基于數(shù)字化肌理演繹的建筑表皮空間優(yōu)化研究
——以某商業(yè)綜合體項目為例

鞠瑞馨， 叢陽， 劉鵬飛， 孫陽， 林強

（中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司）

1 背景與問題

在智能數(shù)字建造[1]的設(shè)計實踐過程中，設(shè)計師們通常采用建筑數(shù)字信息技術(shù)（BIM）的參數(shù)化軟件工具對參數(shù)化建筑的概念方案進行擬合建模設(shè)計。同時在工業(yè)建造方面，一般直接使用設(shè)計時的效果雛形模型，以其較大尺寸的空間構(gòu)件來直接呈現(xiàn)建筑方案的概念效果，以此裝配建筑立面肌理的整體幕墻表皮模型，然后再進行工程后期的建造設(shè)計和施工建設(shè)。然而，由方案概念效果轉(zhuǎn)化為施工建造設(shè)計的過程中，常會出現(xiàn)方案概念被曲解，導(dǎo)致項目落成后的實際效果與方案概念效果圖之間的巨大差別，許多可優(yōu)化設(shè)計的細(xì)節(jié)被忽略。

在工程實踐中，面對主客觀的諸多不確定因素——參數(shù)化肌理表達(dá)的立面表皮幕墻與建筑功能及相關(guān)外部空間環(huán)境的適應(yīng)性差、同原方案的效果擬合度低、工業(yè)建造精度低、工程成本巨額激增、無限制地增加工期等嚴(yán)峻問題，通用的技術(shù)路線已經(jīng)無法滿足復(fù)雜的參數(shù)化建筑工程需求。

2 項目概況

某商業(yè)綜合體項目（見圖1）建筑高度23.10m，占地面積6.19萬㎡，總建筑面積約13.34萬㎡。參數(shù)化設(shè)計的肌理式立面和動感韻律的整體曲線造型使建筑具有超前性、富有濃厚的現(xiàn)代氣息和文化意識及地域特征，是該區(qū)重要的具有標(biāo)志性的人文景觀和城市代表性建筑。項目以設(shè)計總包形式負(fù)責(zé)的EPC大型標(biāo)志性工程，并以項目組為管理單元，并整合優(yōu)勢要素在建筑原創(chuàng)方案、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、BIM 研發(fā)、幕墻設(shè)計、綠建科技、景觀綠化、照明亮化、智能化、建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等多維度的各部門全方位協(xié)調(diào)配合，充分展現(xiàn)出現(xiàn)代數(shù)字智能化建筑科技的智慧。

圖1 某商業(yè)綜合體效果圖

3 工業(yè)建造實踐困境

在參數(shù)化建筑工程項目中，建筑師對接項目方案得到了已確定的效果圖和帶概念效果表達(dá)的元胞模型[2]。在進入到建造優(yōu)化設(shè)計階段的過程中，面對商業(yè)綜合體部分的參數(shù)化立面肌理表皮模型的呈現(xiàn)效果，其核心難點在于立面表皮的參數(shù)化空間肌理式造型的工程實現(xiàn)。因此，遇到了以下嚴(yán)峻問題。

①設(shè)計工具與方法：傳統(tǒng)建模的軟件工具及其方法，無法滿足參數(shù)化實際工程建造設(shè)計的需求。

②環(huán)境適應(yīng)性：立面肌理表皮的幕墻系統(tǒng)建筑內(nèi)部功能與相關(guān)環(huán)境的適應(yīng)性差。

③工期和經(jīng)濟性：參數(shù)化建筑的建造為非標(biāo)準(zhǔn)營造，因此在設(shè)計建造的過程中會出現(xiàn)諸多更改、返工找形的情況，這樣就會使其工程成本出現(xiàn)巨額的激增、無限制地延長工期。

④無法對接工業(yè)建造：因方案模型的精度不夠、肌理表皮構(gòu)建尺寸過大、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有缺陷、整體形體找形困難，所以在工業(yè)建造方面無法準(zhǔn)確指導(dǎo)施工圖的設(shè)計繪制、對接工廠進行標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)式生產(chǎn)加工建造及增加現(xiàn)場施工的作業(yè)難度，使得在工程項目施工后建成的效果和概念方案的效果相比較存在諸多具體問題。

