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关闭窗口 数字化设计与建造
工程案例
南京大学建筑与城市规划学院讲师，南京大学建筑规划设计研究院数字建筑工作室主持建筑师，博士毕业于东南大学建筑学院，研究领域为数字建筑设计。
Beyond Form：digital design and Building industrialization
形式对于建筑师来讲是一个相当微妙的词汇，大家总是热烈地拥护形式，但又怕自己被贴上形式的标签。提及数字建筑，更是天然地与形式脱不开干系，每个人脑海中浮现的多半是各种眼花缭乱的数字设计形式。而讲到工业化，则是千篇一律的标准化，与数字设计很难发生联系。本人在经历了两个规模不大的工程实践之后，对数字设计的认识发生了一些转变，先和大家分享其中两个小故事。
我设计的第一座非标准建筑万科创展中心，在建造过程中工地频繁发生一些不曾预料到的施工问题。原以为这些问题多会出现在非标准的曲面部分，岂料正好相反，都发生在最平常的部位，例如混凝土现浇的排水沟、挡土墙、屋顶檐口等处出现很多施工质量问题。第二个经历是悬浮咖啡厅的建造。复杂的曲面GRG表皮与内部钢结构之间的容差只有几厘米，误差很容易累计导致无法安装。之前预计建造过程一定会有波折，没想到实际安装出奇地顺利，期间没有接到要求去工地解决问题的通知就已顺利完工。
接触数字设计，一开始也是被其生成的复杂多样的形式所吸引，迫切希望掌握产生这些形式的具体操作方法。在了解最基本的参数化设计原理之后，发现产生形式变化仅仅是表面，更为重要的是背后的几何规则、算法机制等更为基础的原理。转入工程应用后，开始是迫切地想将电脑中的数字形式转化为实物，但随着实践的深入，逐步体会到需要的不仅是一个数字设计成果，整个建筑产业链的支撑作用不可或缺。没有产业链各环节支撑的数字化，数字设计只能停留于电脑当中。数控加工等新型建筑工业化手段是数字建筑依存的重要基础，此时，数字设计已经不仅仅是一个形式问题。
数字设计是一场由建筑师发起和推动的建筑设计变革，而业主往往只关注结果，对于达到结果的技术手段并不关心。但建筑师没有资源的支配权，假如没有业主对数字技术的理解与支持，设计就只能是纸上谈兵。万科创展中心应用参数化方法进行设计，结合数据库实时反馈设计信息，统计每一个构件的用钢量。结构的参数化设计精确控制钢格栅厚度，每减少两毫米厚度可以节省二十万元造价。业主直观地感受到参数化设计带来的价值。悬浮咖啡厅项目原设计方案是一个不规则球体，采用非数控的方法加工。在全尺寸钢结构框架加工完成后因为误差太大而被废弃。我们应用参数化设计提出的设计方案形态比原方案更为复杂，但依靠合理的设计策略及工业化数控加工技术的支撑，项目顺利实施，再次让业主感受到数字设计技术与建筑工业化带来的价值。
数字技术与工业化结合所发酵出的结果，不再局限于传统建筑工业化重复生产带来的效率提升。当数字技术拓展到建筑全产业链，带来的是建筑设计的丰富性与建筑品质的同时提升。长期以来，中国建筑工业化体系发展缓慢，中国建筑设计对于世界建筑界的影响往往是借助其文化独特性，而物质层面的创新则一直比较欠缺。数字技术特别是数字加工技术的引入，缩小了加工建造技术的差距。万科创展中心和咖啡厅两个项目的加工方和施工方均为本地化团队，采用当地设备进行加工。设计配合过程中我体会比较深的是，目前欠缺的不是硬件设备，更需要的是各环节之间的整合，而这正是建筑师可以发挥设计才能的地方。
综上，数字建筑设计的发展已由单纯追求形式走向探索数字时代建筑的全面变革，也许未来会用一个新的术语——“数字建筑工业化”来概括建筑这一新的发展方向。
撰文 钟华颖 南京大学建筑规划设计研究院数字建筑工作室
业主：万科集团万创设计管理部&建筑研究中心项目地点：东莞市松山湖万科住宅产业化研究基地建筑设计单位：南京大学建筑规划设计研究院有限公司建筑设计：钟华颖、李辉结构设计单位：ARUP奥雅纳工程咨询（上海）有限公司结构设计：郭家耀(Michael Kwok)、刘钢、Martin Simpson、陈智力（Nick Chen）、孙鹏建筑面积：6 860m2设计时间：2012年建设时间：2012~2013年建筑摄影：姚力
