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(shù)字技術(shù)正滲透到建筑設(shè)計的各個方面，并更新著設(shè)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(xiàn)在公眾視野中，在復雜的形體設(shè)計邏輯下，結(jié)構(gòu)性能、功能空間及施工建造都表現(xiàn)出對數(shù)字技術(shù)的依賴。此外，為滿足項目建設(shè)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(shè)計方式，保證設(shè)計的高質(zhì)、高效完成。

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

1 數(shù)字滲透的全過程設(shè)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(cè)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(xiàn)建筑科技感，約27 000m的彩釉玻璃穹頂為亞洲之最。內(nèi)場將部分視線質(zhì)量較低的南北坐席轉(zhuǎn)移至東西看臺，構(gòu)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(jié)構(gòu)高度在南側(cè)29m標高處設(shè)置全景觀光廳，充分利用東安湖等景觀資源。此外，項目從設(shè)計到建成周期僅兩年，面對綜合體育場的復雜設(shè)計因素，我們選擇以全過程數(shù)字化的設(shè)計方案對項目各階段進行高效管控。

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

整個過程中，以參數(shù)化看臺形式為起點，建筑師基于算法生形、形體構(gòu)建、數(shù)字建造進行全過程設(shè)計，將設(shè)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(shù)化設(shè)計

算法生形是根據(jù)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(jié)果具有多解性、多樣性。算法生形分為兩種方式，一種是根據(jù)既定數(shù)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(shè)計中采用羊毛算法的設(shè)計思路；另一種是根據(jù)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(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的設(shè)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(nèi)場空間形態(tài)為導向，基本形采用與看臺形態(tài)相呼應(yīng)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(shù)；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(shù)輸入；3）根據(jù)場地及看臺罩棚覆蓋率確定頂邊緣Crv1 半徑參數(shù)；4）根據(jù)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(jù)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(gòu)成元素，保障體育場內(nèi)不同空間的良好觀景視野。結(jié)合內(nèi)部功能策劃需求，設(shè)置東西側(cè)懸窗與南側(cè)觀景懸窗。形體深化可拆分為景觀視線質(zhì)量分析以及玻璃幕墻匹配。視線質(zhì)量分析包括：1）對基礎(chǔ)形體進行網(wǎng)格單元劃分；2）設(shè)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(zhì)量參數(shù)，設(shè)置視距、視高與視線角度三個參數(shù)，并為不同參數(shù)分配權(quán)重；4）分析視線質(zhì)量結(jié)果，綠色表示視線質(zhì)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(zhì)量良好。

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

2 構(gòu)成體系

3 全過程數(shù)字應(yīng)用技術(shù)路線

4 幾何參數(shù)化的形體設(shè)計

5 視線質(zhì)量分析

6 玻璃幕墻范圍匹配示意

3 形體構(gòu)建——從有到美的性能參數(shù)化設(shè)計

形體構(gòu)建基于算法生形結(jié)果，根據(jù)結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境性能、材料性能等評價標準進行優(yōu)化設(shè)計，將具有視覺感觀的形體“美”升華為具有建筑性能品質(zhì)的內(nèi)在“美”。建筑性能并不能簡單等同于經(jīng)濟性，而是期望以性能參數(shù)化的技術(shù)手段，綜合自然、人文、生態(tài)等因素，實現(xiàn)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(jīng)濟效益的設(shè)計方式。

東安湖體育場因其內(nèi)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(jié)構(gòu)成為性能優(yōu)化的重要內(nèi)容。Grasshopper插件Ameba是一款基于雙向漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）的拓撲優(yōu)化設(shè)計軟件，為基于結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化的建筑形體設(shè)計提供了良好的研究平臺。性能分析結(jié)合建筑特點，分別對北側(cè)、南側(cè)以及東西側(cè)三個典型剖面進行不同工況的結(jié)構(gòu)性能模擬：北側(cè)僅承受屋面荷載、東西側(cè)承受屋面荷載及觀眾休息廳荷載、南側(cè)承受屋面荷載及高空觀光廳荷載。根據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，靠近內(nèi)場懸挑部分（A）及外側(cè)曲面部分（B）是需要優(yōu)化的重點內(nèi)容。其中A處為燈光照明的環(huán)形馬道，應(yīng)在滿足2m的凈高需求下，盡可能減小A端結(jié)構(gòu)厚度。B處形體結(jié)構(gòu)性能較低，形體優(yōu)化策略包含兩方面：1）綜合南側(cè)高空觀光廳內(nèi)部空間體驗及使用效率，適當縮小懸挑，將結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)作為休閑、展覽等功能空間，外側(cè)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(jié)構(gòu)性能模擬

