參數化設計方法在建筑表皮設計中的應用探析

吳蔚

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092）

1 背景闡述

德國建筑理論家森佩爾（Gotfried Semper）提出了建筑的兩個基本原型，墻體和屋頂，他們對應了兩個基本的動機：圍合和遮蔽[1]。為了圍合空間，人們使用藤條和獸皮編織的表皮。在原始的棚屋中，表皮是建筑形成空間的最基本要素，它包含了結構、裝飾等元素。

計算機編程以及參數化設計的發展，使得建筑表皮形態從描述性的方法走向生成的方法。設計師可以在計算機強大的運算能力的幫助下得到復雜和仿生的建筑形式。它使得建筑設計的思維不再局限于傳統的自上而下的方式，而融入了自下而上、關聯性以及生成等諸多新的思想。這些思想深深影響了建筑形式的發展。

2 建筑參數化表皮設計的發展

2.1 建筑參數化表皮設計的國內發展

國內對于建筑參數化表皮設計的研究，較多集中于算法層面，對于幾何學方面的研究較少。這主要是因為當代幾何學相較于算法更加抽象，需要高等數學的知識作為基礎。并且不同于當今建筑算法有大量的軟件平臺以及教程，幾何學研究對于大部分建筑師而言門檻較高，難以入手。

然而這種情況正在發生改變，隨著當代國內自由曲面建筑實踐的增多，相關的研究也在需求中被催生出來。在Mcneel 中國公司針對建筑師的培訓課程中，融入了大量的曲面幾何學知識。同時，國內當前一些如HHD-FUN、ArchiUnion 這樣的先鋒建筑事務所的作品中，也運用了大量新的幾何操作方法。國內建筑學院校在低年級開設的形態生成課程，也推進了該領域的研究步伐。

在曲面設計方面，袁烽與尼爾里奇合著的《建筑數字化編程》和《建筑數字化建造》孫澄宇的《數字化建筑設計方法入門》涵蓋了大量的建筑曲面形式實例。

對于曲面建筑形式，國內的相關研究有：西南交通大學鄧飛同學的碩士論文《自由曲面建筑形態研究》大致的介紹了自由曲面建筑形式的起源、演化過程和特征。重慶大學的劉春陽同學碩士論文《非線性建筑形態的生成方法研究》不但介紹了非線性設計的概念，也包含了一部分實際操作方法的內容，將理論與實踐聯系起來。建筑師第129 期，蘇毅和曾堅所著的《從尺規到NURBS——用于輔助設計曲面型建筑的幾何工具的前沿》一文，從技術歷史的角度介紹了曲面型建筑設計手法的發展過程。而常庚哲所著的《曲面的數學》介紹了計算機輔助設計中的曲面原理。

2.2 建筑參數化表皮設計的國外發展

設計手段方面。近幾年隨著參數化設計手段的興起，關于設計手段的文獻擢發莫數。從幾何知識出發有關于曲面幾何學概論的書籍，例如Bentley 公司出版的《建筑幾何學》（Architectural Geometry）、《建筑幾何發展》（Advances InArchitectural Geometry）。 從 技 術 施 工 角 度 出 發 有Michael Meredith 撰寫的《從控制到設計：參數化 算法建筑》（From Con trol to Design：ParametricAlgorithmic Architecture），這本書以六個實際項目為案例介紹了參數化建筑的建構過程。從設計軟件方面出發，當前最流行的曲面建筑設計軟件，諸如McNeel 公司的Rhinoceros 以及Au todesk 公司的Maya 都有大量的教程。其中值得一提的是基于Rhinoceros平臺上可視化參數化設計平臺Grasshopper，使得設計者對于建筑曲面的把控到了新層面，降低了參數化設計的編程難度。這個平臺綜合了許多幾何操作方法插件，并在不斷的發展壯大。2011 年第212 期Architec ture Design 雜志邀請GeorgeL Legendre 作為編輯，完成了一期名為數學空間的專題，在其中詳細的闡述了新的幾何學在當今建筑形態操作中的角色和意義[2]。

設計思想方面，一些文獻試圖對近幾年百花齊放的新的曲面建筑形式實踐進行系統性的總結與分類，如Jane Burry 和Mark Burry 所著的《當代建筑數學》（The New Mathematics Of Architecture） 將當今的新的建筑形式按照它們背后的幾何邏輯羅列并分類，為研究當今建筑形式與幾何的關系提供了清晰的脈絡。Jesse Reiser 的《Atlasof Novel Tectonics》論述了當今科學體系下的新的形式語言。Fran?ois Blanciak 的《Siteless》忽略了一切其他建筑因素，單純的從形態操作的方面來羅列新的建筑形態的塑形方式。Farshid Moussavi 的《形式功能》（The Functionof Form）將歷史以來的建筑按照形式分類并闡述了它們的效果與形態之間的聯系。全書以百科全書的方式，為建筑師提供了設計工具包。2011 年第212 期Archi tecture Design 雜志邀請GeorgeL Legendre 作為編輯，完成了一期名為數學空間的專題，在其中詳細的闡述了新的幾何學在當今建筑形態操作中的角色和意義。

