季運動會開閉幕式主場館。項目南側緊鄰東安湖，與未來城市CAZ中心隔岸相對，景觀資源豐富。建筑形象契合“飛碟”造型，并以橫向的鋁合金格柵及“懸窗”玻璃幕墻體現建筑科技感，約27 000m的彩釉玻璃穹頂為亞洲之最。內場將部分視線質量較低的南北坐席轉移至東西看臺，構成類圓形的“看臺碗”。除觀眾休息廳、賽事組織用房等必需空間外，利用結構高度在南側29m標高處設置全景觀光廳，充分利用東安湖等景觀資源。此外，項目從設計到建成周期僅兩年，面對綜合體育場的復雜設計因素，我們選擇以全過程數字化的設計方案對項目各階段進行高效管控。

全過程數字設計以數據為核心，強調數據庫的建立與數據的傳遞、交互，以應用于項目全生命周期為目標。本項目以Rhino+Grasshopper搭建參數化設計平臺，形成“設計參數—建立算法規(guī)則—結果評價與反饋—迭代與優(yōu)化”的設計框架，具體應用內容包括看臺設計、體育場形體研究、內部空間BIM協(xié)同設計等，整個過程采用迭代、優(yōu)化的思路實時調整設計參數，以計算機虛擬呈現的方式實時評判設計的合理性與完成度。

整個過程中，以參數化看臺形式為起點，建筑師基于算法生形、形體構建、數字建造進行全過程設計，將設計、建造直觀納入職責與掌控范圍。

2 算法生形——從無到有的幾何參數化設計

算法生形是根據特定的幾何邏輯，通過代碼編程的方式生成幾何形體的過程，形體生成結果具有多解性、多樣性。算法生形分為兩種方式，一種是根據既定數學模型進行計算，如扎哈x 哈迪德在伊斯坦布爾新區(qū)城市設計中采用羊毛算法的設計思路；另一種是根據概念制定計算邏輯，生成建筑形體。后者綜合了建筑師的主觀情感與客觀的理性分析，是現階段應用較為廣泛的設計方式。

1 沿湖外觀

2.1 空間導向的拓撲生形策略

東安湖體育場建筑形體以內場空間形態(tài)為導向，基本形采用與看臺形態(tài)相呼應的圓形，建立如下邏輯：1）以體育場平臺（7m 標高）作為底邊緣Crv2 標高參數；2）讀取看臺7m 標高層輪廓線，確定功能用房、觀眾休息廳寬度，將兩者集合作為底邊緣Crv2 半徑參數輸入；3）根據場地及看臺罩棚覆蓋率確定頂邊緣Crv1 半徑參數；4）根據工藝照明需求確定頂邊緣Crv1 標高，并輔助城市條例、建筑師主觀判斷等復核、優(yōu)化頂邊緣標高；5）根據第一、四步繪制截面輪廓線Crv3；6）計算生成不同拓撲形態(tài)，綜合優(yōu)選幾何形體。

2.2 基于視線分析的形體深化

體育場形體深化中將“懸窗”玻璃幕墻作為重要構成元素，保障體育場內不同空間的良好觀景視野。結合內部功能策劃需求，設置東西側懸窗與南側觀景懸窗。形體深化可拆分為景觀視線質量分析以及玻璃幕墻匹配。視線質量分析包括：1）對基礎形體進行網格單元劃分；2）設置視線分析取值點，包括東安湖主體景觀及火炬塔、東安閣等景觀節(jié)點；3)參考體育場看臺視線質量參數，設置視距、視高與視線角度三個參數，并為不同參數分配權重；4）分析視線質量結果，綠色表示視線質量差，不能看到或者極少區(qū)域能看到東安湖等景觀，紅色則表示視線質量良好。

結合視線質量分析結果，東西側懸窗結合觀眾休息廳標高及平面區(qū)域設置，將西側懸窗部分設置在視線質量較差的區(qū)域，原因在于東側視線質量明顯高于西側，因此玻璃幕墻范圍匹配以東側為主導，西側與東側對稱布置；南側觀景懸窗設置在形體高區(qū)，避免遮擋內場觀景視線，水平范圍設置在視線質量良好的區(qū)域，并綜合垂直交通體數量（主要受防火分區(qū)數量影響）以及空間集約、高效利用等因素，以減少對內場視線遮擋。此外，根據結構找形匹配調整懸窗設置高度及范圍，滿足結構合理性需求。

