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關閉窗口 數字化設計與建造
工程案例
南京大學建筑與城市規劃學院講師，南京大學建筑規劃設計研究院數字建筑工作室主持建筑師，博士畢業于東南大學建筑學院，研究領域為數字建筑設計。
Beyond Form：digital design and Building industrialization
形式對于建筑師來講是一個相當微妙的詞匯，大家總是熱烈地擁護形式，但又怕自己被貼上形式的標簽。提及數字建筑，更是天然地與形式脫不開干系，每個人腦海中浮現的多半是各種眼花繚亂的數字設計形式。而講到工業化，則是千篇一律的標準化，與數字設計很難發生聯系。本人在經歷了兩個規模不大的工程實踐之后，對數字設計的認識發生了一些轉變，先和大家分享其中兩個小故事。
我設計的第一座非標準建筑萬科創展中心，在建造過程中工地頻繁發生一些不曾預料到的施工問題。原以為這些問題多會出現在非標準的曲面部分，豈料正好相反，都發生在最平常的部位，例如混凝土現澆的排水溝、擋土墻、屋頂檐口等處出現很多施工質量問題。第二個經歷是懸浮咖啡廳的建造。復雜的曲面GRG表皮與內部鋼結構之間的容差只有幾厘米，誤差很容易累計導致無法安裝。之前預計建造過程一定會有波折，沒想到實際安裝出奇地順利，期間沒有接到要求去工地解決問題的通知就已順利完工。
接觸數字設計，一開始也是被其生成的復雜多樣的形式所吸引，迫切希望掌握產生這些形式的具體操作方法。在了解最基本的參數化設計原理之后，發現產生形式變化僅僅是表面，更為重要的是背后的幾何規則、算法機制等更為基礎的原理。轉入工程應用后，開始是迫切地想將電腦中的數字形式轉化為實物，但隨著實踐的深入，逐步體會到需要的不僅是一個數字設計成果，整個建筑產業鏈的支撐作用不可或缺。沒有產業鏈各環節支撐的數字化，數字設計只能停留于電腦當中。數控加工等新型建筑工業化手段是數字建筑依存的重要基礎，此時，數字設計已經不僅僅是一個形式問題。
數字設計是一場由建筑師發起和推動的建筑設計變革，而業主往往只關注結果，對于達到結果的技術手段并不關心。但建筑師沒有資源的支配權，假如沒有業主對數字技術的理解與支持，設計就只能是紙上談兵。萬科創展中心應用參數化方法進行設計，結合數據庫實時反饋設計信息，統計每一個構件的用鋼量。結構的參數化設計精確控制鋼格柵厚度，每減少兩毫米厚度可以節省二十萬元造價。業主直觀地感受到參數化設計帶來的價值。懸浮咖啡廳項目原設計方案是一個不規則球體，采用非數控的方法加工。在全尺寸鋼結構框架加工完成后因為誤差太大而被廢棄。我們應用參數化設計提出的設計方案形態比原方案更為復雜，但依靠合理的設計策略及工業化數控加工技術的支撐，項目順利實施，再次讓業主感受到數字設計技術與建筑工業化帶來的價值。
數字技術與工業化結合所發酵出的結果，不再局限于傳統建筑工業化重復生產帶來的效率提升。當數字技術拓展到建筑全產業鏈，帶來的是建筑設計的豐富性與建筑品質的同時提升。長期以來，中國建筑工業化體系發展緩慢，中國建筑設計對于世界建筑界的影響往往是借助其文化獨特性，而物質層面的創新則一直比較欠缺。數字技術特別是數字加工技術的引入，縮小了加工建造技術的差距。萬科創展中心和咖啡廳兩個項目的加工方和施工方均為本地化團隊，采用當地設備進行加工。設計配合過程中我體會比較深的是，目前欠缺的不是硬件設備，更需要的是各環節之間的整合，而這正是建筑師可以發揮設計才能的地方。
綜上，數字建筑設計的發展已由單純追求形式走向探索數字時代建筑的全面變革，也許未來會用一個新的術語——“數字建筑工業化”來概括建筑這一新的發展方向。
撰文 鐘華穎 南京大學建筑規劃設計研究院數字建筑工作室
業主：萬科集團萬創設計管理部&建筑研究中心項目地點：東莞市松山湖萬科住宅產業化研究基地建筑設計單位：南京大學建筑規劃設計研究院有限公司建筑設計：鐘華穎、李輝結構設計單位：ARUP奧雅納工程咨詢（上海）有限公司結構設計：郭家耀(Michael Kwok)、劉鋼、Martin Simpson、陳智力（Nick Chen）、孫鵬建筑面積：6 860m2設計時間：2012年建設時間：2012~2013年建筑攝影：姚力
