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港珠澳大桥珠海口岸大屋顶的参数化深化设计-.rar

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    编号:20181101170525735    类型:共享资源    大小:70.18MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    港珠澳 大桥 珠海 口岸 大屋顶 参数 深化 设计
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    1参数成就艺术港珠澳大桥珠海口岸大屋顶的参数化深化设计虞晗,郜爽华东建筑设计研究总院 创作所www.ecadi.comHan_yu@ecadi.com, Shuang_Gao@ecadi.com摘要: 港珠澳大桥建成后将成为港珠澳三地政治、经济与文化的纽带。港珠澳大桥珠海口岸工程由华东建筑设计研究总院创作所与第三事业部联合设计。三维曲面形态的大屋顶连接着口岸区两座核心建筑,共同构成整个人工岛的视觉中心。大屋顶建成案例少、设计难度大。为满足造型推敲以及深化设计的需要,必须构建一个能够实时反应相关信息的参数化模型。我们运用了 RHINO 软件及其 GRASSHOPPER,RHINOSCRIPT 参数化设计平台。通过参数化建模的方式,将初始曲线转化为最终造型,并实时反馈屋面坡度,结构高度等关键参数。过程中,我们对 Grasshopper 软件进行了二次编程开发,实现了三维设计过程的无缝衔接。参数化软件将设计过程变为一个参数可控的过程,使建筑师能更好的专注设计本身。程序用理性与逻辑支撑起建筑师的无限想象力,并大大提高设计效率。关键词:Rhinoceros; Grasshopper; 珠海口岸; 参数化; 港珠澳大桥Art Supported By ParameterParametric Optimize for the Big Roof of Zhuhai Port of HZM BridgeYU Han, GAO ShuangECADI Creative Department2www.ecadi.comHan_yu@ecadi.com, Shuang_Gao@ecadi.comAbstract. HZM Bridge Zhuhai Port Project is designed by Creative Department and 3rd Department of ECADI. “The Big Roof” connects two main buildings, and become the visual core of the artificial island. The shape of “The Big Roof” is composed of 3d surfaces, which brings difficulties to design and construction. Thus, the parametric 3d model which can provide real-time feedback is required for both form and technical design. We used “Grasshopper” and “Rhinoscript” as the parametric design platform. We also gave “Grasshopper” secondary developments for new functions. Parametric software makes architecture design a controllable process, and let architect focus on design itself. Parametric software supports the unlimited imagination of architects with logic and reason, and makes work far beyond quickly.Keywords. Rhinoceros; Grasshopper; Zhuhai Port; Parametric; HZM Bridge项目背景在我们的设计概念中,大屋顶造型犹如一枚无瑕的白玉,浮于半空,圆润柔和。屋顶外轮廓是一条首尾相接的连贯的空间曲线,这条曲线的曲率逐渐变化,将东西两座建筑包容在其中。行车路线环绕着屋顶,旅客能够在行车过程中感受到屋顶轮廓曲线的起伏变化。屋顶外轮廓由西向东逐渐升高,到达最高点后再逐渐降低,体现出建筑的主次关系、序列感与导向性。如果将人工岛看作一首乐曲,建筑群就是平缓进行的低音线及中音线,沉稳有致地铺垫出整个乐曲的氛围与调性,那么大屋顶则是漂浮于节奏与背景上方的旋律,声线细腻而优雅,起伏悠扬自成一体,又与背景协和共鸣完美融合。 ( 图 1)3图 1大屋顶为三维曲面形态,面积约 10 万平方米,建成案例少、设计难度大。在大屋顶建筑形态推敲过程中,需要结合诸多技术因素,不断对比推敲以选出最优方案。并且为满足造型推敲以及技术设计的需要,必须构建一个能够实时反应相关信息的参数化模型。在大屋顶的优化设计中,我们运用了 RHINO 软件及其 Grasshopper,Rhinoscript 参数化设计平台。通过参数化建模的方式,能够将初始曲线转化为屋顶造型,并实时反馈关键参数。过程中,我们对Grasshopper 软件进行了二次编程开发,调用 Rhinoceros 底层程序代码,实现了初始参数到最终造型的无缝衔接。参数化平台的选择在软件平台的选择上,我们采用了 Rhino + Grasshopper 的解决方案。Rhino + Grasshopper 平台的最大优势在于其普及性、易用性、扩展性及互通性。首先,Rhino + Grasshopper 平台虽然不是目前最先进的参数化建模平台,但拥有最广泛的用户群。其次,Rhino 软件的操作方式借鉴了在建筑领域使用最为广泛的 AutoCAD,任何设计师都能够对 Rhino 软件很快上手,这在高效率的团队任务中是重要优势。再次,Rhino 软件可以导入和导出几乎所有的主流三维文件格式,为后期施工图阶段的各专业提资提供了便利。Grasshopper 的扩4展性非常强,用户可以下载相关插件或利用编程平台自行编写插件,从而实现其原本不具备的功能。最后,得益于 Rhino 软件对多文件格式的良好支持,我们在设计工作中简便快捷地进行专业间的资料交换。模型创建过程图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only.我们借助参数化工具,首先将屋顶简化为简单的 NURBS 控制曲线,再由这几条曲线控制整个屋顶的参数化模型。 ( 图 2)大屋顶是中轴对称的,可以首先定义出屋顶的一半,再通过镜像关系生成整个屋顶。沿对称轴镜像后的曲面连接关系为 G1 连接,确保了曲面光滑连续。弧线序列构成了大屋顶最基本的控制线网格,进而生成 Nurbs 曲面( 图 3) 。吊顶面在深化设计中增加了更为复杂的几何关系。吊顶面外边缘控制线与屋顶外边缘控制线生成檐口曲面。最后以投影方式生成中央洞口,切割后的曲面依然完整连续( 图 4) 。造型优化过程中,屋顶形态由最初的圆角六边形进化为圆润的卵石形,犹如一块未经雕琢的石料在工匠的细心打磨下逐渐蜕变为一颗美玉,焕发出灿烂的光彩( 图 5)。图 55信息实时反馈为满足方案推敲的需要,必须构建能够实时反应相关信息的参数化模型。通过参数化建模的方式,屋顶造型能够对初始曲线的调整实时反馈,并实时反馈关键参数( 图 6) 。在我们的设计中,信息参数主要包括屋面坡度、屋面高度、控制点坐标、排水坡向等。建立了实时反馈信息的参数化模型之后,便能够通过反馈信息评判调整的结果的优劣。我们设计了针对每个相关信息的反馈模块,每个模块都能够单独开启和关闭,以保证程序的运行效率。图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only.参数无缝衔接参数无缝衔接,就是要保证每个步骤的输出端都能够成为下个步骤的输入端,即数据类型必须相匹配,不能出现连接中断的问题。由于 Grasshopper 中缺少某些能够连接前后步骤的运算器,仅通过 Grasshopper 中的原有模块是无法实现无缝衔接的。好在 Grasshopper 中提供了可编程的运算模块,相应的功能可以通过二次开发来实现。在参数化模型的创建过程中,我们通过软件中的 VB 编程模块,调用底层程序代码,实现了初始控制线到最终造型的无缝衔接( 图 7)。屋面坡度优化对造型最主要的影响因素是屋面排水坡度。设计之初,我们主要从美学角度去考虑屋面的高低起伏关系。进入技术设计阶段后,我们用参数化技术对屋面曲面进行了分析,发现许多区域的坡度需要进行调整。6图 9大屋盖的空间定位完全基于 Nurbs 曲面,空间形态复杂。在屋面坡度分析中,我们最初使用 Rhinoscript,对整个屋面进行矩阵化采样分析。这样的方式,比用传统的等高线图更加直观易懂( 图 8) 。Rhinoscript 是 Rhino 软件的脚本语言,优点是灵活性较 Grasshopper 强,缺点是无法根据模型的调整实时更新数据。为了使数据分析与模型调整实时联动,我们在 Grasshopper 中重写了计算程序,使设计人员能够根据实时的屋面坡度数据对屋面造型进行优化。 ( 图 9)吊顶曲面优化图 10方案设计中,我们假设吊顶面与屋面之间是一个等厚度的结构网架,吊顶面与屋面基本上是平行关系( 图 11) 。后来在方案深化设计中我们发现,若要维持柱顶部的屋面结构厚度不变,可以将柱间的屋面结构厚度减小。这样不但可以增加结构合理性,还可以丰富吊顶的视觉表现力( 图 12)。根据以上结构原则,我们对吊顶造型进行了优化,将拱形曲面改为波浪形曲面。