中庭參數化吊頂生成設計研究
——同濟大學設計創意學院三期大廳吸音吊頂設計

■ 汪滋淞 Wang Zisong 肖晨昊 Xiao Chenhao 申辰璐 Shen Chenlu

1 背景介述

高校是廣大師生進行學習科研的場所，需要安靜宜人的聲環境，大量的事實表明，大學校園里噪聲污染現象日趨普遍，嚴重干擾了師生正常的學習和溝通[1]，當環境噪聲較高時，交談和思維幾乎不能進行，嚴重影響師生的工作和學習，甚至會造成失眠、疲勞、神經緊張、記憶力衰退等[2]。

同濟大學設計創意學院三期大廳，為工業遺產建筑改造空間，大廳高度較高，經常作為教學活動、演出等空間使用，通過對學院使用人群的訪談及調研了解到，噪音和回音回蕩在大廳里，使得學生們聽不清楚老師的授課內容及同學們的談話內容，導致注意力分散，影響溝通與交流。與此同時，使用者必須不斷提高聲音來蓋住噪音，產生疲勞感，甚至有精力燃盡的感覺。

項目通過基于聲環境優化的吸音吊頂參數化生成設計，結合學院的精神和內涵，深化吊頂裝置設計的品質化、功能化，形成具有時代文化氣息、充滿濃郁的藝術氛圍的教學活動場所，創造良好聲環境的學習空間。

2 吸音吊頂參數化設計

吸音吊頂是創造舒適和有效率聲環境關鍵設計元素，目前，國外數字化吊頂設計值得借鑒。

悉尼技術大學禮堂吊頂設計強調材料和構造的技術進步。吊頂由超過1 000個獨特平面組成了穿孔鋁板的流動表皮。表皮連接了天花和墻壁，將光、視聽設備、火警和機械服務整合成動態的整體，將新的生活帶入到空間中。吊頂的鋁板表面的穿孔可以促進聲能轉化成熱能并將其消耗，進而起到吸音降噪的作用，滿足大禮堂舉辦各種活動時對于音效方面的要求（圖1）。

我國基于參數化的吊頂設計起步較晚，特別是針對高校中庭空間數字化吊頂設計研究很少，本次設計基于滿足空間聲學和美學目標，進行參數化吊頂生成設計實踐嘗試。

3 參數化吊頂生成設計案例

3.1 項目基地概況

同濟大學設計創意學院由上海巴士一汽原廠址的機修廠房改造（圖2）。其中，機修工廠為20世紀50年代所建，面積2 098m2，鋼筋混凝土空腹桁架（殼體屋面）加空間框架結構，外立面以白色涂料[3]、紅磚墻面、白色鋼窗為主。創意學院建造保留了原有建 筑的空腹桁架和殼體屋面結構。

3.2 聲環境測量

項目首先對學院中庭放置聲源進行聲環境測量，在房間角落及講臺處，每個聲源點放置5個測點，聲源高度1.6m，與站立的老師等高，測點高度1.2m，與坐著的學生等高，結果見圖3：中庭空間聲音混亂而復雜，空間現有中頻混響時間為4.0s，嚴重超出國標要求的1.5s，聲環境差。而后根據聲效測試計算出的所需靜音吊頂的面積、數量及預達到的聲環境效果數據（表1）：需采用類似120片1.17m×1.17m的吸音吊頂對空間進行改造，可使得中頻混響時間降低至1.43s，創造良好的聲環境。

圖1 悉尼技術大學禮堂吊頂室內實景圖

圖2 同濟大學設計創意學院

3.3 設計注意事項

3.3.1 屋頂承重方式及吊頂高度

學院在重建時進行了結構加固措施，但由于其工業遺產建筑構造的難以改造性，目前學院大廳頂部保留薄殼結構，最薄點不足8cm 厚，無法承受吊頂的重量，因此，不能在薄殼上面像普通吊頂一樣安裝膨脹螺栓，需從建筑的二層頂部的橫梁墻體處拉支撐桿并拉鋼絲懸索，并在懸索上面安裝吊頂，這對吊頂的最高高度有一定的要求，需盡量低于梁且高于窗戶，保證陽光能從窗口均勻射入。

3.3.2 材料的選擇

學院大廳為大型空間，為了達到控制空間的混響時間、降低噪聲、消除回聲的目的，界面材料的吸聲處理非常重要。常用材料中，金屬和巖棉質量太大，石膏板自重較大，均不適合該設計空間。根據以上情況，設計采用具有較好耐熱性和耐潮性，重量輕的玻璃纖維板等環保材料來構成吊頂材料。

