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非线性建筑设计建造工作流程探究.rar

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    编号:20181101170524429    类型:共享资源    大小:40.97MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    非线性 建筑设计 建造 工作 流程 探究
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    非线性建筑设计建造数字工作流程探究——以巴黎路易斯威登基金会为例李晓岸清华大学建筑学院lxa8964@126.com摘要:路易斯威登基金会(Foundation Louis Vuitton) 是弗兰克·盖里(Frank Gehry)于 2014 年在法国巴黎新建成的博物馆建筑。作者从 2013 年开始就关注着该建筑的进展,通过大量的资料收集、实地探访、人物访谈,获得了关于基金会从方案设计、施工图设计、实地建造全过程的资料。本文以巴黎路易斯威登基金会为例,详细研究数字技术是如何在设计、建造各个阶段对项目进行优化、控制成本和质量的,以及如何将各个阶段、各个专业、各个工种串联在一起使得项目能顺利进展的。从而总结出一套数字工作流程,为今后在设计建造非线性建筑时提供参考。关键词:非线性建筑;数字工作流程;数字设计;数控建造THE DIGITAL WORKFLOW IN THE DESIGN AND FABRICATION OF NON-LINEAR ARCHITECTURE-TAKE FOUNDATION LOUIS VUITTON, PARIS AS AN EXAMPLEXiaoan LiSchool of Architecture, Tsinghua University, ChinaAbstract. Foundation Louis Vuitton designed by Frank Gehry was built in Paris, 2014. The author has paid close attention to this building since 2013, while it was still under construction. By data collection, field survey and interview, the author have got a series of data of this building from design to fabrication period.This paper takes Foundation Louis Vuitton as an example to study how digital technologies are applied to optimize the project, control the budget and quality in design and fabrication period and how different departments work in an efficient way in different periods. So that make a set of workflows to provide a reference for the design and fabrication of non-linear architecture in the future.Keywords. Non-linear Architecture; Digital Workflow; Digital Design; Digital Fabrication. 1.项目简介路易斯威登基金会(Foundation Louis Vuitton) 是弗兰克·盖里(Frank Gehry)事务所于 2001 年受路易斯威登主席伯纳德·阿诺 (Bernard Arnault)委托, 2014 年在法国巴黎新建成投入使用的博物馆建筑。