王津紅， 強(qiáng)晨陽， 康夢(mèng)慧

（大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑的設(shè)計(jì)方法與其呈現(xiàn)的形式正不斷地接收著新的沖擊與變革。在當(dāng)下建筑設(shè)計(jì)中的最能體現(xiàn)技術(shù)與藝術(shù)的變革性的即是建筑表皮，而在建筑表皮設(shè)計(jì)實(shí)踐中，建筑表皮的復(fù)雜性也越來越大。復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問題已經(jīng)成為了當(dāng)下建筑師必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外復(fù)雜曲面的研究中，諾曼·福斯特的大英美術(shù)館改造項(xiàng)目對(duì)復(fù)雜曲面的形態(tài)以及結(jié)構(gòu)劃分都進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化來便于工程建造。李曉岸在東大門設(shè)計(jì)廣場(chǎng)中歸納了金屬材質(zhì)的曲面加工方式并進(jìn)行了實(shí)踐和應(yīng)用，吳水根等在某科文化中心項(xiàng)目中對(duì)復(fù)雜幕墻表皮的優(yōu)化進(jìn)行了進(jìn)行了實(shí)踐與總結(jié)，但是都對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程與策略缺少充分的介紹。

為此文中結(jié)合大連某足球場(chǎng)表皮優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析復(fù)雜曲面表皮對(duì)于工程的不便性，設(shè)計(jì)出一套應(yīng)用于復(fù)雜曲面的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，通過針對(duì)性的優(yōu)化

方法為復(fù)雜曲面的工程銜接提供支持，提高相似工程的優(yōu)化效率。

1 復(fù)雜曲面表皮與參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1 復(fù)雜曲面表皮

“建筑表皮”一詞來源于英文“surface”的轉(zhuǎn)譯，指的是建筑物的外表面，建筑與外部空間直接接觸的界面以及相應(yīng)組件與組合形式的統(tǒng)稱。對(duì)于建筑表皮的定義，較為公認(rèn)的是對(duì)其不限制其空間特定位置、厚度以及相應(yīng)材質(zhì)等，它是一個(gè)相對(duì)模糊的概念集合。在具體形式上可能與建筑結(jié)構(gòu)相互分離并構(gòu)建出另一套系統(tǒng)，而在平面形式上可能較為規(guī)整也可能基于復(fù)雜曲面而生成。

建筑表皮相關(guān)的最早研究來自于建筑師戈特弗里德·森佩爾出版于1851年的《建筑四元素》，書中將早期的居住系統(tǒng)分成圍合物、屋頂、火爐和基礎(chǔ)，書中的圍合物即為最原始的表皮。在這時(shí)期，建筑表皮完全從屬于功能，處在樸素、本真的原始階段。建筑表皮的概念一直處于動(dòng)態(tài)變化中，在當(dāng)今時(shí)代得益于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的算力，設(shè)計(jì)師可以獲得通過人腦無法創(chuàng)造的復(fù)雜建筑形式。它打破了傳統(tǒng)的自上而下的設(shè)計(jì)思維壁壘，而是自下而上地、相關(guān)地生成許多新的理念。這些理念深刻地豐富了建筑設(shè)計(jì)的方法與形式。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的設(shè)計(jì)方法，它將設(shè)計(jì)中的影響因素看作變量參數(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)特征是各個(gè)變量參數(shù)之間的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)關(guān)系賦予了參數(shù)化設(shè)計(jì)可延展性而不拘泥于某一確切的形式。因此它不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的推進(jìn)方法，參數(shù)化設(shè)計(jì)的延展性使它更容易應(yīng)對(duì)條件變化，在設(shè)計(jì)出現(xiàn)變更后，只需調(diào)整相應(yīng)參數(shù)即可自適應(yīng)生成滿足新條件的建筑形式，見圖1。

圖1 AAMI公園球場(chǎng)

參數(shù)化的出現(xiàn)正大規(guī)模的取代著傳統(tǒng)的一部分重復(fù)式設(shè)計(jì)流程，由參數(shù)化設(shè)計(jì)生成的組件具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可根據(jù)不同限制條件轉(zhuǎn)化生成不同的形態(tài)并且組件內(nèi)部具有系統(tǒng)性的聯(lián)系。例如在建筑表皮設(shè)計(jì)中，見圖2，組成建筑表皮的桿件與模塊可根據(jù)表皮自身的曲率變化生成相應(yīng)合理的形態(tài)，無需在不同位置重復(fù)相似流程，從而有效的提升了工作效率。在某足球場(chǎng)表皮設(shè)計(jì)中參數(shù)化技術(shù)的介入使得設(shè)計(jì)大大提升了效率減少了許多重復(fù)性勞動(dòng)。

