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民航空管“最强大脑”中国民航三中心，是如何设计并实现的？(by中国中元陈自明团队)

发布于：2021-06-30 11:19:30 来自：建筑设计/公共建筑设计 [复制转发]

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国家级空管中心设计创新实践

以中国民航三中心设计为例

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陈自明姜海玉姜力萍尚文昊

中国中元国际工程有限公司

▲ 整体鸟瞰

自2005年起，我国民航运输总周转量已跃居世界第二位。航空运输业务量的持续快速增长，对空中交通管理水平提出更高要求。民航运行管理中心、气象中心工程及中国民用航空情报管理中心工程（以下简称“民航三中心项目”），是中国民用航空局批复的重点项目，是以民航运行管理及数据处理为主的多功能、智能型项目。民航三中心项目的建设，对于提高民航空管运行保障能力和航空气象服务水平，以及进一步提高我国民航的国际地位和影响力具有重大意义。

以“民航引擎”为起点的一体化设计

概念构想

作为一架飞机的心脏，航空发动机是人类迄今为止所建设的最复杂的工程技术之一，既要在特殊的工作条件下满足极端的安全性，又要考虑噪音、寿命和油耗问题，技术难度很高。我国航空发动机建设从仿制改进到完全独立研发，曾经走过一条波折重重的道路。因此，以航空发动机作为民航空管行业最具象征意义的符号再贴切不过，这也成为了整个设计的灵感。航空发动机以严密的工业技术为基准，流畅柔和的力学曲线轻盈又强韧，理性又不失美感，设计力图在平衡各种问题的同时，将其特性融入建筑之中。

功能整合

项目总建筑面积7.5万m ² ，由具有世界先进水平流量管理系统的运行管理中心、气象中心和新一代航空情报管理中心、后勤中心四大主要功能组成，各功能之间既要彼此联系又要相对独立，以满足各部门之间信息安全与业务交流的双重需求。结合整个院区规划，确定场地以东西轴线为主要轴线，南北轴线为次要轴线，四个体量分置其中，同时每个体量都拥有独立的私密院落，日照和自然通风良好。相对独立的四个院落型单体，围绕中间流线型的共享大厅环形布局，形成外向性与内向性兼具的空间形态。在紧张的用地条件下，不仅在各个入口形成广场、花园、休闲空间，还在场地西南角预留了未来发展用地。

立面、景观、室内一体化设计

项目对立面、室内、景观、照明进行一体化设计，延续航空元素，使建筑在概念与形式上整体统一。立面以飞机舷窗为设计母题，柔美舒展的曲线与建筑形体交织错落、一气呵成。屋面起伏、扭转，同时机房被统筹其中，以浅色穿孔板覆盖其上，形成整洁又动感十足的第五立面。景观设计的灵感来源于航空气象图的流线元素，曲线形绿化依建筑之势渐次展开，形成别具特色的观赏、休憩空间。用地中原有较多高大树木，设计将其最大限度地保留，并使其成为景观的一部分。室内设计结合五大功能空间，从自然、人文、未来的角度取材，与建筑造型浑然一体。

▲布局生成图

参数化支撑空间的理性表达

在概念初始阶段，建筑曲面造型与空间设计更偏感性，缺乏严密的逻辑性与唯一性。如何使民航三中心优雅的造型得以“平稳着陆”，高完成度地实现概念方案的落地建设，是设计团队面临的又一个挑战。

在非线性建筑方案设计阶段，首先，通过Rhino、3DMax、Maya等数字化建模软件搭建复杂非线性空间，并通过NURBS曲面逻辑提升建筑师建模效率以及对复杂空间的感受度；第二，依托Grasshopper参数化设计平台中Ladybug、Honeybee、Geco、Elk等插件，实现方案设计模型与环境模拟模型的实时同步，将实时反馈结果作为设计决策的依据之一，优化建筑与环境间互为反馈的关系，提升建筑的节能性与使用舒适度；最后，依托遗传算法理论的Galapagos插件，提升方案设计阶段建筑师对多种不同方案的把握程度，快速得到相对优化的解决方案。

▲ 园区沿街立面

感性造型的有理化表达

在方案深化阶段，搭建各层轮廓数字化模型，通过调整轮廓范围与各层高度可以快速得到建筑形体与总体面积指标，实现面积指标、形体关系与建筑层高的平衡。在此基础上，我们可以将非线性理解为未遵循几何规律的线性变化，对此需要寻求基本的方法对原有曲线进行重新定义，形成各专业设计的标准。在民航三中心项目中，我们分别运用了曲线拆分法和曲线拟合法对曲线进行有理化设计，通过空间圆弧、空间椭圆、抛物线函数、三角函数等对曲线进行归纳。

