復雜形態建構與邏輯對接——天獅大學體育中心建構研

趙 旭 吳吉明

(北京市建筑設計研究院，100044 北京)

Zhao Xu，Wu Jiming

(Beijing Institute of Architectural Design(BIAD)，Beijing 100045，China)

1 引言

對于復雜形態的模型建構除了要保證建構過程的數學關系，我們必須要考慮模型的整體形態與建構的邏輯關系，同時我們也必須充分考慮和上層規劃邏輯的對接。本文正是我們在天獅大學體育中心項目中的實際體會，提出了一套基于設計師思路的整體性的數字建構方式與邏輯優化心得。［1］

圖1 天師大學體育中心東南側鳥瞰效果圖

天獅大學體育中心位于天獅大學天津武清校區。總用地面積109 240 m2，總建筑面積71 000 m2，其中包括一座3 萬人體育場和一座4 千人體育館。(圖1)

圖2 天獅大學體育中心西南側鳥瞰效果圖

體育中心建筑單體的設計，是在前期校園5 000 畝大規劃的基礎上進行的。園區北側不但有標志性的龍鳳河景觀，而且內部也由大小不同的人工水系串聯。規劃設計中豐富的水紋肌理，為建筑師提供了靈感來源:可不可以用一條“流動”的曲線，勾勒出整體建筑輪廓，化零為整，整合建筑功能，順應不規則用地形狀，一氣呵成，整個建筑形態應該極具運動感，呼應體育建筑的功能特點［2］。天際線輪廓應該高低起伏，像空中隨風飄舞的綢帶一樣，充滿激情與活力，而又不失浪漫氣質。(圖2)

2 模型建構與邏輯對接

2.1 原始模型的建構

針對建筑師腦海中浮現的曲面造型，在方案階段，建筑師選擇在Rhino 平臺上進行模型塑造。眾所周知，Rhino 采用NURBS(非均勻有理B 樣條曲線)的方式建構模型，相比Polygon(多邊形)用一個個小四邊形來逼近真實曲面的建模方式，NURBS 能用較少的點控制較大的平滑曲面。NURBS 構建的曲面，每一點都是通過方程計算的，生成的曲面可以做到絕對的平滑，并且可以極為精確地控制曲面質量和形態，得到更生動的造型，而Polygon 建模是不可能精準描述曲面的［3］。(如圖3 -圖4)

圖3 Rhino 原始模型控制線＆線上控制點

圖4 Rhino 原始模型曲線生成曲面

這個階段工作的首要目標，是在尺度合理的前提下，得到建筑師滿意的曲面形式。也可以說，是為了后面的精確建模和AutoCAD 平面調整，深化建立一個基礎。這時建筑師先在Top 視圖下畫出幾條平面輪廓線，再在其它視圖中，反復調整這些曲線的控制點，使其在三維空間上的形態發生變化。之后嘗試曲線生成曲面的幾種不同命令，反復比較得出的曲面效果，建筑師最終選擇了先分別將頂部3 條曲線和側面2 條曲線放樣成曲面，再將兩片曲面折中匹配，并調整匹配參數，繼而得到理想的建筑形態。至此，由建筑師進行操作的方案模型初稿完成。這個原始模型，是設計階段所有工作的開始，至關重要，它不但要充分地表達建筑師的設計意圖，構思想法，還要提供給BIM 工程師以及結構工程師足夠的信息，以便他們開始介入設計工作。

原始方案模型會和很多設計因素互動調整。而互動的平臺，是采用程序算法生成模型的grasshopper(GH)，一款同樣在Rhino 環境下運行的參數化插件。GH 最大的價值，在于它是以自己獨特的方式完整地記錄從起始模型到最終模型的建模過程，從而達到通過簡單改變起始模型或相關變量就能改變模型最終形態的效果。當方案邏輯與建模過程聯系起來時，GH 就可以通過參數的控制直接修改模型，它是一款極具參數化設計的軟件。［4］

2.2 AutoCAD 界面中的數據控制

在GH 編寫程序之前，為了進一步向自由曲面可施工化方向深入，建筑師需要對原始模型進行規整，盡可能多地對模型上的節點進行空間定位。

首先，要在二維視圖中，規整模型控制線。在平面圖中，外圍護結構的輪廓由3 條曲線組成，分別是最外側邊緣控制線，最內側邊緣控制線和落地邊緣控制線。建筑師提取出這3 條曲線平面投影到AutoCAD 環境中，進行微調，精確定位。把每條曲線都拆分成幾條連續相切的圓弧，每段圓弧的半徑盡量規整，再鎖定各圓弧的圓心，圓心可采用場地坐標定位，而它們之間的距離，則沒有限制的必要。這些曲線在Z 軸方向上的定位，除了幾個特殊點會在剖面中確定，其余所有點在Z 向量上的定值，都來自原始模型中控制線的空間屬性，這些屬性可以被后面GH 的程序直接應用。(見圖5 -圖6)

