未來建筑的方向：機(jī)械制造與數(shù)字化設(shè)計(jì)的融合

    在北京朝陽公園西南角，一座外形圓融、柔和的建筑十分引人注目。其曲線的殼體猶如一條沒有開頭和結(jié)尾的延續(xù)的條狀紐帶，將宏偉的中庭空間纏繞包裹。 

　　這是一座面向未來的建筑。 


　　在北京朝陽公園西南角，一座外形圓融、柔和的建筑十分引人注目。其曲線的殼體猶如一條沒有開頭和結(jié)尾的延續(xù)的條狀紐帶，將宏偉的中庭空間纏繞包裹。 


　　這是一座具有文化內(nèi)涵的建筑。 


　　這座建筑造型來自“莫比烏斯環(huán)”的設(shè)計(jì)理念，而且與中國傳統(tǒng)文化中太極圖十分相近，它有界無邊、無限循環(huán)的空間意境也暗合了太極文化中事物相互關(guān)聯(lián)的自然觀，從而讓建筑傳遞出濃郁的中國傳統(tǒng)文化精神。 


　　這是一座充滿了科技感的建筑。 


　　它是國內(nèi)首個(gè)全面應(yīng)用數(shù)字信息技術(shù)的工程，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)克服了諸多前所未見的技術(shù)難題，他們探索出了本土建筑師利用制造業(yè)成熟技術(shù)打造高完成度的建筑成果的技術(shù)轉(zhuǎn)移方式，充分利用數(shù)字信息化技術(shù)達(dá)到精確、高效的工程控制與建造配合，完成建筑業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。 


　　這座名為鳳凰中心的建筑如今已成為北京的新地標(biāo)。 


　　由北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司執(zhí)行總建筑師邵韋平領(lǐng)銜的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，歷時(shí)6年，最終完成了這項(xiàng)“不可能完成的任務(wù)”。 


　　鳳凰中心是國內(nèi)首個(gè)完全由本土團(tuán)隊(duì)自主打造的地標(biāo)建筑，可以說吹響了“中國設(shè)計(jì)、中國建造”的號(hào)角。美國著名評(píng)論家、建筑師JosephGiovannini認(rèn)為，鳳凰中心的設(shè)計(jì)和建成，“意味著現(xiàn)代建筑創(chuàng)新的接力棒已經(jīng)傳遞到中國人手中”。據(jù)了解，2012年鳳凰中心被國外著名設(shè)計(jì)網(wǎng)站評(píng)選為“2012十大文化建筑”，獲得了國內(nèi)外業(yè)界的一致好評(píng)，該項(xiàng)目并榮獲了2015年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。 


　　“莫比烏斯環(huán)”帶來的挑戰(zhàn) 


　　在過去的十幾年里，眾多的新地標(biāo)在北京拔地而起，例如“鳥巢”“水立方”國家大劇院、T3航站樓等，這些建筑代表了國內(nèi)建筑界非常高的水平。然而，其中絕大部分都是由國外建筑師設(shè)計(jì)完成的，對(duì)于中國本土建筑師來說，這多少有些遺憾。 


　　改變始于2008年。當(dāng)年，來自香港的鳳凰國際傳媒衛(wèi)視決定在北京建一座總部大樓。地點(diǎn)選在了北京朝陽公園的西南角，朝陽公園是北京四環(huán)以內(nèi)最大的城市公園，周邊綠地環(huán)繞，其后面還有大片森林景觀。 


　　“這個(gè)地點(diǎn)有個(gè)特征，西側(cè)的道路是一個(gè)曲線型，與北邊、南邊的道路圍合成一個(gè)不是很規(guī)矩不規(guī)則的綠地形用地形態(tài)，用地西側(cè)后面還有大片森林景觀。特別是綠地的北側(cè)有幾棟高層住宅民房，當(dāng)時(shí)很多居民擔(dān)心項(xiàng)目建設(shè)會(huì)對(duì)他們住宅的采光、日照產(chǎn)生影響?！鄙垌f平告訴記者，“我們希望這個(gè)建筑建成后它對(duì)周邊環(huán)境是友好的，同時(shí)能和城市空間相呼應(yīng)，而不是以一個(gè)生硬的姿態(tài)出現(xiàn)?！?nbsp;


　　為此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了“莫比烏斯環(huán)”的概念，這是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它用一個(gè)條帶把一個(gè)長的枝條兩頭反轉(zhuǎn)連接后，形成了這樣一個(gè)特殊的形態(tài)，這個(gè)形態(tài)的特點(diǎn)就是有界無邊。有一個(gè)形象的比喻，如果有一只螞蟻在“莫比烏斯環(huán)”里面爬，它可以無限循環(huán)的爬下去，而沒有盡頭。 


　　“這個(gè)概念其實(shí)與中國傳統(tǒng)的太極文化，包括鳳凰衛(wèi)視國際傳媒所倡導(dǎo)的“開放、圓融、創(chuàng)新”的企業(yè)文化有很強(qiáng)的互動(dòng)性。這個(gè)形態(tài)與基地能夠很好地契合，并形成一個(gè)獨(dú)特的造型?！鄙垌f平說。 


