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参数化设计与数字技术下的非标准化建造f.rar

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    编号:20181101170523128    类型:共享资源    大小:12.24MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    参数 设计 数字 技术 标准化 建造
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    参数化设计与数字技术下的非标准化建造--以奥体商务园区出入口设计为例陈立维北京市建筑设计研究院方案创作工作室chenliwei.arch@foxmail.com摘要: 奥体商务园区地下出入口位于北京市奥林匹克园区南区的中央公园内。作为该地区景观的视觉中心和形象主题之一,该建筑形体利用数字化手段生成类流体形态的建筑形式,以一种软性和融合的方式嵌入了地下商业综合体顶部的绿地。方案利用数字化设计思维和软件将建筑的各部分(结构,屋面,檐口,玻璃幕墙,室内等)以有理化的方式进行拟合,优化及深度设计。分步骤陈述分析了其具体过程及逻辑的生成方法,进而使整个设计过程联系成为一个非单向性的,互动的系统。同时可以在设计的各阶段中,与各专业之间用精准的数据定位互相提供文件,用于校正和优化设计及满足各专业的需求。该项目的重点和难点在于一个较为复杂的非常规形体的方案设计,深化设计,以及在低技术条件下和厂家的沟通及施工操作的流程及方法。本文以一个小建筑作为实验对象,探索了数字化技术在方案深化设计上的应用以及设计逻辑与建造逻辑融合的可能性。并探讨了在新的技术手段下,非传统建筑设计思想及方法的应用。关键词: 数字化设计;互动设计系统;有理化;低技建造Abstract: The entrances of OCCD located in the central park of Beijing Olympic south area. As a visual attraction and icon of this area, the architectural geometry is generated by digital design method fitted into the landscape above the underground commercial complex. This design utilized digital design tools and methodology rationalizing, optimizing and detail designing various component of the building. As a non-linear form, the difficulty of this project is the detail design and the effective communication with the supplier and contractor within a relative “low-tech“ working environment of the Chinese construction industry. The essay took a small building as a case study, explores possibilities of the utilization of digital design tools and the integration of design logic as well as construction logic, and discusses the practice of non-traditional architectural design methodology under the influence of new design tools and technologies.Keywords: Digital design, Interactive design system, Rationalization, Low-tech construction1 项目概述本项目位于北京奥林匹克园区南区的中央公园内,地处南区的东西轴线上。