趙 旭 吳吉明

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，100044 北京)

Zhao Xu，Wu Jiming

(Beijing Institute of Architectural Design(BIAD)，Beijing 100045，China)

1 引言

對(duì)于復(fù)雜形態(tài)的模型建構(gòu)除了要保證建構(gòu)過(guò)程的數(shù)學(xué)關(guān)系，我們必須要考慮模型的整體形態(tài)與建構(gòu)的邏輯關(guān)系，同時(shí)我們也必須充分考慮和上層規(guī)劃邏輯的對(duì)接。本文正是我們?cè)谔飒{大學(xué)體育中心項(xiàng)目中的實(shí)際體會(huì)，提出了一套基于設(shè)計(jì)師思路的整體性的數(shù)字建構(gòu)方式與邏輯優(yōu)化心得。［1］

圖1 天師大學(xué)體育中心東南側(cè)鳥瞰效果圖

天獅大學(xué)體育中心位于天獅大學(xué)天津武清校區(qū)?？傆玫孛娣e109 240 m2，總建筑面積71 000 m2，其中包括一座3 萬(wàn)人體育場(chǎng)和一座4 千人體育館。(圖1)

圖2 天獅大學(xué)體育中心西南側(cè)鳥瞰效果圖

體育中心建筑單體的設(shè)計(jì)，是在前期校園5 000 畝大規(guī)劃的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。園區(qū)北側(cè)不但有標(biāo)志性的龍鳳河景觀，而且內(nèi)部也由大小不同的人工水系串聯(lián)。規(guī)劃設(shè)計(jì)中豐富的水紋肌理，為建筑師提供了靈感來(lái)源:可不可以用一條“流動(dòng)”的曲線，勾勒出整體建筑輪廓，化零為整，整合建筑功能，順應(yīng)不規(guī)則用地形狀，一氣呵成，整個(gè)建筑形態(tài)應(yīng)該極具運(yùn)動(dòng)感，呼應(yīng)體育建筑的功能特點(diǎn)［2］。天際線輪廓應(yīng)該高低起伏，像空中隨風(fēng)飄舞的綢帶一樣，充滿激情與活力，而又不失浪漫氣質(zhì)。(圖2)

2 模型建構(gòu)與邏輯對(duì)接

2.1 原始模型的建構(gòu)

針對(duì)建筑師腦海中浮現(xiàn)的曲面造型，在方案階段，建筑師選擇在Rhino 平臺(tái)上進(jìn)行模型塑造。眾所周知，Rhino 采用NURBS(非均勻有理B 樣條曲線)的方式建構(gòu)模型，相比Polygon(多邊形)用一個(gè)個(gè)小四邊形來(lái)逼近真實(shí)曲面的建模方式，NURBS 能用較少的點(diǎn)控制較大的平滑曲面。NURBS 構(gòu)建的曲面，每一點(diǎn)都是通過(guò)方程計(jì)算的，生成的曲面可以做到絕對(duì)的平滑，并且可以極為精確地控制曲面質(zhì)量和形態(tài)，得到更生動(dòng)的造型，而Polygon 建模是不可能精準(zhǔn)描述曲面的［3］。(如圖3 -圖4)

圖3 Rhino 原始模型控制線＆線上控制點(diǎn)

圖4 Rhino 原始模型曲線生成曲面

這個(gè)階段工作的首要目標(biāo)，是在尺度合理的前提下，得到建筑師滿意的曲面形式。也可以說(shuō)，是為了后面的精確建模和AutoCAD 平面調(diào)整，深化建立一個(gè)基礎(chǔ)。這時(shí)建筑師先在Top 視圖下畫出幾條平面輪廓線，再在其它視圖中，反復(fù)調(diào)整這些曲線的控制點(diǎn)，使其在三維空間上的形態(tài)發(fā)生變化。之后嘗試曲線生成曲面的幾種不同命令，反復(fù)比較得出的曲面效果，建筑師最終選擇了先分別將頂部3 條曲線和側(cè)面2 條曲線放樣成曲面，再將兩片曲面折中匹配，并調(diào)整匹配參數(shù)，繼而得到理想的建筑形態(tài)。至此，由建筑師進(jìn)行操作的方案模型初稿完成。這個(gè)原始模型，是設(shè)計(jì)階段所有工作的開始，至關(guān)重要，它不但要充分地表達(dá)建筑師的設(shè)計(jì)意圖，構(gòu)思想法，還要提供給BIM 工程師以及結(jié)構(gòu)工程師足夠的信息，以便他們開始介入設(shè)計(jì)工作。

