蘇朝浩 向科 施立陽

1華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院股份有限公司

2華南理工大學(xué)建筑學(xué)院

以“絲路逐浪，南海方舟”為主題的中國（海南）南海博物館是我國第一座建成的適應(yīng)“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的國家級海洋類綜合性博物館，是一個融合海洋文化特征與海南地域特色、凸顯公共性需求、適應(yīng)復(fù)雜場地條件、具有濃郁濱海人文風(fēng)情和充滿活力的文化活動場所，更是體驗?zāi)虾Ｎ幕?、海南文化與中國海洋大國風(fēng)采的物質(zhì)載體及濱海文化的場所（圖1）。

博物館總用地面積100 196m2，總建筑面積70 593m2，包括展陳、業(yè)務(wù)保障、科研教育、科技服務(wù)及服務(wù)于“一帶一路”的會議展覽交流平臺等功能，容積率0.576，綠地率30.2%，建筑密度28%，建筑最高點48.45m，建筑高度為36.15m。建筑契合場地形成南北長、東西窄、面向水面微微彎曲的狹長建筑體量，保留橫貫基地內(nèi)的紅樹林河道。整體建筑分為南、北二區(qū)：南區(qū)為博物館主體，地下1層，地上5層；北區(qū)地上5層，主要為會展功能。南、北區(qū)通過最大跨度約為60m的空中平臺和屋蓋連接為一體。

1 屋蓋的意義與挑戰(zhàn)

設(shè)計力求最大化體現(xiàn)中國海洋大國的風(fēng)采和氣度，創(chuàng)作靈感源自海南民居船型屋的建筑形體，一氣呵成、簡潔洗練，與濱海場地形成良好的耦合關(guān)系。為了充分展現(xiàn)海南特色、南海特色，在大屋蓋的設(shè)計中通過對海船、海浪、漁網(wǎng)、船型屋等元素的表達(dá)，以抽象、現(xiàn)代的建筑形態(tài)傳神地再現(xiàn)南海海洋文化及海南本土文化的特性，達(dá)到地域性、文化性與時代性的和諧統(tǒng)一。

通過大屋蓋空間形態(tài)的舒張與緊縮，形成張弛有序、豐富的空間關(guān)系。滿足大型文化建筑室內(nèi)空間的層次性、明確性和高品質(zhì)要求，空間設(shè)置與展陳內(nèi)容相得益彰。在建筑內(nèi)部靠近濱水區(qū)域南北向布置連續(xù)通高的公共空間，作為空間和觀展主軸，串接不同功能區(qū)。連續(xù)起伏的坡屋頂下形成具有層次的內(nèi)部空間，實現(xiàn)了良好的建筑室內(nèi)外、建筑與海洋的互動關(guān)系。一方面，具有傳統(tǒng)建筑風(fēng)味的大屋蓋體系，也是立面造型的重要組成部分，屋面與立面的關(guān)系密不可分；另一方面，其下覆蓋的公共廊道是核心空間。因此，屋蓋的下表面對于公共空間的表達(dá)具有著特殊的意義。

在從設(shè)計到施工、竣工總共不到11個月的過程中，屋蓋設(shè)計須應(yīng)對多個挑戰(zhàn)：1）規(guī)模大而復(fù)雜，屋蓋體系是長度約280m、面積為26 800m2的雙曲面，坡度急陡；2）施工條件惡劣，暴曬的天氣導(dǎo)致屋蓋內(nèi)部強烈的溫度應(yīng)力；3）面臨著強臺風(fēng)的沖擊和考驗。因此，在設(shè)計及施工周期如此緊張等限制條件下，考慮到項目施工完成度的品質(zhì)要求，屋蓋體系如何進(jìn)行表皮有理化，以適應(yīng)施工、結(jié)構(gòu)形態(tài)的匹配和調(diào)適優(yōu)化構(gòu)成了設(shè)計的關(guān)鍵[1]。

