數(shù)字協(xié)同下的文化建筑外立面優(yōu)化

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摘要:該文以國(guó)家南海博物館立面深化設(shè)計(jì)為例，描述了實(shí)際項(xiàng)目施工優(yōu)化過程中的具體實(shí)踐，并總結(jié)提出了一套典型深化流程，以在當(dāng)前有限的項(xiàng)目平臺(tái)與施工條件下能夠高效睿智地利用當(dāng)前的數(shù)字協(xié)同工具集，最大限度地提高建筑方案深化效率。

關(guān)鍵詞:文化建筑;數(shù)字鏈;立面深化設(shè)計(jì);數(shù)字協(xié)同;工具集

在當(dāng)前的建筑工程實(shí)踐中，數(shù)字技術(shù)正以一種“局部滲透”而非“風(fēng)格變革”的方式，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的各個(gè)細(xì)節(jié)影響建筑的落成。當(dāng)前行業(yè)背景下，大量建筑項(xiàng)目依然延續(xù)著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維與經(jīng)典的施工組織模式；在這一前提下，數(shù)字技術(shù)與建筑工程的結(jié)合點(diǎn)就在于合理利用數(shù)字技術(shù)工具與手頭可用的“接口”對(duì)接，最大限度地優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文是在以上視角下，對(duì)國(guó)家南海博物館項(xiàng)目施工階段數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的直接呈現(xiàn)。

1“數(shù)字鏈”與發(fā)展中的數(shù)字協(xié)同工具集

當(dāng)前建筑界的所謂“參數(shù)化主義”思想提出了數(shù)字技術(shù)的非線性、表皮化等形態(tài)特征，需要明確的是，這一對(duì)數(shù)字技術(shù)的形容，僅僅是數(shù)字技術(shù)協(xié)同下建筑形式之結(jié)果。更重要的是，數(shù)字技術(shù)從各個(gè)層面對(duì)建筑設(shè)計(jì)整個(gè)流程的滲透，填補(bǔ)了建筑生成設(shè)計(jì)與實(shí)踐建造之間的空隙[1]，“數(shù)字鏈”才是建筑業(yè)變革的本質(zhì)推動(dòng)力。數(shù)字技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的滲透構(gòu)成了“數(shù)字鏈”的工具集，建筑師在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)需求運(yùn)用不同的數(shù)字技術(shù)工具集協(xié)同化設(shè)計(jì)以提高工作效率?，F(xiàn)有的數(shù)字協(xié)同工具集可以概括為5個(gè)方向：①BIM（建筑信息模型）技術(shù)促成設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)各專業(yè)的密切配合。②以Ecotect、Phoenix等軟件平臺(tái)為代表的建筑環(huán)境模擬技術(shù)。③算法程序鏈接建筑造型接口和環(huán)境模擬接口，帶來建筑性能優(yōu)化的可能性。④數(shù)字技術(shù)鏈接建筑實(shí)體與虛擬現(xiàn)實(shí)，建筑與互動(dòng)裝置的結(jié)合營(yíng)造奇異場(chǎng)所感。⑤數(shù)控加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑形式與材料構(gòu)造邏輯間的對(duì)應(yīng)，提高施工精確度與效率[2]。需要注意的是，在當(dāng)前的建筑實(shí)踐現(xiàn)實(shí)中，上述5種數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用并不是同步完善的。BIM技術(shù)主要應(yīng)用于施工圖深化階段以及應(yīng)對(duì)部分規(guī)劃部門的硬性要求；算法程序局限于先鋒事務(wù)所的造型探索；環(huán)境模擬技術(shù)多用于設(shè)計(jì)后期綠色建筑評(píng)價(jià)領(lǐng)域；數(shù)控加工技術(shù)則在幕墻裝配專業(yè)廠商中有限地推廣?！皵?shù)字鏈”的思想試圖鏈接從建筑概念設(shè)計(jì)到項(xiàng)目落地的整個(gè)流程，在不同階段數(shù)字化工具集的差異化要求建筑師實(shí)踐一條有效的流程，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與工具集的不同特點(diǎn)，最大化地利用數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提高設(shè)計(jì)效率。

