【α大会】基于新兴数字技术的建筑结构幕墙一体化设计探讨
日期:2021-06-04

在最初锚点思想和最终实现的呈现场景之间,这段路可能需要工程师用很多技术的手段实现。


我们跟建筑师沟通的时候会理解建筑师在文化、技术、艺术和功能几方面对建筑的考量,作为工程师来说建筑技术更多是为了更好的实现建筑师所提出的复杂功能,从而表现艺术、承载文化。



01

分析

“以基于几何和数据的理性分析,来增强、辅助建筑师专注于建筑的核心灵魂。”



利用可视化的编程和高阶的动态语言等手段完善建筑的风光热等指标,从而实现可量化、直观可读的、有理论支撑的设计依据,像Energy plus、Daysim+这些常用的一些工具和手段,包括建模工具、分析插件、分析引擎,随着这些工具的产生,实现更加高效和可视化。


在室外风环境分析中,利用插件可以快速灵活的建模,来展示场地周边风速、风压的变化,并且随着建筑布置的改变,可以通过使用电池组,可以快速实现即时反馈,我们减少建筑师在方案比选过程中的等待时间,工程师可以迅速的配上,给出量化和解读的一些分析结果。


我们在做上海长滩宝山音乐厅整个屋面造型选择的时候,要研究它的汇水,然后要研究它的排水路径和给排水设计天沟与钢结构屋面的一些关系,采用rhino+python,根据屋面坡度和坡向,自动计算异形屋面各边汇水面积,为给排水专业提供专业设计依据。

▲上海长滩宝山音乐厅效果图


比较复杂的是苏州狮山文化艺术中心的案例,这个项目整个屋面系统的排水设计会比较复杂,我们利用数字技术形成各个屋面汇水的面积指标,可以更好的帮助工程师来解决一些技术性的问题。

▲苏州狮山文化艺术中心整体造型



02

优化

“以效率和精度为最高目标的纯粹的结构逻辑,只为保障建筑物顺利落地。”



上海交响乐团音乐厅的方案是日本著名的团队做的,我们在配合的时候也更多的在想屋面系统做的混凝土的壳体,这个屋面系统如何实现?


首先做这样的壳体最初的原始形态经过优化之后,做的是中间的形态,它尽可能保证观众席的各个点位的声音达到最优,但是混凝土会受压,这个项目又不允许在钢结构做完之后再包混凝土,一定要一个比较纯粹的表现形式。


我们在此基础上跟建筑团队反复沟通,能否做一个这样的结构,叫做正高速曲面和负高速曲面的组合,找到声音边界条件和结构受力优化的结合点。

▲上海交响乐团音乐厅效果图

在做这样项目的时候其实采用了一个参数化的方法,就是Y=F(X),F就是通过算法包括模拟、遗传算法等等。通过算法最后使整个结构的最小应变能达到极致,这就代表结构材料的最优选配,我们最后找到了一个平衡,就是在视觉、力学、声音的分布上能够找到平衡。


最终形成的效果,墙体和屋面采用的是双层肋板的混凝土壳体,屋面的肋板厚度是200毫米,中间是600毫米的空肋,就像热水瓶瓶胆一样,这样的结构,它的保温节能、结构受力和声音的控制效果都非常好。


这从力学角度来说,在这个项目中是比较典型的数字技术的助力,实现建筑师原本想要的在文化和艺术上的表达,包括材料的表达。

▲上海交响乐团音乐厅效果图


遵义奥体中心这个项目非常复杂,所有的板块都是双曲面,因为所有的结构都是交叉,建筑师在建模过程中会不断的调整,结构工程师需要一直配合来调结构,后来我们编了一个程序,那时候我们就编了一套电池组,不管建筑怎么调表皮,我们只要几个锚点确定之后就可以自动生成,可以加快跟建筑师的配合。


当然在解决过程当中发现一个问题,尽管可以设计出来,但是整个双曲面的弯扭管件的造价还是控制不住,所以我们在很多地方做的以直代曲,以单曲代双曲的概念,就在钢结构要做完和和幕墙做完之间,这样的问题就显得特别突出。

▲遵义奥体中心施工图


当以直代曲的时候,钢结构的造价可以降低很多。双曲的钢结构加工费比直钢管在常规尺度上贵三四千块钱一吨,但是对整个屋面表皮还是要控制双曲。


所以就还是利用数字化技术进行现场实测跟设置的比对,整张皮和钢结构之间的误差进行溶差分析,然后可以比较好的在相对低的造价情况下,能够相对好的控制效果。从这个角度来说,在整个城市更新的环境中,其实数字化技术可以为设计师提供很多手段,这个手段很重要的一点作用就是控制造价。