使吊顶形态更加优美的同时,达到了结构和造型的统一( 图 10) 。7图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only.波浪形吊顶的设计需要将原来的曲面切割,并将原来的拱形曲面替换为波浪形曲面。这里的关键技术难点在于新的波浪形曲面与原曲面的平滑连接( 图 13) 。图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only.根据 Nurbs 曲面的构成原则,要求新曲面的形状最好接近矩形,才能保证曲面形态得到较好的控制。在曲面切割中,无法形成一个矩形的区域,必须扩展原曲面才能保证切割出接近矩形的面。相关命令无法在 Grasshopper 中直接调用,因此,我们通过 Grasshopper 调用 Rhino 底层代码,实现了这一过程的无缝衔接( 图 14) 。在调整过程中,程序可以实时显示关键节点的结构厚度,为造型调整提供了参考( 图 15) 。装饰板块平面化在屋面板方案的选择中,我们主要对比了“装饰板”与“防水板”两种方案。我们下文中主要讨论装饰板方案的设计过程。大屋顶是曲面形态,为了满足施工可行性及经济性的要求,需要将曲面板块平面化。整个屋面由尺寸约为 1400mm x 1400mm 的四边形铝板覆盖。通常曲面的8平面化都是采用三角形板块,本项目中采用四边形板块。曲面上四点不共面,因此在曲面直接提取的四边形不可能为平面。要采用平面板块拟合曲面,必须验证每个板块和原曲面坐标的偏差是否足够小。为此我们基于 Rhino 平台设计了专门的计算程序。屋面板块划分利用Rhinoscript 编程计算,将每个四边形板块转化为平面板块。这里我们将四边形板块的其中一个顶点进行竖向移动,投影到由其余三个顶点定义出的平面上,这样就完成了四边形板块的平面化( 图 16) 。图 16将四边形板块平面化后,每个四边形板块的其中一角会偏离原来的曲面坐标。在这里,我们开发了 Rhinoscript 程序对偏离后的坐标进行验算,确保其偏移值在可接受范围内( 图 17) 。图 17在板块平面化的基础上,为了增强屋面材质的表现力,我们将平面铝板在某一方向的一角抬高,形成犹如鳞片的表面肌理( 图 18)。这里我们对比了几种不同的板块高差,通过三维渲染软件模拟出不同视距的观看效果。9图 18天窗玻璃平面化我们使用了工字不锈钢天窗框架来实现玻璃的平面化的方案( 图 19) 。工字钢作为玻璃框架有两个优点:首先,工字钢框架可以根据天窗原始曲面布置,在外观上与原始曲面保持连续一致;其次,工字钢框架有一定的高度,这样就能够在框架高度范围内调节玻璃的倾斜角度,以保证每块玻璃都为平面。图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only.在这里,需要确定两个参数。双坡天窗中央脊线的矢高,是天窗排水是否通畅的决定因素;工字钢玻璃框架的高度,影响了天窗玻璃可以调整的空间,是天窗玻璃能否平面化的决定因素。通过 Grasshopper 软件建立天窗的参数化模型,通过参数可以控制脊线的矢高,从而控制天窗造型和天窗玻璃坡度( 图 20) 。天窗造型确定后,我们通过参数化来实现天窗玻璃的平面化,平面化的玻璃坐标和原曲面之间会存在一定的高差,高差值可以用参数化软件统计出来。工字钢高度的最小值应该大于最大的玻璃高差值,以保证高差能够在工字钢天窗框架的高度范围内被消解。10玻璃雨棚造型优化玻璃雨棚设计出发点简约纯粹:为珠海侧车道边遮风挡雨;给 20 多米的悬挑空间带来自然采光。玻璃雨棚为月牙形态,南北长 266 米,最大处悬挑 22 米,结构高度 5.5 米。由最初较粗放的形态调整到造型结构相互和谐其设计经历了多次造型调整。设计团队客服了结构,构造上的各种难点问题,体现了一个造型新颖,结构,构造紧密结合的方案。玻璃雨棚的形态有三个部分构成:1)与屋面曲面平滑连接的玻璃面, 2)轻巧挺拔的玻璃雨棚檐口,3)非线性渐变的锥型结构面;4)锯齿锥型的吊顶折面( 图 21) 。其中吊顶和结构折面为一个个大小渐变的三角锥单元相互连接,形成月牙形态。建筑师运用 Rhino 软件中的grasshopper 平台,根据 Bezier 曲线函数研究锥型单元的变化强度,得出结构合理,造型优雅的参数模型。 ( 图 22) 。图 Error! Main Document Only. 图 Error! Main Document Only.结语本项目自 2012 年投标开始至今,已经经历了两年半时间。在这两年半中,本文作者同时也是珠海口岸大屋顶的主创建筑师亲历了项目从无到有、从方案到施工图的整个过程。如今,本项目的施工图已经全部完成,过程中参数化的设计思路贯穿始终,起到了决定性的作用。参数化软件将设计过程变为一个参数可控的过程,使建筑师能更好的专注设计本身。程序用理性与逻辑支撑起建筑师的无限想象力,并大大提高设计效率。
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