（1）曲线拆分法

在民航三中心项目中，我们将共享大厅平面轮廓曲线拆解为两段圆弧与一段椭圆相切，分别拾取椭圆和圆弧的部分弧长组合形成完整曲线造型。对于空间曲线，以共享大厅空间曲线S为例，我们运用y=x ² /2p来形成曲线的平面定义，同时运用y=xsinA作为曲线的竖向定义，则S定义为y=x ² /2p x sinA，其中P与A为可变量，通过对可变量的参数化调整可以快速得到曲线S的空间形态，且S可以为唯一曲线。

（2）曲线拟合法

对于空间形态复杂的曲线，当无法用平面加竖向的组合方式来定义时，需要运用微积分的原理进行曲线拟合，即先明确曲线方程，然后确定拟合误差范围。首先将原有曲线拆解成多段简单三维曲线，通过捕捉拆解后曲线的起始点及其他中心点坐标，确定拟合曲线的输入数值，根据数值及点坐标形成圆弧或椭圆，通过定义圆心空间位置、圆弧所在平面、圆弧起始点坐标等，对拆分后的每一段曲线进行定义，这些多段曲线定义的集合即为完整的复杂空间曲线。虽然拟合后的曲线无法完全与原有三维空间曲线重合，但在合理的误差范围内，即是一种合理的可进行后期数据传递的曲线有理化方法。

▲景观广场

▲内庭院鸟瞰

▲黄昏立面

▲庭院景观

▲建筑造型有理化

结构构件的有理化拆分

曲线有理化过程作为整体建筑深化设计的基础，定义了建筑的骨架，进而对建筑表皮提出确定性定义。复杂曲面的形成往往依附于建筑主体结构造型，而异常复杂的空间三维曲梁受力方式需要经过复杂的计算，同时还受限于加工设备与加工费用。因此设计团队将复杂三维曲面拆解为单曲面和平面，通过合理的几何分解控制工程造价。三角拆面方法是一种常用的曲面拆解方法，其原理在于空间中任意三个点既可以形成一个平面，同时面域内本身也具有结构稳定性。

中央共享大厅是设计的亮点，也是实施的难点。前期设计虽然对编织桶进行了唯一性定义，但对于支撑结构及幕墙来说很难实施，同时超大三层双曲夹胶镀膜玻璃无法生产，所以需要运用平板曲面对其进行拆解。考虑结构模数与幕墙模数的一致性，我们决定使用三角平面进行曲面拆分。通过拾取UV曲线对曲面进行分层，同时根据结构计算均分曲线形成均值等分点，通过对最近间距三个等分点进行分组形成三角平面。等分点的拆分通过参数控制，可以根据结构实力情况、幕墙加工情况，室内效果等因素综合考虑并作出快速调整。

设计团队运用犀牛软件搭建结构中线模型，对共享大厅钢结构杆件进行模数优化。对侧立面双曲幕墙结构杆件进行几何优化，优化后的几何数据与结构交点坐标通过参数输入至MIDAS与盈建科软件进行结构荷载分析、震动模拟分析，确定各部分结构材料与计算杆件截面尺寸。同时对钢构件节点进行受力分析与节点深化设计，分析得到的结构材料、结构尺寸等基本数据以矢量模型与数据列表的组合形式传递到建筑专业，建筑专业以此作为基础进行设计。室内精装专业根据完善后的多专业模型进行室内幕墙及精装设计并形成空间效果，建筑师根据综合效果对大厅结构、土建、机电、照明、精装提出综合意见，从而修改基础几何模型，构成循环往复的多专业信息传递闭环。

▲建筑中庭夜景

▲建筑中庭鸟瞰

▲编织筒建造过程

▲结构模拟计算

数字化施工协调

（1）钢结构逆向设计

非线性建筑通常需要使用钢结构进行加工与搭建，从而实现复杂曲面。传统的正向设计中，施工阶段的模型是基于设计模型的深化，本身不具有可逆性，当原有设计模型通过钢结构加工及安装技术难以实现时，工程会遇到较大资金及技术阻力。钢结构逆向工程阶段，在结构深化设计中同时考虑结构加工、安装及造价，实现了图纸信息、加工信息、安装信息的协同优化。

民航三中心项目共享大厅内有12根复杂的空间曲梁，施工及安装难度高。在深化阶段，我们根据厂家提供的弯管机加工参数、弯管半径、弯管长度等，将空间曲梁拆分为多段二维平面圆弧曲梁，从而通过弯管机快速加工，并在工厂预拼接，满足吊装要求。项目现场通过地面坐标定位各段曲梁位置，吊车吊装后快速焊接完成整体拼装，安装过程中实时对测试点进行空间定位。整体设计、制造、安装过程的数字化应用，实现了工程的经济化、预制化、工业化。