總平面圖
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自由曲面作為一種造型手段應用于建筑設計，由于非標準構件的加工造價高昂，往往被認為僅適用于一部分重要的標志性建筑。在造價有限、預算控制嚴格的一般性大型建筑設計中，如何合理地應用非標準曲面造型，萬科集團創展中心進行了一次嘗試。通過一系列合理的設計技術措施結合工業化加工手段，最終實現了這座低造價的非標準形態建筑。
萬科創展中心位于東莞松山湖萬科集團住宅產業化研究基地內，是萬科集團住宅建筑設計、住宅精裝修研發與展示的基地。內部要求14m柱跨的通用空間。用地北部為已建成的研究廠房，南側為基地邊界的
一層平面圖二層平面圖
自然土坡。結合內部空間要求和外部環境，創展中心由14m柱跨的方盒子開始，將屋頂及東側、南側的墻體撕裂、扭轉，形成光線和空氣進入建筑的通道。扭轉的墻體虛實相間，分別轉化為封閉的曲面鋼幕墻和扭曲的鋼格柵。支撐斜柱隱藏在曲面幕墻內，鋼格柵在增強通風效果的同時，也作為遮陽構件起到遮陽作用。兩者虛實相間形成的豐富形體與南側自然地形相呼應。為了實現這一設計構思，從幾何形態、參數化設計技術、構造節點等方面提出了相應的措施。
西立面圖
適應加工條件的幾何選型
非標準構件的幾何形體如果在三維方向同時變化，需要進行三維數控加工，造價高昂。如果將非標準構件的形狀變化限定在二維平面內，其造價就會大幅降低。走訪本地加工廠發現，很多常規的直線形構件也采用數控加工，數控加工技術的普及為設計的實現提供了現實基礎。在加工費用上，以數控切割機為例，加工平面內的曲線形構件與加工直線形構件單位時間的加工費相同，不同之處在于材料的利用率。根據這一加工條件，創展中心將構件形狀變化限制在二維平面內，同時利用合理的幾何選型，將構件進一步簡化為直線形構件，提高了材料利用率，降低了總體造價。在多種自由曲面類型中，滿足這一要求的是由空間中不共面的兩條直線定義的規則曲面，而沿兩條邊等分線的連線均為直線。這一特性方便了后期加工，建造過程中的定位也比較方便。規則曲面的弱點在于形態變化不夠豐富，因此創展中心采用多組規則曲面的組合，構成豐富的形態變化。
參數化構件生成
根據規則曲面的幾何特性，編寫了曲面格柵和曲面幕墻的參數化生成程序，輸入密度、進深等控制參數，即可生成構件。同時將面積、厚度以及對應的用鋼量等指標存儲在數據庫當中，實時輸出反饋給相關專業以及業主，為比較不同設計方案的造價變化提供了快速準確的依據。以程序描述的形體生成為基礎，設計在不改變總體控制原則的前提下對比不同方案，研究構件細部尺寸，實現方便和高效。在設計周期很短的情況下，我們對比了十種以上不同可能性的方案，最終確定了曲面格柵和幕墻方案，并在很短的時間內完成方案模型的重建。
易于調節的構造節點
曲面鋼板幕墻是由多個小的平面單元拼接而成的，初期方案擔心安裝精度難以保證，將幕墻單元拼接設計為明縫。這一設計需要在鋼板背面增加防水層，構造復雜，造價難以承受。因此將幕墻拼縫改為焊接密封，焊縫允許的最大寬度有限，且幕墻單元數量較多，精度要求較高。幕墻節點設計進行了不同方案的試樣對比研究，最終采取在每一幕墻單元設可調節的定位鋼片進行初步定位，待整片幕墻對縫確認完畢后再進行焊接固定的方法。實際應用的效果簡便易行，安裝快速。
順應加工工藝的表面肌理
幕墻全尺寸試樣焊接完畢后，焊縫的處理成為一個難題。預想的處理方法是焊接完成后逐一打磨，由于焊縫的數量大，打磨費工費時。通過試樣發現，打磨用的砂輪會在焊縫周邊留下明顯的痕跡，表面噴涂后痕跡會更加明顯。如果保留焊縫，整體效果將十分粗糙。是否打磨焊縫成為一個兩難的選擇。正當設計陷入困境時，走訪加工單位發現，用于加工鋼板的折彎機可以精確地按照預定角度將鋼板折彎。因此，我們提出將三角形幕墻單元兩兩組合為四邊形單元，對角線用折彎機加工，這樣僅焊接四邊即可，這一方法大大減少了焊接量。折彎的壓痕形成精細的轉折線條，與周邊粗獷的焊縫形成對比。幕墻整體形成了對角線與四邊形兩個方向網格交織的特殊肌理，在不同光線下將產生微妙的光影變化。