原始方案模型會(huì)和很多設(shè)計(jì)因素互動(dòng)調(diào)整。而互動(dòng)的平臺(tái)，是采用程序算法生成模型的grasshopper(GH)，一款同樣在Rhino 環(huán)境下運(yùn)行的參數(shù)化插件。GH 最大的價(jià)值，在于它是以自己獨(dú)特的方式完整地記錄從起始模型到最終模型的建模過(guò)程，從而達(dá)到通過(guò)簡(jiǎn)單改變起始模型或相關(guān)變量就能改變模型最終形態(tài)的效果。當(dāng)方案邏輯與建模過(guò)程聯(lián)系起來(lái)時(shí)，GH 就可以通過(guò)參數(shù)的控制直接修改模型，它是一款極具參數(shù)化設(shè)計(jì)的軟件。［4］

2.2 AutoCAD 界面中的數(shù)據(jù)控制

在GH 編寫程序之前，為了進(jìn)一步向自由曲面可施工化方向深入，建筑師需要對(duì)原始模型進(jìn)行規(guī)整，盡可能多地對(duì)模型上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空間定位。

首先，要在二維視圖中，規(guī)整模型控制線。在平面圖中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輪廓由3 條曲線組成，分別是最外側(cè)邊緣控制線，最內(nèi)側(cè)邊緣控制線和落地邊緣控制線。建筑師提取出這3 條曲線平面投影到AutoCAD 環(huán)境中，進(jìn)行微調(diào)，精確定位。把每條曲線都拆分成幾條連續(xù)相切的圓弧，每段圓弧的半徑盡量規(guī)整，再鎖定各圓弧的圓心，圓心可采用場(chǎng)地坐標(biāo)定位，而它們之間的距離，則沒有限制的必要。這些曲線在Z 軸方向上的定位，除了幾個(gè)特殊點(diǎn)會(huì)在剖面中確定，其余所有點(diǎn)在Z 向量上的定值，都來(lái)自原始模型中控制線的空間屬性，這些屬性可以被后面GH 的程序直接應(yīng)用。(見圖5 -圖6)

然后，建筑師再?gòu)脑寄Ｐ椭刑崛〕鲶w育場(chǎng)館3 個(gè)關(guān)鍵部位的剖面，分別是垂直足球場(chǎng)長(zhǎng)短邊的兩個(gè)剖面和造型末端各控制線收尾處的剖面。在AutoCAD 二維視圖中，結(jié)合上面提到的平面投影輪廓線，鎖定剖面最高點(diǎn)和端點(diǎn)的標(biāo)高。至于造型頂部曲面和側(cè)壁曲面之間的倒角，在剖面中可不做限制，因?yàn)樵谥蟮腉H 程序中，會(huì)對(duì)外表皮連續(xù)曲面的倒角半徑加以參數(shù)控制。

圖5 AutoCAD 平面輪廓線定位

圖6 AutoCAD 剖面確定特殊點(diǎn)標(biāo)高

以上階段的工作，需要綜合考慮看臺(tái)部分混凝土結(jié)構(gòu)的輪廓定位，兩者互動(dòng)調(diào)整?？磁_(tái)各層在AutoCAD 中的平面和剖面工作需要同步進(jìn)行，不斷擬合進(jìn)模型導(dǎo)出的控制線中，校對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和場(chǎng)心結(jié)構(gòu)是否矛盾，同結(jié)構(gòu)工程師溝通，預(yù)留出結(jié)構(gòu)構(gòu)件占用的空間，在綜合外觀和使用功能的前提下，做出調(diào)整，這個(gè)階段的工作，需要更加耐心細(xì)致，建筑師可能至少要做5 次以上修改，才能得到相互匹配的表皮和場(chǎng)心。

圖7 GH 界面編寫數(shù)學(xué)模型程序

圖8 GH 程序同步生成Rhino 模型

2.3 GH 數(shù)學(xué)模型的搭建

這些在AutoCAD 中加工深化過(guò)的曲線，可以說(shuō)就是原始模型和GH 程序之間的界面。建筑師此時(shí)，將AutoCAD 文件和原始模型文件，傳遞至BIM工程師處，他們會(huì)將AutoCAD 中的曲線，指定到GH程序中，同時(shí)，把原始模型中對(duì)應(yīng)AutoCAD 的控制線，植入GH。因?yàn)樵诰幊痰暮瘮?shù)模型里，需要利用這些控制線在Rhino 中的屬性，賦予曲線在Z 軸方向上的高度變化。這個(gè)階段的工作，需要BIM 工程師建立起相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，將程序生成的模型可視化，在Rhino 環(huán)境下，反應(yīng)給建筑師來(lái)確認(rèn)形體的美感和同原方案造型的差別。(如圖7 -圖8)