3.3.3 室內消防安全

公共活動場所需要考慮消防安全和規范，吊頂設置需避開現有室內消防噴淋頭，確?；A設施的正常使用和室內消防安全。

3.4 設計法則

3.4.1 聲學設計法則

設計時充分考慮室內空間體型、所選材料對聲場的影響，亦需考慮使用者對空間傳播聲音的主觀感受。學院大廳作為教學和演出、展覽活動的發聲地，語言清晰度和聲調宏亮感都是聲學設計的重要指標。聲學設計時需通過合適形態的吸音吊頂，加強有效的聲反射，控制混響時間，防止回聲，使聲能在空間內均勻分布和擴散。

3.4.2 參數化吊頂方案設計生成法則

參數化設計（Parametric Design）把設計要素變成函數的變量，通過改變函數及算法，使人們能夠獲得不同的設計方案。參數化設計強調的是輸入和輸出的對應，參數既可以是靜態數值也可是動態數據，通過改變和修正參數達到結果的多元可能[4]。生成設計法則是基于計算機超強的計算能力與以上現象數理原理的結合，當變量或者參數發生改變時，參數影響結果而不改變原先定義的邏輯和規則。

3.5 設計方案

3.5.1 “鏈元”聲環境吸音吊頂設計

設計創意學院不同于傳統學院，強調創新、自由的思維，反映在室內中庭吊頂設計上，更需要創新性反映學院精神及內涵?！版溤蔽舻蹴斣O計，從學院文化關鍵詞入手，由靈感、敏銳、創新等詞為意向，以思維和大腦為主題，以“神經鏈接”為元件（圖4），在聲源比較大的區域，隨機生成點云，由點云形成面，借助犀牛（Rhino）、螞蚱（Grasshopper）軟件進行參數化生成設計：設定吊頂在空間中的平面隨機點,而后生成地面錨點，將隨機生成的點連接起來，形成mesh網格，使用wb插件算法細分mesh網格，對邊長進行細分，利用相同的規則邏輯基于優化mesh網格。利用grasshopper中的袋鼠插件進行重力模擬mesh曲面及優化網格細分，并進一步通過控制鏈接凸點形態的參數變量，使形態元素隨著自然演化過程，被轉化為變量后的數字系統中的一系列控制曲線，由曲線控制點調整曲面造型，并通過調動模型的坐標調節不同的參數來生成不同的形態（圖5）。

圖3 設計創意學院空間聲測結果

表1 吊頂面積、數量及預期達到的聲環境數據效果數據表

鏈接元件可由學生自己進行裁剪，形成學院師生共同匯聚智慧的理念。元件采用玻璃纖維板，自重輕、吸音性能強、不易潮濕，并易于折疊、切割和生產制作，在吊頂制作中，采用Grasshopper中的雙曲面梁（Beam）細分為若干塊二維平面，將這些組件通過節點的連接與固定形成弧線造型，為了保證結構的穩定性，采用了雙重玻璃纖維板的疊加和拼接。再經RhinoNest程序軟件，在反復調試中最優化地將加工構件進行模塊化的排版與切割（圖6）。在設計中，歸納最基本的規則和原則建構數字模型形態，自主演化波浪、漣漪自然韻律雛形，并生成最終形態（圖7）。

圖4 聲環境吸音吊頂的“神經末梢”參數化設計

圖5 “鏈元”吊頂設計參數化形態調整

3.5.2 “同舟共濟”聲環境吸音吊頂設計

以同濟大學“同舟共濟”為主題，在場地分析和概念確立的基礎上，提出概念模型，通過不同算法，進行船體規則控制下自組織地生成形態雛形。

模擬船體的框架結構，采用參數化設計運用不同形狀剖面連續切片構成船體形態，根據空間的平面尺寸生成空間網格，縱向坐標盡量貼近穹頂上的管道下沿標高，橫向坐標在船體形態預定空間范圍內由參數變量取值獲得。

確定空間網格空間剖分后，在空間網格內生成船體骨架片狀的區域，并運用參數化形態設計，進行船體骨架片狀的位置及形態調整（圖8）。設定若干最高控制點和最低控制點及曲面控制點，標高和曲面在一定范圍內隨機產生，通過函數方法的優化及調整，計算船體骨架構建的相鄰點標高和曲面，形成相對應的數據矩陣。對于船體木質材料的加工構建，利用數控機床進行材料構建制作，整個流程包括：Grasshopper切片生成及編號—數控切割機選擇—CAD切片大小確定及排版—調整切片大小及數量—上機試片—修正切片大小及編號—上機切割—切割完成編號（圖9）等程序。

