基于数字技术的幕墙精细化设计_南京国际青年文化中心项目实践_

1、1 项目背景2011年初，南京河西新城区国资集团向多家享誉国际的建筑事务所征集河西新城总平面规划中的南京国际青年文化中心设计方案。经过激烈角逐，扎哈哈迪德建筑事务所的方案最终脱颖而出。该方案不仅向业主展示了包括酒店、写字楼双塔、会议中心和一条端头为公园广场的城市轴线在内的全面规划设计，而且还提出了在基地与其对面的江心洲之间架起一座步行桥，从而促进南京城市的新中心与江心洲田园自然风光之间有效连通，使得人们可以在生态休闲与繁忙都市生活之间迅捷、自如地转换。该项目实施的时间周期充满挑战：这座建筑面积超过48万 m2的城市建筑，从其构思、设计到建造被要求在短短3年半内完成。此外，由于设计的新颖独到和结

2、构的复杂多元，加之项目基地紧靠江边，且位于地震多发带，并且紧邻目前中国最大规模的城市地下交通枢纽工程南京青奥轴线地下交通工程并与之衔接，更是凸显了工程设计任务复杂而时间紧迫的特点。鉴于上述特点，项目伊始就已经明确了设计与施工阶段必须同步进行的决策，所幸的是，近年来数字建筑技术的快速发展和应用，使得这一复杂项目的实施有了技术保障，但即便如此，如何在从方案到施工的快速建造过程中能够充分保持设计的精细化程度，使得建筑师能够协调各专业的设计整合，完整控制建筑的各部分构造以实现整体效果，使数字技术的应用价值在项目中充分体现，仍然具有挑战。2 技术平台为了在所要求的时间周期内达到生产制备与设计优化，尽早开

3、展设计研究，从几何形体的严谨性和理性出发，探寻可行的模型设计并且对其进行优化论证是十分紧要的。在项目早期阶段，建筑师通过玛雅(Autodesk Maya设计软件探寻双塔、会议中心与总平面规划的可行性模型方案。该软件最先应用于电影界，拥有非常生动直观的设计界面，使建筑师几乎可以像雕塑家一样工作，借助其强大的几何形体引擎与编程环境，可以轻松实现制模过程中几何参数的信息迭代，极大地便利了下游设计(诸如平面、曲率、模块化可行性与局部设计约束等 优化工作。扎哈事务所在此基础上通过植入多项设计定制工具进一步扩展了此平台功能，使得建筑师可以获得工程设计约束条件的实时反馈，有效提高设计优化水平，同时在最大程度

4、上实现直观性设计体验。此外，扎哈事务所还使用犀牛(Rhino/ 草蜢(Grasshopper等可视化编程环境中的程序性几何形体软件，使得设计师可以在雕琢建筑外表皮的同时研究板块分割策略，从而实现更加细致入微的优化设计方案。借助上述设计关联平台，设计团队能够实现动态制模并且有效整合设计与优化参数，由此生成的设计方案不仅可以全面体现设计理念，同时作为参数化设计程序的一部分已经可以指导下游设计流程和决策，大大减少了繁冗的设计迭代工作，降低了项目周期的时间管理风险，加速了项目进程，并使得建筑师和业主在项目初期即可以得到一个非常健全的方案。在业主对项目的设计概念给予充分认可之后，该项目随即导入建筑信息建

5、模(BIM的技术环境中，以便推进各项工作的同步展开。早在方案设计中期即可首次发布配合施工的信息，以便先期快速启动地下基础设计并与跨江地下隧道设计协调推进。在项目中期，可以随时根据项目进展的实际情况，协调幕墙与结构、机电等多专业的统筹配合，并根据现场施工情况，适时调整幕墙模型，以满足结构或机电无法调整情况下的设计需求。本项目后期指导幕墙施工的的数字设计环境主要是铿利科技数字化建筑软件平台(Gehry Technologies Digital Project，即以达索系统(Dassault Systemes Catia为基础的BIM 软件，可以实现高度复杂几何形体以及大数据组的实时处理，实现建筑外