規則曲面幾何特性
鋼格柵的參數化建模
方案對比研究
曲面鋼幕墻節點
幕墻肌理
建筑結構一體化的參數化設計
曲面鋼格柵在總體用鋼量當中占很大比重，在主體結構難以壓縮的條件下，壓縮曲面格柵的用鋼量成為控制造價的關鍵。鋼格柵從建筑效果考慮希望盡可能薄，同時有大的進深。但如果太薄，其結構強度就難以滿足，而增大進深又會直接增加造價。如何決定最佳格柵參數，僅從建筑效果角度考慮難以決定。此時結構設計提出了一套參數化結構計算模型，將幾何尺寸變化對結構的關聯關系以多條曲線表達，曲線上每一點的對應參數均可滿足結構設計要求。在這一技術的輔助下，結合造價統計程序，建筑師迅速準確地選定了造價范圍內的最佳幾何尺寸參數。
BIM建筑信息模型
復雜形體的實現首先是設計信息的全面準確表達。利用BIM設計平臺的圖紙表現與信息綜合能力，可以準確高效地實現施工圖階段建筑、結構、幕墻各工種的配合以及項目實施過程中出現的設計問題反饋。同時我們也發現，BIM模型可以進行高效的信息輸出與整合，背后的控制思想與參數化方法有類似之處。如果信息輸入的接口更為開放，將形體生成過程中的設定參數與BIM模型的控制參數對接，實現建模軟件平臺與BIM平臺的整合，參數化設計的能力將更為強大。
結語
萬科集團創展中心的設計建造在幾何形態方面的探索僅僅是一個方面，如何在低造價前提下實現非標準曲面建筑的建造是設計的核心意圖。這一過程中相關設計技術的研發與應用則是意料之外的收獲。
結構-表皮三維模型（圖片來源：李輝提供）
BIM模型（圖片來源：李輝提供）
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撰文 鐘華穎 南京大學建筑規劃設計研究院數字建筑工作室
| 業主：深圳市萬科房地產有限公司 | 結構設計：周高凌 |
| 項目地點：深圳市龍崗區萬科廣場 | 建筑面積：200m2 |
| 建筑設計單位：南京大學建筑規劃設計研究院有限公司 | 設計時間：2013年 |
| 建筑設計：鐘華穎 | 建設時間：2013年 |
| 結構設計單位：CCDI悉地國際深圳區域公司 | 建筑攝影：侯博文 |
平面圖
底平面圖
立面圖
高精度的復雜曲面形態建筑如何實現，是萬科廣場懸浮咖啡廳項目面臨的最大挑戰。該項目是位于深圳龍崗萬科廣場中庭空間中一個鋼索懸吊的咖啡廳，通過天橋與周邊相連。接手項目時，原設計方的方案已經在工廠完成了結構骨架的加工拼接，但由于誤差太大無法進行后續安裝而終止。實際上，原設計方案也提供了三維模型，加工方與后來實施方案的加工方也是同一家，那么方案為何失敗是我們接手項目后首先思考的問題。
經過分析我們發現，復雜三維形體建筑的實現不是單單用一個三維數字模型就可以保證的，而是應當綜合考慮尺度、形態、材料、加工、安裝等多方面的因素，為此我們在后續設計中采用了一系列的技術措施，最終使項目順利實施。
中等尺度的設計策略
在設計開始，我們首先意識到的困難不是形體的復雜，而是尺度的影響。大尺度條件下，例如國家體育場鳥巢，曲面及復雜節點可以降低對幾何精度方面的要求，采用平面或折面進行重構和擬合。細部的誤差不會對整體效果產生太大影響。小尺度條件下，例如一個小型裝置或雕塑可以通過提高加工精度來獲得精密構件實現復雜形體。而咖啡廳橢圓球體長軸16m，這一尺度正巧介于大小兩種尺度之間。圍護結構和使用者的距離很近，如果采用大尺度的策略則近距離視覺效果太粗糙；如果采用小尺度的方法，其造價方面可能難以承受。經過分析，我們提出了兩者結合的技術策略，即在近人界面采用高精度加工的構件，在不影響體驗的結構部分則放松構造精度要求，降低造價。