这座形似玻璃云的建筑坐落于巴黎布洛涅森林公园北部的 Jardin d'Acclimatation 游艺园中(图 1) 。基金会突破性的优美造型及创新性的设计建造方法,使其成为继埃菲尔铁塔、蓬皮杜中心后,巴黎第三座富有划时代意义的现代建筑。盖里事务所也将其定位为 21 世纪的建筑,在事务所完成的突破性的项目中,与毕尔巴鄂古根海姆博物馆,洛杉矶迪士尼音乐中心具有相同的重要地位。图 1 路易斯威登基金会外观及屋顶平台图片来源:作者自摄本文以巴黎路易斯威登基金会为例,详细研究数字技术是如何在设计、建造各个阶段对项目进行优化、控制成本和质量,以及如何将各个阶段、各个专业、各个工种串联在一起使得项目能顺利进展。从而总结出一套数字工作流程,为今后在设计建造非线性建筑时提供参考。2.路易斯威登基金会的数字工作流程项目从盖里绘制第一张设计草图,到博物馆正式投入使用,数字技术一直贯穿设计建造的每一个阶段,使得这个看似极其复杂、有多项技术创新的建筑能够以极高的质量完成。2.1 设计理念与建筑找形路易斯威登基金会巴黎布洛涅森林公园北部的 Jardin d'Acclimatation 游艺园最核心的区域,周边被森林和花园包围。在与业主进行沟通以及对场地进行深入的调研分析后,盖里希望将建筑设计成为一个被森林包围着的透明的花园,同时有着像扬帆起航的帆船一样的独特造型(图 2)(Anne-Line Roccati, 2014) 。图 2 设计理念图片来源: http://www.fondationlouisvuitton.fr/en/au-coeur-de-la-construction.html和盖里的其他项目一样,尽管路易斯威登基金会造型非常复杂,计算机的使用在设计过程中扮演着极其重要的地位,但它最初的构思和建筑的基本形体还是来源于盖里的草图和一系列工作模型。盖里曾这样描述自己方案的推敲过程:我坐在那里不断地观察,移动物体。我移动一道墙、一张纸,移动完之后我继续观察,然后它就这样不断发展(Gehry,1999) 。他认为实体的三维模型可以让业主亲身体验建筑室内外的环境,能够更好地感知建筑,每次向业主汇报,都会带着各种比例的工作模型。通过采用卡纸、锡纸、玻璃、木头等不同大小、颜色、质地的模型材料,来研究建筑室内不同功能空间的形状、尺度、位置关系,建筑与周边环境的关系,模型的比例随着复杂程度的增加而逐渐变大(图 3) 。图 3 工作模型发展图片来源: http://www.fondationlouisvuitton.fr/en/au-coeur-de-la-construction.html路易斯威登基金会的曲面玻璃屋顶是其最突出的特点,也是建造上最大的挑战,其建造方式也是通过不同比例的工作模型来研究的,从大尺度的玻璃帆的形状及组成方式,到小尺度的玻璃与结构框架的连接节点。图 4 不同比例玻璃屋顶建造研究图片来源:作者拍摄自路易斯威登基金会展览馆数字技术的引入让模型推敲的过程更加高效,一些比较复杂的形体难以用手工制作准确,可以通过计算机建模后利用 3D 打印机或数控机床 CNC 进行制作。完成的工作模型通过 3D 扫描的方式导入到计算机中生成点云,之后进行详细的建模优化工作。2.2 建筑信息建模 BIM“建筑信息建模”(Building Information Modelling, BIM)主要内容包括:三维建模、绘图自动识别、智能参数化组件、关系数据库以及施工进度安排等。当今常用的 BIM 软件包括 Graphisoft ArchiCAD、Autodesk Revit、Digital Project、Bentley Building 等。1991 年在为巴塞罗那奥运会设计金属鱼雕塑过程中,盖里第一次应用 CATIA 进行设计,之后在其基础上开发了 Digital Project这款适合建筑设计的参数化软件。它是在 CATIA 平台中加入了许多建筑命令模块,类似于基于 AutoCAD 平台开发的天正建筑软件,不需要再从最基本的点线面定义建筑构件,可以直接建立梁柱墙模型。BIM 的核心是将建筑构件进行关联并赋予属性。关联是将建筑构件的几何图形之间或几何图形与参数之间建立联系。例如玻璃幕墙 A 与钢框架 B 之间需要保持 10cm 的距离,不论二者的形状位置如何发生变化,它们之间的距离永远保持 10cm。这个步骤在设计优化中非常关键,它保证建筑形体出现变形后构件之间的的相对关系不变,同时满足设计的要求。