2 面向施工效率的表皮優(yōu)化

1 鳥瞰視角下的“南海方舟”

業(yè)主：中國（海南）南海博物館

建設(shè)地點：海南省瓊海市潭門鎮(zhèn)

建筑設(shè)計：華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司

項目負(fù)責(zé)人：何鏡堂、郭衛(wèi)宏、向科

設(shè)計團(tuán)隊：何鏡堂、郭衛(wèi)宏、向科、何熾立、劉濤、梁瑋健、蘇朝浩、黃翰星、徐文娜、許喆、黃文耀、謝敏奇等（建筑）；方小丹、丁少潤、王帆等（結(jié)構(gòu)）；林小海、杜智恒等（暖通）；岑洪金、江帆等（給排水）；俞洋、陳衛(wèi)彬、過仕佳、陳華堅等（電氣）；耿望陽、范細(xì)妹等（智能化）；陳卓倫、胡文斌等（節(jié)能）；王朔等（BIM）；何耀炳等（管綜）；周華忠等（概算）；廣州普邦園林股份有限公司，晏忠等（景觀）；廣州市城市組設(shè)計有限公司（室內(nèi)）

總建筑面積：70 593m2

設(shè)計時間：2015.08～2016.08

建成時間：2017.06

攝影：戰(zhàn)長恒、姚力

2 總平面圖

3 漁港視角下的“南海方舟”

大屋蓋的表皮肌理來自于漁網(wǎng)、魚鱗等海洋文化的樣本，菱形的網(wǎng)格劃分契合文化意象，但也對建筑構(gòu)造及施工工藝提出了更高的要求。首先，整個屋蓋在平面上彎曲，在垂直方向上也是不規(guī)整的曲線輪廓，這就導(dǎo)致生成的形體是一個不規(guī)則的雙曲面，長度方向上各個斷面的坡度各不相同；第二，兩端在垂直方向上的高度不同，導(dǎo)致同數(shù)量的網(wǎng)格劃分后每個單元的尺寸也不盡相同；第三，由于曲率不同，劃分后的單元四個角點不共面，無論對于金屬屋面板還是玻璃天窗都是非常規(guī)的訂制品，造價非常昂貴。因此，整個屋蓋體系在保證原有方案設(shè)計理念的可實施性基礎(chǔ)上，還要保證其具有適應(yīng)于短周期、合理造價的項目總體要求，必須進(jìn)行優(yōu)化調(diào)適，決定采用Rhino及插件Grasshopper進(jìn)行程序編制及調(diào)試[2]。

2.1 初步平板化分析

首先，根據(jù)鋁板的常規(guī)尺寸進(jìn)行單元劃分。屋蓋采用鋁板作為裝飾面板，其單元劃分必須依照產(chǎn)品的出廠常規(guī)尺寸（鋁板板材邊長2.44m）進(jìn)行，避免出現(xiàn)定制化的超大尺寸單元。沿著長邊X和短邊Y分別設(shè)置兩個參數(shù)，采用菱形劃分的算法，每個單元的邊長尺寸控制在2.35m以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定每一個單元4個角點的變量，計算每個角點與其他3個角點形成的平面間距離H，并分析H數(shù)值的分布，通過圖像直觀表達(dá)。通過初步分析可得到：H最大值為128.037mm，最小值為11.003mm。從實際工程施工的誤差擬合角度出發(fā)，H為30～40mm的翹曲是能夠通過鋁板本身的彎弧加以擬合的，那么假設(shè)H的極限值取為40mm，從彩色分布圖中可以得出，原有設(shè)計方案的雙曲面中大部分的H值超標(biāo)，會出現(xiàn)大量的非常規(guī)鋁板，將導(dǎo)致造價和施工工藝不可控。