▲遵义奥体中心效果图


滁州奥体中心采用的是锦绣青花和飘逸的绸缎的表现形式,并且把青花瓷印在立面中,不能做表皮立面,一定要做结构立面。我们把整个结构可以建模出来,但是它没有那么多预算,所以我们用精确的数字化技术把所有的节点全部放样出带,减少返工。

▲滁州奥体中心效果图


要把整个钢结构弯纽的胎架以及胎架所占的费用比率需要精确的计算,否则钢结构的很多费率会超标,项目推进会很困难,因为现在大环境下去调整是非常难,所以我们做了很多控制,最后通过数控技术能够实现。

▲滁州奥体中心施工


在整个弯纽控制阶段,因为这个管件很小,越小的管件要做弯纽的处理、控制会越难,结构做完之后,它的表皮还要做很多花纹,采用的是10毫米的铝板进行激光的切割。


所有的设计都是基于建筑师的一个概念和设计原理,我们通过一些数字技术来实现,所以我们想用好这样的武器,还可以加强大家互相的合作,技术只是诸多要素中的一种,并不是一切,但是是企业推动项目落地的根本。

▲滁州奥体中心施工


上海日月光中心的四栋楼完全独立,上面有个中厅,建到群房的时候,开发商希望顶上加个盖,下面营造一个灰空间,大家能够交流、遮风避雨,包括把局部的屋顶层也开发出来。


最早的时候结构工程师碰到很多困难,认为四栋楼有地震的相位差,整个屋盖要做的很厚,做了一个双层的网架,开发商希望做成一张单层的皮。

▲上海日月光中心效果图


我最初拿到效果图的时候觉得肯定做不出来。整个跨度70多米,做一张皮,然后又是四栋不同的楼,它在地震下的相位差又不一样。


后来确实通过刚才说的函数Y=FX,通过不断的寻找应变能的最小、寻找受力的优化,最终还是能够实现非常好的受力,当然我对柱子做了很多调整,做了很多树状柱,像丛林一样长在这四栋楼上,挡上光之后效果还可以。


从结构本身来说我们觉得数字技术是实现这样的形象比较重要的一个环节,所以技术是工具,设计才是思想本身,单纯的工具是没有灵魂,是人决定了它的价值。我一直强调工程师技术要逐步走向设计,要拥抱建筑师的思想,最后转换成产品才能值钱。

▲上海日月光中心



03

表现


“不断引入前沿跨界科技,在项目实践中寻找其与传统建筑的结合契机,并以此发光。”

以表现为目的数字技术,就是建筑黑科技,它就像一个武器库一样,可以供业主和开发商、建筑师使用,比如VR虚拟现实,在杨浦大剧院、上海宝山音乐厅做的改造,我们完全用VR技术把它模拟出来,能够让各方比较好的看到实景,有一个沉浸式的体验,这里已经不是设计本身,更多是强调交流本身。

▲杨浦大剧院效果图


无人机用的比较多是对历史建筑的留存、三维存档、扫描。在对海龙屯遗址进行保护,扫描出来的精度可以非常好,最后形成一个模型。它比传统的测绘方式要好很多,我觉得科技的发展确实为设计师提供太多手段,能够让我们保护和生产、创造一些东西。

▲利用无人机技术对海龙屯遗址进行全场地数字留存及辅助修复


未来生活场景是需要建筑师想象、形成原点概念,我们只是实现者,真正的想象者是建筑师和规划师,因为所有的想象是推动技术进步的一个原始动力。



04

表现


“从概念图景到产业落地,利用先进的数字制造技术,延拓建筑师的眼睛和手臂。”


以制造为目的的数字技术很简单,3D打印是一种方法,也是一个比较好的沟通工具。我们做一些复杂结构形式的时候,都喜欢用3D打印把骨架弄出来,跟建筑师一起端详、体察,想想什么地方可以做的更好


当我觉得这个东西实现不了的时候,我也会打印一个3D模型,告诉建筑师这个地方很软、风险很大,实现不了。并且我们觉得这样的模型更多可以让我们讨论,进一步去想这个结构如何可以做的更好、更安全。

©同济设计TJAD


集成建造技术,机器人可以帮助我们做力流分析、模具打印、喷射混凝土,做一些现场拆模、热线切割、做一些比较复杂的造型等等。


相信数字技术在新一代的城市更新和数字城市的转型中可以发挥更积极重要的作用,为建筑师服务,也为城市服务。




以上内容来自于2021α世界建筑设计与技术革新大会-《文化与商业共生的城市更新》论坛张峥先生演讲实录


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