力與美的融合——科技賦能冬奧“雪絨星”

黃蔚欣，胡競(jìng)元

1 背景介紹

2020年夏，我們團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)并獲得北京市科委的資助，作為科技冬奧項(xiàng)目的一部分，在國家游泳中心南廣場(chǎng)為2022北京冬奧會(huì)設(shè)計(jì)和建造燈光藝術(shù)裝置。經(jīng)過一年多的努力，以立體雪花為概念的8朵“雪絨星”燈光藝術(shù)裝置落地“冰立方”南廣場(chǎng)，在奧林匹克中心區(qū)的夜色中閃耀著冰雪的光芒，以科技和藝術(shù)的融合，傳達(dá)“一起向未來”的冬奧理念。

作為建筑類院校的團(tuán)隊(duì)，能夠有機(jī)會(huì)承擔(dān)公共藝術(shù)裝置的設(shè)計(jì)和制作，是因?yàn)槲覀儓F(tuán)隊(duì)原創(chuàng)研發(fā)了一項(xiàng)自由曲面建造技術(shù)——編織式復(fù)雜拓?fù)淇臻g網(wǎng)殼（以下簡(jiǎn)稱“編織網(wǎng)殼”）。過去10多年間，國際數(shù)字建筑研究領(lǐng)域最重要的前沿之一就是在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，綜合設(shè)計(jì)、加工、結(jié)構(gòu)、建造的自由曲面建造技術(shù)。而編織網(wǎng)殼就是我們?cè)谶@一方向提出的一種形態(tài)——結(jié)構(gòu)一體化的技術(shù)系統(tǒng)。本文將介紹編織網(wǎng)殼的研發(fā)理念，以及使用這一技術(shù)完成的“雪絨星”燈光裝置作品的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)創(chuàng)新。

2 力與美的融合——空間、結(jié)構(gòu)與奧林匹克精神

2.1 力、空間與形式

從佛光寺大殿柱頭鋪?zhàn)鞯碾p杪雙下昂設(shè)計(jì)造就的深遠(yuǎn)挑檐[1]、哥特式教堂的飛扶壁對(duì)拱頂側(cè)推力的實(shí)體化表現(xiàn)，到勒·杜克（Eugene-Emmanuel Viollet-le-Duc）在《建筑談話錄》（Entretiens sur l'architecture）中，將力學(xué)邏輯和建造程序的理性原則相結(jié)合的結(jié)構(gòu)理性主義思想[2]，從古至今，力的制約和影響在形式美中貫穿始終（圖1-3）。

圖1 佛光寺東大殿剖面圖局部

圖2 巴黎圣母院剖面圖

圖3 勒·杜克“3000人座位教堂”方案繪圖

進(jìn)入20世紀(jì)后，隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)建筑經(jīng)濟(jì)性要求的提高，更高效的結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生。在設(shè)計(jì)方法方面，菲利克斯·坎德拉（Felix Candela）將雙曲拋物面應(yīng)用于混凝土薄殼的設(shè)計(jì)（圖4），以及安東尼奧·高迪（Antonio Gaudi）在圣家族教堂設(shè)計(jì)中使用的逆吊找形法（圖5），拓展了純推力拱殼形式表現(xiàn)的邊界。結(jié)構(gòu)體系上，將連續(xù)的曲面殼體和平板離散化為僅受拉或受壓的直桿組成的空間網(wǎng)殼和平面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，則是又一次突破，其中最典型的案例當(dāng)屬巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的測(cè)地線網(wǎng)殼（圖6）。由于最大限度消除了結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的彎矩，空間網(wǎng)殼能夠以更纖細(xì)的構(gòu)件、更低的自重占比，實(shí)現(xiàn)大跨度、大懸挑；同時(shí)，從砌體和混凝土的濕作業(yè)，轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化的桿件和節(jié)點(diǎn)，大幅度降低了建造難度。因此，空間網(wǎng)殼由于其結(jié)構(gòu)可勝任多樣的空間形態(tài)的實(shí)現(xiàn)，為建筑—結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)提供了更多可能性。

圖4 霍奇米洛克餐廳的四葉雙曲拋物面造型

圖5 圣家族教堂設(shè)計(jì)找形模型

圖6 1967年蒙特利爾世博會(huì)美國館

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的快速發(fā)展和數(shù)字設(shè)計(jì)思想的演進(jìn)，更多復(fù)雜的自由曲面造型有條件被廣泛應(yīng)用于建筑形式中（圖7），給既有的結(jié)構(gòu)類型帶來了新的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)上，空間網(wǎng)殼的離散網(wǎng)格體系難以適應(yīng)多階連續(xù)的曲線和曲面，結(jié)構(gòu)退化為支撐曲面表皮的骨架，形式與結(jié)構(gòu)脫節(jié)，導(dǎo)致出現(xiàn)一些違背結(jié)構(gòu)一般原理的建筑方案，造成浪費(fèi)；建造上，自由曲面的準(zhǔn)確施工需要復(fù)雜定位和大量臨時(shí)支撐，建造的成本和難度大幅上升。此外，自由曲面造型帶來大量異形構(gòu)件的加工，而目前已有的3D打印、CNC加工等手段，存在高品質(zhì)、低造價(jià)和快速生產(chǎn)的“不可能三角”。