总平面图
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自由曲面作为一种造型手段应用于建筑设计，由于非标准构件的加工造价高昂，往往被认为仅适用于一部分重要的标志性建筑。在造价有限、预算控制严格的一般性大型建筑设计中，如何合理地应用非标准曲面造型，万科集团创展中心进行了一次尝试。通过一系列合理的设计技术措施结合工业化加工手段，最终实现了这座低造价的非标准形态建筑。
万科创展中心位于东莞松山湖万科集团住宅产业化研究基地内，是万科集团住宅建筑设计、住宅精装修研发与展示的基地。内部要求14m柱跨的通用空间。用地北部为已建成的研究厂房，南侧为基地边界的
一层平面图二层平面图
自然土坡。结合内部空间要求和外部环境，创展中心由14m柱跨的方盒子开始，将屋顶及东侧、南侧的墙体撕裂、扭转，形成光线和空气进入建筑的通道。扭转的墙体虚实相间，分别转化为封闭的曲面钢幕墙和扭曲的钢格栅。支撑斜柱隐藏在曲面幕墙内，钢格栅在增强通风效果的同时，也作为遮阳构件起到遮阳作用。两者虚实相间形成的丰富形体与南侧自然地形相呼应。为了实现这一设计构思，从几何形态、参数化设计技术、构造节点等方面提出了相应的措施。
西立面图
适应加工条件的几何选型
非标准构件的几何形体如果在三维方向同时变化，需要进行三维数控加工，造价高昂。如果将非标准构件的形状变化限定在二维平面内，其造价就会大幅降低。走访本地加工厂发现，很多常规的直线形构件也采用数控加工，数控加工技术的普及为设计的实现提供了现实基础。在加工费用上，以数控切割机为例，加工平面内的曲线形构件与加工直线形构件单位时间的加工费相同，不同之处在于材料的利用率。根据这一加工条件，创展中心将构件形状变化限制在二维平面内，同时利用合理的几何选型，将构件进一步简化为直线形构件，提高了材料利用率，降低了总体造价。在多种自由曲面类型中，满足这一要求的是由空间中不共面的两条直线定义的规则曲面，而沿两条边等分线的连线均为直线。这一特性方便了后期加工，建造过程中的定位也比较方便。规则曲面的弱点在于形态变化不够丰富，因此创展中心采用多组规则曲面的组合，构成丰富的形态变化。
参数化构件生成
根据规则曲面的几何特性，编写了曲面格栅和曲面幕墙的参数化生成程序，输入密度、进深等控制参数，即可生成构件。同时将面积、厚度以及对应的用钢量等指标存储在数据库当中，实时输出反馈给相关专业以及业主，为比较不同设计方案的造价变化提供了快速准确的依据。以程序描述的形体生成为基础，设计在不改变总体控制原则的前提下对比不同方案，研究构件细部尺寸，实现方便和高效。在设计周期很短的情况下，我们对比了十种以上不同可能性的方案，最终确定了曲面格栅和幕墙方案，并在很短的时间内完成方案模型的重建。
易于调节的构造节点
曲面钢板幕墙是由多个小的平面单元拼接而成的，初期方案担心安装精度难以保证，将幕墙单元拼接设计为明缝。这一设计需要在钢板背面增加防水层，构造复杂，造价难以承受。因此将幕墙拼缝改为焊接密封，焊缝允许的最大宽度有限，且幕墙单元数量较多，精度要求较高。幕墙节点设计进行了不同方案的试样对比研究，最终采取在每一幕墙单元设可调节的定位钢片进行初步定位，待整片幕墙对缝确认完毕后再进行焊接固定的方法。实际应用的效果简便易行，安装快速。
顺应加工工艺的表面肌理
幕墙全尺寸试样焊接完毕后，焊缝的处理成为一个难题。预想的处理方法是焊接完成后逐一打磨，由于焊缝的数量大，打磨费工费时。通过试样发现，打磨用的砂轮会在焊缝周边留下明显的痕迹，表面喷涂后痕迹会更加明显。如果保留焊缝，整体效果将十分粗糙。是否打磨焊缝成为一个两难的选择。正当设计陷入困境时，走访加工单位发现，用于加工钢板的折弯机可以精确地按照预定角度将钢板折弯。因此，我们提出将三角形幕墙单元两两组合为四边形单元，对角线用折弯机加工，这样仅焊接四边即可，这一方法大大减少了焊接量。折弯的压痕形成精细的转折线条，与周边粗犷的焊缝形成对比。幕墙整体形成了对角线与四边形两个方向网格交织的特殊肌理，在不同光线下将产生微妙的光影变化。
