复杂形态建构与逻辑对接——天狮大学体育中心建构研

赵 旭 吴吉明

(北京市建筑设计研究院，100044 北京)

Zhao Xu，Wu Jiming

(Beijing Institute of Architectural Design(BIAD)，Beijing 100045，China)

1 引言

对于复杂形态的模型建构除了要保证建构过程的数学关系，我们必须要考虑模型的整体形态与建构的逻辑关系，同时我们也必须充分考虑和上层规划逻辑的对接。本文正是我们在天狮大学体育中心项目中的实际体会，提出了一套基于设计师思路的整体性的数字建构方式与逻辑优化心得。［1］

图1 天师大学体育中心东南侧鸟瞰效果图

天狮大学体育中心位于天狮大学天津武清校区。总用地面积109 240 m2，总建筑面积71 000 m2，其中包括一座3 万人体育场和一座4 千人体育馆。(图1)

图2 天狮大学体育中心西南侧鸟瞰效果图

体育中心建筑单体的设计，是在前期校园5 000 亩大规划的基础上进行的。园区北侧不但有标志性的龙凤河景观，而且内部也由大小不同的人工水系串联。规划设计中丰富的水纹肌理，为建筑师提供了灵感来源:可不可以用一条“流动”的曲线，勾勒出整体建筑轮廓，化零为整，整合建筑功能，顺应不规则用地形状，一气呵成，整个建筑形态应该极具运动感，呼应体育建筑的功能特点［2］。天际线轮廓应该高低起伏，像空中随风飘舞的绸带一样，充满激情与活力，而又不失浪漫气质。(图2)

2 模型建构与逻辑对接

2.1 原始模型的建构

针对建筑师脑海中浮现的曲面造型，在方案阶段，建筑师选择在Rhino 平台上进行模型塑造。众所周知，Rhino 采用NURBS(非均匀有理B 样条曲线)的方式建构模型，相比Polygon(多边形)用一个个小四边形来逼近真实曲面的建模方式，NURBS 能用较少的点控制较大的平滑曲面。NURBS 构建的曲面，每一点都是通过方程计算的，生成的曲面可以做到绝对的平滑，并且可以极为精确地控制曲面质量和形态，得到更生动的造型，而Polygon 建模是不可能精准描述曲面的［3］。(如图3 -图4)

图3 Rhino 原始模型控制线＆线上控制点

图4 Rhino 原始模型曲线生成曲面

这个阶段工作的首要目标，是在尺度合理的前提下，得到建筑师满意的曲面形式。也可以说，是为了后面的精确建模和AutoCAD 平面调整，深化建立一个基础。这时建筑师先在Top 视图下画出几条平面轮廓线，再在其它视图中，反复调整这些曲线的控制点，使其在三维空间上的形态发生变化。之后尝试曲线生成曲面的几种不同命令，反复比较得出的曲面效果，建筑师最终选择了先分别将顶部3 条曲线和侧面2 条曲线放样成曲面，再将两片曲面折中匹配，并调整匹配参数，继而得到理想的建筑形态。至此，由建筑师进行操作的方案模型初稿完成。这个原始模型，是设计阶段所有工作的开始，至关重要，它不但要充分地表达建筑师的设计意图，构思想法，还要提供给BIM 工程师以及结构工程师足够的信息，以便他们开始介入设计工作。

原始方案模型会和很多设计因素互动调整。而互动的平台，是采用程序算法生成模型的grasshopper(GH)，一款同样在Rhino 环境下运行的参数化插件。GH 最大的价值，在于它是以自己独特的方式完整地记录从起始模型到最终模型的建模过程，从而达到通过简单改变起始模型或相关变量就能改变模型最终形态的效果。当方案逻辑与建模过程联系起来时，GH 就可以通过参数的控制直接修改模型，它是一款极具参数化设计的软件。［4］

2.2 AutoCAD 界面中的数据控制

在GH 编写程序之前，为了进一步向自由曲面可施工化方向深入，建筑师需要对原始模型进行规整，尽可能多地对模型上的节点进行空间定位。

首先，要在二维视图中，规整模型控制线。在平面图中，外围护结构的轮廓由3 条曲线组成，分别是最外侧边缘控制线，最内侧边缘控制线和落地边缘控制线。建筑师提取出这3 条曲线平面投影到AutoCAD 环境中，进行微调，精确定位。把每条曲线都拆分成几条连续相切的圆弧，每段圆弧的半径尽量规整，再锁定各圆弧的圆心，圆心可采用场地坐标定位，而它们之间的距离，则没有限制的必要。这些曲线在Z 轴方向上的定位，除了几个特殊点会在剖面中确定，其余所有点在Z 向量上的定值，都来自原始模型中控制线的空间属性，这些属性可以被后面GH 的程序直接应用。(见图5 -图6)

然后，建筑师再从原始模型中提取出体育场馆3 个关键部位的剖面，分别是垂直足球场长短边的两个剖面和造型末端各控制线收尾处的剖面。在AutoCAD 二维视图中，结合上面提到的平面投影轮廓线，锁定剖面最高点和端点的标高。至于造型顶部曲面和侧壁曲面之间的倒角，在剖面中可不做限制，因为在之后的GH 程序中，会对外表皮连续曲面的倒角半径加以参数控制。