2 構成體系

3 全過程數字應用技術路線

4 幾何參數化的形體設計

5 視線質量分析

6 玻璃幕墻范圍匹配示意

3 形體構建——從有到美的性能參數化設計

形體構建基于算法生形結果，根據結構性能、環(huán)境性能、材料性能等評價標準進行優(yōu)化設計，將具有視覺感觀的形體“美”升華為具有建筑性能品質的內在“美”。建筑性能并不能簡單等同于經濟性，而是期望以性能參數化的技術手段，綜合自然、人文、生態(tài)等因素，實現建筑全生命周期的可持續(xù)運營。因此，這是一種超越工作效率與經濟效益的設計方式。

東安湖體育場因其內場、觀眾休息廳等空間形態(tài)具有大跨度、大懸挑的特點，因此結構成為性能優(yōu)化的重要內容。Grasshopper插件Ameba是一款基于雙向漸進結構優(yōu)化法（BESO）的拓撲優(yōu)化設計軟件，為基于結構性能優(yōu)化的建筑形體設計提供了良好的研究平臺。性能分析結合建筑特點，分別對北側、南側以及東西側三個典型剖面進行不同工況的結構性能模擬：北側僅承受屋面荷載、東西側承受屋面荷載及觀眾休息廳荷載、南側承受屋面荷載及高空觀光廳荷載。根據計算發(fā)現，靠近內場懸挑部分（A）及外側曲面部分（B）是需要優(yōu)化的重點內容。其中A處為燈光照明的環(huán)形馬道，應在滿足2m的凈高需求下，盡可能減小A端結構厚度。B處形體結構性能較低，形體優(yōu)化策略包含兩方面：1）綜合南側高空觀光廳內部空間體驗及使用效率，適當縮小懸挑，將結構內側作為休閑、展覽等功能空間，外側作為室外觀景平臺；2)除高空觀光廳外，其他區(qū)域利用幕墻體系塑造原有建筑形體。

7 結構性能模擬

8 A 區(qū)燈橋馬道優(yōu)化調整

4 數字建造——從美到精的建造參數化設計

數字建造強調依據材料特性進行虛擬建造研究，該階段更注重材料的單元劃分方式、構造方式以及材料間的相互聯系。利用計算機方便地調整各構件形式以及連接方式，避免效率低下的手工建模方法。借助參數化的設計方式及批量的輸出成果，現代化的數控加工等手段為復雜建筑的精美呈現提供了強有力的技術支撐。

東安湖體育場立面橫向格柵設計須兼顧通透性與整體性，即既能體現看臺內場“望山見水”的空間效果，又能在體育公園以及城市片區(qū)中呈現完整統(tǒng)一的建筑形象。在計算規(guī)則的建立中，以截面形式、尺寸、通透率等參數對立面通透性影響以及相互關聯性進行研究，計算得出符合設計概念的截面形式。

體育場結構選型為“立面正交網架+屋頂平面桁架”的結構體系，水平格柵單元劃分原則與立面網架成對應關系，不額外增加結構系統(tǒng)。如果簡單地與結構體系對應，會使得格柵單元長度不一、連接點增多，增加加工難度，效果不理想。方案最終沿逆時針單方向與結構相對應，使得格柵單元需要在約12m跨度上滿足最小撓度（1/180跨度）的需求。因此，截面尺寸選擇成為項目成敗的關鍵因素，截面尺寸太小，撓度變形大；截面尺寸太大，自重加大，經濟性降低。將格柵豎向撓度變形計算公式寫入Python編程代碼，對比不同截面尺寸（200mm? 100mm、400mm? 200mm、600mm? 300mm）的變形程度，并綜合通透率（滿足消防排煙的最小通透率25%、35%、50%）以及整體效果，最終選擇截面尺寸400mm? 200mm及立面通透率35%。