圖7 自由曲面造型建筑的設(shè)計(jì)與建造實(shí)例a-哈爾濱大劇院b-匯流博物館c-臺(tái)中歌劇院的外形和部分結(jié)構(gòu)

為解決自由曲面建造的難題，在空間網(wǎng)殼的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了彈性網(wǎng)殼（elastic gridshell）這一新的結(jié)構(gòu)形式。早在1976年，弗雷·奧托（Frei Otto）在曼海姆多功能大廳（圖8）的設(shè)計(jì)中已使用雙向雙層木條組成的網(wǎng)殼作為屋面結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于：采用柔性的平直連續(xù)構(gòu)件交叉形成平面網(wǎng)格，并通過抬升等方式使其發(fā)生較大的彈性彎曲變形，達(dá)到經(jīng)力學(xué)找形得到的純推力空間曲面形態(tài)后將其鎖緊，形成可承受荷載的剛性結(jié)構(gòu)[3]。由于這種結(jié)構(gòu)在建造過程中、承受荷載時(shí)都利用了構(gòu)件受彎后自動(dòng)產(chǎn)生的回彈力保持穩(wěn)定，因此其自由曲面形態(tài)完全來源于外荷載和各個(gè)構(gòu)件內(nèi)力的平衡，其形式即為受力情況的反映，力學(xué)邏輯和建造程序相互統(tǒng)一，是結(jié)構(gòu)理性的完美體現(xiàn)。弗雷·奧托提出的體系延續(xù)了傳統(tǒng)空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的大跨度、大懸挑能力，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化了建造過程。

圖8 曼海姆多功能大廳a-結(jié)構(gòu)照片b-找形模型

作為對(duì)彈性網(wǎng)殼的發(fā)展，我們提出了 “編織網(wǎng)殼”的創(chuàng)新體系。該體系使用纖維增強(qiáng)塑料（FRP）、PC、竹木、鋁材、鋼材等彈性材料，以空間網(wǎng)格造型為基礎(chǔ)，經(jīng)網(wǎng)格重建—細(xì)分生成算法、結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化算法形成多向編織網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。此外，該體系還包括基于樣條展開的快速建造、結(jié)構(gòu)性能提升技術(shù)，是一種形態(tài)多樣、建造高效、成本可控的自由曲面建造系統(tǒng)[4]。

與一般的彈性網(wǎng)殼相比，編織網(wǎng)殼將三維空間復(fù)雜定位工作簡(jiǎn)化為沿彈性桿件的一維定位，且節(jié)點(diǎn)均為雙桿相交，構(gòu)造簡(jiǎn)單，建造系統(tǒng)簡(jiǎn)潔。其生成算法可適用于各類曲面造型，因而可滿足形式表現(xiàn)和空間塑造的多樣化需求；此外，也保留了彈性網(wǎng)殼在結(jié)構(gòu)效率和建筑—結(jié)構(gòu)一體化表現(xiàn)上的優(yōu)勢(shì)。

總體上看，編織網(wǎng)殼可用于完成從人體尺度到城市尺度的建筑、景觀裝置、大地藝術(shù)作品，實(shí)現(xiàn)全尺度的空間干預(yù)（圖9）。目前，編織網(wǎng)殼已在一系列復(fù)雜造型景觀裝置的設(shè)計(jì)建造中驗(yàn)證了其廣泛的應(yīng)用前景（圖10），其代表作品就是本文將著重介紹的冬奧藝術(shù)裝置“雪絨星”。

圖9 各尺度的編織網(wǎng)殼、

圖10 編織網(wǎng)殼部分建成作品

2.2 力與運(yùn)動(dòng)美——結(jié)構(gòu)的身體隱喻

人體是合理的結(jié)構(gòu)，因此富有美感的結(jié)構(gòu)中始終存在對(duì)身體與運(yùn)動(dòng)的隱喻。早在古希臘時(shí)代，雅典衛(wèi)城的厄瑞克忒翁神廟的“女像柱”已有對(duì)女子頭頂器物動(dòng)作的具象模仿，為結(jié)構(gòu)表現(xiàn)賦予了神性的意味。及至現(xiàn)代，圣地亞哥·卡拉特拉瓦常在其設(shè)計(jì)中融入人體姿態(tài)[5]，形成了富有動(dòng)感和詩意的結(jié)構(gòu)（圖11）。