6、表皮与结构之协调。这种工作流程设置使设计团队能够根据需要快速调整并修改设计基于数字技术的幕墙精细化设计南京国际青年文化中心项目实践Detailed Design of Curtain Wall Based on Digital TechnologyOn the Project of Nanjing International Youth Cultural Center 余威 Yu Wei1 尼奥费雪 Nils-Peter Fischer2作者单位1 南京市河西新城区国资集团(南京，2100192 扎哈哈迪德建筑事务所收稿日期2014/07/16 业主 南京河西新城区国资集团建筑设计 扎哈哈迪德

7、建筑事务所(Zaha Hadid Architects结构方案 Buro Happold合作设计 中国建筑设计研究院深圳华森建筑 与工程设计顾问有限公司基地面积 5.20 hm2建筑面积 19.34万m 2 (会议中心部分 28.7万m (塔楼部分 结构形式中心支撑束筒钢结构 (会议中心部分 钢与混凝土混合结构 (塔楼部分 摄影 Zaha Hadid Architects、耿涛1 沿江立面 (摄影：耿涛 2 西北侧外观 (摄影：Zaha Hadid Architects 区位示意4135261 大会议厅2 商业3 下沉庭院4 多功能音乐厅5 展厅，新闻发布厅6 舞台后场±0.00m标

8、高会议中心平面051020m047A RCHITECTURAL J OURNAL 特集建筑数字时代的性能化追随实践Special Collection Form Follows Performance in the Age of Architectural Digital Technology Practice方案，迅捷地提供施工信息，而且整个设计进程较施工而言仅需提前3个月即可保证施工进度。3 项目的数字化应用参数化设计环境对本项目幕墙的精细化设计作用十分显著：它有利于建筑外表皮、主次结构以及机电系统之间的协调与变通，实现数次数据迭代更替，进而快速达成整体方案的全面优化；与此同时，这些系统之

9、间的全3D 模型协调可以有效检测并避免结构冲突，这一点对于如此规模庞大、复杂精密的项目而言，无疑可以有效避免工程进展中可能持续产生的威胁。借助于上述参数化设计工具及设计流程，建筑师得以开发出高度复杂的建筑形体外表皮：会议中心采用了1.25万块巨型纤维加强混凝土板(GRC板。由于初始方案追求造型的变化，造成几乎每个板块的造型复杂且基本上无一重复，这将导致所有板块均需开模制作，费用昂贵且时间成本高昂。为了保证制造工艺的可行性及建造工期的稳定性，在与GRC 厂家进行密切沟通后，扎 哈事务所对幕墙模型进行了设计调整，将会1 半室外庭院2 会议区3 挑空中庭4 室外庭院5 自助餐厅6 水吧区1 挑空中庭

10、2 商业3 多功能厅A 4 多功能厅B15.00m 标高会议中心平面1423135224627.00m 标高会议中心平面051020m051020m剖面(图纸提供：深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司 3 塔楼底部幕墙细部 (摄影：Zaha Hadid Architects4 会议中心中庭仰视(摄影：耿涛 5 会议中心北立面(摄影：耿涛 6 会议中心幕墙局部(摄影： Zaha Hadid ArchitectsEWS14植被屋面系统屋面会议中心EWS10 GRC幕墙系统上环带下环带入口区EWS12采光天窗系统EWS13 玻璃幕墙系统EWS10 GRC幕墙系统EWS11 GRC屋面系统EWS10 G

11、RC幕墙系统会议中心幕墙设计(图纸提供：Zaha Hadid Architects049A RCHITECTURAL J OURNAL议中心的所有幕墙板块以3m×2m为基数进行分割，既保证板块划分与建筑体量关系的协调性，又可以保证生产加工及运输安装的便利性，同时可以保证可复制板块数量最大化。具有云集图案外观的幕墙是将所有窗户分为6种尺寸类型，并通过调整优化6种窗户的分布形式所形成的。建筑师在数字模型中完成设计后，将这些生成的数据信息提供给承包商直接输入模型制作程序，从而准确及时地向施工现场供应这些定制材料。通过与承包商生产制备过程的紧密协调，设计团队则可以根据施工进度和安装顺序，相应

