國家級空管中心設計創新實踐
——以中國民航三中心設計為例

陳自明 姜海玉 姜力萍 尚文昊

中國中元國際工程有限公司

自2005年起，我國民航運輸總周轉量已躍居世界第二位。航空運輸業務量的持續快速增長，對空中交通管理水平提出更高要求。民航運行管理中心、氣象中心工程及中國民用航空情報管理中心工程（以下簡稱“民航三中心項目”），是中國民用航空局批復的重點項目，是以民航運行管理及數據處理為主的多功能、智能型項目。民航三中心項目的建設，對于提高民航空管運行保障能力和航空氣象服務水平，以及進一步提高我國民航的國際地位和影響力具有重大意義。

1 以“民航引擎”為起點的一體化設計

1.1 概念構想

作為一架飛機的心臟，航空發動機是人類迄今為止所建設的最復雜的工程技術之一，既要在特殊的工作條件下滿足極端的安全性，又要考慮噪音、壽命和油耗問題，技術難度很高。我國航空發動機建設從仿制改進到完全獨立研發，曾經走過一條波折重重的道路。因此，以航空發動機作為民航空管行業最具象征意義的符號再貼切不過，這也成為了整個設計的靈感。航空發動機以嚴密的工業技術為基準，流暢柔和的力學曲線輕盈又強韌，理性又不失美感，設計力圖在平衡各種問題的同時，將其特性融入建筑之中。

1.2 功能整合

項目總建筑面積7.5萬m2，由具有世界先進水平流量管理系統的運行管理中心、氣象中心和新一代航空情報管理中心、后勤中心四大主要功能組成，各功能之間既要彼此聯系又要相對獨立，以滿足各部門之間信息安全與業務交流的雙重需求。結合整個院區規劃，確定場地以東西軸線為主要軸線，南北軸線為次要軸線，四個體量分置其中，同時每個體量都擁有獨立的私密院落，日照和自然通風良好。相對獨立的四個院落型單體，圍繞中間流線型的共享大廳環形布局，形成外向性與內向性兼具的空間形態。在緊張的用地條件下，不僅在各個入口形成廣場、花園、休閑空間，還在場地西南角預留了未來發展用地。

1.3 立面、景觀、室內一體化設計

項目對立面、室內、景觀、照明進行一體化設計，延續航空元素，使建筑在概念與形式上整體統一。立面以飛機舷窗為設計母題，柔美舒展的曲線與建筑形體交織錯落、一氣呵成。屋面起伏、扭轉，同時機房被統籌其中，以淺色穿孔板覆蓋其上，形成整潔又動感十足的第五立面。景觀設計的靈感來源于航空氣象圖的流線元素，曲線形綠化依建筑之勢漸次展開，形成別具特色的觀賞、休憩空間。用地中原有較多高大樹木，設計將其最大限度地保留，并使其成為景觀的一部分。室內設計結合五大功能空間，從自然、人文、未來的角度取材，與建筑造型渾然一體。

2 參數化支撐空間的理性表達

在概念初始階段，建筑曲面造型與空間設計更偏感性，缺乏嚴密的邏輯性與唯一性。如何使民航三中心優雅的造型得以“平穩著陸”，高完成度地實現概念方案的落地建設，是設計團隊面臨的又一個挑戰。

1 整體鳥瞰

2 布局生成圖

業主：中國民用航空管理局空中交通管理局

建設地點：北京市朝陽區

建筑設計：中國中元國際工程有限公司

聯合設計：中國民航機場建設集團公司（工藝系統）

項目負責人：陳自明、姜海玉

設計團隊：塔林、馮睿、孔迪、姜力萍、周剛、楊文、羅佑新、江世茹、高敬、李順、張晨、高磊、時姍姍、邵琛

總建筑面積：74 985m2

設計時間：2016

建成時間：2021

攝影：存在建筑

3 園區沿街立面

在非線性建筑方案設計階段，首先，通過Rhino、3DMax、Maya等數字化建模軟件搭建復雜非線性空間，并通過NURBS曲面邏輯提升建筑師建模效率以及對復雜空間的感受度；第二，依托Grasshopper參數化設計平臺中Ladybug、Honeybee、Geco、Elk等插件，實現方案設計模型與環境模擬模型的實時同步，將實時反饋結果作為設計決策的依據之一，優化建筑與環境間互為反饋的關系，提升建筑的節能性與使用舒適度；最后，依托遺傳算法理論的Galapagos插件，提升方案設計階段建筑師對多種不同方案的把握程度，快速得到相對優化的解決方案。