圖11 結(jié)構(gòu)的身體隱喻a-女像柱b-卡拉特拉瓦手稿c-卡拉特拉瓦作品，斯達(dá)德霍芬火車站

對(duì)于編織網(wǎng)殼而言，形式中的運(yùn)動(dòng)美是內(nèi)含的。由于彎曲的彈性桿件隨時(shí)都有回彈的趨勢(shì)，如同一張拉滿待發(fā)的弓，因此不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳達(dá)的穩(wěn)固、堅(jiān)實(shí)、永恒的意向，編織網(wǎng)殼表達(dá)著力與平衡、輕盈，以及潛在的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。在建造層面上，中小型的編織網(wǎng)殼中，彈性構(gòu)件往往由人力彎曲，但最終形成的結(jié)構(gòu)卻有相當(dāng)大的剛度，這種反差是雙手能夠感知到的。這種人參與建造的方式，使得編織網(wǎng)殼的形式與人更加緊密相關(guān)。

3 “雪絨星”——步移景異的立體雪花與星星

3.1 設(shè)計(jì)定位

2021年夏，我們接到了在國家游泳中心南廣場(chǎng)設(shè)計(jì)景觀雕塑裝置的任務(wù)?；诠?jié)儉辦賽、可持續(xù)發(fā)展的理念，作為2008年夏季奧運(yùn)會(huì)的地標(biāo)以及北京的重要城市名片，國家體育場(chǎng)“鳥巢”、國家游泳中心“水立方”等主要場(chǎng)館在2022冬奧會(huì)再次承擔(dān)重要角色。其中，“水立方”被改造為冰壺比賽場(chǎng)館“冰立方”，并在其南廣場(chǎng)地下增建一座冰場(chǎng)。南廣場(chǎng)地上部分的景觀將成為冬奧景觀體系的一部分，并將在賽事結(jié)束后作為奧林匹克公園中心區(qū)景觀的一部分向公眾開放。

因此，裝置造型需要兼顧到冬奧理念宣傳和公眾文化活動(dòng)的需求，我們將其具體定義為以下3點(diǎn)：

（1）對(duì)“科技冬奧”理念和冰雪主題的解讀。雕塑的設(shè)計(jì)概念應(yīng)當(dāng)契合冬奧會(huì)的冰雪主題和奧林匹克精神，并且以科技展現(xiàn)中國力量和“一起向未來”的理念。

（2）對(duì)2008年北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館設(shè)計(jì)的回應(yīng)。雕塑位于水立方的南廣場(chǎng)。以鳥巢和水立方為代表的2008年北京奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館，是全世界數(shù)字建筑設(shè)計(jì)與建造的經(jīng)典作品，也是這一類建筑在國內(nèi)發(fā)展的里程碑。時(shí)隔14年，同樣以奧運(yùn)為契機(jī)，如何以雕塑的設(shè)計(jì)回應(yīng)這兩座建筑，也是我們創(chuàng)作的重要出發(fā)點(diǎn)。

（3）標(biāo)志性、可互動(dòng)性強(qiáng)。由于所處廣場(chǎng)空間的公共性，游客能夠近距離與雕塑裝置互動(dòng)，因此雕塑需要在各個(gè)角度和距離上均能夠傳達(dá)出作品的主題，細(xì)部簡(jiǎn)潔美觀，給人帶來可感、有趣、豐富的體驗(yàn)。

3.2 立體雪花

經(jīng)多輪比選，最終實(shí)施方案以“立體雪花”作為設(shè)計(jì)的主要概念，將8個(gè)可發(fā)光的立體雪花造型的編織裝置作品在場(chǎng)地內(nèi)的草坪上成組設(shè)置。“沒有兩片雪花是完全相同的”，在高度規(guī)則的六重對(duì)稱模式下，雪花能夠產(chǎn)生極為豐富的形式，這種特性啟發(fā)了我們從固定的幾何母題出發(fā)，通過局部變化形成系列雪花變體的設(shè)計(jì)策略。

自然界中的雪花都是片狀，若僅將其放大到裝置尺度并平鋪在地面，遠(yuǎn)看不夠醒目；若將其立起，則最佳的觀賞視角較為單一，不能滿足在廣場(chǎng)空間多方位觀看的需要。解決的方法有兩種：一是讓雪花旋轉(zhuǎn)起來，可兼顧各個(gè)觀察角度，但成本、耗能較高，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)耐久性要求高，游客也不便于近距離欣賞；第二則是我們采用的方式，以多面體為基礎(chǔ)造型，從不同視角下均可看到形態(tài)完整的多邊形輪廓。