　　經(jīng)過多輪競標(biāo)，最終邵韋平團(tuán)隊(duì)提出的“莫比烏斯環(huán)”方案脫穎而出。 


　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在提出這樣一個(gè)“莫比烏斯環(huán)”的概念以后，便面臨著一個(gè)巨大的問題：如何把這樣一個(gè)形態(tài)的建筑表達(dá)出來？ 


　　“我們要想辦法把它變成一個(gè)真實(shí)的實(shí)體，而不是一個(gè)空洞的概念，就必須讓它落地?！鄙垌f平給自己出了一個(gè)難題，如何把這樣一個(gè)很浪漫的想法變成一個(gè)可操作的建筑。 


　　讓設(shè)計(jì)從浪漫的想法到可實(shí)施的建筑 


　　由于獨(dú)特的創(chuàng)意構(gòu)思，鳳凰中心具有復(fù)雜的三維形態(tài)，這為建筑的深化設(shè)計(jì)和施工提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著大量前所未有技術(shù)難題的涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)工具已經(jīng)不足以應(yīng)對(duì)復(fù)雜形體的控制。 


　　因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性的大量運(yùn)用了三維數(shù)字技術(shù)技術(shù)。三維數(shù)字技術(shù)統(tǒng)指將建筑信息模型(BIM)和參數(shù)化設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)運(yùn)用在建筑深化設(shè)計(jì)、加工、建造的各個(gè)環(huán)節(jié)，在當(dāng)時(shí)，這對(duì)于大部分設(shè)計(jì)師和本土建筑行業(yè)來說，還是十分陌生的領(lǐng)域，這一實(shí)踐更是開創(chuàng)性的。 


　　據(jù)了解，三維數(shù)字技術(shù)可以利用建筑信息模型以及參數(shù)化編程控制技術(shù)，生成無法手繪的技術(shù)信息，完成常規(guī)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)成果。并且，三維數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用可以讓設(shè)計(jì)成果矢量化與精確化，并且能夠進(jìn)行智能化的調(diào)整和修正，優(yōu)化工程的生產(chǎn)、建造與運(yùn)行工序。 


　　“實(shí)際上在幕墻和鋼結(jié)構(gòu)等方面，我們突破了傳統(tǒng)意義上通過二維圖紙的表達(dá)方式，通過模型進(jìn)行數(shù)字化的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析，將建筑的信息精確化、有理化，用模型來進(jìn)行信息的傳遞和加工。所有的單元都通過數(shù)據(jù)來進(jìn)行表述，這樣的話就可以在很短的時(shí)間內(nèi)將建筑部構(gòu)件單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控和輸出，這些輸出還可以進(jìn)行修改，大大提高了工程效率。同時(shí)這些模型和數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行后期運(yùn)維協(xié)同的一些管理。”邵韋平說。 


　　建筑設(shè)計(jì)的數(shù)字化時(shí)代到了 


　　然而，為了實(shí)現(xiàn)鳳凰中心的精確化的建造，建筑師需要精確的控制建筑的建造效果，但一系列傳統(tǒng)項(xiàng)目中沒有出現(xiàn)過的具體問題卻涌現(xiàn)出來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面臨了前所未有的挑戰(zhàn)：如何在復(fù)雜曲面的形態(tài)上實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的深化？如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面外殼的結(jié)構(gòu)方案，滿足結(jié)構(gòu)受力的同時(shí)為建筑提供舒適的內(nèi)部空間和外觀，并實(shí)現(xiàn)精確化加工？如何將設(shè)計(jì)的數(shù)字化信息精確的傳遞給協(xié)作設(shè)計(jì)專業(yè)和加工建造環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息在產(chǎn)業(yè)鏈上的連續(xù)性？ 


　　面對(duì)難題，迎難而上。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定以數(shù)字信息技術(shù)手段為依據(jù)，創(chuàng)造性的提出整體性工程控制方法。建筑師承擔(dān)設(shè)計(jì)總承包的角色，利用數(shù)字信息模型為工程的每一技術(shù)環(huán)節(jié)把關(guān)，將設(shè)計(jì)深化、施工、部品加工制造進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，讓設(shè)計(jì)單位、承包單位、建筑部品制造單位在同一平臺(tái)上和標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行工作。 


　　邵韋平帶領(lǐng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為鳳凰中心建立了完整的高精度的建筑模型信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫，將高端制造業(yè)的數(shù)字應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)移到工程中，比如引入高精度的三階曲線標(biāo)準(zhǔn)，保證彎扭構(gòu)件的數(shù)據(jù)精度，從而提高了彎扭構(gòu)件形態(tài)的美學(xué)表現(xiàn)力。在高精確度的數(shù)字平臺(tái)上，集成了建筑全面的信息和精確的數(shù)據(jù)尺寸，并且包含了建筑材料、重量、價(jià)格等非幾何信息，形成了鳳凰中心的“建筑數(shù)字信息庫”數(shù)據(jù)庫。 


