數字協同下的文化建筑外立面優化的論文
摘要:該文以國家南海博物館立面深化設計為例，描述了實際項目施工優化過程中的具體實踐，并總結提出了一套典型深化流程，以在當前有限的項目平臺與施工條件下能夠高效睿智地利用當前的數字協同工具集，最大限度地提高建筑方案深化效率。
關鍵詞:文化建筑;數字鏈;立面深化設計;數字協同;工具集
在當前的建筑工程實踐中，數字技術正以一種“局部滲透”而非“風格變革”的方式，傳統建筑設計的各個細節影響建筑的落成。當前行業背景下，大量建筑項目依然延續著傳統的設計思維與經典的施工組織模式；在這一前提下，數字技術與建筑工程的結合點就在于合理利用數字技術工具與手頭可用的“接口”對接，最大限度地優化設計。本文是在以上視角下，對國家南海博物館項目施工階段數字技術應用的直接呈現。
1“數字鏈”與發展中的數字協同工具集
當前建筑界的所謂“參數化主義”思想提出了數字技術的非線性、表皮化等形態特征，需要明確的是，這一對數字技術的形容，僅僅是數字技術協同下建筑形式之結果。更重要的是，數字技術從各個層面對建筑設計整個流程的滲透，填補了建筑生成設計與實踐建造之間的空隙[1]，“數字鏈”才是建筑業變革的本質推動力。數字技術在建筑設計領域的滲透構成了“數字鏈”的工具集，建筑師在設計過程中，根據需求運用不同的數字技術工具集協同化設計以提高工作效率。現有的數字協同工具集可以概括為5個方向：①BIM（建筑信息模型）技術促成設計團隊各專業的密切配合。②以Ecotect、Phoenix等軟件平臺為代表的建筑環境模擬技術。③算法程序鏈接建筑造型接口和環境模擬接口，帶來建筑性能優化的可能性。④數字技術鏈接建筑實體與虛擬現實，建筑與互動裝置的結合營造奇異場所感。⑤數控加工技術實現建筑形式與材料構造邏輯間的對應，提高施工精確度與效率[2]。需要注意的是，在當前的建筑實踐現實中，上述5種數字技術的應用并不是同步完善的。BIM技術主要應用于施工圖深化階段以及應對部分規劃部門的硬性要求；算法程序局限于先鋒事務所的造型探索；環境模擬技術多用于設計后期綠色建筑評價領域；數控加工技術則在幕墻裝配專業廠商中有限地推廣。“數字鏈”的思想試圖鏈接從建筑概念設計到項目落地的整個流程，在不同階段數字化工具集的差異化要求建筑師實踐一條有效的流程，結合項目實際經驗與工具集的不同特點，最大化地利用數字技術的優勢提高設計效率。
2“數字鏈”介入立面深化設計實踐
國家南海博物館作為近年華南理工大學建筑設計研究院所承接的超大尺度、流線形態文化公建，在投標設計階段采用Rhino3D軟件推敲建模。在當前的數字協同平臺下，針對空間曲面形式的建筑形態如何施工落地，我們在數字技術協同設計方面進行了一些有益嘗試，本文論述國家南海博物館在建筑立面優化設計中的具體流程，為今后同類型建筑設計實踐提供參考。
2.1深化設計目標與設計平臺的選取深化設計目標
①博物館屋頂為三維曲面坡屋頂，研究屋面與立面的交接定位化解施工誤差。②幕墻與掛格柵的平面模數在保證外觀的同時兼顧工廠快速出料與施工便利。③掛格柵上的紋理做法優化，以符合內部光照與施工進度的要求。項目團隊的設計平臺：項目深化階段并無Revit，Catia等成熟商業BIM平臺支持；團隊選用Rhino3D平臺下的grasshopper程序及對應的插件與算法界面深化設計，結合每個具體深化步驟中建成效果與施工難易的權重取舍，交叉選用傳統設計模式或合適的數字協同工具，以求得施工效率與視覺效果的最佳平衡。
2.2構件坐標定位
