参数化设计在复杂形体建筑工程中的应用

摘要 交通场站建筑是一个地区的形象门户，其较大的建筑规模和复杂的建筑形体为传统建筑设计技术带来了挑战。三维变化复杂的建筑形体为建筑轴线设定、平面空间定义、幕墙网格划分、屋面系统设计、结构体系设计、机电专业协同都带来了多样化的挑战与制约。针对复杂形体建筑全过程设计的参数化探索，本文以海口市新海滚装码头客运综合枢纽站项目为例，基于Rhino + Grasshopper工作平台，着重探讨复杂形体的精确空间定位、表皮系统精细化设计、复杂钢结构设计、跨专业协同的参数化建筑设计实践应用方法。

关键词 数字技术；复杂形体；优化设计；表皮精细化；参数化

随着中国社会的发展以及交通运输流量的增长，社会对交通建筑的造型形体、空间尺度和品质都提出了更高的要求，这使得越来越多的复杂形体大型交通建筑在中国应运而生。复杂形体建筑有着跨度较大的室内空间、变化多样的幕墙系统、丰富的屋面曲线等特征，因此传统的二维设计方法难以满足建筑方案设计至施工图深化过程中出现的三维问题以及多专业协调的工作需求。

参数化技术作为一项工具，为建筑师提供了广泛探索建筑形体可能性的同时，也提供了解决复杂建筑形体深化设计问题的方法。在方案阶段，参数化的核心思想是将建筑设计的全部要素设定为函数的变量，通过改变函数或算法从而获得合理的建筑设计方案。从项目的初步设计阶段至施工图阶段，参数化设计的运用方式是把方案阶段的形体成果作为初始数据输入函数算法体系当中，通过多专业配合来赋予初始数据以优化、细分、不规则重复等变量，对建筑进行动态的评估、修改和完善，从而在三维体系内完成对建筑的深化设计。

1工程概况及设计难点

海口市新海滚装码头客运综合枢纽站项目位于海口市西海岸，是海南自贸岛与大陆交通联系的咽喉，也是展示海南旅游风貌的重要窗口。其设计年吞吐量汽车32万辆次，旅客2200万人次，总建筑面积约为12万平方米，建筑高度45米，旅客最高聚集量为5300人，属一级客运站，站房规模巨大。客运枢纽站工程与交通中心（GTC）工程为统一工程，将同步施工、同步建成、同步投入使用。两工程主体建筑为一座完整连续的综合客运枢纽站，以变形缝划分界限。

新海港建筑形体如浪潮澎湃、蛟龙出海，形成宏大的建筑气势。连续的屋面高低起伏，为建筑内部各个功能区域提供了适宜的空间高度。建筑屋面采用钢结构空间网架，网架厚度随跨度渐变。建筑的立面在不同标高位置与金属屋面相接，且城市侧玻璃幕墙向室内侧倾斜。由于屋面与城市侧幕墙曲面均为Nurbs自由曲面，其边界与曲率均难以通过传统二维的工作方式定义，且建筑完成面空间定位与三维维护系统构造有着密切的推导关系。在这种情况下，参数化技术的介入便显得尤为重要。

新海港复杂的建筑形态为方案深化和施工图设计带来了以下几个难点：

（1）复杂形体的精确定位：屋面系统与混凝土楼板系统分别从属于两个相似但又相互独立的平面轴线体系，且由于屋面边缘标高的起伏变化导致屋面和倾斜幕墙曲面不具有三维规则性定义的条件。

（2）复杂表皮的曲面优化与细分：大量屋面金属板块与立面玻璃幕墙板块划分以双曲基准面为基础，传统的二维工作方式难以对双曲面批量进行几何细分和优化处理，而屋面和立面系统的面板优化对建筑完成品质和建筑造价控制存在直接的关联。

（3）钢结构与屋面、幕墙系统协同设计：钢结构网架分格以屋面曲面为基准，网架结构建模、屋面构造、完成面网格与网架结构受力计算具有动态的相互关系，存在较大量的往复性工作。倾斜幕墙钢结构法向平面各异，且顶点标高为不等差数列，模型数据的准确提取是建筑、结构专业高效配合的前提。

