2018大同图书馆:复杂形体建筑后期设计方法探索

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　　在这个复杂性科学兴盛的年代，建筑设计已经深受其影响，拓扑学、分形几何学的成果被用在建筑领域，复杂性科学发现的自然界规律：简单的重复与迭代生成复杂的不可预知的现象和物体，这被建筑领域用来作为复杂形体设计的基本方法，元素与规则生成设计的思想正在深入人心，建筑形体与空间追求动态、随机，从而明确了这种新的设计思潮鲜明的立场。
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　　大同市图书馆正是这么一个建筑，形体和空间通过元素与规则生成，设计追求了复杂性的特征。然而，这种追求对于建筑的后期设计和建造提出了非常苛刻的要求，传统的设计手段已经不能满足，建筑的后期设计要考虑建筑材料的特性、建筑结构的实现、建筑安装的难度等等方方面面，必须在原有设计的规则里面考虑这些复杂的因素，再加上建筑的形体与空间原已经复杂到人脑无法将其整理清楚的程度，设计的任务其实是对于建筑信息的深化和整理。在该项目中，通过Rhin0与Autodesk CAD的配合，建立并转化设计信息，通过模型深化信息，再将其提取作为设计条件提交给各个配合团队，并且将其整理成为设计成果。
　　元素与规则衍生出复杂的形体与空间
　　大同市图书馆项目位于大同市御东新区，是一个中方与外方建筑师合作的项目，方案原创是由现任哈佛大学设计学院院长Preston Scott Cohen带领他的设计团队完成，深入的技术设计则由北京市建筑设计研究院负责。
　　这个建筑的造型与空间均追求复杂性，无论是幕墙、屋面、吊顶还是景观，整个设计只有一个形体元素和两个生成形体的规则。这个元素就是三角形，两种规则的穿插运用使得整个设计浑然一体又充满迭代、自相似等特性，从而给人一种随机、动态的感受。
　　规则一：将曲面划分为大三角，找到大三角内一点，将点沿着大三角面的垂直方向向内部凹陷一个距离，再将大三角划分为三个小三角。
　　规则二将曲面两个边等分，形成若干小曲面，把每一个小曲面用两个长向的三角形拼装起来。
　　在这两个规则下，三角形可以生成成千上万种变化，形成无穷尽的设计，但是在这个设计中，控制他们的是形体中的几条环状的边界，这些边界又可以简化的理解为几个关键的节点。
　　大同图书馆没有涉及到曲面的问题，所以设计信息的描述不存在困难，其困难在于信息的深化和整理。我们花了很长的时间来研究这个项目的逻辑，对于后面深入设计起到至关重要的作用，找到其生成的逻辑也就找到了深化设计的钥匙，所有的深化都是围绕着这个逻辑，所有的深化都不会扭曲最初方案的构想。
　　人机结合进行完成面深化设计
　　对于这样一个由多方向平面转折连接的形体，单纯的将其偏移将会使所有的面无法相交和拟合，所以必须将建筑完成面作为一个不能变动的基准来控制，所有的结构、构造设计都不能突破这个基准面。完成面控制是一个对于建筑专业很高的要求，因为所有结构的边界定位都依靠建筑专业来完成，然而对于这样一个复杂的完成面，构造的设计和施工存在很多的问题和隐患，建筑结构幕墙各方必须一起来将这些隐患排除，确保设计可行，这对于协作也提出了很高的要求。
　　幕墙设计是这个项目最关键的部分，同时也是最难的部分。整个幕墙采用简易的双层呼吸式系统，外面一层开缝的半钢化夹胶玻璃，里面有200mm左右的空气腔体，其后是铝板防水和常规的轻质窗墙构造。这个系统不仅建立了一个外界与建筑内部之间的微型空气循环屏障，而且为设计施工误差提供了缓冲。
　　幕墙设计主要有两个难点，一是材料的确定以及由此带来的板面细分设计和窗户位置的确定；另一个是复杂折面的退面问题。
　　1　在细分板块的时候，不仅要考虑到原有形体的逻辑，还要尽量少分缝的同时保证板块不能超过玻璃的最大尺寸，而且为了加工方便和降低造价，我们努力将90％以上的板块调整为短边1800mm宽的直角梯形。由于所有面都是空间面，如果通过手动来操作这个过程，要满足上述要求的同时又使所用分缝连贯几乎是不可能完成的任务。我们用Grasshopper软件建立了一套程序逻辑自动将板块细分的工作完成，然后通过人工的调整使所有的分缝连贯。另外，窗户位置的确定也是难点，它只能在楼面与吊顶之间的位置出现，即使吊顶可以做特殊的处理也要躲避800ram厚的层间防火隔挡，不是每一个细分之后的小板块都可以作为窗户，同时要满足室内人视线的高度，并且窗户数量不能少于自然排烟的要求，这些又为板块细分提出了新的限制因素，而且室内视线设计是一个几乎无法用程序逻辑描述的要求，所以我们对之前的程序沿用，在之前的规则基础上人工将其调节成为我们满意的状态。