南起北土城东路,北至奥体中路,西起中轴路,东到安定路,总面积约 62.8 公顷,建设规模 144 万平方米。园区以体育文化、国际交流、会展旅游、休闲娱乐功能为核心,以科技创新和可持续发展产业为支撑,同时兼容金融、信息服务、商务服务以及科技服务等现代化服务业。奥林匹克公园及周边地区,集中了北京城市内如上一系列功能,已经成为建筑密度和高度都相集中的区域,在周边建筑都采取“显”的态度的时候,我们选择了利用人工地形,将综合体的“隐”在公园绿地的下方,从而将城市绿地还给了公园的中心区。而作为本项目的地上部分,出入口的设计成为了景观的视觉中心和形象主题。该部分西侧建筑面积 410 平方米,东侧面积 500 平方米,主要功能为入口门厅,内设有自动扶梯,电梯及贯通空间等。本文将重点讨论该部分从形体到细节以及施工的数字化设计方式。(图 1)图 1 项目鸟瞰2 形体生成在群楼环抱的城市肌理中,奥体地下商务园区的“隐藏”和“融入”是建筑师的最初设计意图。这个处在城市空间中柔和下陷的绿色地带,以一种软性和融合的方式嵌入城市肌理。而在这个缓坡中,两个类流体形态的出入口顶盖,由场地中心向两侧伸出,并在最高处凝固成了动感的形态。东西侧出入口分别开向两侧坡地广场,标志性的提示和引导人流进入地下广场。开口自外侧向场地内侧逐渐内收和降低,在形成外伸的视觉形象的同时,也符合了功能上步入下沉广场的空间需求。而在马蹄形顶盖的内侧,分别是两个下沉庭院,作为整个形体的收尾。(图 2-1)在数字化设计手段日臻成熟的现在,非标准化的形体已经在方案设计中越来越常见,而如何由几条简单的基本逻辑控制复杂建筑形体的生成,从而帮助进一步的非标准化建造,已经成为了一个非常重要的环节。不同于 Maya 或者 3D Max 的建模方式,Rhino (犀牛)结合Grasshopper(蚱蜢)提供了一种更精确的记录,处理和调整数据的系统,使建筑师通过数字化手段建立逻辑,精确控制和调整数据,使输入端的数据经过更加理性可控的调整输出为建筑形体。在本案例中,建筑形体的控制依靠若干条基准线的控制,其中依次包括:1. 玻璃幕墙和地面的交界线(crv A)2. 玻璃幕墙与吊顶的交界线(crv B)3. 形体檐口边界线(crv C)4. 屋面顶部转折线(crv D)5. 屋面与金属幕墙交界线(crv E )6. 金属幕墙与下-8.20 下沉广场交界线(crv F)东西两侧的形体分别由这六条基本三维曲线的界定出。 并通过对曲线走向和定位的调整系统性的控制形体。在理性的数据和感性的知觉中寻求顺滑,动感,优雅的审美意象。图 2-1 西侧出入口鸟瞰3 深化设计对于一个异形建筑设计的深化来讲,有理化是其中很重要的一步。这里所说的有理化,是一个将方案阶段的由电脑生成的相对自由的形体,逐渐转变为一个可以用建造逻辑描述的形体的设计阶段,一个推敲电脑形体使其成为建筑的过程。其中包含了跟随基本形体而生的一系列设计元素,包括结构,幕墙,室内等等。在数字化设计当中,这一系列元素间不再是单项固定数值的关系,而是互相之间相互依存构架起来的一套逻辑系统。在本案中,在基本的形体确定后,结构,屋顶金属幕墙,玻璃幕墙,室内等一系列要素均是依托于原设计的几何形体生成,同时,建筑形体也会因为其他因素的不合理及需求而反向调整。建筑师旨在建立一套可以描述的数理逻辑关系,通过伪代码(这里指数字化建筑师用于描述形式生成及建造逻辑的介于自然语言和计算机语言之间的文字和符号),步骤性的确定各因素的生成方式,然后通过软件建立模型并利用参数的变化调整确定设计。3-1 结构对于结构体系,建筑师提出了多个结构形式的解决方案。此处的重点在于,如何在一个不规则的形体中提取出符合其形式走向同时又符合结构原则的体系。简单平行布置的桁架无法完好的被收纳在连续变化的形体中。