（4）复杂空间的建筑、机电专业工作协同：变化的空间高度、倾斜的建筑幕墙会影响到建筑内部空间的机电专业设计参数取值，且机电设备需要与结构网架、建筑层高进行协同设计才能进行准确的定位与安装。机电专业在传统的二维图纸中无法直观呈现并进行设计。

结合以上问题，项目团队通过参数化设计的方法，对建筑深化设计过程中的问题逐一进行梳理和分析，提出了复杂形体设计的综合解决方案，同时协调配合各个专业之间的疑问和需求，使建筑平面系统、机电系统、立面幕墙系统、结构系统、金属屋面系统在三维模型内信息互通，保障了施工图设计工作的高效率、高精度推进。

2数字技术平台

，这些要素经过算法的逻辑推导从而得出三维建筑形体。新海港项目采用Rhino平台来搭建整个建筑模型，该平台有着强大的曲面模型搭建模块命令组和能够满足工程建造精度的三维坐标体系。建筑的基准面生成使用了平台插件T-splines，该插件可使建筑师快速且精准地编辑复杂自由曲面从而生成整个建筑形体，且曲面平滑度较高。项目深化设计过程中，笔者使用了可视化算法运算插件Grasshopper（GH）来进行形体深化设计和建立有逻辑的几何控制体系，并可通过GH来输出平面CAD和Excel表格等施工图所需的关键性信息。EvoluteTools和Galapagos作为GH插件分别在金属屋面板块优化输出和弧形轴线拟合优化方面发挥着关键性的作用。

新海港项目也采用Revit作为BIM设计平台，其信息数据可通过Grevit与Rhino模型、结构机电设计内容对接，直观地反映三维设计成果，实现各专业成果的立体汇总，高效地发现问题、解决问题，提高施工图设计质量。

3复杂形体的参数化设计

从建筑方案设计到施工图设计，参数化工具都有其独特的优势。建筑师可以根据对变量的调整和编写具有逻辑性的数学算法来创作建筑形体、优化建筑形体、分析建筑形体并最终输出建筑图纸。在当前的结构工程技术条件下，外形结构越复杂的工程，参数话设计软件越具有其应用的优势。在新海港施工图设计阶段，设计的深化时刻伴随着建设单位、建筑师、结构师、机电工程师等多专业、多角度的综合博弈，各种不确定的条件使得原本复杂的建筑项目更加充满挑战。参数化设计的优势正在于建筑师可以通过对点、线、面的数字化控制，从建筑基本元素的输入端对建筑生成结果予以干预，满足不同专业对于建筑形体的需求，从而高效地找到一个有秩序的平衡，达到统筹建筑施工图设计的目标。

3.1复杂曲面几何定位

在复杂形体的方案深化至施工图设计阶段，准确且严谨的设计表达是项目品质控制的重点之一。从新海港建筑表达几何控制的方面，通过GH运算，可以实现如下设计成果：

（1）建筑平面轴线有理化：项目团队运用GH插件Galapagos，在拟合方案阶段建筑轮廓的前提下优化和重新生成了弧形轴线。在轴线优化的过程中有两个控制性目标，第一个为所有的直线与弧线、弧线与弧线都两两相切，第二个目标为新生成轴线与方案阶段形体轮廓偏离值最小。该优化过程运用了煺火算法选取最优解。

（2）屋面网格线优化与迭代：屋面斜交网格线是屋面网架系统的平面投影线（图1）。由于屋面边界曲线不规则且分为五个不同的区域，斜交网格的定义需要结合各区域的边界条件按照不同的平面范围生成。该网格以斜向45度、钢立柱柱位进行生成，在建筑檐口区域，网格根据出挑距离设定等量划分。在初设阶段，钢立柱柱位的多次调整，也导致了屋面斜交网格线的迭代。

（3）不同标高平面轮廓线获取：以建筑专业所需平面标高作为可变参数来提取相应标高的平面截面线、幕墙结构构件截面线（图2），从而为混凝土楼板定位提供准确的平面坐标，使建筑师、结构工程师以此为基础进行二维图纸的深化。

3.2建筑表皮曲面精细化设计

由于新海港枢纽站工程的重要性和其造型的特殊性，使得该项目在工程设计精度和工程控制精度上有更高的要求。项目以参数化三维模型成果作为外围护体系的主要控制依据，在平面柱网定位的基础上，生成外围护系统的三维格网体系。这一格网体系控制外围护系统定位、结构、檩条及龙骨体系、完成面划分等，是外围护系统的几何控制基础。三维格网体系由平面控制线投影到三维控制面生成。三维控制面包括：幕墙面、吊顶完成面、主体结构下层节点中心面、主体结构上层节点中心面、装饰板完成面。

