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数字设计成就“未来建筑”

来源:中国科技网-科技日报 作者: 2016年09月30日 00:45
[导读] 在北京朝阳公园西南角,一座外形圆融、柔和的建筑十分引人注目。邵韦平告诉记者,目前,这一创新技术已经应用在了北京CBD核心区第一高楼, 526m的Z15地块‘中国尊’超高层办公楼的设计实践中。
数字设计成就“未来建筑”
□ 本报记者 申 明



凤凰中心外景
    这是一座面向未来的建筑。
    在北京朝阳公园西南角,一座外形圆融、柔和的建筑十分引人注目。其曲线的壳体犹如一条没有开头和结尾的延续的条状纽带,将宏伟的中庭空间缠绕包裹。
    这是一座具有文化内涵的建筑。
    这座建筑造型来自“莫比乌斯环”的设计理念,而且与中国传统文化中太极图十分相近,它有界无边、无限循环的空间意境也暗合了太极文化中事物相互关联的自然观,从而让建筑传递出浓郁的中国传统文化精神。
    这是一座充满了科技感的建筑。
    它是国内首个全面应用数字信息技术的工程,设计团队克服了诸多前所未见的技术难题,他们探索出了本土建筑师利用制造业成熟技术打造高完成度的建筑成果的技术转移方式,充分利用数字信息化技术达到精确、高效的工程控制与建造配合,完成建筑业的产业升级。
    这座名为凤凰中心的建筑如今已成为北京的新地标。
    由北京市建筑设计研究院有限公司执行总建筑师邵韦平领衔的设计团队,历时6年,最终完成了这项“不可能完成的任务”。
    凤凰中心是国内首个完全由本土团队自主打造的地标建筑,可以说吹响了“中国设计、中国建造”的号角。美国著名评论家、建筑师Joseph Giovannini认为,凤凰中心的设计和建成,“意味着现代建筑创新的接力棒已经传递到中国人手中”。据了解,2012年凤凰中心被国外著名设计网站评选为“2012十大文化建筑”,获得了国内外业界的一致好评,该项目并荣获了2015年度北京市科学技术奖二等奖。
    “莫比乌斯环”带来的挑战
    在过去的十几年里,众多的新地标在北京拔地而起,例如“鸟巢”“水立方”国家大剧院、T3航站楼等,这些建筑代表了国内建筑界非常高的水平。然而,其中绝大部分都是由国外建筑师设计完成的,对于中国本土建筑师来说,这多少有些遗憾。
    改变始于2008年。当年,来自香港的凤凰国际传媒卫视决定在北京建一座总部大楼。地点选在了北京朝阳公园的西南角,朝阳公园是北京四环以内最大的城市公园,周边绿地环绕,其后面还有大片森林景观。
    “这个地点有个特征,西侧的道路是一个曲线型,与北边、南边的道路围合成一个不是很规矩不规则的绿地形用地形态,用地西侧后面还有大片森林景观。特别是绿地的北侧有几栋高层住宅民房,当时很多居民担心项目建设会对他们住宅的采光、日照产生影响。”邵韦平告诉记者,“我们希望这个建筑建成后它对周边环境是友好的,同时能和城市空间相呼应,而不是以一个生硬的姿态出现。”
    为此,设计团队提出了“莫比乌斯环”的概念,这是一个数学模型,它用一个条带把一个长的枝条两头反转连接后,形成了这样一个特殊的形态,这个形态的特点就是有界无边。有一个形象的比喻,如果有一只蚂蚁在“莫比乌斯环”里面爬,它可以无限循环的爬下去,而没有尽头。
    “这个概念其实与中国传统的太极文化,包括凤凰卫视国际传媒所倡导的“开放、圆融、创新”的企业文化有很强的互动性。这个形态与基地能够很好地契合,并形成一个独特的造型。”邵韦平说。
    经过多轮竞标,最终邵韦平团队提出的“莫比乌斯环”方案脱颖而出。
    设计团队在提出这样一个“莫比乌斯环”的概念以后,便面临着一个巨大的问题:如何把这样一个形态的建筑表达出来?
    “我们要想办法把它变成一个真实的实体,而不是一个空洞的概念,就必须让它落地。”邵韦平给自己出了一个难题,如何把这样一个很浪漫的想法变成一个可操作的建筑。
    让设计从浪漫的想法到可实施的建筑
    由于独特的创意构思,凤凰中心具有复杂的三维形态,这为建筑的深化设计和施工提出了严峻的挑战。随着大量前所未有技术难题的涌现,传统的建筑设计方法与设计工具已经不足以应对复杂形体的控制。
    因此,设计团队开创性的大量运用了三维数字技术技术。三维数字技术统指将建筑信息模型(BIM)和参数化设计等相关技术运用在建筑深化设计、加工、建造的各个环节,在当时,这对于大部分设计师和本土建筑行业来说,还是十分陌生的领域,这一实践更是开创性的。
    据了解,三维数字技术可以利用建筑信息模型以及参数化编程控制技术,生成无法手绘的技术信息,完成常规技术无法实现的设计成果。并且,三维数字技术的运用可以让设计成果矢量化与精确化,并且能够进行智能化的调整和修正,优化工程的生产、建造与运行工序。
    “实际上在幕墙和钢结构等方面,我们突破了传统意义上通过二维图纸的表达方式,通过模型进行数字化的设计、计算、分析,将建筑的信息精确化、有理化,用模型来进行信息的传递和加工。所有的单元都通过数据来进行表述,这样的话就可以在很短的时间内将建筑部构件单元的数据进行优化调控和输出,这些输出还可以进行修改,大大提高了工程效率。同时这些模型和数据还可以进行后期运维协同的一些管理。”邵韦平说。
    建筑设计的数字化时代到了
    然而,为了实现凤凰中心的精确化的建造,建筑师需要精确的控制建筑的建造效果,但一系列传统项目中没有出现过的具体问题却涌现出来,项目团队面临了前所未有的挑战:如何在复杂曲面的形态上实现建筑设计的深化?如何实现复杂曲面外壳的结构方案,满足结构受力的同时为建筑提供舒适的内部空间和外观,并实现精确化加工?如何将设计的数字化信息精确的传递给协作设计专业和加工建造环节,实现数字化信息在产业链上的连续性?
