從設計到建造
——互聯網之光博覽中心的一體化實現

袁烽 朱蔚然

同濟大學建筑與城市規劃學院

如果說電子與信息工業的應用是一種屬于20世紀后期的工業化模式，那么新型工業化應當是以信息工業為基礎的智能工業化，是一種集成了人的智慧、機器的計算以及新型工具能動性的新模式，并體現為新的經濟結構與社會形態。工業化極大地改變了建筑行業，迫使建筑師以非傳統的方式進行思考，且重新定義了設計方法、設計過程與建造流程。

互聯網之光博覽中心是一次對當下新型建筑工業化實踐方式的思考。如何將烏鎮的文化背景、當地的水鄉環境、公共建筑的形式以及互聯網之光的主題融合創新，從設計到建造全過程地實踐建筑的智能工業化，是對人機合作從思維邏輯到落地實現的一次挑戰。

1 新型一體化過程

互聯網之光博覽中心位于烏鎮核心景區西北角，緊鄰西柵古建筑群，坐落于一片千年水鄉之間。及至2018年，已有五屆世界互聯網大會在烏鎮成功舉辦，在開展大型會展活動的同時也帶動了互聯網等相關產業的集聚，促使區域經濟從傳統旅游業轉向科技產業。博覽中心周邊被農宅、旅游項目及一期展館包圍，新舊區域交織。作為2019年互聯網大會的新場館，不僅需要考慮與一期建筑在形式與功能上的協調，還需考慮整體片區作為互聯網峰會核心片區的可能，并在建筑設計上體現先進理念與技術。面對多維的設計要求與僅僅六個月的時間，我們選擇以設計建造一體化的模式對全過程進行管控。

一體化的首要特征是打通人的思維與機器的運算思維，其次是打通設計與建造。這一切建立在建筑設計方法從幾何參數化、性能參數化到建造參數化的一體化聯動基礎之上[1]。如此，建造便在人機合作中被重新納入建筑師的職責與掌控范圍，這也是對建筑師與包工頭分置的職業特征的挑戰。將該思維應用在博覽中心項目中，則體現為從設計生成、模擬、優化，再到建造的新型一體化過程，而這種以“過程”為核心的模式帶來了高度統一的數字化操作流程，避免了人力、物力與時間的浪費，實現了博覽中心用鋼量的最小化、跨度的最大化、工期的最短化。

在博覽中心的設計前期，為達到山水連綿的形態效果，展廳屋頂選用張弦梁結構形式起拱，以達到中間高、兩邊低的坡屋頂效果，同時在每一根脊梁處打開以引進自然天光。對初期模型進行推敲時，建筑師在Grasshopper節點式編程平臺中，以全參數化建模的方式對屋頂的圖解靜力學懸垂結構系統進行模擬。全參數化建?？梢詷O其方便地調整所有構件的幾何類型、尺寸規格和位置關系，以達到調整屋頂整體形態的目的，且避免了手工建模等費時費力的操作。如此，在生成與模擬的環節，建筑師對幾何的操作就轉變為了對數據的操作，且越接近底層數據，操作就越高效，這是一種典型的機器思維融入建筑師思維的體現。

1 鳥瞰

2 平面圖

3 屋頂系統拆分

4 建筑結構拆分

5 引入天光的張弦梁下部空間

在對大跨度建筑模型進行優化的過程中，首先需要優化其結構形式，以達到重量輕、材料少、施工能耗低、開放且輕盈的目的。博覽中心在結構體系選型時，考慮到在半年的項目周期內懸索或鋼板帶等柔性體系較難處理，對建造的控制也較為復雜，因此選用了半剛性的張弦梁體系。主張弦梁間采用“懸鏈梁”對常規懸索結構中的鋼索進行優化，該結構形式可以通過材料受拉讓鋼材的性能最大化，又不需要花費大量時間進行索形調整。懸鏈梁結構體系中，我們用工字鋼替換鋼索實現材料的預找形，在參數化模型中將230根懸鏈梁統一優化為半徑一致的圓弧段，極大地降低了加工和施工的難度。

2 預制裝配式建造

裝配與建造在詞源上有諸多共通之處，在討論“裝配”（Fabrication）或“建造”（Fabrication）時，可解釋為對材料進行構造的動作，同時二者也是生產大型或具有一定技術難度作品的過程。“數字化裝配”借用機械和計算機技術，根據作品結構材料和運輸安裝限制，將虛擬轉化為現實，將復雜模型整體轉化為易于安裝和運輸的簡單零件[2]。在博覽中心的裝配式建造階段，由于從設計到建造的全流程均在同一套信息模型內完成，設計與建造之間的鴻溝被消解，設計信息不再需要復雜繁瑣的轉化工作，甚至可以直接被建造流程所接受并識別，減少了中間提資、繪圖和交底的事項，大幅提高了建筑、結構和其他專業以及工廠三方之間的數據傳輸效率和優化調整效率。

裝配式建筑將傳統施工現場中大量的工作轉移到工廠進行，批量生產、加工構件和配件后再運輸到現場就能直接裝配。裝配式建筑具有顯著的系統性特征，須采用一體化的建造方式，即在工程建設全過程中，主體結構系統、外圍護系統、機電設備系統、裝飾裝修系統通過總體技術優化、多專業協同，按照一定的技術接口和協同原則組裝成裝配式建筑[3]。