3.2.1幕墙参数化网格划分

根据幕墙斜度，新海港枢纽站工程幕墙分为两个不同的设计区域。沿海面及山墙指廊端是以钢桁架结构为自承重的带有横向遮阳装饰条的垂直玻璃幕墙系统。城市侧幕墙是以单钢柱与钢横梁支撑为系统的带有竖向渐变装饰肋的内倾玻璃幕墙系统。

城市侧幕墙基准面为双曲面且向室内一侧倾斜，施工难度较大，因此该部分是新海港项目参数化研究的重点对象之一。项目团队通过GH建模梳理优化并实现了如下成果：

（1）三维曲面幕墙分区平整化：城市侧幕墙玻璃的竖向分格方式为XY平面上一组平行线（与x轴夹角45°，间距6576mm），沿Z轴矢量方向投影到基准面的上下边界线，生成两点，连接端点形成竖向分格线，从而把城市侧幕墙基准面分为多块曲面。由于该基准面为三维曲面，所以投影分割后的面板存在不等量翘曲（图3）。在此情况下，设计团队进一步将各面板横向基准线以上下边界中点连线为路径拉伸成平面，从而把每一个翘曲曲面幕墙板块优化为多个角度不同的平面幕墙板块。通过该方式，城市侧幕墙的施工难度和建造成本都得到了有效的控制。优化后的相邻平板板块端点翘角高度为-267.18mm ～ 272.60mm，在幕墙立柱尺寸范围内。该翘角在施工图设计阶段结合了城市侧幕墙装饰肋统一设计节点构造，对立面的连续感影响较小（图4）。

（2）幕墙装饰立柱参数化控制：城市侧幕墙装饰立柱位于玻璃幕墙外侧。由于玻璃幕墙基准面为自由曲面，所有装饰立柱的法线方向随同幕墙基准面曲率渐变。为保证良好的建筑完成效果且不使金属面板发生扭曲，设计团队利用参数化工具阵列提取幕墙分板线并解析出其法向平面，从而建立模型，装饰立柱在底部与顶部分别与建筑檐口相交。在扩初阶段，项目团队通过改变立柱尺寸参数获取多版完成面模型，并以此同多专业就装饰肋结构承载力、风洞实验报告、人视角度建筑美学形象与建设单位进行了论证比选（图5）。

3.2.2屋面参数化网格划分

新海港屋面基准面为T-Splines创建的Nurbs自由曲面，总面积约为48430平米。设计团队以此曲面作为网格细分的初始参考对象，表皮细分成果尽量拟合该曲面，使曲面接近值参数达到最小，最大程度上拟合了方案设计的形体效果（图6）。除曲面接近值以外，屋面网格的细分也有其他约束条件，例如边缘接近值、最小化曲率等。屋面中的每一块金属板的几何参数都可以通过数据的形式在参数化平台中进行直观地展现与比对。设计团队结合上述参数以及平面细分网格和材料生产厂家对金属面板尺寸的限制对屋面板块细分做了多种方案，尽量做到切割边界与细分网格重合，并利用迭代优化算法顺整网格。在网格基本成形后，设计团队利用平板拟合优化的算法将面板类型控制在最小值，并且控制冷弯面板的最大翘曲，从而达到经济性与美观性的协调。

3.3复杂钢结构参数化设计

3.3.1快速进行屋面空间网架设计迭代

设计团队就新海港屋面结构体系在方案论证阶段进行了多方案比选，并与屋面网格划分协同互动，随后根据结构计算结果对建筑模型进行更新。结构体系经过多次的迭代后方可达到建筑效果与结构效率的平衡。在传统的设计方式下，此类工作需要花费大量的时间反复建模，而参数化手段的介入，可以大大地提高工作效率。另外，在新海港初设阶段，由于地面层交通工艺的优化，新海港平面轴线网格经历了模数变更，这使得屋面结构体系也需要进行同步与实时调整。