变化的,非均置的外壳需要与其变化相结合的结构走向相契合。最后的方案是在每条定义线中选取均分的一系列点,并随外壳变化的趋势将这些点连接起来。再根据位置进行微调。然后以这几条线的投影作为桁架的基本平面走向进行布置。在竖向上,根据幕墙顾问的建议,以基本形体的外表面为基准,向内侧倒推 400mm 的空间用于幕墙连接构造及保温层。这个距离同时作为结构外表皮的外边界,主结构采用截面250*350 的工字钢。并顺应走势以横向钢架连接,隔品斜撑形成空间的结构系统。在柱的设置上,为了抵消向前倾覆的力量,同时避免过粗的直径。在多次尝试和与结构专业的沟通后,决定在+0.00 标高上选取直径 400 的 V 字钢柱,柱基及柱头随幕墙的形体走向变化,从而使整体的形式保持一致性。(图 3-1)图 3-1 主钢结构3-2 屋面屋面形体是一个中间高四周低的三维曲面,这取决于之前生成的基本形体,同时兼顾了排水的需求。屋面和形体外壳的其他部分在一个环形的排水沟处连接。由于屋面这一部分的曲度变化并不剧烈,采用直立锁边屋面系统,利用金属板间的微差调节拟合空间曲面的曲度变化。3-3 檐口檐口部分连接了屋面,排水沟,幕墙吊顶等多个部分,同时曲度变化明显,是设计的重要的节点。为了达成良好的视觉形象,保证结构完整安全的同时,尽量将檐口做薄,并由外向内逐渐变厚,用于形成轻盈的视觉感受。檐口处西侧檐口最薄处 830mm,东侧最薄处800mm。 处于形式及排水效率的考虑,排水檐口设置得尽量靠近檐口,距离为 300mm。这一部分另外一个重点是如何利用数字化技术将檐口和金属幕墙部分分割出合理平滑的幕墙板。檐口系统采用金属板,利用四个角点定位,并利用金属可以轻度弯曲的性质自适应其曲率。(图 3-3)伪代码:1.将檐口边界线(crv C)投影在入口标高( 0.00m)水平面上2. 距离等分此投形线3. 找出各等分点处参数坐标的向量(vector on each point's parameter),并沿该向量与 Z 轴方向的叉乘(cross product)方向挤出一系列平面。4. 找出这一系列平面与檐口曲面的交界线作为金属板分割线。这样分板方式的优势在于既可以满足于顺应于曲线走势的平面分割,又能在在竖直方向做完全平行于 Z 轴的分割。随着形体的调整,檐口及背侧金属板的分割自动响应其变化,顺应形体的肌理和曲度变化。同时,建筑师可以调节分板块数的变量以优化形体。在数控加工技术快速发展的现在,幕墙板的形状与尺寸已不需要整齐划一。 而经过建筑师优化控制的幕墙板可以使建造逻辑更贴合形体的生成逻辑,从而增强建筑的整体性和建造的逻辑性和精确性。图 3-3 屋顶檐口系统金属幕墙分板3-4 玻璃幕墙系统玻璃幕墙的分割是一个充分体现数字化技术优势的地方。不同于金属板可以延展和弯曲的性质,普通玻璃都是平面的(由于成名控制的原因,这里不讨论异形玻璃),而如何利用平面理性化的拟合空间曲面可以成为一个深入讨论的议题。另外一个难点在于,利用三角形平面拟合三维曲面可以实现,而通过四边形拟合在几何上是不可能的。而三角形的幕墙分割又不符合该建筑的美学意向。经过多次尝试,最后的解决方案是利用幕墙间的玻璃分隔支撑的宽度缓冲掉相邻四边形拼合的微差。分隔支撑采用 30mm 厚的金属板,玻璃拼合的界面在地面(0.00 标高)上对齐,使得幕墙与地面的交接是一条连续的折线,而向上延伸时逐渐缠上错位的交界线被不透明的金属支撑消化和缓冲。最大限度上使人视觉上对幕墙连续性的感知。伪代码:1.取玻璃幕墙和地面的交界线(crv A)进行等分,等分值为建筑师可控制的变量2.找出各等分点处曲线参数(curve parameter )处的垂直面(perpendicular frame),作为幕墙间支撑的基准面(srf1)。3.依次两两相连各等分点形成一系列线段(line0),取这一系列线段的中点,并从中点做玻璃幕墙与吊顶的交界线(crv B)的垂线(line1)。4.由 line0 和 line1 求得平面作为幕墙玻璃基准面,求得该基准面与幕墙间支撑的基准面(srf1)的交线作为玻璃两侧的边界线。玻璃幕墙的分块即是由这两条边界线构成的平面四边形。5. 