圖2 AI Bahar塔表皮

2 復(fù)雜曲面表皮優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

在復(fù)雜曲面表皮設(shè)計(jì)中，整套設(shè)計(jì)與施工流程包含了形態(tài)、分組、材料、數(shù)據(jù)以及構(gòu)造等。建筑表皮一般由多塊表皮單元組合而成，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮到實(shí)際建造要求來對(duì)表皮單元進(jìn)行尺寸優(yōu)化、曲率優(yōu)化、空間定位等工作。在復(fù)雜曲面表皮設(shè)計(jì)中，首先需要確定基礎(chǔ)曲面造型來作為形態(tài)初步設(shè)計(jì)，其次再對(duì)基礎(chǔ)曲面進(jìn)行優(yōu)化、細(xì)分與重構(gòu)，通過邏輯算法將整體曲面劃分成滿足建造要求的單元，并在整體與單元間構(gòu)建一種拓?fù)潢P(guān)系來加強(qiáng)曲面的整體性。在參數(shù)化模型中建立好這種關(guān)系后，所有的單元都具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，能夠隨著整體的變化而在不同的曲率處生成不同形態(tài)的單元。例如建筑表皮結(jié)構(gòu)，建筑表皮優(yōu)化的同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)也相應(yīng)重構(gòu)，可先在參數(shù)化平臺(tái)上根據(jù)算法規(guī)則進(jìn)行建立。建筑表皮與結(jié)構(gòu)應(yīng)成一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)與細(xì)部構(gòu)件由參數(shù)進(jìn)行定義，因此具有很好的易定位性與精確性，保證了結(jié)構(gòu)在復(fù)雜曲面上能平滑過渡。建筑表皮的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法一般分為如下5個(gè)步驟：

2.1 優(yōu)化表皮曲率

表皮曲率即曲面偏離平面的程度。表皮曲面點(diǎn)在在復(fù)雜曲面表皮優(yōu)化的過程中，表皮的曲率往往是作為第一個(gè)考慮的因素。在由前期推敲完基礎(chǔ)曲面后，為了方便后期加工與建造，首先需要對(duì)曲面進(jìn)行曲率分析，在建造上往往曲率越大建筑的施工難度也就越大。

2.2 劃分表皮單元

表皮單元的劃分需要將整體效果和工程可實(shí)施性共同考慮，根據(jù)效果意向?qū)η嬖赨V兩個(gè)不同方向上進(jìn)行劃分并重構(gòu)，一般采用方形、菱形和三角形等方便施工的幾何圖形進(jìn)行劃分。

2.3 賦予形式邏輯

在設(shè)計(jì)完表皮單元造型并基本確定表皮劃分后，對(duì)表皮整體外觀基于設(shè)計(jì)前期推敲的形式邏輯來進(jìn)行構(gòu)建。需要將前期設(shè)計(jì)的概念和預(yù)期效果轉(zhuǎn)化為可供軟件識(shí)別的算法邏輯并且這種邏輯構(gòu)建下的參數(shù)化建筑應(yīng)具備一定適應(yīng)性。

2.4 編組數(shù)據(jù)信息

編組數(shù)據(jù)信息分為，根據(jù)邏輯構(gòu)建步驟的打包方法與根據(jù)建筑表皮單元信息的打包方法。邏輯構(gòu)建步驟的打包方法是為了強(qiáng)化優(yōu)化策略的邏輯性并利于減少算法的錯(cuò)誤率，對(duì)表皮優(yōu)化的算法命令進(jìn)行打包。而建筑表皮單元信息的打包方法則是首先對(duì)表皮上各個(gè)單元的信息如頂點(diǎn)坐標(biāo)、單元邊長(zhǎng)、單元面積等進(jìn)行提取，然后將表皮的數(shù)字信息進(jìn)行相應(yīng)分組打包。表皮單元信息打包使得表皮單元不僅在形態(tài)上成為獨(dú)立的組而在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上也呈現(xiàn)出清晰的分組，有利于對(duì)建筑信息的整理與信息流交接。

2.5 深化細(xì)節(jié)與輔助施工

深化細(xì)節(jié)這也是一個(gè)全程參數(shù)化的過程，在修改表皮劃分邏輯、開洞大小等關(guān)鍵參數(shù)后，外表皮的形式在整體上會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化，其次再繼續(xù)深化細(xì)節(jié)即進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)等一系列過程。并最終用圖紙和列表形式輸出，輔助后期的施工進(jìn)行。

