数字协同下的文化建筑外立面优化
摘要:该文以国家南海博物馆立面深化设计为例，描述了实际项目施工优化过程中的具体实践，并总结提出了一套典型深化流程，以在当前有限的项目平台与施工条件下能够高效睿智地利用当前的数字协同工具集，最大限度地提高建筑方案深化效率。
关键词:文化建筑;数字链;立面深化设计;数字协同;工具集
在当前的建筑工程实践中，数字技术正以一种“局部渗透”而非“风格变革”的方式，传统建筑设计的各个细节影响建筑的落成。当前行业背景下，大量建筑项目依然延续着传统的设计思维与经典的施工组织模式；在这一前提下，数字技术与建筑工程的结合点就在于合理利用数字技术工具与手头可用的“接口”对接，最大限度地优化设计。本文是在以上视角下，对国家南海博物馆项目施工阶段数字技术应用的直接呈现。
1“数字链”与发展中的数字协同工具集
当前建筑界的所谓“参数化主义”思想提出了数字技术的非线性、表皮化等形态特征，需要明确的是，这一对数字技术的形容，仅仅是数字技术协同下建筑形式之结果。更重要的是，数字技术从各个层面对建筑设计整个流程的渗透，填补了建筑生成设计与实践建造之间的空隙[1]，“数字链”才是建筑业变革的本质推动力。数字技术在建筑设计领域的渗透构成了“数字链”的工具集，建筑师在设计过程中，根据需求运用不同的数字技术工具集协同化设计以提高工作效率。现有的数字协同工具集可以概括为5个方向：①BIM（建筑信息模型）技术促成设计团队各专业的密切配合。②以Ecotect、Phoenix等软件平台为代表的建筑环境模拟技术。③算法程序链接建筑造型接口和环境模拟接口，带来建筑性能优化的可能性。④数字技术链接建筑实体与虚拟现实，建筑与互动装置的结合营造奇异场所感。⑤数控加工技术实现建筑形式与材料构造逻辑间的对应，提高施工精确度与效率[2]。需要注意的是，在当前的建筑实践现实中，上述5种数字技术的应用并不是同步完善的。BIM技术主要应用于施工图深化阶段以及应对部分规划部门的硬性要求；算法程序局限于先锋事务所的造型探索；环境模拟技术多用于设计后期绿色建筑评价领域；数控加工技术则在幕墙装配专业厂商中有限地推广。“数字链”的思想试图链接从建筑概念设计到项目落地的整个流程，在不同阶段数字化工具集的差异化要求建筑师实践一条有效的流程，结合项目实际经验与工具集的不同特点，最大化地利用数字技术的优势提高设计效率。
2“数字链”介入立面深化设计实践
国家南海博物馆作为近年华南理工大学建筑设计研究院所承接的超大尺度、流线形态文化公建，在投标设计阶段采用Rhino3D软件推敲建模。在当前的数字协同平台下，针对空间曲面形式的建筑形态如何施工落地，我们在数字技术协同设计方面进行了一些有益尝试，本文论述国家南海博物馆在建筑立面优化设计中的具体流程，为今后同类型建筑设计实践提供参考。
2.1深化设计目标与设计平台的选取深化设计目标
①博物馆屋顶为三维曲面坡屋顶，研究屋面与立面的交接定位化解施工误差。②幕墙与外挂格栅的平面模数在保证外观的同时兼顾工厂快速出料与施工便利。③外挂格栅上的纹理做法优化，以符合内部光照与施工进度的要求。项目团队的设计平台：项目深化阶段并无Revit，Catia等成熟商业BIM平台支持；团队选用Rhino3D平台下的grasshopper程序及对应的插件与算法界面深化设计，结合每个具体深化步骤中建成效果与施工难易的权重取舍，交叉选用传统设计模式或合适的数字协同工具，以求得施工效率与视觉效果的最佳平衡。
2.2构件坐标定位
外立面幕墙分为玻璃幕墙体系与竖向长窗体系；外立面构件的坐标定位直接牵涉到两个方面――施工的难易程度与良好的视觉效果如何取舍。为达到最优的视觉效果，弧形的幕墙分板需要在数百米的长度上尺寸均匀变化，这影响到幕墙的工厂开料时间及现场的放线定位难度。建筑师结合两种幕墙体系的不同功能位置采取了截然不同的两种设计方案。兼顾了视觉效果的完美以及施工精度的要求。对处于公共空间的传统玻璃幕墙体系，我们经软件三维模拟整理数据后发现，采取对应等角度轴线的6个一组的分板模数比均匀划分模数开料尺寸减少到1/6，从正面看去不影响空间效果，但在侧面视角则会发觉尺寸的阶梯式变化。由于大空间幕墙体系的分板数量并不算多，综合考虑我们采用定角度等分方式切割幕墙，这一决策中主要考虑大空间室内效果的权重（图1）。西南侧的竖向长窗体系作为博物馆办公及辅助区域的主要立面，天然地被分隔为若干片区，且大多数处于背面或内院区域，对空间视觉效果的要求较小；长窗外竖向锯齿格栅构造复杂，施工难度在整体决策中的权重较大；值得我们关注的是，这一立面范围内建筑的内墙分隔较多而尺寸也不统一，竖向长窗体系则要求整个立面的开窗模数尽量少。因此我们采用分区域布置不同平面尺寸的方式排布长窗。针对每个不同的立面区域，我们采用遗传优化算法，运算选取6种不同的开窗模数，解决室内不等尺寸的隔墙与室外等尺寸的锯齿幕墙的碰撞冲突。