两块临近玻璃上端角点间距的最大值作为玻璃分隔尺度的最小值。(图 3-4)图 3-4 玻璃幕墙数字化模型3-5 室内吊顶设计室内的数字化设计主要集中在吊顶的设计和布置上。设计方案采取在顶棚和非透明的室内界面上均置亚光金属圆形装饰板的方案。圆形直径 700mm,理想状态下临近圆圆心心间距1600mm,因此在圆形装饰板的背后应该有一个边长为 800mm 的金属龙骨的框架。但是由于室内装修面是一个不规则的形体,这里的设计原则是建立一个龙骨框架与内装修面完好契合的算法,使饰板延形体周边和走向自然顺滑的布置,同时避免板面间过于密集或者疏远。因此,我们在这里选取了与顶部结构放射形布置不同的策略。基本走向来自于对形体整体走向的演算,而后以此方向间隔 800mm 平行布置,成为主龙骨体系。然后,在每根主龙骨上按间距 800mm 均分出一系列点,但是这样出现的问题是在最后一个点的间距会是一个 0-800 间的整数,无法满足均匀布置的要求,吊顶边界的布置也不够平滑。解决的方式是以主龙骨的长度除以 800,并向下取整求出每根龙骨山的饰板个数,再用总长度除以个数求得每根龙骨各自的饰板间距,并确定饰板中心的坐标。这样,装饰板固定在龙骨上的节点间距会是一个略大于 800 的数字,但是却保证了其均匀的布置和与边界走向的吻合,同时也体现出了参数化控制建筑设计的基本思路。(图 3-5)图 3-5 室内吊顶设计参数化设计的优势在于,并非仅是单向性的由建筑形体推演出来的结构系统。在建立了相应的逻辑关系之后,形体与结构已经形成一套互相关联的系统。在设计深化的过程中,体现在随着由六条基本三维曲线驱动的建筑形式的调整,结构,幕墙,室内吊顶系统随之产生相应的变化。从而使建筑师在这个互动系统中同时调整和优化,在形式优雅与结构的合理间寻求平衡点。4“低技”条件下的设计建造作为一个典型的非线性中小型建筑,该项目全部采用建筑信息模型辅助建造,传统的平面,立面,剖面的建筑二维施工图,只能提供片段式的参考信息,已经缺乏明显的施工图纸意义。这个项目中设计与建造的难点在于,部分传统建筑设计院各专业顾问团队相对缺少在直接协助三维软件界面上实现设计的经验及能力。这就需要建筑师和各专业工程师密切协作协调。利用专业顾问团队直接在二维图纸上定位表达,并通过建筑师将各专业信息整合进入三维信息模型。而后在工程建造中,将三维信息模型提供给材料供应厂商进行进一步的图纸深化及构件加工。施工团队在施工现场利用空间定位仪器进行定位,放线,施工建造,与三维信息模型校核等程序。而在本案例中,对项目建造影响更大的是施工团队,尤其是结构,幕墙等建造承包商对于异型建筑建造经验的缺乏,建筑师,结构工程师,幕墙顾问,承包商,分包商多层级信息沟通的阻滞及回馈延迟,加之不同分包施工团队施工进度的差别以及互相之间信息的误差,造成了施工中误差控制不理想。最主要的问题在于主结构的施工中,顶棚结构的空间误差与三维信息模型中的误差参差,而之后缺乏与三维模型的校验过程及主动与建筑师的沟通协调。造成了建设后期金属幕墙及内部设备管线不能按照原三维模型实施。从而不得不由工地施工现场重新空间定位出结构现状并导入三维模型,再由建筑师读取信息进行相应的形体调整和幕墙分隔。这部分造成了重复设计及工期上的延误。在实际建造中,施工误差不可避免,但是成熟的建造和设计团队应加强各环节之间的信息沟通,尤其是应注重建筑师与终端分包商的直接对接,以及施工单位在建设过程中不断与三维信息模型的校核的过程。目前,我国在数字化建筑设计技术上已经日渐接近国际先进水平,而在建造工艺上却与发达国家有着较大的差距。这一方面是由于工地施工人员的培训机制和和施工水平的差异造成,另外一方面,虽然在设计过程中建筑师考虑到了非标准化建筑构件的数字化建造逻辑,但是工厂预制和数控加工技术的应用不完全,在建造过程中过于依赖现场,也是造成建造与设计之间较大差别的原因之一。在条件允许的情况下,后期工厂的精准预制和数控加工加上施工现场的组装可以在最大限度上控制施工误差的产生。这也是未来几年内国内该类型建筑设计建造的发展方向
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