设计团队在初设前期对屋面模型采取了整体参数化建模的工作方式，将网架结构杆件与屋面基准曲面之间建立起算法逻辑关系，有条理地、有组织地建立上下弦基准面、网格细分、腹杆轴心方向等输入性条件边界，这样当建筑表皮或轴线发生变化时，仅需调整算法的输入端，空间网架结构的几何模型作为算法的输出端可直接生成（图7）。在金属屋面系统中，平面网格划分以二维的方式呈现，但面板的输出以excel表格的方式结合三维模型提供给施工单位，以作为幕墙系统定位、生产的依据。

3.3.2精准定位城市侧钢结构法线方向

新海港城市立面幕墙钢立柱处于玻璃板块交界处室内一侧，对内倾幕墙起到支撑的作用。幕墙钢立柱法向角度随幕墙曲面渐变，设计团队经过多样化的分析与尝试，梳理出了一个适应建筑形体且符合工程做法的立柱定义逻辑，并通过参数化编程的方式得出结构模型（图8）。该区域每根立柱的平面为相邻两个玻璃法相平面的平分平面，并于底标高处截取型钢立柱截面线。经算法统计，玻璃面到立柱的最小距离为92mm，小于立柱截面路径定位线偏移距离250mm，较为合理。立柱平面内角度与平面外角度均在合理范围以内，玻璃面与水平面的夹角自50.12°至88.02°范围内渐变（图9）。

3.4参数化与机电设计协同

新海港设计过程中，由建筑专业主导的土建模型、幕墙模型以及结构实体模型均可以在Rhino三维模型内进行协同工作，但与机电专业的成果相对独立，且由于新海港建筑形体不规则、滚装港口工艺特殊，在施工图阶段进行多专业综合BIM碰撞检查便显得尤为重要。建筑设计团队通过插件实现了Rhino基准面模型与Revit的互通，在深化设计的关键性节点与BIM团队进行配合进行BIM复验，形成可视化的各专业间的构件关系模型（图10），从而最大程度的避免了不必要的管线、土建碰撞，减少了设计的变更，提高设计生产的品质与效率。对于从设备机房通至屋面的暖通管线，如柴油发电机房排烟管、排风管、排油烟管等，其管道尺寸与空间路由极大地受到屋面网架腹杆排布的制约，且该类暖通管线排布需顺应屋面坡度方向爬升。对于该类问题，BIM平台为机电专业提供了良好的解决条件，使得暖通工程师可以根据可视化建筑屋面模型准确排布管线走向，设计合理的三维路由。

结语

对于复杂形体建筑工程，参数化设计可以贯穿建筑设计的全过程，在不同的设计阶段均发挥着至关重要的作用。参数化设计以算法编写作为基础的工作方式，高效地表达复杂形态的建筑设计中各类建筑元素的相对关系，定义精确的几何信息，为项目的顺利推进提供了有力的保障。在结构方案设计的往复性的工作中，设计团队可以通过编写参数化算法，根据空间网架生成逻辑定义出可变量与不变量，使同一类型的工作成果具有较强的适应性。通过Rhino平台与BIM平台的设计成果互通，建筑、机电、结构专业得以可视化协同沟通彼此的设计成果，以此来减少二维图纸跨专业引用过程中产生的信息误解和缺漏。

参数化设计工具高效、严谨且具有逻辑性，能够很好的匹配复杂形体建筑⼯程设计的需求。随着建筑从业者对更高品质建筑设计的探索以及数字技术不断的迭代与发展，参数化设计技术将在未来建筑设计与建造领域拓展出更广阔的空间。

参考文献

[1]姚稼澍，赵榕娜，尹武先. 复杂形体的数字技术综合解决方案——腾冲市民俗展览馆数字设计研究与实践. [A]建筑技艺，2019/09

[2]沈彬. 浅谈参数化设计在建筑表皮中的表现和运用. 建筑艺术

[3]黄越，欧阳露.浅谈参数化设计在幕墙国内建筑设计过程中的角色定位. [B]建筑技术

作者简介：

井思源（1990-）男，汉族，河南漯河人，硕士，中建研科技股份有限公司副主任建筑师，一级注册建筑师，研究方向：参数化建筑设计、公共建筑设计

周超（1978-）男，汉族，四川广元人，硕士，中建研科技股份有限公司副总建筑师，高级工程师，一级注册建筑师，研究方向：建筑设计