外立面幕墻分為玻璃幕墻體系與豎向長窗體系；外立面構件的坐標定位直接牽涉到兩個方面——施工的難易程度與良好的視覺效果如何取舍。為達到最優的視覺效果，弧形的幕墻分板需要在數百米的長度上尺寸均勻變化，這影響到幕墻的工廠開料時間及現場的放線定位難度。建筑師結合兩種幕墻體系的不同功能位置采取了截然不同的兩種設計方案。兼顧了視覺效果的完美以及施工精度的要求。對處于公共空間的傳統玻璃幕墻體系，我們經軟件三維模擬整理數據后發現，采取對應等角度軸線的6個一組的分板模數比均勻劃分模數開料尺寸減少到1/6，從正面看去不影響空間效果，但在側面視角則會發覺尺寸的階梯式變化。由于大空間幕墻體系的分板數量并不算多，綜合考慮我們采用定角度等分方式切割幕墻，這一決策中主要考慮大空間室內效果的權重（圖1）。西南側的豎向長窗體系作為博物館辦公及輔助區域的主要立面，天然地被分隔為若干片區，且大多數處于背面或內院區域，對空間視覺效果的要求較小；長窗外豎向鋸齒格柵構造復雜，施工難度在整體決策中的權重較大；值得我們關注的是，這一立面范圍內建筑的內墻分隔較多而尺寸也不統一，豎向長窗體系則要求整個立面的開窗模數盡量少。因此我們采用分區域布置不同平面尺寸的方式排布長窗。針對每個不同的立面區域，我們采用遺傳優化算法，運算選取6種不同的開窗模數，解決室內不等尺寸的隔墻與室外等尺寸的鋸齒幕墻的碰撞沖突。
2.3穿孔格柵的光照模擬檢驗
豎向長窗外的穿孔格柵兼顧了遮擋外部視線和保持私密性的作用，同時立面上方的大屋頂出挑對立面上部區域有一定的遮陽效果，因此我們設計了格柵的三種穿孔尺寸，上層采用較高穿孔率，光線易穿透；下層主要考慮視覺私密性，從外部不易看清室內辦公空間。三種不同透光率的格柵交接，形成了波浪形深淺不一的媒體化形象。在穿孔格柵的設計中，我們采用了grasshopper插件ladybug和honeybee鏈接Radiance光照數據庫，模擬夏至日正午建筑內部各空間的光照質量情況，為定義交接界面的大概豎向高度以及透光率的大小提供參考依據，證明了前期對于穿孔格柵的設計有效性。
2.4碰撞避免與豎向模數優化
立面幕墻系統和上方曲面坡屋頂的交接需兼顧防止構件碰撞和減小施工誤差兩個目的。玻璃幕墻上方交接采用吊頂緩沖方式——下方幕墻進行折線連接，以基本符合屋頂底面高度差，與屋頂間設置通用吊頂接合構件，預留了在施工中進行尺寸微調的可能性。豎向長窗外的穿孔格柵掛，向外凸出了較大距離，三維空間中可能與出挑并向下傾斜的坡屋頂底面碰撞——因此建筑師在三維軟件中提取了掛格柵的最外側點陣，向上做輔助參考線，分別同屋面取碰撞交點，由此碰撞點向下移動固定的距離作為格柵的最高控制高度，經模擬檢驗可掩蓋潛在施工誤差導致的視覺效果上的不平滑邊界。
3有限施工條件下數字協同設計流程的經驗分析
3.1模塊化流程適應項目信息傳遞
在解決復雜項目的整個流程中，我們傾向于將龐大的問題分解為關聯的各種分支問題，對應不同的設計模塊，不同模塊相互獨立，模塊間的交流文件采用統一的格式，有利于具有不同數字協同水平的設計深化團隊的獨立工作與協同配合式的信息交流。在不同獨立的模塊中，再應用對應的數字協同技術、性能模擬技術或直觀經驗。在外立面深化設計這一案例中，驗證了項目流程中模塊化策略在解決問題上的高效。
3.2基于權重的工具集取舍
在項目深化過程中，設計團隊并非面面俱到地采用了所有數字技術工具。在立面深化設計的流程圖中，我們可以看到各階段數字化技術的參與度，不同的目標權重決定了設計師應選擇的具體工具。為了照顧現場施工技術的水平和爭取施工時間，經驗性的模數簡化與數字優化算法相結合，可大幅減少試錯成本。具體的項目深化設計中，數字協同工具并非靈丹妙藥，也不能單純棄置不用，設計師應依托不同的項目情況靈活而睿智地運用這一工具集，才能達到符合時代的發展的建筑建成效果。
結語
面對尚不完善，仍在發展中的數字技術工具集現狀，建筑師的最好決策便是以一種發展的眼光看待數字技術的滲透式運用，在不同項目中盡量運用合適的數字化工具集協同設計，以逐漸形成并完善適合自己團隊協作與實際應用的，個性化的數字協同工具集。國家南海博物館的立面設計實踐呈現了實際項目深化中“數字鏈”的合理運用，為以后的項目實踐提供了有效參考。
參考文獻
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