规则曲面几何特性
钢格栅的参数化建模
方案对比研究
曲面钢幕墙节点
幕墙肌理
建筑结构一体化的参数化设计
曲面钢格栅在总体用钢量当中占很大比重，在主体结构难以压缩的条件下，压缩曲面格栅的用钢量成为控制造价的关键。钢格栅从建筑效果考虑希望尽可能薄，同时有大的进深。但如果太薄，其结构强度就难以满足，而增大进深又会直接增加造价。如何决定最佳格栅参数，仅从建筑效果角度考虑难以决定。此时结构设计提出了一套参数化结构计算模型，将几何尺寸变化对结构的关联关系以多条曲线表达，曲线上每一点的对应参数均可满足结构设计要求。在这一技术的辅助下，结合造价统计程序，建筑师迅速准确地选定了造价范围内的最佳几何尺寸参数。
BIM建筑信息模型
复杂形体的实现首先是设计信息的全面准确表达。利用BIM设计平台的图纸表现与信息综合能力，可以准确高效地实现施工图阶段建筑、结构、幕墙各工种的配合以及项目实施过程中出现的设计问题反馈。同时我们也发现，BIM模型可以进行高效的信息输出与整合，背后的控制思想与参数化方法有类似之处。如果信息输入的接口更为开放，将形体生成过程中的设定参数与BIM模型的控制参数对接，实现建模软件平台与BIM平台的整合，参数化设计的能力将更为强大。
结语
万科集团创展中心的设计建造在几何形态方面的探索仅仅是一个方面，如何在低造价前提下实现非标准曲面建筑的建造是设计的核心意图。这一过程中相关设计技术的研发与应用则是意料之外的收获。
结构-表皮三维模型（图片来源：李辉提供）
BIM模型（图片来源：李辉提供）
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撰文 钟华颖 南京大学建筑规划设计研究院数字建筑工作室
| 业主：深圳市万科房地产有限公司 | 结构设计：周高凌 |
| 项目地点：深圳市龙岗区万科广场 | 建筑面积：200m2 |
| 建筑设计单位：南京大学建筑规划设计研究院有限公司 | 设计时间：2013年 |
| 建筑设计：钟华颖 | 建设时间：2013年 |
| 结构设计单位：CCDI悉地国际深圳区域公司 | 建筑摄影：侯博文 |
平面图
底平面图
立面图
高精度的复杂曲面形态建筑如何实现，是万科广场悬浮咖啡厅项目面临的最大挑战。该项目是位于深圳龙岗万科广场中庭空间中一个钢索悬吊的咖啡厅，通过天桥与周边相连。接手项目时，原设计方的方案已经在工厂完成了结构骨架的加工拼接，但由于误差太大无法进行后续安装而终止。实际上，原设计方案也提供了三维模型，加工方与后来实施方案的加工方也是同一家，那么方案为何失败是我们接手项目后首先思考的问题。
经过分析我们发现，复杂三维形体建筑的实现不是单单用一个三维数字模型就可以保证的，而是应当综合考虑尺度、形态、材料、加工、安装等多方面的因素，为此我们在后续设计中采用了一系列的技术措施，最终使项目顺利实施。
中等尺度的设计策略
在设计开始，我们首先意识到的困难不是形体的复杂，而是尺度的影响。大尺度条件下，例如国家体育场鸟巢，曲面及复杂节点可以降低对几何精度方面的要求，采用平面或折面进行重构和拟合。细部的误差不会对整体效果产生太大影响。小尺度条件下，例如一个小型装置或雕塑可以通过提高加工精度来获得精密构件实现复杂形体。而咖啡厅椭圆球体长轴16m，这一尺度正巧介于大小两种尺度之间。围护结构和使用者的距离很近，如果采用大尺度的策略则近距离视觉效果太粗糙；如果采用小尺度的方法，其造价方面可能难以承受。经过分析，我们提出了两者结合的技术策略，即在近人界面采用高精度加工的构件，在不影响体验的结构部分则放松构造精度要求，降低造价。