图5 AutoCAD 平面轮廓线定位

图6 AutoCAD 剖面确定特殊点标高

以上阶段的工作，需要综合考虑看台部分混凝土结构的轮廓定位，两者互动调整。看台各层在AutoCAD 中的平面和剖面工作需要同步进行，不断拟合进模型导出的控制线中，校对外围护结构和场心结构是否矛盾，同结构工程师沟通，预留出结构构件占用的空间，在综合外观和使用功能的前提下，做出调整，这个阶段的工作，需要更加耐心细致，建筑师可能至少要做5 次以上修改，才能得到相互匹配的表皮和场心。

图7 GH 界面编写数学模型程序

图8 GH 程序同步生成Rhino 模型

2.3 GH 数学模型的搭建

这些在AutoCAD 中加工深化过的曲线，可以说就是原始模型和GH 程序之间的界面。建筑师此时，将AutoCAD 文件和原始模型文件，传递至BIM工程师处，他们会将AutoCAD 中的曲线，指定到GH程序中，同时，把原始模型中对应AutoCAD 的控制线，植入GH。因为在编程的函数模型里，需要利用这些控制线在Rhino 中的属性，赋予曲线在Z 轴方向上的高度变化。这个阶段的工作，需要BIM 工程师建立起相关的数学模型，将程序生成的模型可视化，在Rhino 环境下，反应给建筑师来确认形体的美感和同原方案造型的差别。(如图7 -图8)

如果有不满意的地方，对GH 生成模型的修改，一般是在两个层级下进行，一个是需要返回至Auto-CAD 界面，比如双曲面外表皮的光滑度不够，建筑师就会调整组成控制线圆弧的形状，或者调整几个剖面中关键点的标高，再将优化后的控制线重新指定到GH 中再次生成模型推敲，这时，GH 本身的函数模型不需要变化，只要替换原先程序中的曲线即可。另一中情况则不需要返回至AutoCAD 环境，如果控制线本身没有问题，而是它们之间的曲面有问题，BIM 工程师可以通过调整GH 程序中的变量，或者增加新的变量来干扰模型生成效果，通过对程序本身的修改，得到与之联动的模型修改。

2.4 项目的后续修正与整合

对模型的修改和确认需要建筑师和BIM 工程师共同完成，两者要一起讨论，找出问题所在，反复试验，最终得到精确的模型。一般这个阶段要占整个方案深化三分之一以上的时间，要想尽量避免无谓的反复修改和颠覆性的结构改变，建筑师就要更加仔细的对待之前的原始模型和在AutoCAD 中的工作，因为GH 程序中很多地方，都要用到这两方面提供的信息，保证原始信息的准确性，可以有效提高后面的工作效率。

此项目现正处于方案深化阶段，建筑师确认的外围护结构造型已传递至结构顾问处，结构工程师正在计算受力情况，布置构件具体位置。机电工程师也正在阅读场心部分，看台处和体育馆室内图纸，与建筑师和体育工艺顾问公司沟通确认专业系统和各机房大致位置。随着各个专业部门设计工作的深化，建筑师将汇总信息并加以消化，以Auto-CAD 二维图纸的形式反应给BIM 工程师，继续完善GH 程序和Rhino 模型，同时各专业设计人员需要的信息，也能方便地从模型上提取。

关于本项目针对建构方式的优化我们总结如下的心得:

(1)更少的控制点更有利于打造更流畅的建构控制;

(2)数字模型在各种转换与输出的过程中必须要进行适当的优化;

(3)模型应保证有效拆分可能;

(4)模型的转换过程应注重与精度以及与衔接部位的交接;

(5)各控制项间应考虑适宜联动关系的并进行有效的规划设置。［5］

3 结语

对建筑师而言，这个项目方案阶段的工作具有一定的实验性，尤其是对一些自由曲面造型的处理。相对应用历史“悠久”一点的CAD 软件，和新兴参数化软件之间的逻辑转换，不但能帮助建筑师更好地把握不规则造型的精确性，还可以大幅度提高工作效率。GH 提供的数学模型没有摒弃传统的模型建构方法，而是在原来的基础上，极大地优化了模型的可操控性。

［1］吴吉明，赵旭，王娜等.整体式BIM—设计思维与计算思维的整合［J］.土木建筑工程信息技术，2015，7(2):1-8.

［2］吴吉明，张庆利，赵旭 等.天狮国际大学城单体建筑方案.北京市建筑设计研究院，2014(9).

［3］袁烽，段文婷.简评《从控制到设计参数/算法建筑》［J］.时代建筑，2010 (1).

［4］张向宁.当代复杂性建筑形态设计研究［D］.哈尔滨工业大学，2010.

［5］吴吉明.建筑信息模型系统(BIM)的本土化策略研究［J］.土木建筑工程信息技术，2011，3(3):45-52.