2.1 感性造型的有理化表達

在方案深化階段，搭建各層輪廓數字化模型，通過調整輪廓范圍與各層高度可以快速得到建筑形體與總體面積指標，實現面積指標、形體關系與建筑層高的平衡。在此基礎上，我們可以將非線性理解為未遵循幾何規律的線性變化，對此需要尋求基本的方法對原有曲線進行重新定義，形成各專業設計的標準。在民航三中心項目中，我們分別運用了曲線拆分法和曲線擬合法對曲線進行有理化設計，通過空間圓弧、空間橢圓、拋物線函數、三角函數等對曲線進行歸納。

（1）曲線拆分法

4 景觀廣場

5 內庭院鳥瞰

6 黃昏立面

7 庭院景觀

8 建筑造型有理化

在民航三中心項目中，我們將共享大廳平面輪廓曲線拆解為兩段圓弧與一段橢圓相切，分別拾取橢圓和圓弧的部分弧長組合形成完整曲線造型。對于空間曲線，以共享大廳空間曲線S為例，我們運用y=x2/2p來形成曲線的平面定義，同時運用y=xsinA作為曲線的豎向定義，則S定義為y=x2/2p×sinA，其中P與A為可變量，通過對可變量的參數化調整可以快速得到曲線S的空間形態，且S可以為唯一曲線。

（2）曲線擬合法

對于空間形態復雜的曲線，當無法用平面加豎向的組合方式來定義時，需要運用微積分的原理進行曲線擬合，即先明確曲線方程，然后確定擬合誤差范圍。首先將原有曲線拆解成多段簡單三維曲線，通過捕捉拆解后曲線的起始點及其他中心點坐標，確定擬合曲線的輸入數值，根據數值及點坐標形成圓弧或橢圓，通過定義圓心空間位置、圓弧所在平面、圓弧起始點坐標等，對拆分后的每一段曲線進行定義，這些多段曲線定義的集合即為完整的復雜空間曲線。雖然擬合后的曲線無法完全與原有三維空間曲線重合，但在合理的誤差范圍內，即是一種合理的可進行后期數據傳遞的曲線有理化方法。

2.2 結構構件的有理化拆分

曲線有理化過程作為整體建筑深化設計的基礎，定義了建筑的骨架，進而對建筑表皮提出確定性定義。復雜曲面的形成往往依附于建筑主體結構造型，而異常復雜的空間三維曲梁受力方式需要經過復雜的計算，同時還受限于加工設備與加工費用。因此設計團隊將復雜三維曲面拆解為單曲面和平面，通過合理的幾何分解控制工程造價。三角拆面方法是一種常用的曲面拆解方法，其原理在于空間中任意三個點既可以形成一個平面，同時面域內本身也具有結構穩定性。

9 建筑中庭夜景

10 建筑中庭鳥瞰

11 編織筒建造過程

12 結構模擬計算

中央共享大廳是設計的亮點，也是實施的難點。前期設計雖然對編織桶進行了唯一性定義，但對于支撐結構及幕墻來說很難實施，同時超大三層雙曲夾膠鍍膜玻璃無法生產，所以需要運用平板曲面對其進行拆解?？紤]結構模數與幕墻模數的一致性，我們決定使用三角平面進行曲面拆分。通過拾取UV曲線對曲面進行分層，同時根據結構計算均分曲線形成均值等分點，通過對最近間距三個等分點進行分組形成三角平面。等分點的拆分通過參數控制，可以根據結構實力情況、幕墻加工情況，室內效果等因素綜合考慮并作出快速調整。

設計團隊運用犀牛軟件搭建結構中線模型，對共享大廳鋼結構桿件進行模數優化。對側立面雙曲幕墻結構桿件進行幾何優化，優化后的幾何數據與結構交點坐標通過參數輸入至MIDAS與盈建科軟件進行結構荷載分析、震動模擬分析，確定各部分結構材料與計算桿件截面尺寸。同時對鋼構件節點進行受力分析與節點深化設計，分析得到的結構材料、結構尺寸等基本數據以矢量模型與數據列表的組合形式傳遞到建筑專業，建筑專業以此作為基礎進行設計。室內精裝專業根據完善后的多專業模型進行室內幕墻及精裝設計并形成空間效果，建筑師根據綜合效果對大廳結構、土建、機電、照明、精裝提出綜合意見，從而修改基礎幾何模型，構成循環往復的多專業信息傳遞閉環。