2.2 迭代優(yōu)化

基于施工效率、準(zhǔn)確率的考慮，通過參數(shù)化設(shè)計對原始雙曲面進(jìn)行優(yōu)化非常必要。首先，對原始曲面進(jìn)行單元劃分，生成了位于單元角點上的控制點；進(jìn)而將這些控制點進(jìn)行面外法向量的偏移，作為一個迭代的參數(shù)；將這些變量輸入到基因算法的控件進(jìn)行迭代運算，設(shè)置好H值的目標(biāo)；運算程序收斂之后，可以通過新的控制點生成新的雙曲面。最后，對生成的雙曲面進(jìn)行適應(yīng)性的綜合評估。

2.3 分段優(yōu)化

從整體曲面的迭代優(yōu)化結(jié)果分析，新的曲面雖然能夠很好滿足單元劃分后的翹曲可控和施工高效性要求；但邊緣的輪廓曲線卻不受控，與周邊的形體關(guān)系難以協(xié)調(diào)。因此，新的策略是在長度方向上將整體曲面進(jìn)行分段，并參考上一個步驟迭代優(yōu)化后曲面的若干斷面線進(jìn)行新一輪調(diào)適，再輸入到迭代程序中進(jìn)行驗證，最終取得一個折中的優(yōu)化結(jié)果，使得大部分單元能夠滿足工程施工所允許的“四點不共面”的誤差要求，將不滿足的單元控制在10%以內(nèi)并通過定制生產(chǎn)。這是一個適應(yīng)于邊界條件的折中優(yōu)化方法。

4 初步的單元劃分與平板率分析

5 引入基因算法進(jìn)行迭代優(yōu)化

6 引入基因算法進(jìn)行迭代優(yōu)化

7 分段迭代優(yōu)化

8 分段迭代優(yōu)化

9 大屋蓋頂部細(xì)部

10 大屋蓋頂部細(xì)部

11 雙層網(wǎng)架厚度1.2～0.4m范圍的形態(tài)比選

12 強調(diào)交叉方向上的差異性的兩種方式

3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式的比選

臨海大屋蓋對應(yīng)其下部是公共大廳，也是各個展廳和會議廳的前廳部分，空間高聳而狹長，屋蓋的下表面構(gòu)成了公共大廳視覺空間的重要組成部分，因此大跨度的空間結(jié)構(gòu)形式就顯得非常重要。對應(yīng)于菱形網(wǎng)格的表皮肌理，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更加具有適應(yīng)性[3]，它不僅在兩個方向上具有均等性，而且網(wǎng)格的交點跟金屬屋蓋或者吊頂更容易交接，構(gòu)造也較為簡單。然而，網(wǎng)架的在視覺空間上的缺點也非常突出，容易導(dǎo)致空間界面的混亂，韻律感相對較差。因此，作為建筑的結(jié)構(gòu)[4]，網(wǎng)架必須進(jìn)行形態(tài)設(shè)計，令其產(chǎn)生空間形式美。

3.1 控制網(wǎng)架的厚度與網(wǎng)格單元大小的比例

網(wǎng)格的單元劃分需要與表皮的單元發(fā)生對應(yīng)關(guān)系，以減少附加的轉(zhuǎn)換骨架，可大大減少成本和節(jié)約施工工期。因此，單元的劃分不能太大，避免超出金屬表皮的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品尺寸；也不宜太小，而降低結(jié)構(gòu)體系的效能。在單元劃分優(yōu)化的基礎(chǔ)上，雙層網(wǎng)架的厚度W是一個重要的參數(shù)，通過W參數(shù)的變化（0.4～1.2）可以作為判斷構(gòu)件群組內(nèi)部韻律感的依據(jù)：當(dāng)W=1.2m時，結(jié)構(gòu)剛度較大、構(gòu)件截面較小，但是構(gòu)件群組在距離視點的中遠(yuǎn)端已經(jīng)非?；靵y，相互干擾程度嚴(yán)重；當(dāng)W=0.8m時，中遠(yuǎn)端的相互干擾程度有較為明顯的改善；而到了W=0.4m時，情況則更為理想，但此時結(jié)構(gòu)的剛度明顯減弱，構(gòu)件截面尺度加大幅度較多。