3 參數化設計在建筑表皮設計中的運用手段

3.1 基于性能的曲面優化

自由曲面的實際建造問題是建筑工程和設計階段的巨大挑戰。完整的設計和施工流程包括了許多方面，包括了形式尋找、分組建、材料、數據以及造價。幾何學雖然不能解決所有的問題，但是對于幾何體的認知是實現設計過程的關鍵步驟。在實際中，對于自由曲面的優化是很關鍵的知識。

諾曼·福斯特（Norman Foster）的大英美術館改造項目中，從自由曲面的形態到曲面內部的結構劃分都經過了數學優化。首先曲面的形狀是由三個方程疊加而確定的。這三個方程考慮到了建筑、規劃、結構和凈空的要求。屋頂的限高是曲面的首要限制條件。其次，曲面還要考慮到新的結構如何與舊建筑結合。因為橫向的推力會使得舊的建筑受到破壞，所以曲面在四邊的方向上只能有單向的曲率，從而保障單向的荷載能夠由四邊上的垂直梁化解。同時曲面的最高點沒有落在跨度的中心而是偏向了一邊，這解決了舊建筑門廊上的山花問題。同時減小了屋頂對原有建筑的側推力，保證了屋頂荷載分布的均勻。

其曲面內部結構的優化采用的是一種“張馳法”的方法，目的是盡量使桿件的尺寸統一，同時具有相對均衡的受力狀態。這一方法的原理是通過數字化的迭代過程，將原有的曲面上的節點組合，每一個節點都被迭代重復計算。曲面頂點在每一次松弛后都被投射回最初設計的曲面。這樣，曲面上的頂點就相當于在曲面上移動，并逐漸達到了平衡狀態。這個過程不斷的重復，知道最終頂點之間的距離差別小于某一個設定的誤差值。設計師就得到了理想的分面結果。

這種迭代一直持續直到建筑師和結構工程師滿意的狀態，整體網格呈現出螺旋的結構，同時屋頂網格的交點恰好能結束于曲面的四邊上。最終，這層表皮被“貼”在曲面上，每一個桿件被賦予一個沿表面隨意變換的角度，以便調整每塊玻璃的尺寸。

3.2 BIM 技術輔助自由曲面形態設計

自由曲面建筑的結構普遍比一般的建筑形態要復雜，隨著計算機輔助設計技術（CAD）及建筑信息模型技術（BIM）的發展，自由曲面建筑形態結構也越來越容易實現。

在筆者參與設計的南京蜂巢酒店項目中，多個軟件平臺下的電腦模型貫穿于從方案設計到現場施工的各個階段。整個項目的設計流程大致如下：

方案階段：

通過矢量圖形軟件，將設計師的手繪草圖轉化為建模軟件可識別的nurbs 曲線，并通過rhino 建成方案造型模型。

初步階段：

初步階段建筑的面積需要精確的控制，同時房間的凈高、采光、疏散、通風以及結構的合理性都會對建筑形體產生一定的影響。設計團隊將平面cad 圖紙與rhino 建筑模型進行擬合，并直接在rhino 模型上進行修改，可以直觀的控制建筑形體的變化程度。

施工圖設計階段：

施工圖階段幕墻的深化工作需要解決兩個主要問題：①結構和構造節點的精確定位；②機電專業設計內容在模型中的擬合。為了解決這兩個問題，設計團隊使用了更加工程化的revit 平臺模型。

區別于通常以平面提資為主的工作方式，該項目結構專業通過有限元分析軟件和BIM 模型軟件的接口，直接將結構部件的模型整合在BIM模型中。這樣各專業可以清晰的觀察到結構構件的大小尺寸。同時，對于一些復雜的鋼結構構件，結構專業可以將精確的模型直接提供給鋼結構公司生產。

機電專業的提資也不僅僅是平面信息，各個專業將自己所需的空間做成包絡體定位在BIM 模型中，這樣可以直觀的排查沖突點，從而精確的控制建筑設計完成度。暖通專業除了通常的管線碰撞試驗外，還需要考慮到各個排煙口對造型的影響，通過與建筑專業在模型上更加直觀的溝通，最大程度的保證建筑造型的美觀程度，如圖1、圖2 所示。

圖1 南京蜂巢酒店外觀效果

圖2 特殊鋼結構節點BIM 模型

4 總結

隨著計算機技術的變化發展，研究人員把工作重心逐漸向設計配合計算機技術上進行轉移。歷經多年嘗試，參數化設計理論和手段已經取得相應成效，達成了遠程設計的預期發展目標。當然，計算機在建筑形態中終究只是輔助的角色。曲面建筑形態終究還是受到一套邏輯體系的控制。設計師只有知其然也知其所以然，才能更好的掌握新的方法，更合理的運用新的技術做出理想的設計。