然后，建筑師再從原始模型中提取出體育場館3 個關鍵部位的剖面，分別是垂直足球場長短邊的兩個剖面和造型末端各控制線收尾處的剖面。在AutoCAD 二維視圖中，結合上面提到的平面投影輪廓線，鎖定剖面最高點和端點的標高。至于造型頂部曲面和側壁曲面之間的倒角，在剖面中可不做限制，因為在之后的GH 程序中，會對外表皮連續曲面的倒角半徑加以參數控制。

圖5 AutoCAD 平面輪廓線定位

圖6 AutoCAD 剖面確定特殊點標高

以上階段的工作，需要綜合考慮看臺部分混凝土結構的輪廓定位，兩者互動調整。看臺各層在AutoCAD 中的平面和剖面工作需要同步進行，不斷擬合進模型導出的控制線中，校對外圍護結構和場心結構是否矛盾，同結構工程師溝通，預留出結構構件占用的空間，在綜合外觀和使用功能的前提下，做出調整，這個階段的工作，需要更加耐心細致，建筑師可能至少要做5 次以上修改，才能得到相互匹配的表皮和場心。

圖7 GH 界面編寫數學模型程序

圖8 GH 程序同步生成Rhino 模型

2.3 GH 數學模型的搭建

這些在AutoCAD 中加工深化過的曲線，可以說就是原始模型和GH 程序之間的界面。建筑師此時，將AutoCAD 文件和原始模型文件，傳遞至BIM工程師處，他們會將AutoCAD 中的曲線，指定到GH程序中，同時，把原始模型中對應AutoCAD 的控制線，植入GH。因為在編程的函數模型里，需要利用這些控制線在Rhino 中的屬性，賦予曲線在Z 軸方向上的高度變化。這個階段的工作，需要BIM 工程師建立起相關的數學模型，將程序生成的模型可視化，在Rhino 環境下，反應給建筑師來確認形體的美感和同原方案造型的差別。(如圖7 -圖8)

如果有不滿意的地方，對GH 生成模型的修改，一般是在兩個層級下進行，一個是需要返回至Auto-CAD 界面，比如雙曲面外表皮的光滑度不夠，建筑師就會調整組成控制線圓弧的形狀，或者調整幾個剖面中關鍵點的標高，再將優化后的控制線重新指定到GH 中再次生成模型推敲，這時，GH 本身的函數模型不需要變化，只要替換原先程序中的曲線即可。另一中情況則不需要返回至AutoCAD 環境，如果控制線本身沒有問題，而是它們之間的曲面有問題，BIM 工程師可以通過調整GH 程序中的變量，或者增加新的變量來干擾模型生成效果，通過對程序本身的修改，得到與之聯動的模型修改。

2.4 項目的后續修正與整合

對模型的修改和確認需要建筑師和BIM 工程師共同完成，兩者要一起討論，找出問題所在，反復試驗，最終得到精確的模型。一般這個階段要占整個方案深化三分之一以上的時間，要想盡量避免無謂的反復修改和顛覆性的結構改變，建筑師就要更加仔細的對待之前的原始模型和在AutoCAD 中的工作，因為GH 程序中很多地方，都要用到這兩方面提供的信息，保證原始信息的準確性，可以有效提高后面的工作效率。

此項目現正處于方案深化階段，建筑師確認的外圍護結構造型已傳遞至結構顧問處，結構工程師正在計算受力情況，布置構件具體位置。機電工程師也正在閱讀場心部分，看臺處和體育館室內圖紙，與建筑師和體育工藝顧問公司溝通確認專業系統和各機房大致位置。隨著各個專業部門設計工作的深化，建筑師將匯總信息并加以消化，以Auto-CAD 二維圖紙的形式反應給BIM 工程師，繼續完善GH 程序和Rhino 模型，同時各專業設計人員需要的信息，也能方便地從模型上提取。

關于本項目針對建構方式的優化我們總結如下的心得:

(1)更少的控制點更有利于打造更流暢的建構控制;

(2)數字模型在各種轉換與輸出的過程中必須要進行適當的優化;

(3)模型應保證有效拆分可能;

(4)模型的轉換過程應注重與精度以及與銜接部位的交接;

(5)各控制項間應考慮適宜聯動關系的并進行有效的規劃設置。［5］

3 結語

對建筑師而言，這個項目方案階段的工作具有一定的實驗性，尤其是對一些自由曲面造型的處理。相對應用歷史“悠久”一點的CAD 軟件，和新興參數化軟件之間的邏輯轉換，不但能幫助建筑師更好地把握不規則造型的精確性，還可以大幅度提高工作效率。GH 提供的數學模型沒有摒棄傳統的模型建構方法，而是在原來的基礎上，極大地優化了模型的可操控性。

［1］吳吉明，趙旭，王娜等.整體式BIM—設計思維與計算思維的整合［J］.土木建筑工程信息技術，2015，7(2):1-8.

［2］吳吉明，張慶利，趙旭 等.天獅國際大學城單體建筑方案.北京市建筑設計研究院，2014(9).

［3］袁烽，段文婷.簡評《從控制到設計參數/算法建筑》［J］.時代建筑，2010 (1).

［4］張向寧.當代復雜性建筑形態設計研究［D］.哈爾濱工業大學，2010.

［5］吳吉明.建筑信息模型系統(BIM)的本土化策略研究［J］.土木建筑工程信息技術，2011，3(3):45-52.