2.3穿孔格栅的光照模拟检验
竖向长窗外的穿孔格栅兼顾了遮挡外部视线和保持私密性的作用，同时立面上方的大屋顶出挑对立面上部区域有一定的遮阳效果，因此我们设计了格栅的三种穿孔尺寸，上层采用较高穿孔率，光线易穿透；下层主要考虑视觉私密性，从外部不易看清室内办公空间。三种不同透光率的格栅交接，形成了波浪形深浅不一的媒体化形象。在穿孔格栅的设计中，我们采用了grasshopper插件ladybug和honeybee链接Radiance光照数据库，模拟夏至日正午建筑内部各空间的光照质量情况，为定义交接界面的大概竖向高度以及透光率的大小提供参考依据，证明了前期对于穿孔格栅的设计有效性。
2.4碰撞避免与竖向模数优化
立面幕墙系统和上方曲面坡屋顶的交接需兼顾防止构件碰撞和减小施工误差两个目的。玻璃幕墙上方交接采用吊顶缓冲方式――下方幕墙进行折线连接，以基本符合屋顶底面高度差，与屋顶间设置通用吊顶接合构件，预留了在施工中进行尺寸微调的可能性。竖向长窗外的穿孔格栅外挂，向外凸出了较大距离，三维空间中可能与出挑并向下倾斜的坡屋顶底面碰撞――因此建筑师在三维软件中提取了外挂格栅的最外侧点阵，向上做辅助参考线，分别同屋面取碰撞交点，由此碰撞点向下移动固定的距离作为格栅的最高控制高度，经模拟检验可掩盖潜在施工误差导致的视觉效果上的不平滑边界。
3有限施工条件下数字协同设计流程的经验分析
3.1模块化流程适应项目信息传递
在解决复杂项目的整个流程中，我们倾向于将庞大的问题分解为关联的各种分支问题，对应不同的设计模块，不同模块相互独立，模块间的交流文件采用统一的格式，有利于具有不同数字协同水平的设计深化团队的独立工作与协同配合式的信息交流。在不同独立的模块中，再应用对应的数字协同技术、性能模拟技术或直观经验。在外立面深化设计这一案例中，验证了项目流程中模块化策略在解决问题上的高效。
3.2基于权重的工具集取舍
在项目深化过程中，设计团队并非面面俱到地采用了所有数字技术工具。在立面深化设计的流程图中，我们可以看到各阶段数字化技术的参与度，不同的目标权重决定了设计师应选择的具体工具。为了照顾现场施工技术的水平和争取施工时间，经验性的模数简化与数字优化算法相结合，可大幅减少试错成本。具体的项目深化设计中，数字协同工具并非灵丹妙药，也不能单纯弃置不用，设计师应依托不同的项目情况灵活而睿智地运用这一工具集，才能达到符合时展的建筑建成效果。
结语
面对尚不完善，仍在发展中的数字技术工具集现状，建筑师的最好决策便是以一种发展的眼光看待数字技术的渗透式运用，在不同项目中尽量运用合适的数字化工具集协同设计，以逐渐形成并完善适合自己团队协作与实际应用的，个性化的数字协同工具集。国家南海博物馆的立面设计实践呈现了实际项目深化中“数字链”的合理运用，为以后的项目实践提供了有效参考。
参考文献
[1]李飚，郭梓峰，李荣.“数字链”建筑生成的技术间隙填充[J].建筑学报，2014（8）：20-25.
[2]徐卫国.“数字渗透”与“参数化主义”[C]//“数字渗透”与“参数化主义”DADA2013系列活动数字建筑国际学术会议论文集，2013.
[3]尼尔•林奇，袁烽.建筑数字化编程[M].上海:同济大学出版社,2012.
[4]王蔚.模块化策略在建筑优化设计中的应用研究.长沙：湖南大学，2013.
[5]RobertSedgewick,KevinWayne.算法（4版）[M].谢路云，译.北京：人民邮电出版社，2012.
马辰龙 朱姝妍 向科 华南理工大学
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