　　為了實(shí)現(xiàn)鳳凰中心復(fù)雜的非線性外殼形體，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一套幾何控制體系，在建筑形體、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幕墻劃分等方面對(duì)建筑進(jìn)行精確控制。并且通過三維模型、程序計(jì)算、邏輯修正等手段，不斷的對(duì)成果進(jìn)行優(yōu)化。 


　　由于外部形體的復(fù)雜性，外幕墻的技術(shù)處理成為了關(guān)鍵。3000多塊不同的幕墻單元，沒有一塊采用曲面玻璃。建筑設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)與幕墻一體化的設(shè)計(jì)策略，首創(chuàng)了彌合自由曲面的單向非連續(xù)折板玻璃幕墻系統(tǒng)，用平板的玻璃幕墻單元擬合自由曲面，大大降低了成本，同時(shí)增加建筑的可實(shí)現(xiàn)性。從而使得“莫比烏斯環(huán)”的形體被舞動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)梁和自然的鱗片肌理所包裹，形成了以鳳凰羽翼為意向的建筑表皮效果。 


　　“現(xiàn)在我們對(duì)BIM技術(shù)有了更深入的了解和認(rèn)識(shí)，并深深地感到數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)已日趨成熟，已經(jīng)或?qū)⒁獙?duì)建筑設(shè)計(jì)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。建筑設(shè)計(jì)真正意義上的數(shù)字化時(shí)代已經(jīng)到了?！鄙垌f平說。 


　　數(shù)字實(shí)踐的成功案例 


　　如今，鳳凰中心擁有迷人的曲線，大樓整體的樣子看上去十分簡潔，并與周圍空間更加融合，同時(shí)與公園形成很和諧的關(guān)系。 


　　環(huán)形的外殼包裹了南北兩個(gè)辦公空間，辦公部分放在南側(cè)，演播室放在北側(cè)。而南高北低的關(guān)系，既為辦公空間創(chuàng)造了良好的日照、通風(fēng)、景觀條件，避免演播空間的光照與噪音問題，又巧妙的避開了對(duì)北側(cè)居民住宅的日照遮擋的影響，是一個(gè)一舉兩得的構(gòu)想。 


　　鳳凰中心最終的形態(tài)由3800塊玻璃幕墻單元圍合，每一塊都有不同的尺寸和細(xì)部節(jié)點(diǎn)。“3D建模軟件讓建筑師能夠構(gòu)思和實(shí)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目，并且需要很高的控制精度?！鄙垌f平說。 


　　這些楔形幕墻單元的玻璃每一塊的形狀和尺寸都不同，且不是正方形而是菱形，這也為建造帶來了很大的困難。正因?yàn)閿?shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，幕墻廠家能夠精準(zhǔn)快速的自動(dòng)生成所有幕墻的幾何尺寸，從而進(jìn)行下料生產(chǎn)，數(shù)控機(jī)床最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的設(shè)計(jì)、加工建造、控制，從而可以為設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行生產(chǎn)加工，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控幕墻的自動(dòng)化。 

　　巨大的玻璃幕墻使得建筑與朝陽公園形成了視覺上的連續(xù)性，并一直延伸到周邊街區(qū)。整個(gè)建筑也充分體現(xiàn)了對(duì)綠色節(jié)能和低碳環(huán)保設(shè)計(jì)理念的響應(yīng)。光滑的外形沒有鋪設(shè)一根雨水管，所有在表皮形成的雨水順著外表的主肋導(dǎo)向建筑底部連續(xù)的雨水收集池，經(jīng)過集中過濾處理后提供藝術(shù)水景及庭院澆灌。 


　　建筑外殼同時(shí)又是一件“綠色外衣”，它為功能空間提供了氣候緩沖空間。建筑的雙層外皮很好地提高了功能區(qū)的舒適度和建筑能耗。 


　　鳳凰中心是一個(gè)數(shù)字實(shí)踐的成功案例，帶有強(qiáng)烈的數(shù)字印記。它首次實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)企業(yè)、制造企業(yè)、建造企業(yè)全面數(shù)字化對(duì)接。通過信息模型，實(shí)現(xiàn)無紙化設(shè)計(jì)深化、加工，實(shí)現(xiàn)了精確的工程控制；它也真正實(shí)現(xiàn)了建筑的全信息化模式。未來，數(shù)字信息庫還會(huì)用在建筑的全生命周期，如運(yùn)營、維護(hù)、安防等階段，大大推動(dòng)了中國建筑產(chǎn)業(yè)信息化水平。 


　　邵韋平告訴記者，“目前，這一創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在了北京CBD核心區(qū)第一高樓，526m的Z15地塊‘中國尊’超高層辦公樓的設(shè)計(jì)實(shí)踐中?！?/p>