⑤雙層幕墻體系：內(nèi)部幕墻為常規(guī)曲面玻璃幕墻，外層幕墻為肌理效果的表達(dá)部分。在其肌理表皮構(gòu)件單體結(jié)構(gòu)及幕墻的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體異常突出，且對室內(nèi)平面功能、采光和對外的視線景觀通達(dá)性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。目前無法根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》要求設(shè)置消防救援窗，并確定其合理位置。

⑥材料選擇：外層幕墻的表皮設(shè)計形式會影響材料的選擇，同時材料的選擇也會影響立面表皮肌理的表達(dá)。

⑦效果呈現(xiàn)、美觀性與完成度：建筑方案階段的元胞模型[2]無法在工業(yè)建造及施工階段直接使用，它設(shè)計的不準(zhǔn)確性、低擬合度、較低的精度會影響建造及施工安裝，并在環(huán)節(jié)的最后嚴(yán)重影響建筑肌理效果--表皮空間旋轉(zhuǎn)、漸變的肌理結(jié)構(gòu)組織造型形態(tài)的呈現(xiàn)和內(nèi)部實際功能的使用。使得項目建成后與方案效果意境落差巨大、不夠美觀，甚至影響審美。

4 參數(shù)化肌理優(yōu)化設(shè)計研究

參數(shù)化建筑設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，面對工程實踐的困境進行研究式優(yōu)化設(shè)計。其立面的肌理設(shè)計影響因素眾多，參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計技術(shù)路線的架構(gòu)是優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。根據(jù)項目參數(shù)化方案立面效果所呈現(xiàn)出的多種肌理造型的空間動勢，劃分出幾大造型區(qū)域（見圖2）。方案階段的模型即是優(yōu)化階段所需的設(shè)計雛形，它一般解決參數(shù)化這一復(fù)雜系統(tǒng)的主要矛盾并對設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生直接的建造影響，以便最終建造的成果能夠最大程度地滿足實際使用時對活動行為的功能要求。這個優(yōu)化設(shè)計雛形還需要在其他影響因素的作用下繼續(xù)建造性的進化，正因為它是在參數(shù)化軟件工具條件下的圖形，所以它能夠接受工具語言編輯的指令操作，從而改變其空間形態(tài)并發(fā)展到一個令人滿意的設(shè)計結(jié)果。

圖2 商業(yè)綜合體部分的參數(shù)化立面肌理分析

4.1 參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)

參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計過程的終極目標(biāo)是要獲得最高程度的功能滿足的設(shè)計結(jié)果，參數(shù)化模型的建立是始于對人與環(huán)境、空間功能的尊重。設(shè)計過程遵循前后連續(xù)的因果邏輯關(guān)系，從而獲得與設(shè)計始點相對應(yīng)的設(shè)計結(jié)果。因此其設(shè)計的邏輯性就越發(fā)凸顯成為必要性。在對項目立面整體幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和構(gòu)造邏輯的深入研究后，同時在保證參數(shù)化方案設(shè)計的建造效果完美呈現(xiàn)的情況下，運用優(yōu)化設(shè)計的基本方式--建筑表皮結(jié)構(gòu)的邏輯性優(yōu)化、形體適應(yīng)性優(yōu)化、建筑界面透過性優(yōu)化，和其基本步驟--模擬分析、（細(xì)節(jié)）模型建構(gòu)、優(yōu)化甄選，經(jīng)過反復(fù)多次的設(shè)計分析研究，在參數(shù)化設(shè)計技術(shù)[3-7]的指導(dǎo)下，以可建造性為目標(biāo)，根據(jù)JPG格式圖片特有的像素特點，最終從確定的方案效果圖出發(fā)自主創(chuàng)新研發(fā)了一種基于BIM的參數(shù)化建筑立面優(yōu)化設(shè)計方法--“像素化網(wǎng)格2D法向投影3D曲面空間格柵幾何細(xì)分”方法（見圖3），將復(fù)雜的空間旋轉(zhuǎn)曲面形體簡單化、有理化拆分細(xì)化，使其形成強有力的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，進而設(shè)計出能應(yīng)用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建造的肌理表皮構(gòu)件模型。這個設(shè)計方法是基于BIM，并與各專業(yè)進行詳細(xì)的密切配合后最終完成對方案模型的參數(shù)優(yōu)化再設(shè)計[8-10]。同時，從已確定的參數(shù)化建筑肌理方案的效果及意境出發(fā)，基于參數(shù)化的軟件工具Rhino 和Grasshopper（見圖4），在項目設(shè)計的三個階段（方案階段、優(yōu)化階段、施工建造階段）歸納了具有普適性的參數(shù)化立面肌理表皮優(yōu)化方法的工藝流程，其具體包括：提取像素方格點和2D網(wǎng)格交叉線、構(gòu)建整體空間體塊的建筑立面肌理、重構(gòu)其體塊模型、進一步重構(gòu)其深化模型、重構(gòu)參數(shù)化立面肌理表皮構(gòu)件、重構(gòu)建筑表皮單元模型這六大步驟。