2.3 數字化施工協調

2.3.1 鋼結構逆向設計

非線性建筑通常需要使用鋼結構進行加工與搭建，從而實現復雜曲面。傳統的正向設計中，施工階段的模型是基于設計模型的深化，本身不具有可逆性，當原有設計模型通過鋼結構加工及安裝技術難以實現時，工程會遇到較大資金及技術阻力。鋼結構逆向工程階段，在結構深化設計中同時考慮結構加工、安裝及造價，實現了圖紙信息、加工信息、安裝信息的協同優化。

民航三中心項目共享大廳內有12根復雜的空間曲梁，施工及安裝難度高。在深化階段，我們根據廠家提供的彎管機加工參數、彎管半徑、彎管長度等，將空間曲梁拆分為多段二維平面圓弧曲梁，從而通過彎管機快速加工，并在工廠預拼接，滿足吊裝要求。項目現場通過地面坐標定位各段曲梁位置，吊車吊裝后快速焊接完成整體拼裝，安裝過程中實時對測試點進行空間定位。整體設計、制造、安裝過程的數字化應用，實現了工程的經濟化、預制化、工業化。

2.3.2 幕墻逆向設計

非線性建筑復雜曲面需要幕墻來實現，在首層立面GRC幕墻設計中，首先運用五軸雕刻機制作1:1比例木質磨具，其次制作石膏的陰模來翻制精細化蠟模，然后通過熱熔注漿的方法完成GRC幕墻的加工成型。為此團隊考察了加工過程的各個節點，明確五軸雕刻機加工尺寸、蠟模翻制尺寸、熱注漿時模型強度要求、成品厚度要求、吊裝重量等。根據以上信息對GRC造型進行優化，降低幕墻厚度，減少二次結構費用及加工盲區，同時結合百葉透氣要求增加幕墻孔洞，實現設計、工藝、造價的最優化。

13 建筑鋁板幕墻

14 建筑室內

15 夜景鳥瞰16 室內環境分析

16 室內環境分析

利用VR技術輔助設計，將三維空間模型與VR設備連接，實現對建筑室內外各個空間的直觀體驗。同時結合5D體驗對施工團隊進行安全教育，借助全息投影技術，呈現具有真實空間維度的立體影像，使建筑的展示與表達更加直觀，也使施工團隊對建筑整體效果有全面而細致的把握。

3 參數化平臺的全面應用

設計團隊通過多軟件協同，以Revit 為多類型軟件協同運用的中樞平臺，使用Rhino、Grasshopper、Midas、盈建科及風環境模擬、聲環境模擬等優化設計方案，實現感性美學與理性空間的平衡。Revit模型通過Autodesk360云渲染可以快速生成渲染效果，便于研究建筑空間與細部，節約人力、物力及時間成本。

（1）室外風環境分析

方案階段，利用斯維爾Vent軟件對建筑風壓及周邊風速進行分析，確保方案的可行性；深化階段，為了獲得更加精準的風環境數據，通過3D打印技術建造超精度實體模型進行風洞試驗，保證結構及形體設計更加安全經濟。

（2）室內聲環境分析

在戰術流量管理運行大廳、業務系統監控大廳放置聲源，運用Raynoise進行聲環境模擬。根據分析結果確定空間體積、墻壁與吊頂材料的吸聲系數，以滿足不同運行狀態下的聲學要求。

（3）室內采光分析

對Revit模型進行斯維爾DALI室內空間采光模擬，根據不同空間的功能調整窗戶尺寸，使采光與照明系統相互補充平衡，實現采光效率的最優化。

4 結語

伴隨當前社會的發展，AI人工智能及工業4.0已納入國家科技發展綱要，數字化技術在建筑領域的研究對未來建筑設計施工智能化發展具有重要的推動作用，也將成為實現建筑全生命周期設計的重要手段。通過六年時間的反復打磨，民航三中心項目得以順利建成，被列為民航空管領域的“一號工程”，獲得第九屆“創新杯”建筑信息模型（BIM）應用大賽科研辦公類第二名，2020年Active House Award（國際主動式建筑）中國區競賽卓越獎。項目通過參數化設計與建造全流程運用，實現了經濟效益的提升，其中工程量核算效率提升5%，鋼結構預制率100%，鋼結構模數化提升5%，管線碰撞減少70%。希望通過數字化技術在本項目中的應用及總結，為后續相關工程提供幫助與參考。