圖6 “鏈元”吊頂參數化形態調整

圖7 “鏈元”吊頂參數化室內效果圖

在“波浪”的吊頂設計部分，在概念設計初期，設計組發現現有的阿姆斯壯弧形板材的曲面還不夠柔和，故應用參數化設計程序，模擬借鑒了自然環境中令人印象深刻并時刻演進中的波浪曲線，在軟件中以多條曲線描述形態架構，通過非標準構建，加工形成自由、變換的基本弧形單元網格吊頂形式造型（圖10）。

圖8 “同舟共濟”船體吊頂數字化構建

圖9 “同舟共濟”船體吊頂切片

波浪吊頂將中庭不同部位區分為停留或穿越區域，船體與弧形板相呼應，保持向門廳俯沖的動態趨向，并在管道、吊燈以及噴淋的位置適當降低波浪吊頂高度，并盡可能避開窗戶的開窗位置，防止遮擋光線。經過不斷的調試，工作小組把所有的切片、龍骨和節點圖形化，根據連接路徑，按照定位的構建與懸索，形成主要的結構支架，按照順序插接，其建構的形態和結構形成一個由多個波浪涌動的互為聯系、互為牽制的參數化的吊頂形態（圖11）。

在尋找材料的過程中，設計組將目標鎖定在鋁塑板、鋼板、木材、玻璃纖維板四種材料上面，并對材料性能進行了分析：雖然鋁塑板顏色較多，方便不同深淺色彩的選擇，但通過與廠家交流，發現鋁塑板不適合激光切割；而金屬板雖然適合激光切割，但是自重過大，目前現場條件無法承重；木材易于加工，但容易受潮而變形，因此只能作為船體骨架的小面積的材料。波浪的弧形吊頂最終選擇了耐熱性和耐潮性好、重量輕、具有良好加工性的玻璃纖維板。玻璃纖維板色彩采用紅色等絢麗明顯的色彩，以波浪造型多片連續懸掛，塑造出如絲綢緞帶般靈動的流線型天花，頓時讓靜態的房間有了動態的詩意，強調了空間的靈動自由，成為室內奪目的景致，具有強烈的視覺沖擊力（圖12）。

圖10 “同舟共濟”波浪吊頂數字化構建

圖11 “同舟共濟”波浪吊頂數字化構建

根據測量，在同樣面積空間內，弧線形吊頂與普通吊頂相比具有更強的吸音效果。將設計成果運用聲學軟件EASE進行測試，其聲壓級、明晰度、語言接受指數都有了明顯改善（圖13）。在學院宏大而寬闊的穹頂，起伏連綿的朵朵浪花涌動出靈動的美感，乘風破浪的“大船”承載著學子的抱負和心境，實現聲學和美學的有機統一，符合設計創意學院的審美和氛圍。

4 結語

傳統的天花吊頂系統設計初衷是以遮蓋建筑設備管道為主，而如今的吸音吊頂設計不再只是簡單的裝飾功能，更是室內設計的點睛之筆。設計創意學院的吊頂設計先后嘗試了多種造型概念及不同的設計手法，通過數字模型構建、參數調整、程序實踐、材料選用、構件模塊加工研究等過程，對不同的參數化構建有了更加深入的理解。參數化設計算法成為吸音吊頂設計過程中重要的工具。程序設計與吊頂藝術設計相得益彰，靈感的激發和設計技能的提高在這一過程中不斷地巧妙黏合，藝術與技術、現代與傳統的完美結合，使設計美觀與性能完善之間達到了平衡，推進了具有獨特造型及風格的吸音吊頂構建形式，創造出一個舒適安全的高校室內聲環境。

參考文獻：

[1]溫小樂,林征峰．模糊矩陣法在校園聲環境質量評價中的應用 [J]．環境保護科學 ,2006(08)：57-60．

[2]譚軍,黃險峰．對高校校園聲環境舒適性評價的研究[J]．聲學技術 ,2009(02)：45-47．

[3]鄒子敬,劉?。I遺產適應性再利用中的“嵌入”策略 上海同濟大學設計創意學院大樓改擴建設計[J]．時代建筑 ,2016(03)：120-125．

[4]孫宏洋,閆子卿．基于參數化方法的空間形態及表皮設計研究 [J]．現代裝飾 (理論 ),2015(11)：102．

圖12 “同舟共濟”吊頂數字化構建

圖13 “同舟共濟”吊頂聲壓級、明晰度、語言接受指數測試