悬浮咖啡厅是一个材料决定形态的设计。玻璃材料因为积灰难以清洁而被放弃，可塑性高并具有防火性能的纤维加强石膏材料（GRG）成为首选。数控加工成型的GRG板材可以通过填缝打磨等工序实现无缝的光滑表面。考虑到打磨工艺要求，选择凸形曲面形体更为合适，而通过增加孔洞降低曲面板块的尺寸有利于掩盖加工的瑕疵。因此，构造具有孔洞的连续凸形曲面成为形态设计的原则。相对于曲面建模常用的NURBS曲面，T-SPLINE这一几何工具更能适应复杂拓扑关系的建模。
通过几何建模对形体截面尺寸进行推敲，希望结构构件尽可能小，同时咖啡厅顶部单边悬挑的尺寸较大，故选择钢材作为支撑GRG表皮的结构材料。平面数控切割设备在深圳当地的钢结构加工企业中较为普及，二维平面内变化的构件在加工精度和成本方面与加工标准型材没有显著区别。因此，将结构构件的形状变化限制在二维平面内进行结构布置和找形。利用多个方向的平面与椭圆球体相交，形成交织的网格，从而产生结构布置网格。根据这一网格重新生成结构构件，加工便利，成本可控。
模具费用是加工三维曲面构件的一项重要成本。GRG表皮的自由曲面形态没有重复性，模具无法反复使用。如果采用钢模、木模、塑料模等模具材料，加工成本高昂，浪费太大。GRG生产厂家上海恒豪开发的蜡质模具技术，采用CNC机床雕刻蜡锭制造模具，使用后将模具融化重新还原为蜡锭，解决了模具重复利用的问题，大大降低了加工成本。经过数控加工翻模后的三维GRG表面精度能够忠实还原三维数字模型的细节，打磨抛光后平整度更高。
材料与加工方式确定之后，开始进行具体的形态设计。采用最小断面作为控制参数，生成表皮的连续曲面。参数设定考虑了形态、构造尺寸和造价三者的平衡，最终确定直径为30cm。在去除12cm的结构厚度、2cm的GRG外壳壁厚之后，剩余的容差数值仅为14cm，再加上误差等因素，实际容许空间更小。最小断面控制增加了加工建造的精度要求，为了实现这一精度，对节点和结构线形设计提出了相应的技术措施。
（b）结构与表皮 平面化的结构构件
（c）D=200 P=0.5
最小截面控制
构造节点
曲面变形引起的结构-表皮不匹配问题
大容差的构造节点
网格交汇的节点构造是设计的一个重点。在有限的预算下，构造节点难以采用高精度（同时也是高造价）的加工方式实现。在最小断面的控制下，唯有通过扩大节点空间和允许误差的方式进行化解。节点有了更大的外部范围，内部钢结构的交接才可以允许较为粗糙的连接方式。通过大小不同的连接片焊接，只需保证结构强度即可。同时为了便于清洁，咖啡厅围护结构没有玻璃，放大的节点形态对室内空间的限定也更为有力。
参数化表皮结构匹配技术
设计过程中遇到一个几何难题。由于参数曲面相对于控制线存在收缩问题，建模获得的复杂曲面偏离控制网格距离不均匀。该控制网格同时也是生成内部支撑结构的控制线，结构采取了不同于表皮的建模方法。两者之间的间距难以控制，导致结构与表皮不匹配。这一问题困扰了我们很长时间，第一种尝试是对表皮曲面建模的变形进行控制，实验发现变形的偏移度不均匀，很难通过少数控制点的移动来进行修正。
在表皮难以调整的情况下，我们转而调整内部结构。通过搜寻表皮外部边界，重新生成内部控制线，进一步生成结构构件的几何线形。采用这一方法，内部结构线形不再是标准的椭圆曲线，而是蛇形转折的一组曲线。由于曲线形状比较复杂，究竟何种程度的弯曲转折最为合适难以凭直观判断。为此将曲线找形过程编写为参数化程序，通过输入不同参数获得多种结果，将这些结果与各设计加工方沟通讨论，综合钢结构加工工艺、GRG外壳内表面平整度等因素，最终提出了一种满足各方要求的线形。
（a）P=100（b）P=300 （c）P=500结构-表皮匹配度的参数控制
悬浮咖啡厅加工建造工期约三个月，设计周期则超过半年。整个过程探索了复杂曲面的建模方法、参数化设计方法、数控加工、复杂形体安装等多个方面的设计建造技术。在技术探索之外，更为重要的是咖啡厅项目的顺利实施让业主和建筑师一起体验到了数字技术在建筑行业应用的巨大潜力，同时也发掘和整合了本土化的从设计到加工建造的数字建筑产业链。
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