赋予属性则是将构件的材料、价格、加工要求等参数赋予对应的几何图形,用于统计整栋建筑的材料用量、工期、预算等指标,同时可以制定科学的施工步骤、对性能指标进行检测、为后期维护提供依据等。共有位于全球各地的超过 15 个团队,400 多名建模人员参与到了路易斯威登基金会 BIM 模型的建立中(图 5) 。应用了包括 Digital Project、AutoCAD 、Tekla、BoCAD、SolidWorks、 ANSYS 在内的十几种建筑建模、结构建模、设备建模、性能分析软件 [1]。在路易斯威登基金会的设计阶段还引入了 GTEAM 平台,GTEAM 平台是 Gehry Technologies 开发的多专业协同工作 BIM 平台。建好的 BIM 模型被上传到 GTEAM 平台上,各个专业可以基于这个网络平台上的模型分别进行工作。BIM 模型一般文件较大,比较复杂的模型要求计算机有很高的配置,在网络平台上进行协同工作应用的是移动工作站的配置,提高了建模和优化计算的速度。同时各个专业可以分享模型,避免了软件不兼容的问题。图 5 BIM 模型图片来源: http://www.gehrytechnologies.com/en/projects/4/2.3 设计优化因为建筑的建造受到时间和经济的制约,且体型巨大、不可重复,不可能把建筑当作飞机汽车那样来建造,所以在设计时需要对其进行优化,降低建造成本和难度。盖里曾打过一个比方“建造平面单元需要 1 美元,单曲面需要 2美元,双曲面需要 10 美元” (Zaera, 1995) 。将组成建筑的构件单元根据几何特征可划分为以下等级:直杆、平面、单曲面、双曲面、扭转曲面,随着等级的上升价格也随之上升;对于同一类形状的构件继续划分为重复的、相似的、完全不同的三个等级,价格也随等级上升而上升。设计优化的核心就是将梁、柱、表皮、屋顶等建筑构件在满足设计要求的前提下,通过计算机程序控制变形,尽可能多的从上述高等级状态降为低等级状态,达到降低成本和建造难度的目的。以路易斯威登基金会的曲面玻璃屋顶为例,12 块像船帆一样的玻璃屋顶,展开面积为 13500㎡,由 3530 块曲面玻璃单元组成,每一块玻璃的形状都是不同的(Anne-Line Roccati, 2014) 。设计优化的过程就是将原先划分好的每一块玻璃单元的几何特征、材料属性、安装条件等信息输入计算机,将形状相近的单元分类。通过编程的方式将曲面尽可能多的优化变形成为平面或单曲面(Single-curved surfaces),少量两条曲线放样形成的直纹曲面(Double-curved surfaces),这些曲面都可以展开成为平面被称为可展曲面(Developable Surfaces),不再有不可展曲面(Undevelopable Surfaces)。将优化后相近的曲面进行归类,这样在制造时把相近的单元集中进行制造。优化的程序保证变形后相邻单元之间产生的缝隙大小在可接受的范围内(图 6) 。图 6 曲面玻璃屋顶优化过程图片来源: http://www.gehrytechnologies.com/en/projects/4/,作者编辑除了几何上的优化外,项目还涉及了多类性能优化设计,包括结构优化、风环境优化等。风环境优化采用的是通过数控加工制造出小比例的物理模型,将物理模型上均匀设置传感器,进行风洞试验,并将数据导入到计算机中对形体进行优化,主要是保证屋顶的 12 块玻璃帆在大风环境能够保持稳定。2.4 数控建造数字时代的标志就是在设计和建造之间建立一个直接的联系,数字化不仅仅应用于方案设计中,复杂的建筑通过“文件到工厂”(File to Factory)过程利用CNC 数控机床实现建造。盖里在为巴塞罗那奥运会设计的金属鱼雕塑建造中,第一次实现了这种从设计到建造的连续过程(Branko Kolarevic, 2003) 。作为一栋博物馆建筑,既要有相对开敞由玻璃幕墙围合而成的公共空间,又要有封闭的由实墙围合而成的展厅。实墙的材料选择了既能够弯曲又耐水的白色纤维增强水泥板。屋顶的曲面玻璃选择,则是将一系列不同透明度、反光度的 1:1 大小的玻璃摆放在场地上,由盖里和路易斯威登主席伯纳德挑选出最佳的玻璃材料。