结构案例分享~参数化织起天安门广场212米长钢结构红飘带

来源：清华大学建筑学院、建筑技艺杂志

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在庆祝中华人民共和国成立70周年大会上，天安门广场上壮丽、灵动的“红飘带”主题景观惊艳亮相，成为天安门广场景观设计和整场庆典活动的亮点之一。从创意、蓝图到风景，持续8个多月的设计过程，凝聚了清华大学美术学院、建筑设计研究院、建筑学院、土水学院等众多师生团队的共同智慧与心血，其中建筑学院黄蔚欣副教授团队为“红飘带”主题景观提供了参数化设计与建模。

“红飘带”主题景观项目实景

参数化设计过程

位于天安门广场的“红飘带”景观高16米，主体为S形，曲线主体全长212米，直线长度185米；重3000吨，却没有地基；它虽是钢结构，在广场上施工却没用电焊，中部双向拱曲，结构跨度75米，外悬挑12米，拱底最大高度7.7米。最高处约16米，最低处5.0米。最大厚度约7.8米，最小厚度约3米。它的幕墙是型材，不用画笔却照样可以表现山水人物……红飘带装置由两个单体飘带组成，沿城市中轴线左右对称布置，单侧被广场东西副路分为两区中部向上拱起，结构跨度大，外悬挑数十米。飘带最高处与最低处相差11米。由于装置尺度巨大，曲面形态复杂，项目在深化设计过程中遇到了海量的技术难题。设计团队运用参数化设计工具与一系列相关技术保证了项目的设计深化、加工运输、现场搭建过程的顺利完成。

天安门广场鸟瞰，图中可见飘带装置

设计团队使用参数化建模工具，深度参与了飘带形态的推敲过程。飘带的表皮是空间上的自由曲面，如何实现是面临的第一个难题。现有的加工技术难以保障双向弯曲板材的加工精度，而使用铝型材表达直棱曲面从设计、加工、工期等角度都是一个更合适的选择。为了实现光滑曲面的效果，团队将飘带分段，具体分析其表皮的弯曲情况，使用了不同的细分逻辑。此外，还用等分飘带宽度的曲线来控制铝型材的偏转角度。通过一系列技术手段，实现了飘带左右两个曲面的优雅表达。优雅完美的曲面形态，赢得了大家对“红飘带”景观和庆典活动的高度赞誉。

飘带形态推敲

设计团队运用参数化的设计方法，对表皮进行精心设计的同时，进行结构分跨的推敲。结构轴线是由控制曲线的一系列法平面切割表皮，向内推算获得的。于是结构的初步形态被简化为了控制曲线的分段问题和表皮至结构轴线的净空问题。

由于运输条件的限制，结构的最大尺寸有着很严格的限制。为了满足最大运输高度，多次调整控制线的分段方式，使得在运输的限制之下，尽可能地增大结构跨度，充分发挥钢桁架的性能优势。

飘带结构

飘带的点睛之笔当属表皮上的山水民族图样。经多方讨论，没有采用简单的印刷或喷绘的方式来表现图像，而是通过在铝型材上开大小不一的圆孔来形成图案，使得图案和表皮更加有机的结合起来，画面也更有层次。通过对原始的位图进行灰度采样，依据像素点的灰度，决定开孔的尺寸，开孔合计达两百多万个。为了将图样以更好的效果呈现出来，对比了多种映射逻辑，采用了平行投影的方式，使得远处的视野能尽可能地还原图样的原貌。在人物的面部区域，适当提高了像素密度，使得五十六个民族的人物神色更加生动活泼。

飘带表皮开孔细部

飘带表皮图案模拟效果

飘带表皮图案现场效果

参数化工具的引入不仅仅服务于建筑设计，也为管理和施工提供了辅助。通过程序直接导出各结构轴线节点准确的空间坐标，并对结构组件、预组装单元进行精确编号，体现单元间的顺序与相对位置关系。飘带表皮被划分为一千多个个各不相同的单元，按照建造工艺进行了精确的建模，保证了立面构件有条不紊的加工和组装。由于采用了全方位的参数化方法，对造型设计、加工与建造方案进行了深入研究与建模，最终建成的飘带完成度非常高，与计算机中的模型完美一致。项目以飘逸流动的曲面，丰富统一的细节，触动心灵的巨构尺度完美呈现。

飘带整体结构与预组装单元

现场照片

（人民日报记者摄）

（人民日报记者摄）

（陈晔摄）

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（来源：BTV新闻）

参数化设计团队感言

黄蔚欣  清华大学建筑学院副教授

“红飘带”的设计是一个巨大的挑战。为了能够以毫米级的精度，从整体形态到细部构造完美呈现设计的意图，同时协调好结构、幕墙、加工、运输、建造等一系列环节的信息，选择了参数化的设计方法。整个“红飘带”从内而外全部使用了统一的计算机程序逻辑进行描述，总体形态的控制，各种构件的空间几何关系、复杂的建构层级，以及加工、安装的数据，都使用数字化的逻辑一步步建立起来。各方的意见得以在这个模型下相互协调、快速迭代，反复推敲，加工建造信息也能够精准传递。

建成的“红飘带”完美呈现了飘逸、灵动的设计初衷，而近距离观看，特别是置身于75米跨度的起拱段之下，又会为她的宏伟、壮美所震撼。感谢祖国、感谢时代，作为国庆献礼工程的建设者，感到无比自豪与幸运！

罗子牛  清华大学建筑学院2019级硕士研究生

国庆现场的最终效果非常震撼，飘逸灵动的曲面造型一如最初的设计目标，铝型材整齐排列出色还原了建模时毫米级的精度要求，而百万开孔构成的山水民族图案更表达出了电脑屏幕上所没有的深远意境。

非常幸运，初次实习就能参与到70周年国庆献礼的工程中来。非常感谢黄蔚欣老师和清华大学建筑设计研究院屈工（屈小羽）在项目中给予我的指导。我为祖国感到无比自豪与骄傲！

项目信息 w

设计单位：清华大学建筑设计研究院有限公司

项目总负责：庄惟敏

总协调：王卫，任飞

项目负责人：任飞

工程负责人：石永久

技术顾问：盛文革，刘彦生，刘建华，陈宏，蒋会来

建筑设计：屈小羽，杜爽，李会娟，任智睿，罗子牛，沈锋

结构设计：王岚，张一舟，陈经纬

设备设计：黄景峰，张菁华，邵强，张华，周浩，刘家根，张晓伟，孙伟晓，洪迎迎

泛光设计：徐华，姬艳举，蒋斌，马胜杰

参数化设计：黄蔚欣（清华大学建筑学院）

声学设计：燕翔（清华大学建筑学院），王鹏

景观设计：周易，赵丽颖

项目秘书：路雪

创意团队：马赛，范寅良，陈洛奇，王梦瑶，任续超，尹金等

专家顾问团队：

北京市建筑设计研究院有限公司：邵韦平，丁明达，陈斌磊

北京城建集团有限责任公司：张晋勋等

文章来源：“清华大学建筑学院”公众号

图文提供：黄蔚欣老师团队