2“數(shù)字鏈”介入立面深化設(shè)計(jì)實(shí)踐

國(guó)家南海博物館作為近年華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院所承接的超大尺度、流線形態(tài)文化公建，在投標(biāo)設(shè)計(jì)階段采用Rhino3D軟件推敲建模。在當(dāng)前的數(shù)字協(xié)同平臺(tái)下，針對(duì)空間曲面形式的建筑形態(tài)如何施工落地，我們?cè)跀?shù)字技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一些有益嘗試，本文論述國(guó)家南海博物館在建筑立面優(yōu)化設(shè)計(jì)中的具體流程，為今后同類型建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考。

2.1深化設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)平臺(tái)的選取深化設(shè)計(jì)目標(biāo)

①博物館屋頂為三維曲面坡屋頂，研究屋面與立面的交接定位化解施工誤差。②幕墻與外掛格柵的平面模數(shù)在保證外觀的同時(shí)兼顧工廠快速出料與施工便利。③外掛格柵上的紋理做法優(yōu)化，以符合內(nèi)部光照與施工進(jìn)度的要求。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)平臺(tái)：項(xiàng)目深化階段并無Revit，Catia等成熟商業(yè)BIM平臺(tái)支持；團(tuán)隊(duì)選用Rhino3D平臺(tái)下的grasshopper程序及對(duì)應(yīng)的插件與算法界面深化設(shè)計(jì)，結(jié)合每個(gè)具體深化步驟中建成效果與施工難易的權(quán)重取舍，交叉選用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式或合適的數(shù)字協(xié)同工具，以求得施工效率與視覺效果的最佳平衡。

2.2構(gòu)件坐標(biāo)定位

外立面幕墻分為玻璃幕墻體系與豎向長(zhǎng)窗體系；外立面構(gòu)件的坐標(biāo)定位直接牽涉到兩個(gè)方面——施工的難易程度與良好的視覺效果如何取舍。為達(dá)到最優(yōu)的視覺效果，弧形的幕墻分板需要在數(shù)百米的長(zhǎng)度上尺寸均勻變化，這影響到幕墻的工廠開料時(shí)間及現(xiàn)場(chǎng)的放線定位難度。建筑師結(jié)合兩種幕墻體系的不同功能位置采取了截然不同的兩種設(shè)計(jì)方案。兼顧了視覺效果的完美以及施工精度的要求。對(duì)處于公共空間的傳統(tǒng)玻璃幕墻體系，我們經(jīng)軟件三維模擬整理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，采取對(duì)應(yīng)等角度軸線的6個(gè)一組的分板模數(shù)比均勻劃分模數(shù)開料尺寸減少到1/6，從正面看去不影響空間效果，但在側(cè)面視角則會(huì)發(fā)覺尺寸的階梯式變化。由于大空間幕墻體系的分板數(shù)量并不算多，綜合考慮我們采用定角度等分方式切割幕墻，這一決策中主要考慮大空間室內(nèi)效果的權(quán)重（圖1）。西南側(cè)的豎向長(zhǎng)窗體系作為博物館辦公及輔助區(qū)域的主要立面，天然地被分隔為若干片區(qū)，且大多數(shù)處于背面或內(nèi)院區(qū)域，對(duì)空間視覺效果的要求較?。婚L(zhǎng)窗外豎向鋸齒格柵構(gòu)造復(fù)雜，施工難度在整體決策中的權(quán)重較大；值得我們關(guān)注的是，這一立面范圍內(nèi)建筑的內(nèi)墻分隔較多而尺寸也不統(tǒng)一，豎向長(zhǎng)窗體系則要求整個(gè)立面的開窗模數(shù)盡量少。因此我們采用分區(qū)域布置不同平面尺寸的方式排布長(zhǎng)窗。針對(duì)每個(gè)不同的立面區(qū)域，我們采用遺傳優(yōu)化算法，運(yùn)算選取6種不同的開窗模數(shù)，解決室內(nèi)不等尺寸的隔墻與室外等尺寸的鋸齒幕墻的碰撞沖突。

2.3穿孔格柵的光照模擬檢驗(yàn)

豎向長(zhǎng)窗外的穿孔格柵兼顧了遮擋外部視線和保持私密性的作用，同時(shí)立面上方的大屋頂出挑對(duì)立面上部區(qū)域有一定的遮陽效果，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了格柵的三種穿孔尺寸，上層采用較高穿孔率，光線易穿透；下層主要考慮視覺私密性，從外部不易看清室內(nèi)辦公空間。三種不同透光率的格柵交接，形成了波浪形深淺不一的媒體化形象。在穿孔格柵的設(shè)計(jì)中，我們采用了grasshopper插件ladybug和honeybee鏈接Radiance光照數(shù)據(jù)庫(kù)，模擬夏至日正午建筑內(nèi)部各空間的光照質(zhì)量情況，為定義交接界面的大概豎向高度以及透光率的大小提供參考依據(jù)，證明了前期對(duì)于穿孔格柵的設(shè)計(jì)有效性。