以懸鏈梁為例，博覽中心項目做到了從優化異形結構為標準模塊化構件，到進入工廠預制，最后到現場按建造過程進行吊裝。這種上下游打通的流程并非完全是線性的，而是相互關聯且方便返回任意環節。預制裝配式建造模式可以縮減時間，但其更重要的意義在于流程的暢通和勞動力的合理分配。

9 室內空間

全預制裝配式建筑主結構運用了性能優化設計方法與工具，被優化和標準化為8個A字柱、4根張弦梁與2段邊緣弧梁以及230根懸鏈梁，充分發揮了材料潛力，從源頭上減少了生產量。此外，該項目還將動態模數系統和全預制裝配邏輯運用到整個展館的表皮構建中，將聚碳酸酯板材料的立面“鱗片”在現場安裝。2萬m2屋頂、70萬塊瓦片的安裝創造性地采用了半預制化的方式，將濕作業的傳統瓦優化為預制化的安裝單元進行現場裝配，使瓦片單元的裝配與結構部分的施工同步。每個瓦片單元包含18塊瓦片，可在地面上直接組合，且每個單元只需5min便能在屋頂對應位置安裝完畢。

現場機器人系統是預制裝配式建造中的新型工具，能夠完美地補充傳統加工數控機器無法實現的工藝，減少勞動力的浪費和工人現場施工的風險。博覽中心非常規屋頂上鋼梁之間的連接，異形張弦梁和半剛性懸垂系統也意味著大量的圓弧形構件和高空焊接作業，工人在高空中焊接曲線形構件會帶來作業風險和安裝誤差。為避免該情況并進行精準建造，項目使用了柔性軌道焊接機器人進行現場焊接，將柔性軌道附著于曲面構件上，經過簡單的現場工作起始點示教后自動完成焊縫跟蹤?，F場機器人系統不僅可以更快地執行任務，而且精度極高，人機協作勢必會為新型建筑工業化帶來更廣闊的前景。

3 系統化設計理念

預制裝配式建造要求整體性設計的方法，并采用系統集成的設計理念與工作模式對建筑中的四大系統進行集成。博覽中心綜合考慮多方面不同環節的相互交叉和施工的便利性，實現了各專業系統之間在不同階段的協同、融合和集成，最終完成了建筑、結構、外圍護、設備與管線系統以及內裝系統的一體化集成設計。

結構系統上，間距2m的H型鋼懸鏈梁與屋面直立鎖邊板的經濟跨度相吻合，兼顧“檁條”的作用，檁條層的合并也使屋面的結構構造得以優化。結構體系的計算、模擬和優化，使得長達48m跨度的懸鏈梁能以200mm的高度實現。最終，屋脊張弦梁結合跨間懸鏈梁的結構系統形成了90m×200m的無柱空間。外圍護系統中，東西外墻使用了聚碳酸酯板加絲網印刷，且每一片板的角度嚴格受到信息模型的參數控制，擁有良好的透光效果和美學體驗。

10 外墻實景

項目的室內設計忠于建筑結構設計原則，將光源定位與懸鏈梁結合，隱藏于建筑結構中，通過光的漫反射均勻照亮室內空間。如此便免去了二次天花吊裝的工作，避免了直射光源產生的眩光問題。此外，展館裝飾墻體選用了鋁蜂窩板和鋁方管格柵，并在參數化軟件中通過數字算法計算出不同角度的鋁蜂窩板和鋁方管格柵的加工數量。信息模型的使用提高了加工精度，并在工廠預制后現場拼裝，壓縮了施工時間，提高了施工效率。

4 數字化建造未來

在如此緊張的時間內完成一處滿足復雜展覽功能的大型展館，每一個環節都離不開數字化的設計與建造。數字化不僅對建筑深層次的創作思維有著深刻的影響，也幾乎更新了傳統的建筑設計方法。其對建造技術的影響和探索，隨著從幾何性能到建造參數化的設計方法與設計流程的打通，讓一種全新的設計建造生產系統得以建立。

數字設計與建造在新型建筑工業化中，在繼承傳統工業化的大規模批量生產能力的基礎上，還能實現大規模的差異性定制。這不僅為建筑的形式美學提供了強有力的技術支撐，更是一種可持續發展的新工業化道路。而隨著前沿數字設計工具以及建筑機器人技術的加入，工業標準化的差異性、可變性和獨特性重新回歸到建筑批量生產的視野中，也讓建筑師與建造的關系再一次緊密地聯系起來。

在建筑一體化過程中集成數字技術，能夠促進持續性和提高生產力，實現全新的建筑表現形式。同時，數字化一體化過程強調多學科交叉，如建筑、結構、計算機科學、材料科學、控制系統工程和機器人技術等，這是建立數字建筑文化與新型建筑工業化的關鍵挑戰，需要形成一種牢固的研究聯系，并將其應用于建筑行業的發展。

思考建筑業的未來，傳統的設計建造模式有諸多弊病，整個行業迫切需要加快數字化轉型，讓產業范式向創新發展轉變，打造新的平臺經濟，并以綠色發展為己任。互聯網之光博覽中心是一次新型建筑工業化的大尺度建筑實踐，其過程中有諸多技術難題需要一步步攻克，其結果也為新型建筑工業化道路鋪上了一塊礫石。

圖片來源

圖1，5，9，10 由是然建筑拍攝；其余圖片均由作者自繪或自攝。