3.2 強調(diào)交叉方向上的差異性

另外一種強化結(jié)構(gòu)形態(tài)分布韻律感的策略是強化交叉方向上構(gòu)件的差異性。第一種方式是嘗試添加單方向的節(jié)點板，在節(jié)點的位置沿著一個方向增加節(jié)點板，既可進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強，也能在一個方向上起到強化視覺效果的作用。第二種方式是嘗試將一個方向上的上下弦進(jìn)行合并，做成一個整體構(gòu)架，形成一種較為特殊的網(wǎng)架形式，較好地體現(xiàn)構(gòu)件的節(jié)奏感，同時也有一定的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力；但其缺點是腹板部分在結(jié)構(gòu)受力上作用不明顯，經(jīng)濟性稍差。這兩種方式都為視覺空間表現(xiàn)提供良好的基礎(chǔ)形態(tài)，無論是結(jié)構(gòu)裸露或是結(jié)合菱形網(wǎng)格的吊頂體系，都具有良好的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的可能性。

4 豎向構(gòu)件與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的對位優(yōu)化

觀海大廳是一個特色空間，高聳而狹長，為了充分利用漁港的灣景，臨海的界面需要簡約而富有表現(xiàn)力。Y形柱能夠很好地解決大柱跨和界面通透性的問題，但跟玻璃幕墻平行的Y形柱的軸線與其上方的網(wǎng)架節(jié)點卻存在著難以對位的問題。假如將Y形柱的兩個枝丫進(jìn)行扭轉(zhuǎn)以對位其附近的網(wǎng)架節(jié)點，會破壞整個Y形柱陣列的韻律；而如果通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行對接，則轉(zhuǎn)換的構(gòu)造會非常復(fù)雜，也會在局部破壞網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)力。為了解決這個問題，網(wǎng)架的網(wǎng)格劃分必須進(jìn)行重新的調(diào)整，Y形柱的枝丫也必須具備一定的移動幅度。

13 引入遺傳算法迭代求解

14 引入遺傳算法迭代求解

15 遺傳算法的最終優(yōu)解

16 遺傳算法的最終優(yōu)解

17 觀海大廳

18 觀海大廳

在優(yōu)化的程序中引入了“遺傳算法”，設(shè)定了以下幾個主要的變量參數(shù)：1）網(wǎng)格的數(shù)量；2）網(wǎng)格節(jié)點的位移；3）Y形柱的開叉角度及范圍；4）Y形柱的開叉高度及范圍；5）Y形柱末端與節(jié)點之間的距離及范圍。通過這些主要的變量參數(shù)的輸入與測試，程序運算收斂之后得出若干過程的比選形態(tài)，通過篩選得出一個較為優(yōu)化的結(jié)果。雖然，最終的Y形柱還是難免在形態(tài)上出現(xiàn)了大小不一的微差，但在整個空間縱向的視覺效果上還是呈現(xiàn)出韻律感和良好表現(xiàn)力；而在柱子末端與網(wǎng)架的節(jié)點對位上，大大減少了工程難度，整體受力合理、構(gòu)造簡單，節(jié)約了成本和時間。

5 結(jié)語

在日益復(fù)雜的大型公共建筑設(shè)計及施工過程中，結(jié)構(gòu)形態(tài)與建筑形態(tài)之間的匹配與協(xié)同是一個關(guān)乎建筑完成度和質(zhì)量控制的重要問題[5]。參數(shù)化設(shè)計是一個解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)與建筑形態(tài)之間有效協(xié)同的強大手段，能為建筑項目從方案設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計至施工配合等環(huán)節(jié)提供強有力的技術(shù)保障。