懸浮咖啡廳是一個材料決定形態的設計。玻璃材料因為積灰難以清潔而被放棄，可塑性高并具有防火性能的纖維加強石膏材料（GRG）成為首選。數控加工成型的GRG板材可以通過填縫打磨等工序實現無縫的光滑表面?？紤]到打磨工藝要求，選擇凸形曲面形體更為合適，而通過增加孔洞降低曲面板塊的尺寸有利于掩蓋加工的瑕疵。因此，構造具有孔洞的連續凸形曲面成為形態設計的原則。相對于曲面建模常用的NURBS曲面，T-SPLINE這一幾何工具更能適應復雜拓撲關系的建模。
通過幾何建模對形體截面尺寸進行推敲，希望結構構件盡可能小，同時咖啡廳頂部單邊懸挑的尺寸較大，故選擇鋼材作為支撐GRG表皮的結構材料。平面數控切割設備在深圳當地的鋼結構加工企業中較為普及，二維平面內變化的構件在加工精度和成本方面與加工標準型材沒有顯著區別。因此，將結構構件的形狀變化限制在二維平面內進行結構布置和找形。利用多個方向的平面與橢圓球體相交，形成交織的網格，從而產生結構布置網格。根據這一網格重新生成結構構件，加工便利，成本可控。
模具費用是加工三維曲面構件的一項重要成本。GRG表皮的自由曲面形態沒有重復性，模具無法反復使用。如果采用鋼模、木模、塑料模等模具材料，加工成本高昂，浪費太大。GRG生產廠家上海恒豪開發的蠟質模具技術，采用CNC機床雕刻蠟錠制造模具，使用后將模具融化重新還原為蠟錠，解決了模具重復利用的問題，大大降低了加工成本。經過數控加工翻模后的三維GRG表面精度能夠忠實還原三維數字模型的細節，打磨拋光后平整度更高。
材料與加工方式確定之后，開始進行具體的形態設計。采用最小斷面作為控制參數，生成表皮的連續曲面。參數設定考慮了形態、構造尺寸和造價三者的平衡，最終確定直徑為30cm。在去除12cm的結構厚度、2cm的GRG外殼壁厚之后，剩余的容差數值僅為14cm，再加上誤差等因素，實際容許空間更小。最小斷面控制增加了加工建造的精度要求，為了實現這一精度，對節點和結構線形設計提出了相應的技術措施。
（b）結構與表皮 平面化的結構構件
（c）D=200 P=0.5
最小截面控制
構造節點
曲面變形引起的結構-表皮不匹配問題
大容差的構造節點
網格交匯的節點構造是設計的一個重點。在有限的預算下，構造節點難以采用高精度（同時也是高造價）的加工方式實現。在最小斷面的控制下，唯有通過擴大節點空間和允許誤差的方式進行化解。節點有了更大的外部范圍，內部鋼結構的交接才可以允許較為粗糙的連接方式。通過大小不同的連接片焊接，只需保證結構強度即可。同時為了便于清潔，咖啡廳圍護結構沒有玻璃，放大的節點形態對室內空間的限定也更為有力。
參數化表皮結構匹配技術
設計過程中遇到一個幾何難題。由于參數曲面相對于控制線存在收縮問題，建模獲得的復雜曲面偏離控制網格距離不均勻。該控制網格同時也是生成內部支撐結構的控制線，結構采取了不同于表皮的建模方法。兩者之間的間距難以控制，導致結構與表皮不匹配。這一問題困擾了我們很長時間，第一種嘗試是對表皮曲面建模的變形進行控制，實驗發現變形的偏移度不均勻，很難通過少數控制點的移動來進行修正。
在表皮難以調整的情況下，我們轉而調整內部結構。通過搜尋表皮外部邊界，重新生成內部控制線，進一步生成結構構件的幾何線形。采用這一方法，內部結構線形不再是標準的橢圓曲線，而是蛇形轉折的一組曲線。由于曲線形狀比較復雜，究竟何種程度的彎曲轉折最為合適難以憑直觀判斷。為此將曲線找形過程編寫為參數化程序，通過輸入不同參數獲得多種結果，將這些結果與各設計加工方溝通討論，綜合鋼結構加工工藝、GRG外殼內表面平整度等因素，最終提出了一種滿足各方要求的線形。
（a）P=100（b）P=300 （c）P=500結構-表皮匹配度的參數控制
懸浮咖啡廳加工建造工期約三個月，設計周期則超過半年。整個過程探索了復雜曲面的建模方法、參數化設計方法、數控加工、復雜形體安裝等多個方面的設計建造技術。在技術探索之外，更為重要的是咖啡廳項目的順利實施讓業主和建筑師一起體驗到了數字技術在建筑行業應用的巨大潛力，同時也發掘和整合了本土化的從設計到加工建造的數字建筑產業鏈。
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