    面对难题,迎难而上。项目团队决定以数字信息技术手段为依据,创造性的提出整体性工程控制方法。建筑师承担设计总承包的角色,利用数字信息模型为工程的每一技术环节把关,将设计深化、施工、部品加工制造进行统筹协调,让设计单位、承包单位、建筑部品制造单位在同一平台上和标准上进行工作。
    邵韦平带领设计团队为凤凰中心建立了完整的高精度的建筑模型信息系统与数据库,将高端制造业的数字应用技术转移到工程中,比如引入高精度的三阶曲线标准,保证弯扭构件的数据精度,从而提高了弯扭构件形态的美学表现力。在高精确度的数字平台上,集成了建筑全面的信息和精确的数据尺寸,并且包含了建筑材料、重量、价格等非几何信息,形成了凤凰中心的“建筑数字信息库”数据库。
    为了实现凤凰中心复杂的非线性外壳形体,设计团队创建了一套几何控制体系,在建筑形体、结构设计、幕墙划分等方面对建筑进行精确控制。并且通过三维模型、程序计算、逻辑修正等手段,不断的对成果进行优化。
    由于外部形体的复杂性,外幕墙的技术处理成为了关键。3000多块不同的幕墙单元,没有一块采用曲面玻璃。建筑设计采用了结构与幕墙一体化的设计策略,首创了弥合自由曲面的单向非连续折板玻璃幕墙系统,用平板的玻璃幕墙单元拟合自由曲面,大大降低了成本,同时增加建筑的可实现性。从而使得“莫比乌斯环”的形体被舞动的钢结构梁和自然的鳞片肌理所包裹,形成了以凤凰羽翼为意向的建筑表皮效果。
    “现在我们对BIM技术有了更深入的了解和认识,并深深地感到数字设计技术已日趋成熟,已经或将要对建筑设计及相关领域的发展产生深刻的影响。建筑设计真正意义上的数字化时代已经到了。”邵韦平说。
    数字实践的成功案例
    如今,凤凰中心拥有迷人的曲线,大楼整体的样子看上去十分简洁,并与周围空间更加融合,同时与公园形成很和谐的关系。
    环形的外壳包裹了南北两个办公空间,办公部分放在南侧,演播室放在北侧。而南高北低的关系,既为办公空间创造了良好的日照、通风、景观条件,避免演播空间的光照与噪音问题,又巧妙的避开了对北侧居民住宅的日照遮挡的影响,是一个一举两得的构想。
    凤凰中心最终的形态由3800块玻璃幕墙单元围合,每一块都有不同的尺寸和细部节点。“3D建模软件让建筑师能够构思和实现这个项目,并且需要很高的控制精度。”邵韦平说。
    这些楔形幕墙单元的玻璃每一块的形状和尺寸都不同,且不是正方形而是菱形,这也为建造带来了很大的困难。正因为数字化技术的应用,幕墙厂家能够精准快速的自动生成所有幕墙的几何尺寸,从而进行下料生产,数控机床最终实现了数字化的设计、加工建造、控制,从而可以为设计的模型进行生产加工,实现了数控幕墙的自动化。
    巨大的玻璃幕墙使得建筑与朝阳公园形成了视觉上的连续性,并一直延伸到周边街区。整个建筑也充分体现了对绿色节能和低碳环保设计理念的响应。光滑的外形没有铺设一根雨水管,所有在表皮形成的雨水顺着外表的主肋导向建筑底部连续的雨水收集池,经过集中过滤处理后提供艺术水景及庭院浇灌。
    建筑外壳同时又是一件“绿色外衣”,它为功能空间提供了气候缓冲空间。建筑的双层外皮很好地提高了功能区的舒适度和建筑能耗。
    凤凰中心是一个数字实践的成功案例,带有强烈的数字印记。它首次实现了设计企业、制造企业、建造企业全面数字化对接。通过信息模型,实现无纸化设计深化、加工,实现了精确的工程控制;它也真正实现了建筑的全信息化模式。未来,数字信息库还会用在建筑的全生命周期,如运营、维护、安防等阶段,大大推动了中国建筑产业信息化水平。
    邵韦平告诉记者,“目前,这一创新技术已经应用在了北京CBD核心区第一高楼,526m的Z15地块‘中国尊’超高层办公楼的设计实践中。”
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