外墙面由 19000 多块纤维增强水泥板拼成,相比于曲面玻璃屋顶,实墙部分形状更加复杂,优化后仍有部分曲面是不可展曲面。纤维水泥板的加工方法是将半流体状的纤维水泥浇筑在数控加工的聚苯泡沫模具中成型。对于可展曲面,采用的是电热丝进行切割泡沫的方式;对于不可展曲面,采用数控铣床对泡沫进行铣削。利用 3D 扫描机器对加工完成后的纤维水泥板进行扫描,将扫描后的点云导入到计算机中,跟设计模型进行对比,检验误差(图 7) 。图 7 纤维水泥墙板加工过程图片来源: http://www.gehrytechnologies.com/en/projects/4/,作者编辑传统的曲面玻璃加工方式是制作曲面玻璃的钢制模具,将受热变软的玻璃放在模具里进行压制成型。由于钢制模具价格昂贵,所以这种方法适用于用同一模具加工一系列相同的曲面玻璃构件,但路易斯威登基金会的 3500 多块曲面玻璃每一个形状都不同,所以不能采用传统的方法制造,需要找到一种不需要制造钢模具的方式来定制玻璃。通过设计优化的屋顶曲面玻璃文件首先输出到数控切割机床上,将平面玻璃切割成曲面展开的形状。然后把切割好的玻璃放到加工曲面玻璃的机器中,该机器可以加工任意形状的可展曲面(图 8 左) 。基本工作原理是改变滚筒的位置和角度,形成曲面的形状,然后加热玻璃使其软化并施加压力,将切割好的平面玻璃加工成所需的曲面形状,冷却后玻璃固定成型。之后对加工好的玻璃进行测量,检查精度。将两层玻璃叠合起来中间夹胶,保证玻璃破坏时碎片不会掉落造成危险,然后在玻璃周边安装上金属框架和连接节点制成幕墙单元。建筑建造前,在工地现场先进行了幕墙单元的安装实验,按照相同的方式建造了 1:1 的屋顶局部,检验设计是否合理(图 8) 。图 8 曲面玻璃屋顶加工过程图片来源: http://www.fondationlouisvuitton.fr/en/au-coeur-de-la-construction.html,作者编辑除外墙面板和曲面屋顶外,主体钢结构、幕墙的金属框架等构件都是采用数控加工技术制造的。2.5 现场拼装现场的建造过程首先建造钢筋混凝土基础,之后在基础上拼装主体钢结构,采用混凝土现浇的方式建造封闭的核心筒,然后安装外墙及立面玻璃幕墙,最后吊装曲面玻璃屋顶。其中异形的外墙板安装和曲面玻璃屋顶安装是最具挑战的两项任务。外墙板分为多层,从内到外依次为石膏内墙板、加肋钢板主结构、180mm厚岩棉保温层、氯丁橡胶防水层、铝板保护层、纤维水泥外墙板(Anne-Line Roccati, 2014) 。19000 余块形状不同的纤维水泥外墙板安装是最难的环节,由工厂数控加工成的铝制连接件按照设计的位置安装在铝板保护层外表面,然后将 1700 余块铝板安装在防水层外侧,最后把纤维水泥外墙板挂在对应位置的连接件上采用螺栓进行连接。图 9 外墙板安装过程图片来源: http://www.gehrytechnologies.com/en/projects/4/,作者编辑通过结构设计优化,12 块帆形玻璃屋顶的受力彼此独立,这样在安装时可以分别进行。先把支撑曲面玻璃的预制结构框架在现场与主体钢结构进行连接。曲面玻璃已经在工厂安装不锈钢外框,现场只需要吊装至准确的位置,将幕墙单元上的节点和结构框架的节点连接上即可。3.数字工作流程的发展方向3.1 设计与建造技术的革新在过去的 20 年间,应用于建筑设计的软件和建造技术可谓发生了极大的变革。特别是原本用于工业制造的软件如 CATIA、Rhino,以及动画制作的软件如Maya,被引入到建筑设计中,一方面极大地提升了建筑师对形体的操控力,让他们脑中复杂丰富的形体能够清楚准确地表示出来。另一方面,在这些软件内嵌的编程平台上编写代码,根据一定逻辑,可以通过计算机生成人脑都无法想清楚的更为复杂新鲜的形式。这些逻辑可能基于对场地的地形、气候、人流分析,可能基于物理性能、功能拓扑关系、空间使用效率,总之更加符合建筑与环境、环境与人、人与建筑之间的联系。在充分了解生产过程和数控机器特性的基础上,可以利用数控机器加工建造难以用二维图纸表达或传统方法不易加工出来的构件。数控技术可以显著提升复杂形态构件的加工效率和精度,使建造更加经济高效,避免因较大误差导致返工造成时间和金钱的浪费。特别是 3D 打印技术的不断发展,并开始尝试用混凝土打印建筑,这极大地颠覆了传统的建造方式,使得未来可能不需要再采用工厂生产构件、现场组装的方式了,而是直接采用打印的方式生产组装一体化建造。