3 復(fù)雜曲面表皮優(yōu)化在某足球場(chǎng)項(xiàng)目中的應(yīng)用

在足球場(chǎng)表皮設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)的創(chuàng)作靈感源自充滿動(dòng)勢(shì)起伏的海浪，效果圖見圖3。方案力圖尋求建筑形體與濱海場(chǎng)地之間良好的耦合關(guān)系，見圖4。為了充分展現(xiàn)城市特色，建筑內(nèi)外部界面采用螺旋上升的開放坡道來連接，建立了良好的建筑內(nèi)與外、建筑與海洋的互動(dòng)關(guān)系。而建筑在表皮設(shè)計(jì)中，由于曲面的復(fù)雜性使得設(shè)計(jì)的推進(jìn)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

圖3 足球場(chǎng)效果圖

圖4 復(fù)雜雙曲面

（1） 曲面形態(tài)為復(fù)雜雙曲面。足球場(chǎng)整個(gè)表皮在豎直方向上的輪廓為不規(guī)則曲線，導(dǎo)致足球場(chǎng)整個(gè)形態(tài)為一復(fù)雜雙曲面，表皮結(jié)構(gòu)定位非常復(fù)雜困難，難以用傳統(tǒng)的方式去解決。

（2） 意向效果的劃分邏輯與施工要求不符。為了加強(qiáng)表皮的動(dòng)勢(shì)效果，表皮劃分為上中下三層，每一層在邊緣處形成多個(gè)單元塊密集堆疊狀態(tài)，使得后期施工與材料安裝非常不便，見圖5。

圖5 邊緣收分過于密集

（3） 劃分單元繁多不易信息傳遞。足球場(chǎng)的尺度規(guī)模非常巨大，在表皮劃分后對(duì)意向效果狀態(tài)難以把控，不易后期調(diào)整。并且表皮的相關(guān)信息不易傳遞給加工方與建造方。

整個(gè)表皮設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，需要在保證原有方案理念的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行可實(shí)時(shí)性的優(yōu)化來保證其滿足項(xiàng)目造價(jià)以及周期時(shí)間等要求。而參數(shù)化模型具有很強(qiáng)的可調(diào)試性與系統(tǒng)性等優(yōu)勢(shì)，因此項(xiàng)目引入?yún)?shù)化技術(shù)并運(yùn)用文中所歸納的優(yōu)化邏輯來重新構(gòu)建表皮曲面。

3.1 優(yōu)化表皮曲率

在設(shè)計(jì)中由前期生成的基礎(chǔ)曲面為多個(gè)橢圓形曲線放樣生成，表皮部分為三個(gè)相似的復(fù)雜雙曲面組合而成?？紤]到工程的便利性，首先將曲面導(dǎo)入編寫好的曲率分析算法中進(jìn)行計(jì)算。然后將計(jì)算求得的數(shù)據(jù)利用可視化處理，將曲率的大小用顏色進(jìn)行劃分，可以方便直觀的了解到曲面所需要調(diào)整的位置。在曲面的曲率優(yōu)化方面有兩種方法可以，第一種是對(duì)基礎(chǔ)曲面的原始放樣曲線拖動(dòng)控制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。第二種則是對(duì)曲面進(jìn)行運(yùn)用網(wǎng)格柔化算法進(jìn)行平滑處理。第一種更偏向于手動(dòng)控制，而第二種則是運(yùn)用算法邏輯進(jìn)行針對(duì)性的曲率優(yōu)化。在設(shè)計(jì)中為了盡量不修改基礎(chǔ)曲面造型設(shè)計(jì)以及可調(diào)試性而采用網(wǎng)格柔化的方法進(jìn)行曲率優(yōu)化，在盡量保持設(shè)計(jì)弧度的情況下根據(jù)生產(chǎn)工藝的最大極限曲率進(jìn)行篩選，如圖6所示。

圖6 曲率優(yōu)化前后對(duì)比圖

3.2 劃分幕墻單元形態(tài)

在劃分單元步驟中考慮到施工的效率、準(zhǔn)確率等因素，首先通過參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行利于加工的單元?jiǎng)澐?，其單元?jiǎng)澐质歉鶕?jù)生產(chǎn)商所提供的生產(chǎn)尺寸要求進(jìn)行確定（方案中采用膜結(jié)構(gòu)為外表皮材料），避免出現(xiàn)訂單要求超出工廠工藝水平的情況出現(xiàn)，見圖7。如采用菱形劃分的算法則可在曲面UV方向設(shè)置2個(gè)參數(shù)，將長(zhǎng)寬設(shè)置在在例如1.5～2.5m之間。而又考慮到實(shí)際工程施工的誤差性和施工便利性，為單元間預(yù)留出例如50mm的縫隙。在盡量保持原設(shè)計(jì)劃分單元數(shù)量的前提下，從建筑造價(jià)以及建造工藝便利性來確定最適應(yīng)的劃分尺寸區(qū)域。最后決定采用先曲面進(jìn)行菱形劃分，再以菱形單元為組沿較短對(duì)角線劃分為2個(gè)三角面，使得每一個(gè)面都處于平板的狀態(tài)有利于表皮整體的穩(wěn)定性和耐久性。