9 B 區(qū)優(yōu)化調整

10 格柵單元劃分研究

11 格柵截面研究一

如何對矩形截面進行再設計是實現內場通透性的重要環(huán)節(jié)，項目以拓撲變形的設計思路，利用Grasshopper 計 算 器Galapagos Evolutionary Solver，保證矩形框靠外側豎向高度不變（Pt1/Pt2 位置不變）以維持整體建筑的通透率，靠比賽場內側角點（Pt3/Pt4）進行豎向移動，且最大移動距離為150mm（保證豎向50mm 構造需求），將格柵對內場遮擋角度總和最小作為評判參數，以此迭代計算方式對矩形截面進行拓撲變形，發(fā)現Pt4向下移動能明顯增加內部通透率，Pt3 豎向移動對通透率沒有影響。依據拓撲分析結果，綜合泛光、排水等因素完成細節(jié)深化工作，并針對深化節(jié)點進行豎向撓度驗算，最后通過1：1 材料樣板比選不同表面處理工藝的光澤、光暈等，指導幕墻的生產與加工。橫向格柵數字建造過程直觀展現了體育場的建成效果，同時也極大提高了建筑師對項目的整體把控。

5 結語與展望

本文以東安湖體育場為例，從形體生成、空間構成和細部研究三方面闡述了全過程參數化設計策略。以定量分析取代了傳統(tǒng)定性分析的設計過程，注重多學科交叉與連接，使得建設項目兼?zhèn)淞硕嗑S度的性能合理性。此外，全過程設計以數據的建立與傳遞作為工作流程的基礎，保證了各專業(yè)、各學科間基于同一工作平臺的協(xié)同，破除了傳統(tǒng)設計信息不對稱的壁壘，為項目的高質、高效完成提供了保障。例如在結構專業(yè)同事配合下，建筑師能夠借助參數化的優(yōu)勢進行結構找形，并直接將計算模型交由結構專業(yè)進行計算，極大提高了設計效率。此外，整個幕墻系統(tǒng)的細部尺寸劃分工作均由建筑師完成，并直接交由廠家深化、加工，以信息零誤差的溝通方式保證了項目的完成度。

隨著科學技術的不斷進步，數字孿生、元宇宙等逐漸滲透到生活場景的各個方面，計算機的角色也正從數字輔助設計向人機協(xié)作轉變。處于這一歷史發(fā)展長河中，建筑師應當以更長遠的視野關注、思考建筑創(chuàng)作與數字技術的協(xié)作。

12 格柵樣式效果對比

13 格柵截面研究二

14 格柵節(jié)點示意

業(yè)主：成都華潤置地驛都房地產有限公司

建設地點:四川省成都市龍泉驛區(qū)

建筑設計：中國建筑西南設計研究院有限公司

項目總負責人：蔣玉輝

項目副總負責人：袁振華（體育場、三館）、金蓓（體育場）

體育場設計團隊：袁振華、周宏偉、錢聰、盛日照、鄧霽月、郝飛（建筑）；馮遠、陳文明、周全（結構）；文燁、李靜、楊紅兵、涂敏（給排水）；陳英杰、張明宇、李泊然、姚奇（暖通）；銀雪、李江濤、陳漢、徐勝梅（電氣）；吳寰、補翔宇、楊異（智能化）；董彪、趙鑫、向宇（幕墻）

三館設計團隊：袁振華、都成、周宏偉、肖波、楊揚、邱嚴泉、錢聰、盛日照（建筑）；王立維、張蜀瀘、劉翔、張志軍、陳迪、賴程剛（結構）；王建軍、劉帥、沈冰潔（給排水）；魏明華、杜燕鴻、吳佳（暖通）；李慧、鄭宇、張?zhí)?、邱玉（電氣）；吳寰、補翔宇、楊異（智能化）；董彪、趙鑫、向宇（幕墻）

三館聯合設計（方案、初步設計）：德國GMP國際建筑設計有限公司

總建筑面積：約32萬m

設計時間：2019.06—2020.09

建成時間：2021.04

1 意維攝影

2-14 作者自繪