计算性思维驱动下的自由建筑表皮优化设计

 

数学逻辑关系的制定是关乎计算性设计结果科学性与置信度的关键。结合既有研究，这种逻辑关系的建立依据既可以是对偏转、重力等可行性因素的考虑，而做出的建筑结构优化；  [4-6] 也可以是基于建筑物理环境、施工技艺、成本造价等性能导向，做出的表皮构造调整； [7-9] 甚至是按建筑功能的空间形态、使用者心理需要，经多项设计流程模块所生成的建筑、街区形态。 [10-11]  但值得指出的是，无论出于何种逻辑关系，其输出结果都与设计者的主观预期密切相关，均是在兼顾科学性与创造性的条件下，对建筑师主观“设计意图”的智能模仿与客观映射。在建筑设计工具飞速革新、设计信息量与日俱增的今天，这种更加关注自组织生成 与自适应优化的设计方式，无疑可以进一步加强建筑师对大量设计预期的解读与甄选能力，为提升设计工作效率、转变设计思维方式提供新的可能。

2 自由建筑表皮优化设计

随着软件技术的发展，流线曲面要素被纳入 建筑方案创作中，日益成为当代建筑设计的一项 重要趋势，但这种方式却给建筑施工带来了极大 的挑战。 考虑工程的可实施性，建筑师须依据所 选材料和产品参数限制对既定的自由曲面进行分 割，以确保实际施工后的表皮效果能够最大限度 地还原设计意图，满足结构与构造限制，且不至 于产生过高的施工成本。 [12]  这项设计流程也被称 作“嵌板设计”，是自由建筑表皮精细化设计过 程中必不可少的关键环节。 [13]

按所用材料的不同，建筑板材可包括混凝 土板材、金属板材、木质板、陶板、塑料板材、 玻璃幕墙及复合板材等多种形式。 依据板材加工 形式的差异，又可将其划分为平面板材、单曲面 板材和双曲面板材三类。 通常情况，嵌板设计的 质量主要取决于设计表面与目标表面的几何相 似度、相邻板材的曲面连续性及板材边缘平整度 等标准。 而嵌板的成本投入则主要受所用板材的 尺寸、数量以及板材结构复杂程度等因素影响。 显然，选用曲面板材可使得设计表面更加逼近目 标曲面，从而更加符合建筑师的设计意图，但相 比之下采用平面板材却更符合经济效益的原则。 此外，不同材质板材在加工定制（浇筑模具或弯 曲成型）过程中的工艺成本投入也存在着巨大差 异。 如表1所示 [13 - 14] ，与其他材质相比，曲面玻璃 幕墙的加工工艺成本明显较高，甚至已经占据了 主导性地位。 因此，对于此类材质的建筑表皮而 言，如能通过有效的嵌板设计，选用合理的加工 工艺，控制加工成本，或者通过减少工艺种类需 要，使增加（同种工艺）加工模具的重复利用， 同样会对施工总图成本减少、施工难度降低和施 工周期缩短等方面产生重要影响。

结合以上论述，自由形式建筑表皮优化设 计，以设计模型表面为预期目标，找寻一种行之 有效的嵌板设计解决方案，使之既尽可能地还 原既定设计意图，并满足施工经济性与可行性需 要。 对于大多数建筑而言，其立面构成所包含的 板材种类多达数百种，涉及板材数目更是多以千 计。 因此，出于算量复杂性、优化目标及约束条 件多样性等方面的综合考虑，如若能将计算性思 维及方法引入自由建筑表皮设计优化，势必会为 应对此类复杂性设计问题提供极大的便利，对于 施工经济性、可行性的整体把控具有十分重要的 意义。 就此，本文将进一步结合化州市陈金章文 化艺术馆及郑州园博园儿童馆两项工程实践，对嵌 板计算性设计的工作流程和应用方式做具体说明。

3 表皮优化设计实践

3.1 陈金章文化艺术馆

3.1.1  建筑设计意图

陈金章文化艺术馆项目位于化州市橘州生 态公园南麓，东北方向毗邻山角，东南方向与 自然水塘相傍，环境宜人，山水环绕。 拟规划项 目用地面积为9 117 ㎡ ，其中地上总建筑面 积为5 161.40 ㎡，地下建筑面积为4 453.72 ㎡，系2018—2019年为 收藏和展览陈金章先生的作品而 建的美术馆项目。 方案设计力图体现中国山水画 意境，以连续柔美 的曲线勾勒建筑的外轮廓，使 之屹立于山间，倒映于水中，体现“以山为形、 以水为镜”的设计初衷。