圖3 參數(shù)化設(shè)計方法的工藝邏輯流程圖

圖4 Grasshopper腳本的邏輯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計編寫邏輯圖

4.2 肌理式幕墻優(yōu)化設(shè)計

項目的建筑立面采用雙層幕墻體系，其外圍護表皮幕墻是方案參數(shù)化肌理效果的呈現(xiàn)，內(nèi)部表皮為傳統(tǒng)玻璃幕墻。因此，建造設(shè)計如何最大程度的擬合方案肌理效果就成為顯要問題。這樣，在項目的施工建造階段對接工廠的環(huán)節(jié)中建筑師與幕墻設(shè)計師密切配合，將外層幕墻、結(jié)構(gòu)外殼一體化設(shè)計并形成模數(shù)化，將建筑表皮形式、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和材料構(gòu)造進行高度的設(shè)計整合，同時以有效控制并節(jié)省建造成本、適應(yīng)工廠標(biāo)準(zhǔn)化建造、減輕自身荷載、降低現(xiàn)場施工難度為原則，運用自主研發(fā)的參數(shù)化肌理優(yōu)化設(shè)計方法，在空間維度上對建筑立面的外表皮幕墻系統(tǒng)進行模數(shù)化細(xì)分，通過自主研發(fā)的參數(shù)化肌理優(yōu)化設(shè)計方法，經(jīng)過六十多次的優(yōu)化設(shè)計分析研究（見圖5），最終細(xì)化出符合建造標(biāo)準(zhǔn)的肌理構(gòu)件——空間表皮構(gòu)件單體和單元組，并確定其形狀、材料、輪廓、結(jié)構(gòu)體系和組合方式（見圖6、圖7），然后進行具體工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造設(shè)計，最終得到高擬合度、可建造的全新立面構(gòu)件。同時，充分滿足建筑室內(nèi)功能房間的采光和視覺通廊等的實際使用需求。

圖5 參數(shù)化立面肌理式優(yōu)化設(shè)計分析

圖6 表皮構(gòu)件單體

圖7 表皮構(gòu)件單元（組）

在表皮構(gòu)件的設(shè)計中，其墊塊設(shè)計為中空構(gòu)造用以減輕構(gòu)件自重荷載，并采用節(jié)能環(huán)保型材質(zhì)進行可標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)可以大大降低工程造價，同時構(gòu)件扣蓋、三棱柱格柵采用可進行日光漫反射的材質(zhì)來滿足建筑內(nèi)部環(huán)境具體功能的使用要求。在參數(shù)化建筑實際功能的使用方面，構(gòu)件各部位及零件可進行及時的拆卸和安裝，充分滿足《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中要求的建筑消防安全距離和建筑平面每個防火分區(qū)設(shè)置的多個消防救援窗的開啟凈尺寸面積要求、內(nèi)層表皮常規(guī)玻璃幕墻的維護及清潔要求。

5 結(jié)語

在數(shù)字時代，高質(zhì)量的數(shù)字實現(xiàn)是從設(shè)計源頭開始，針對參數(shù)化設(shè)計的全生命周期中的核心問題--立面肌理呈現(xiàn)的建造完成度，通過某商業(yè)綜合體項目進行其關(guān)鍵技術(shù)的研究，基于BIM，自主創(chuàng)新性的提出一種具有高擬合度和工業(yè)建造性的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計方法——“像素化網(wǎng)格2D 法向投影3D 曲面空間格柵幾何細(xì)分”方法和其建造模型。這種方法不僅能提高生產(chǎn)效率、減輕自重荷載、確保室內(nèi)空間功能使用、使預(yù)算可控，還能有效降低工程成本，縮短從優(yōu)化設(shè)計到工業(yè)建造階段的工期，并且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)建造、安裝使用簡單、操作便捷、節(jié)省材料、綠色環(huán)保的綠色建筑要求。同時，其能為建筑幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體提升、工業(yè)化建造模型的精度提高及有效降低建造成本方面提供可靠的方法和實踐依據(jù)。