圖7 單元細(xì)分優(yōu)化后疏密對(duì)比

3.3 賦予表皮韻律與變化

為了使得與海邊環(huán)境與城市特色更好的結(jié)合，在表皮色彩和肌理上采用翻滾的“海浪”為設(shè)計(jì)意向。在Rhino軟件中將“海浪”通過參數(shù)化設(shè)計(jì)的形式映射在曲面上，在模型上呈現(xiàn)的則是由深淺不一的藍(lán)色色塊有規(guī)律的組合而成，在建筑的表皮單元上進(jìn)行“上色”，并為了整體的美觀和動(dòng)勢(shì)效果，在Grasshopper平臺(tái)中建立幾條可干擾整體韻律地曲線，并依照單元模塊距離曲線的距離大小來映射單元模塊的顏色深淺。整個(gè)流程采用參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，因此可以非常方便的對(duì)控制曲線以及算法進(jìn)行調(diào)試來達(dá)到最理想的表皮肌理如圖8所示。

圖8 表皮“上色”

3.4 編組數(shù)據(jù)信息

在采用Rhino和Grasshopper軟件并使用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)表皮進(jìn)行重新劃分的同時(shí)，對(duì)于模型的數(shù)據(jù)管理以及算法步驟打包也非常的重要，見圖9。在構(gòu)建算法以及對(duì)目標(biāo)建立拓?fù)潢P(guān)系的同時(shí)，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的算法進(jìn)行打包歸類不僅能提升算法邏輯的可閱讀性，同時(shí)也能對(duì)相似算法進(jìn)行歸納總結(jié)從而提升相似項(xiàng)目的工作效率。而在數(shù)據(jù)處理上，對(duì)曲面調(diào)整好參數(shù)后，再將單元的尺寸、空間定位點(diǎn)、厚度、單元面積等信息數(shù)據(jù)逐一打包并標(biāo)號(hào)排布，列出相應(yīng)的加工參數(shù)和序列，來方便工廠加工。

圖9 Grasshopper程序電池邏輯

不同于傳統(tǒng)的建筑信息管理，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法有清晰明確的尺寸參數(shù)值并能在設(shè)計(jì)變更后自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)編號(hào)和信息流，大大減少了數(shù)據(jù)整理的時(shí)間花費(fèi)。

3.5 深化后期細(xì)節(jié)與輔助施工

對(duì)于復(fù)雜建筑表皮的材料后期的深化在傳統(tǒng)工具中也具有巨大的工作量，而運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)，可在后期對(duì)表皮進(jìn)行全局可調(diào)式的細(xì)部深化。在足球場(chǎng)表皮設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具相應(yīng)的生成膜結(jié)構(gòu)安裝邊框以及與足球場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的固定部件，大大縮減了后期深化的難度，便捷于工廠的加工與安裝。并為了方便指導(dǎo)施工，將前一部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可定位的信息來提高工程效率。

4 結(jié)語

在此足球場(chǎng)復(fù)雜多變的曲面的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，作者運(yùn)用Rhino和Grasshopper等軟件，使用參數(shù)化工具對(duì)表皮重新劃分并對(duì)形態(tài)等進(jìn)行了整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得方案能達(dá)到一個(gè)可實(shí)際應(yīng)用于工程與建造的結(jié)果。并得出以下結(jié)論：

（1） 針對(duì)復(fù)雜曲面表皮在工程中的不便性來研究設(shè)計(jì)一套優(yōu)化策略，可以對(duì)工程的施工銜接效率進(jìn)行一定的提升。

（2） 參數(shù)化設(shè)計(jì)思維在復(fù)雜曲面優(yōu)化中具有一定優(yōu)勢(shì)性，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具在建筑復(fù)雜曲面優(yōu)化中具有很強(qiáng)的可實(shí)施性。

參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展大大提高了建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新與施工便利性，在復(fù)雜異形建筑中尤為突出。希望能通過論文對(duì)復(fù)雜曲面問題的優(yōu)化進(jìn)行一定的推進(jìn)。

由于項(xiàng)目目前還未完全實(shí)施成，優(yōu)化步驟還需要進(jìn)一步分析與驗(yàn)證，在后續(xù)的研究中希望可以繼續(xù)對(duì)復(fù)雜曲面表皮進(jìn)行研究實(shí)踐，不斷優(yōu)化迭代此策略。