8 A 區(qū)燈橋馬道優(yōu)化調(diào)整

4 數(shù)字建造——從美到精的建造參數(shù)化設(shè)計

數(shù)字建造強調(diào)依據(jù)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(gòu)造方式以及材料間的相互聯(lián)系。利用計算機方便地調(diào)整各構(gòu)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(shù)化的設(shè)計方式及批量的輸出成果，現(xiàn)代化的數(shù)控加工等手段為復雜建筑的精美呈現(xiàn)提供了強有力的技術(shù)支撐。

東安湖體育場立面橫向格柵設(shè)計須兼顧通透性與整體性，即既能體現(xiàn)看臺內(nèi)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(xiàn)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(shù)對立面通透性影響以及相互關(guān)聯(lián)性進行研究，計算得出符合設(shè)計概念的截面形式。

體育場結(jié)構(gòu)選型為“立面正交網(wǎng)架+屋頂平面桁架”的結(jié)構(gòu)體系，水平格柵單元劃分原則與立面網(wǎng)架成對應(yīng)關(guān)系，不額外增加結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。如果簡單地與結(jié)構(gòu)體系對應(yīng)，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(jié)構(gòu)相對應(yīng)，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(guān)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(jīng)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(diào)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(shè)計是實現(xiàn)內(nèi)場通透性的重要環(huán)節(jié)，項目以拓撲變形的設(shè)計思路，利用Grasshopper 計 算 器Galapagos Evolutionary Solver，保證矩形框靠外側(cè)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(nèi)側(cè)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(gòu)造需求），將格柵對內(nèi)場遮擋角度總和最小作為評判參數(shù)，以此迭代計算方式對矩形截面進行拓撲變形，發(fā)現(xiàn)Pt4向下移動能明顯增加內(nèi)部通透率，Pt3 豎向移動對通透率沒有影響。依據(jù)拓撲分析結(jié)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(chǎn)與加工。橫向格柵數(shù)字建造過程直觀展現(xiàn)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(jié)語與展望

本文以東安湖體育場為例，從形體生成、空間構(gòu)成和細部研究三方面闡述了全過程參數(shù)化設(shè)計策略。以定量分析取代了傳統(tǒng)定性分析的設(shè)計過程，注重多學科交叉與連接，使得建設(shè)項目兼?zhèn)淞硕嗑S度的性能合理性。此外，全過程設(shè)計以數(shù)據(jù)的建立與傳遞作為工作流程的基礎(chǔ)，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(shè)計信息不對稱的壁壘，為項目的高質(zhì)、高效完成提供了保障。例如在結(jié)構(gòu)專業(yè)同事配合下，建筑師能夠借助參數(shù)化的優(yōu)勢進行結(jié)構(gòu)找形，并直接將計算模型交由結(jié)構(gòu)專業(yè)進行計算，極大提高了設(shè)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(shù)的不斷進步，數(shù)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(shù)字輔助設(shè)計向人機協(xié)作轉(zhuǎn)變。處于這一歷史發(fā)展長河中，建筑師應(yīng)當以更長遠的視野關(guān)注、思考建筑創(chuàng)作與數(shù)字技術(shù)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(chǎn)有限公司

建設(shè)地點:四川省成都市龍泉驛區(qū)

建筑設(shè)計：中國建筑西南設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)）；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(shè)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(jié)構(gòu)）；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(lián)合設(shè)計（方案、初步設(shè)計）：德國GMP國際建筑設(shè)計有限公司

總建筑面積：約32萬m

設(shè)計時間：2019.06—2020.09

建成時間：2021.04

1 意維攝影

2-14 作者自繪