　　2　幕墙退面问题棘手在于退后的面不可能是原完成面精准的偏移面，因为相同的退后距离使得这些折面不能拟合。那么，只能放弃每个细小的面，回归到设计之初的元素规则，将其大的曲面后退，同时用相同的规则在后退的面上作出与原面相似的面，这种做法近似满足了幕墙构造的后退要求。再加上幕墙系统预留的200mm的空气腔，可以化解这个设计的误差。前期对于规则的分析和整理在这时为设计指引了方向。
　　屋面和吊顶的设计采用了相似的方法。
　　不得不说，计算机在理性的逻辑问题面前可以帮助建筑师完成很多繁琐的工作，尤其是一些前后逻辑交叉的问题，因为人脑不太可能同时精确地顾及后面的逻辑来完成前面的工作。但是，在感性的问题面前，人脑反而快过计算机，因为只是定性的问题，人可以综合分析后直接得出答案，在项目完成面的深化问题上充分体现了这两个方面，把计算机的强大计算能力引进设计中是建筑设计的发展趋势。
　　通过模型来建立和管理设计信息
　　随着设计的深入，一个逐渐完善的，精确表达设计信息的Rhino模型逐步建立起来，建筑设计的深化几乎每一步都要在这个模型上进行：结构专业所有的杆件定位也是依靠这个模型，钢结构深化直接根据模型来进行下一步的工作。可以说在大同图书馆的后期设计过程中，各个方面都在围绕这个Rhin0模型，并且它会带着这些信息被沿用到幕墙制作和主体钢结构制作中去，继续发挥作用。
　　在这个项目中，结构专业、幕墙公司和钢结构深化设计厂家可以直接用Rhino模型进行信息交换。设备专业和电气专业都使用Autodesk CAD软件作为主要的信息交换和表现平台：Rhino与Autodesk CAD之间无缝的兼容使得与设备专业和电气专业的交流同样十分流畅。在首层咖啡厅区域，吊顶形式复杂，空调管道与电气线槽都要在这个区域经过，建筑师必须考虑专业的要求，并且将这些要求在模型中建造出来，才可以确定吊顶面的形式，然后在模型中建立这些信息，转换成AutodeskCAD空间模型来使专业清晰地知道设计进程，并且为他们完善本专业的设计成果奠定基础。
　　结构专业和幕墙公司都有专门的设计人员在本专业范围内编辑模型，并且最终汇总到建筑师的Rhino模型中来，把原本复杂到不能想象清楚的信息以模型的形式呈现在每个设计人员的眼中。值得一提的是在幕墙的设计中，运用了表格的方法来控制和整理每一块玻璃板面的信息，并且这些信息直接对应模型中被编号的实体。
　　在大同图书馆的设计中基本做到了信息的唯一性，模型中的信息含量甚至超过图纸，这些方法虽然没有达到理想的建筑信息模型的状态，但已经具有了BIM的思想。两个“矛盾”
　　接受外方设计师的方案一直深化到现在，有个感触颇深，对于复杂形体和空间的建筑，形体元素和规则是一直不能放弃的，不仅如此，前期对规则的优化会对后期设计产生至关重要的影响。但是这里确实存在着一个矛盾：前期的规则往往不能够全面的兼顾材料特性、施工要求等等众多因素。所以在设计中优化规则是一个非常有价值的过程，也许一点优化就会给设计带来巨大的方便，为项目节省大量的资金和时间。在图书馆的项目中，我们努力将玻璃板块调整到等宽，并且使其适应玻璃制造的工艺，同时不破坏原有设计逻辑，这是我们的努力：但是如果在设计前期同样对规则尽量优化，会使得设计更加合理，例如：是不是有可能使尽量多的三角形相同或者某些信息相同，这都会给后期的优化指引方向。
　　在设计中感觉到的另一个矛盾却是为设计前期辩护的，在前期设计中建筑师追求的设计观是非常自然的，自然界没有相同只有相似。但是目前的建造水平虽然能够满足这样的要求，却要付出极大的代价。尤其要提到设计方法滞后带来的设计成本的增加，BIM思想针对复杂建筑的解决方案并不多，目前软件平台能够处理复杂建筑尤其是非线性建筑并且直接作为设计表现的还没有，更不要提将信息贯彻整个建筑的生命周期了。
　　这本就是矛盾，它提醒建筑师对复杂建筑的后期设计方法进行革新，计算机的强大计算能力要引入这个过程，利用模型来建立和管理信息的方法是方向，BIM势在必行。
　　工程持人：李大鹏　聂向东　沈晋京
　　技术指导：米俊仁
　　建筑专业负责人：李大鹏沈晋京
　　BM负责人任振华
　　结构专业负责人：卢清刚　戴夫聪
　　设备专业负责人：张杰　马健
　　电气专业负责人：贾燕彤　郭宜
　　设计人员，任振华汪剑柃毕晓希杨宁展兴鹏潘硕李志远段茜
　　作者：任振华，北京市建筑设计研究院2A2工作室建筑师沈晋京，北京市建筑设计研究院2A2工作室建筑师
　　收稿日期：2011年9月