12、地稳定并冻结局部外表皮设计以供制备，同时继续优化其它部分的设计并继续开展与主、次结构之间的相互协调工作。设计团队在设计双塔时面临一项特殊的挑战，即透过塔楼的锥形造型提升该项目的“建筑视觉存在感”：由此打造出中国首座全倾斜柱列塔楼，环其底部边缘的架构亦呈负倾斜状从而在大约70m 高处的“铝带线高度”形成一个悬垂结构，继而再次小幅向内逐渐收窄形成塔尖，打造出练达的建筑轮廓。由此一来，如何实施梯形塔楼立面则成为摆在团队面前的一道难题：究竟是“切割”转角板块拼凑造型还是采用全梯形板块布置？诸多成功项目经验证明后者是提升建筑视觉效果的正确途径，但这也同时意味着几乎每个板块均需严格遵照塔楼整体几何造型而度

13、身定制。2万多块幕墙玻璃均为梯形造型将带来加工难度和施工损耗，为此，业主设计团队与扎哈事务所利用数字模型的参数化设计优势快速地进行了多方案的比较，针对异形玻璃数量不同对视觉效果的影响、加工安装时间和制作成本进行了分析评估。在综合各方面因素后，选择了令建筑师、业主和承包商均可接受的平衡方案。在幕墙扩初深化方案阶段，需要专门开发这2万多块造型不一的幕墙板块数据包，如果没有参数化工具将不可能实现这一过程。本项目的幕墙承包商采用了与建筑设计师一致的3D 模型平台，便于建筑师直接将 其生成的数据输入承包商的制备流程，从而125 43外墙系统(EWS1 “光芒升起”幕墙2 “背包”幕墙3 “带状铝板”幕墙

14、4 采光顶5 “GRC交汇带”幕墙外幕墙系统1 GRC幕墙围护系统2 GRC屋面系统3 泳池上方采光天窗系统4 玻璃幕墙系统5 中庭采光天窗系统塔楼立面最终实施方案幕墙机电一体化设计(摄影：Zaha Hadid Architects314224531塔楼幕墙设计(图纸提供：Zaha Hadid Architects连廊系统 实现这一庞大项目的“大规模定制” ，因为 制备参数可以直接遵循建筑师已经制定好的 建筑外表皮参数，确保所有与典型矩形元件 存在偏差的构件公差处于承包商生产设备的 约束范围内。 参数化设计之优势在后续重新设计双塔 外表皮 ( 包括重新出具优化后的 2 万多块独 特造型板块的全

15、套施工文件 中体现得淋漓 尽致 ： 整个设计过程从方案到扩初深化图在 6 周内完成，既确保了施工进度，又实现了 这项重要的设计变更。 此外，在参数化设计环境下，设计团 队可以向制造商交付高清晰数据包，为其提 供统一的细部落实细节，帮助其降低生产库 7 存周转时间， 并且可以同时与多家公司协调。 鉴于该项目时间紧迫，业主将总体幕墙施工 分包给了中国目前最大的两家承包商，以便 提高生产效率 ； 此时，数字模型通过对生产 数据的高度统一和明确界定，也极大地降低 了二者产品的差异性。 4 幕墙机电一体化设计 本项目幕墙设计精细化设计工作最重要 的方面体现在对幕墙和机电的设计整合协调 中。为了实现建筑幕墙的完美造型，尽量减 少通常建筑中所出现的大量机电设备风口外 露缺乏设计协调的现象，扎哈事务所和业主 设计团队利用数字模型为平台，整合协调机 电专业和建筑幕墙之间的配合工作，在充分 满足机电设备专业所有需求的同时，利用幕 墙造型及已有的开口充分结合，对绝大部分 的设备风口进行了有效的隐蔽设计，极大提 升了建筑幕墙的美观程度。 总之，从解决问题的角度，由于参数化 设计的应用贯穿了本项目的概念设计直至施 工设计