（2）幕墙逆向设计

非线性建筑复杂曲面需要幕墙来实现，在首层立面GRC幕墙设计中，首先运用五轴雕刻机制作1:1比例木质磨具，其次制作石膏的阴模来翻制精细化蜡模，然后通过热熔注浆的方法完成GRC幕墙的加工成型。为此团队考察了加工过程的各个节点，明确五轴雕刻机加工尺寸、蜡模翻制尺寸、热注浆时模型强度要求、成品厚度要求、吊装重量等。根据以上信息对GRC造型进行优化，降低幕墙厚度，减少二次结构费用及加工盲区，同时结合百叶透气要求增加幕墙孔洞，实现设计、工艺、造价的最优化。

利用VR技术辅助设计，将三维空间模型与VR设备连接，实现对建筑室内外各个空间的直观体验。同时结合5D体验对施工团队进行安全教育，借助全息投影技术，呈现具有真实空间维度的立体影像，使建筑的展示与表达更加直观，也使施工团队对建筑整体效果有全面而细致的把握。

▲建筑铝板幕墙

▲建筑室内

▲夜景鸟瞰

▲室内环境分析

参数化平台的全面应用

设计团队通过多软件协同，以Revit为多类型软件协同运用的中枢平台，使用Rhino、Grasshopper、Midas、盈建科及风环境模拟、声环境模拟等优化设计方案，实现感性美学与理性空间的平衡。Revit模型通过Autodesk360云渲染可以快速生成渲染效果，便于研究建筑空间与细部，节约人力、物力及时间成本。

（1）室外风环境分析

方案阶段，利用斯维尔Vent软件对建筑风压及周边风速进行分析，确保方案的可行性；深化阶段，为了获得更加精准的风环境数据，通过3D打印技术建造超精度实体模型进行风洞试验，保证结构及形体设计更加安全经济。

（2）室内声环境分析

在战术流量管理运行大厅、业务系统监控大厅放置声源，运用Raynoise进行声环境模拟。根据分析结果确定空间体积、墙壁与吊顶材料的吸声系数，以满足不同运行状态下的声学要求。

（3）室内采光分析

对Revit模型进行斯维尔DALI室内空间采光模拟，根据不同空间的功能调整窗户尺寸，使采光与照明系统相互补充平衡，实现采光效率的最优化。

结语

伴随当前社会的发展，AI人工智能及工业4.0已纳入国家科技发展纲要，数字化技术在建筑领域的研究对未来建筑设计施工智能化发展具有重要的推动作用，也将成为实现建筑全生命周期设计的重要手段。通过六年时间的反复打磨，民航三中心项目得以顺利建成，被列为民航空管领域的“一号工程”，获得第九届“创新杯”建筑信息模型（BIM）应用大赛科研办公类第二名，2020年Active House Award（国际主动式建筑）中国区竞赛卓越奖。项目通过参数化设计与建造全流程运用，实现了经济效益的提升，其中工程量核算效率提升5%，钢结构预制率100%，钢结构模数化提升5%，管线碰撞减少70%。希望通过数字化技术在本项目中的应用及总结，为后续相关工程提供帮助与参考。

项目简介

业主：中国民用航空管理局空中交通管理局

建设地点 ：北京市朝阳区

建筑设计 ：中国中元国际工程有限公司

联合设计 ：中国民航机场建设集团公司（工艺系统）

项目负责人 ：陈自明、姜海玉

设计团队 ：塔林、冯睿、孔迪、姜力萍、周刚、杨文、罗佑新、江世茹、高敬、

李顺、张晨、高磊、时姗姗、邵琛

总建筑面积 ：74 985m2

设计时间 ：2016

建成时间 ：2021

摄影：存在建筑

作者简介

陈自明 ，中国中元国际工程有限公司执行总建筑师。

姜海玉 ，中国中元国际工程有限公司建筑工程设计研究三院总建筑师。

姜力萍 ，中国中元国际工程有限公司建筑师。

尚文昊 ，中国中元国际工程有限公司建筑师。

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全部回复（4 ）

只看楼主我来说两句

阿巅2019 沙发

很精致的设计，谢谢分享，楼主辛苦。

2023-04-25 09:40:25
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lijiawei411 板凳

作为一架飞机的心脏，航空发动机是人类迄今为止所建设的最复杂的工程技术之一，既要在特殊的工作条件下满足极端的安全性，又要考虑噪音、寿命和油耗问题，技术难度很高。我国航空发动机建设从仿制改进到完全独立研发，曾经走过一条波折重重的道路。因此，以航空发动机作为民航空管行业最具象征意义的符号再贴切不过，这也成为了整个设计的灵感。航空发动机以严密的工业技术为基准，流畅柔和的力学曲线轻盈又强韧，理性又不失美感，设计力图在平衡各种问题的同时，将其特性融入建筑之中。

2023-04-24 08:32:24
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