2.4碰撞避免與豎向模數(shù)優(yōu)化

立面幕墻系統(tǒng)和上方曲面坡屋頂?shù)慕唤有杓骖櫡乐箻?gòu)件碰撞和減小施工誤差兩個(gè)目的。玻璃幕墻上方交接采用吊頂緩沖方式——下方幕墻進(jìn)行折線連接，以基本符合屋頂?shù)酌娓叨炔睿c屋頂間設(shè)置通用吊頂接合構(gòu)件，預(yù)留了在施工中進(jìn)行尺寸微調(diào)的可能性。豎向長(zhǎng)窗外的穿孔格柵外掛，向外凸出了較大距離，三維空間中可能與出挑并向下傾斜的坡屋頂?shù)酌媾鲎病虼私ㄖ熢谌S軟件中提取了外掛格柵的最外側(cè)點(diǎn)陣，向上做輔助參考線，分別同屋面取碰撞交點(diǎn)，由此碰撞點(diǎn)向下移動(dòng)固定的距離作為格柵的最高控制高度，經(jīng)模擬檢驗(yàn)可掩蓋潛在施工誤差導(dǎo)致的視覺效果上的不平滑邊界。

3有限施工條件下數(shù)字協(xié)同設(shè)計(jì)流程的經(jīng)驗(yàn)分析

3.1模塊化流程適應(yīng)項(xiàng)目信息傳遞

在解決復(fù)雜項(xiàng)目的整個(gè)流程中，我們傾向于將龐大的問題分解為關(guān)聯(lián)的各種分支問題，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)模塊，不同模塊相互獨(dú)立，模塊間的交流文件采用統(tǒng)一的格式，有利于具有不同數(shù)字協(xié)同水平的設(shè)計(jì)深化團(tuán)隊(duì)的獨(dú)立工作與協(xié)同配合式的信息交流。在不同獨(dú)立的模塊中，再應(yīng)用對(duì)應(yīng)的數(shù)字協(xié)同技術(shù)、性能模擬技術(shù)或直觀經(jīng)驗(yàn)。在外立面深化設(shè)計(jì)這一案例中，驗(yàn)證了項(xiàng)目流程中模塊化策略在解決問題上的高效。

3.2基于權(quán)重的工具集取舍

在項(xiàng)目深化過程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)并非面面俱到地采用了所有數(shù)字技術(shù)工具。在立面深化設(shè)計(jì)的流程圖中，我們可以看到各階段數(shù)字化技術(shù)的參與度，不同的目標(biāo)權(quán)重決定了設(shè)計(jì)師應(yīng)選擇的具體工具。為了照顧現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)的水平和爭(zhēng)取施工時(shí)間，經(jīng)驗(yàn)性的模數(shù)簡(jiǎn)化與數(shù)字優(yōu)化算法相結(jié)合，可大幅減少試錯(cuò)成本。具體的項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)中，數(shù)字協(xié)同工具并非靈丹妙藥，也不能單純棄置不用，設(shè)計(jì)師應(yīng)依托不同的項(xiàng)目情況靈活而睿智地運(yùn)用這一工具集，才能達(dá)到符合時(shí)展的建筑建成效果。

結(jié)語

面對(duì)尚不完善，仍在發(fā)展中的數(shù)字技術(shù)工具集現(xiàn)狀，建筑師的最好決策便是以一種發(fā)展的眼光看待數(shù)字技術(shù)的滲透式運(yùn)用，在不同項(xiàng)目中盡量運(yùn)用合適的數(shù)字化工具集協(xié)同設(shè)計(jì)，以逐漸形成并完善適合自己團(tuán)隊(duì)協(xié)作與實(shí)際應(yīng)用的，個(gè)性化的數(shù)字協(xié)同工具集。國(guó)家南海博物館的立面設(shè)計(jì)實(shí)踐呈現(xiàn)了實(shí)際項(xiàng)目深化中“數(shù)字鏈”的合理運(yùn)用，為以后的項(xiàng)目實(shí)踐提供了有效參考。

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作者:馬辰龍 朱姝妍 向科 單位:華南理工大學(xué)