3.1.2 表皮设计思路

本方案的特点在于建筑设计与结构设计工作 的高度协同。 为实现设计意图，我们初步协定以 一系列悬链线为基础图形序列，并将其排列组合 成展馆连绵起伏的建筑天际线。 同样出于概念设 计需要，建筑外立面设计将以黑、白两色装饰性 铝板为主，以此来加强并突出其“山水”意象。 因此，本方案的表皮优化设计将同时考虑方案造 型与建筑结构两个方面：  一方面，外墙面需要综 合考虑建筑的最终实现效果，在概念方案和实施 方案中寻找一个合理的平衡点；  另一方面，优化 设计须在板材缝隙与主体结构间找到对应的空间 关系，方便外墙龙骨安装，并对表皮整体造价进 行把控。

3.1.3 优化设计实践

为此，我们首先通过Kangaroo插件建立了一个基于结构静力学的建筑找形程序流程，控制结构轴线与起拱边缘的角度值，使相邻边的投影关系接近垂直，并通过模拟单元网络内力的相互牵制作用，来获取确定分割数量条件下的拱形最优解。这种做法使得建筑形体的几何基础形态和结构受力趋于合理，且可对后续结构专业配合产生积极作用（图2）。而在嵌板设计工作中，我们采取同化曲率半径的做法，将目标拱形的B样条曲线（B-Splines）优化为数段圆弧，以便铝板的加工和生产，并控制施工阶段存在的人工安装误差。由于拱形曲面上的B样条曲线数量众多且互不相同，我们选择采用遗传算法自动寻找最为拟合概念方案的圆弧分段，并简化圆弧种类，在可实施性和实现效果之间寻求一个合理的平衡（图3）。

 

 

通过对目标曲面的曲率半径分析可知，曲面由底部到顶部的曲率逐渐增大，因此均匀平板化的设计方式并不适用于本项目。就此，我们综合分析了铝板幕墙的完成效果和施工难度，决定以圆弧面板材形式统一整个拱形曲面，降低板材加工工艺，并通过限定（圆弧面）曲率种类的方式，减少加工工艺种类需要，降低整体成本投入。经初步建模我们发现，如果圆弧种类太少，最终呈现的曲面效果将无法被人接受。就此，我们首先尝试采用3种圆弧进行拟合，以2 m为标准尺寸为基本的铝板模数，将拱形均分为22段，每个标准段能分配3种半径值。之后，通过遗传算法对各标准段进行自动分配，以此输出最为拟合拱形的圆弧分配方案（图4）。

 

结果表明，当采用3种半径的圆弧板时，拱形顶部尚存在较大间隙，曲面的连续性和均匀度较差。因此，采用同样的方法，我们将圆弧半径值增加至4种，以此保证拱顶的圆弧过渡更为平滑，并取得了令人满意的成效。经实践，这种基于计算性思维的嵌板设计方式，能够直观观察板形的效果优劣，可有效降低铝板的加工成本和施工建造难度（图5、图6）。

 

 

6 陈金章文化艺术馆效果图

3.2 园博园儿童馆

3.2.1 建筑设计意图

园博园儿童馆位于河南省郑州市，为2017年郑州市承办世界园艺博览会所建展馆类项目。其概念设计以中国传统符号“玉璧”为原型，用环形平面将各个功能空间有机地结合在一起。而在流线设计上，我们依据概念设计引入“莫比乌斯环”空间特点，将坡道作为室内外空间的主要衔接通道，消解楼梯所产生的空间界线感，以此营造富于动感的空间体验，影射儿童的活泼好动，激发儿童的好奇心与探索精神。展馆建筑面积为3 589.04 ㎡ ，建筑高度为11.9 m，总体规模虽小，但由于建筑空间小巧玲珑，立面形态富于变化，其表皮优化设计实则极具挑战性。