相比航空制造、电影制作等领域,建筑行业技术含量没有那么高,通过引入高技术领域的技术能够给建筑行业带来极大地革新。可以预见在未来,建筑设计软件及建造技术仍然有极大的潜力发展,在解放人力、提高效率的同时,让建筑形态和建造方法的可能性有极大的扩展。3.2 各工种任务的重新分配与整合参数化建模和数控加工技术的发展的结果,就是让建筑师直接参与到建造的过程中。建筑师设计的模型数据信息,能够直接通过数控机器转移为机器语言,操控机器制造建筑构件。盖里把建造一栋建筑比作驾驶一艘豪华游轮停靠在码头里,建筑师则是掌舵的人。他认为在建筑建造前,建筑师就应该把施工的整个过程以及每个细节都考虑清楚,要清楚各种工匠的能力,并让他们协力合作(芭芭拉·伊森伯格, 2013) 。在数字时代,建筑师需要在设计阶段就要与结构工程师、设备工程师、材料加工商、施工方进行交流合作。设计阶段不同专业之间以及设计与建造之间信息的传递采用的是同一套参数化模型,消除在不同专业、阶段转化过程中产生的错误,让建筑师对建筑从设计到建造全过程有更强的控制力,从而提升建筑质量。3.3 数字工作流程推动产业升级数字技术的发展推动了整个建筑行业各个阶段产业的升级。在设计阶段参数化模型的建立,使得各个专业间通过相同的参数模型进行设计,可以随时检查碰撞问题。同时参数化模型建筑构件间设置了多重关联,在进行局部修改时,模型图纸会联动修改,省去了传统的人工检查并修改大量图纸的时间,提升了设计效率。在建造阶段参数模型和数控机器直接对接,实现了无纸化施工,增加了复杂构件建造的质量和效率,并且带动了相关数控工业的发展。那些拥有大型数控机器的工厂,原本只是加工标准化的工业产品如风机叶片、雷达罩,如今可以定制复杂的建筑构件,扩宽了他们的生产领域,给他们带来了巨大的经济效益和发展空间。在后期运营阶段,基于参数化模型的管理系统,能够使物业更好地对建筑进行环境监测和运营维护。尤其是随着 BIM 的发展,建筑设计、建造、运营管理成为一个整体,形成一套完整的数字建筑产业链。以盖里为代表的一批先锋建筑师,已不再是仅仅做建筑设计,他们的业务已经拓宽到指导项目建造乃至后期运营维护上。他们所引领的建筑领域数字技术的发展不仅仅带动了制造业生产力的提高,更延伸到设计创新、运营管理等服务业的产业升级上。4.结语数字时代的建筑设计与建造向着数字化方向发展是未来的必然趋势。以盖里为代表的一批先锋建筑师,在技术和理念上的创新已经给建筑设计带来了极大的变革。数字化的工作流程提高了每位设计者、建造者、管理者的工作效率,提升了建筑品质和人们的生活质量。同时先进的技术工艺仍在不断更新,相信不久的未来,在新一代建筑师的不断创新和努力下,建筑产业会向着更加高效、经济、个性化的方向发展。参考文献[1] http://www.gehrytechnologies.com/en/projects/4/[2]Anne-Line Roccati (eds), 2014, The Foundation Louis Vuitton by Frank Gehry , Flammarion, S.A., Paris. [3]Branko Kolarevic, 2003, Architecture in the digital age, Taylor & Francis Group.[4]Gehry.F, 1999, Gehry Talks: Architecture+Process, Thames & Hudson, pp.17.[5]Gloria Gerace, 2009, Garrett White, Symphony: Frank Gehry’s Walt Disney Concert Hall, Five Ties 3Publishing, Inc., New York.[6]Zaera, 1995,A. Frank Gehry 1991–5, Conversations with Frank O. Gehry, El Croquis, pp.74-75.[7]芭芭拉·伊森伯格著, 苏封雅译, 2013, 建筑家弗兰克· 盖里, 中信出版社.
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