如果有不滿意的地方，對(duì)GH 生成模型的修改，一般是在兩個(gè)層級(jí)下進(jìn)行，一個(gè)是需要返回至Auto-CAD 界面，比如雙曲面外表皮的光滑度不夠，建筑師就會(huì)調(diào)整組成控制線圓弧的形狀，或者調(diào)整幾個(gè)剖面中關(guān)鍵點(diǎn)的標(biāo)高，再將優(yōu)化后的控制線重新指定到GH 中再次生成模型推敲，這時(shí)，GH 本身的函數(shù)模型不需要變化，只要替換原先程序中的曲線即可。另一中情況則不需要返回至AutoCAD 環(huán)境，如果控制線本身沒有問(wèn)題，而是它們之間的曲面有問(wèn)題，BIM 工程師可以通過(guò)調(diào)整GH 程序中的變量，或者增加新的變量來(lái)干擾模型生成效果，通過(guò)對(duì)程序本身的修改，得到與之聯(lián)動(dòng)的模型修改。

2.4 項(xiàng)目的后續(xù)修正與整合

對(duì)模型的修改和確認(rèn)需要建筑師和BIM 工程師共同完成，兩者要一起討論，找出問(wèn)題所在，反復(fù)試驗(yàn)，最終得到精確的模型。一般這個(gè)階段要占整個(gè)方案深化三分之一以上的時(shí)間，要想盡量避免無(wú)謂的反復(fù)修改和顛覆性的結(jié)構(gòu)改變，建筑師就要更加仔細(xì)的對(duì)待之前的原始模型和在AutoCAD 中的工作，因?yàn)镚H 程序中很多地方，都要用到這兩方面提供的信息，保證原始信息的準(zhǔn)確性，可以有效提高后面的工作效率。

此項(xiàng)目現(xiàn)正處于方案深化階段，建筑師確認(rèn)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)造型已傳遞至結(jié)構(gòu)顧問(wèn)處，結(jié)構(gòu)工程師正在計(jì)算受力情況，布置構(gòu)件具體位置。機(jī)電工程師也正在閱讀場(chǎng)心部分，看臺(tái)處和體育館室內(nèi)圖紙，與建筑師和體育工藝顧問(wèn)公司溝通確認(rèn)專業(yè)系統(tǒng)和各機(jī)房大致位置。隨著各個(gè)專業(yè)部門設(shè)計(jì)工作的深化，建筑師將匯總信息并加以消化，以Auto-CAD 二維圖紙的形式反應(yīng)給BIM 工程師，繼續(xù)完善GH 程序和Rhino 模型，同時(shí)各專業(yè)設(shè)計(jì)人員需要的信息，也能方便地從模型上提取。

關(guān)于本項(xiàng)目針對(duì)建構(gòu)方式的優(yōu)化我們總結(jié)如下的心得:

(1)更少的控制點(diǎn)更有利于打造更流暢的建構(gòu)控制;

(2)數(shù)字模型在各種轉(zhuǎn)換與輸出的過(guò)程中必須要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化;

(3)模型應(yīng)保證有效拆分可能;

(4)模型的轉(zhuǎn)換過(guò)程應(yīng)注重與精度以及與銜接部位的交接;

(5)各控制項(xiàng)間應(yīng)考慮適宜聯(lián)動(dòng)關(guān)系的并進(jìn)行有效的規(guī)劃設(shè)置。［5］

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)建筑師而言，這個(gè)項(xiàng)目方案階段的工作具有一定的實(shí)驗(yàn)性，尤其是對(duì)一些自由曲面造型的處理。相對(duì)應(yīng)用歷史“悠久”一點(diǎn)的CAD 軟件，和新興參數(shù)化軟件之間的邏輯轉(zhuǎn)換，不但能幫助建筑師更好地把握不規(guī)則造型的精確性，還可以大幅度提高工作效率。GH 提供的數(shù)學(xué)模型沒有摒棄傳統(tǒng)的模型建構(gòu)方法，而是在原來(lái)的基礎(chǔ)上，極大地優(yōu)化了模型的可操控性。

［1］吳吉明，趙旭，王娜等.整體式BIM—設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的整合［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2015，7(2):1-8.

［2］吳吉明，張慶利，趙旭 等.天獅國(guó)際大學(xué)城單體建筑方案.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，2014(9).

［3］袁烽，段文婷.簡(jiǎn)評(píng)《從控制到設(shè)計(jì)參數(shù)/算法建筑》［J］.時(shí)代建筑，2010 (1).

［4］張向?qū)?當(dāng)代復(fù)雜性建筑形態(tài)設(shè)計(jì)研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］吳吉明.建筑信息模型系統(tǒng)(BIM)的本土化策略研究［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2011，3(3):45-52.