3.2.2 表皮设计思路

为实现“玉璧”原型玲珑、剔透的设计理 念，儿童馆立面设计将以玻璃幕墙为主，使其如 一条绸带螺旋缠绕于建筑之上，以此模糊室内 外的空间变化，营造独特的“内”“外”空间感 受。儿童馆立面设计以自由曲面为主，若采用冷 弯玻璃等方式，可有效提升嵌板设计质量，使设 计表皮更好地还原既定目标曲面。由于本方案设 计立面变化的复杂性，这种方式势必依赖大量幕 墙单元的独立生产与加工，考虑曲面玻璃幕墙的 加工定制成本（表1），其工程造价投入可想而 知。若采用平面玻璃幕墙单元拟合目标曲面，其 经济效益虽将大幅提升，但嵌板设计质量却不尽 人意，因平面构件拼接所导致的非连续感将难以 消除（图7）。

7 儿童馆幕墙曲率对比分析

基于这种思考，我们对立面设计方案做出调 整，提出了一种以百叶搭配平面玻璃幕墙的构造 方式，在兼顾工程经济效益最大化的同时，利用 竖向的百叶分隔弱化平面幕墙构件所导致的拼接 感。此外，我们还设想依据新增竖向百叶的三维 空间关系形成一组数据列，将其与一组24色RGB 数值列进行逐一匹配，从而形成一个自然过渡的 彩色表皮，象征童年时代的无限可能。

3.2.3 优化设计实践

幕墙板材构件为平面矩形，考虑幕墙的曲面 几何特性，幕墙单元及百叶分隔将无法做到完美 的均匀过渡且相互平行。但在实际施工过程中， 幕墙厂商通常允许龙骨与幕墙单元有10～20 mm 的施工误差，并且在打胶之后不会对建筑的密闭 性产生影响。因此，我们只需在模型中控制此误 差范围即可。

利用这一点，我们对龙骨数量进行了控制调 整，将龙骨间距的控制值预设为700 mm，并运用 模拟退火算法自动调整相关的幕墙参数，让百叶 间距不断去接近一个合理值，以此在三维模型中 获得一个尽量均匀且能够最大限度拟合双曲目标 曲面的百叶间距效果。对于幕墙单元的长边，我 们严格将其尺寸控制在1 200 mm，以尽可能地减 少幕墙单元的模数类型。对于幕墙单元的短边， 我们将其尺寸范围值设置为500～710 mm，且以 10 mm为公差逐一递增的等差数列列表，将5 231 个幕墙单元归纳为22种类型。而后，考虑10～20 mm 施工允许误差所产生的冗余，利用程序将小于 10 mm的尺寸抹平，以此实现幕墙表面嵌板设计 优化。最终，通过直观的数据输出，监控每种单 元类型的数量和相对位置，可进一步为后续幕墙 下料提供有力的图纸和模型支持。另外，这种做 法对幕墙单元的后期平整化处理同样具有积极意 义。由于百叶间距变化更为均匀，其误差值抹平 将更加简单易行。通过这种方式，我们可在优化 设计阶段有效实现对幕墙曲面效果的精准把控， 使其极端变化范围大幅缩小，为建筑设计意图的 最终实现提供有力的技术保障（图8、图9）。

4 总结与展望

工程实践需求与智能技术发展共同引发建筑 设计方法的革命性转变。将计算性思维融入建筑 方案创作，是解决当代建筑复杂性工程设计问题 的重要途径。本文结合两项具体工程案例，从实践 角度对计算性思维引入自由建筑表皮设计优化的 必然性和实施度展开讨论。结果表明，基于计算性 设计思维的建筑表皮优化设计系统，极具高效性 及科学性，能够成为满足建筑设计意图需求的理 想工具，可为方案实施提供科学有力的设计佐证。

计算性设计作为一项有效的设计工具，在其 方法内涵与流程构建方面尚需不断拓展，以满足 未来更加多元化的建筑理念发展需要。例如：丰 富计算性思维的适用设计环节，以拓展其应用范 畴；增强各设计模块间的联动关系，形成更加完 善的计算性设计流，提升工作流程的系统性；建 立多准则决策分析与计算性设计结果判定的联动 机制，增强设计者甄别合理性等。我们有理由相 信，伴随设计实践和应用探索的不断迭新，计算性 设计必将带来更多新颖的设计思路，为满足未来设 计需要提供更具科学性与高效性的技术支持。 ■

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