我們使用正二十面體作為雪花的幾何母題，并將各三角面向內(nèi)凹陷形成雕塑外形（圖12）。正二十面體是最復(fù)雜的正多面體，同時(shí)具備五重、六重的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。因此，當(dāng)游客繞雕塑移動(dòng)時(shí)，造型的輪廓在六角雪花和五角星之間過渡，步移景異，富有趣味。

圖12 不同角度下的外形原型

在外形原型的基礎(chǔ)上，經(jīng)網(wǎng)格重建—細(xì)分、結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化，生成了編織網(wǎng)殼造型。通過改變網(wǎng)格形式、減少曲面三角片的數(shù)量、將兩個(gè)曲面三角片合為曲面菱形片等方法，可得到多種雪花造型的設(shè)計(jì)（圖13）。這些發(fā)光雪花的多邊形輪廓呼應(yīng)了水立方的表面形式，由交錯(cuò)的桿件編織形成的鏤空造型又神似鳥巢的編織立面，既似雪花，又如五星，因此得名“雪絨星”（圖14-17）。另外，為提高裝置的可互動(dòng)性和趣味性，我們通過可編程控制設(shè)備，設(shè)計(jì)了裝置發(fā)光亮度的呼吸效果。

圖13 實(shí)施方案中的4種雪花造型，2m、3m、5m造型均作鏤空處理，3m造型桿件不出頭

圖14 雪花組團(tuán)

圖15 “雪絨星”形似五角星的視角

圖16 “雪絨星”形似雪花的視角

圖17 “雪絨星”日間視覺效果

4 創(chuàng)新科技——面向未來的人類命運(yùn)共同體

編織結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)殼是傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合（圖18）。編織是東方智慧的表達(dá)，它利用材料的彈性，以材料適應(yīng)性的彈性找形和相互協(xié)同的方式，形成形態(tài)多樣、方便耐用的日常器物、家具、建筑構(gòu)件；我們?cè)谘芯恐?，采用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具和新材料，賦予它在空間形態(tài)和建筑結(jié)構(gòu)中更廣泛的適用性[6]。

圖18 編織結(jié)構(gòu)空間網(wǎng)殼的技術(shù)體系

“雪絨星”作品抽象地再現(xiàn)了自然界中的雪花造型，將多樣的造型統(tǒng)一在正二十面體的形式母題中，展現(xiàn)純粹的幾何之美；在“雪絨星”作品的研發(fā)中，我們進(jìn)一步將工藝和材料的表達(dá)進(jìn)行升級(jí)，采用數(shù)控加工的鋁合金型材作為結(jié)構(gòu)主體。彎曲的閃亮的鋁構(gòu)件和明暗變幻的光影，展現(xiàn)了新工藝、新材料帶來的技術(shù)之美。我們相信，幾何是全人類的語言，而創(chuàng)新科技則面向未來，表達(dá)著構(gòu)建“人類命運(yùn)共同體”的美好愿景，可以成為“一起向未來”的冬奧理念的載體。

5 總結(jié)

“燕山雪花大如席，片片吹落軒轅臺(tái)?！崩畎自凇侗憋L(fēng)行》中的浪漫感嘆，跨越千年凝結(jié)成北京冬奧會(huì)上的紛飛雪花。創(chuàng)新的科技成果，使得我們能夠以編織的東方智慧，完成“大如席”的巨型雪花裝置，為冬奧增光添彩。我們也力圖在“雪絨星”作品中呈現(xiàn)編織網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)之美——高大空間結(jié)構(gòu)由充滿張力的桿件組成，并呈現(xiàn)出雪花的輕盈姿態(tài)，希望我們的作品也能夠成為體育運(yùn)動(dòng)中“力與美”主題的另一種表達(dá)。

2008年為北京奧運(yùn)會(huì)建造的鳥巢與水立方，是劃時(shí)代的建筑作品，也是我國數(shù)字建筑設(shè)計(jì)與建造領(lǐng)域10多年來快速發(fā)展的重要起點(diǎn)。很榮幸能夠在2022冬奧會(huì)的重要契機(jī)，以我們?cè)跀?shù)字化建造領(lǐng)域的一項(xiàng)研究進(jìn)展對(duì)這塊場(chǎng)地做出回應(yīng)。10多年間，數(shù)字建筑研究與實(shí)踐從對(duì)形式和算法的探索，發(fā)展為更深刻的對(duì)建筑學(xué)本質(zhì)的回應(yīng)，包括對(duì)感知、行為和空間生成的研究，以及材料、結(jié)構(gòu)、建造、智慧運(yùn)營等的多學(xué)科融合。我們期待這個(gè)方興未艾的領(lǐng)域，能夠在未來為建筑學(xué)不斷拓展新的前沿和多元的發(fā)展路徑。