中庭参数化吊顶生成设计研究——同济大学设计创意学院三期大厅吸音吊顶设计

■ 汪滋淞 Wang Zisong 肖晨昊 Xiao Chenhao 申辰璐 Shen Chenlu

1 背景介述

高校是广大师生进行学习科研的场所，需要安静宜人的声环境，大量的事实表明，大学校园里噪声污染现象日趋普遍，严重干扰了师生正常的学习和沟通[1]，当环境噪声较高时，交谈和思维几乎不能进行，严重影响师生的工作和学习，甚至会造成失眠、疲劳、神经紧张、记忆力衰退等[2]。

同济大学设计创意学院三期大厅，为工业遗产建筑改造空间，大厅高度较高，经常作为教学活动、演出等空间使用，通过对学院使用人群的访谈及调研了解到，噪音和回音回荡在大厅里，使得学生们听不清楚老师的授课内容及同学们的谈话内容，导致注意力分散，影响沟通与交流。与此同时，使用者必须不断提高声音来盖住噪音，产生疲劳感，甚至有精力燃尽的感觉。

项目通过基于声环境优化的吸音吊顶参数化生成设计，结合学院的精神和内涵，深化吊顶装置设计的品质化、功能化，形成具有时代文化气息、充满浓郁的艺术氛围的教学活动场所，创造良好声环境的学习空间。

2 吸音吊顶参数化设计

吸音吊顶是创造舒适和有效率声环境关键设计元素，目前，国外数字化吊顶设计值得借鉴。

悉尼技术大学礼堂吊顶设计强调材料和构造的技术进步。吊顶由超过1 000个独特平面组成了穿孔铝板的流动表皮。表皮连接了天花和墙壁，将光、视听设备、火警和机械服务整合成动态的整体，将新的生活带入到空间中。吊顶的铝板表面的穿孔可以促进声能转化成热能并将其消耗，进而起到吸音降噪的作用，满足大礼堂举办各种活动时对于音效方面的要求（图1）。

我国基于参数化的吊顶设计起步较晚，特别是针对高校中庭空间数字化吊顶设计研究很少，本次设计基于满足空间声学和美学目标，进行参数化吊顶生成设计实践尝试。

3 参数化吊顶生成设计案例

3.1 项目基地概况

同济大学设计创意学院由上海巴士一汽原厂址的机修厂房改造（图2）。其中，机修工厂为20世纪50年代所建，面积2 098m2，钢筋混凝土空腹桁架（壳体屋面）加空间框架结构，外立面以白色涂料[3]、红砖墙面、白色钢窗为主。创意学院建造保留了原有建 筑的空腹桁架和壳体屋面结构。

3.2 声环境测量

项目首先对学院中庭放置声源进行声环境测量，在房间角落及讲台处，每个声源点放置5个测点，声源高度1.6m，与站立的老师等高，测点高度1.2m，与坐着的学生等高，结果见图3：中庭空间声音混乱而复杂，空间现有中频混响时间为4.0s，严重超出国标要求的1.5s，声环境差。而后根据声效测试计算出的所需静音吊顶的面积、数量及预达到的声环境效果数据（表1）：需采用类似120片1.17m×1.17m的吸音吊顶对空间进行改造，可使得中频混响时间降低至1.43s，创造良好的声环境。

图1 悉尼技术大学礼堂吊顶室内实景图

图2 同济大学设计创意学院

3.3 设计注意事项

3.3.1 屋顶承重方式及吊顶高度

学院在重建时进行了结构加固措施，但由于其工业遗产建筑构造的难以改造性，目前学院大厅顶部保留薄壳结构，最薄点不足8cm 厚，无法承受吊顶的重量，因此，不能在薄壳上面像普通吊顶一样安装膨胀螺栓，需从建筑的二层顶部的横梁墙体处拉支撑杆并拉钢丝悬索，并在悬索上面安装吊顶，这对吊顶的最高高度有一定的要求，需尽量低于梁且高于窗户，保证阳光能从窗口均匀射入。

3.3.2 材料的选择

学院大厅为大型空间，为了达到控制空间的混响时间、降低噪声、消除回声的目的，界面材料的吸声处理非常重要。常用材料中，金属和岩棉质量太大，石膏板自重较大，均不适合该设计空间。根据以上情况，设计采用具有较好耐热性和耐潮性，重量轻的玻璃纤维板等环保材料来构成吊顶材料。

3.3.3 室内消防安全

公共活动场所需要考虑消防安全和规范，吊顶设置需避开现有室内消防喷淋头，确保基础设施的正常使用和室内消防安全。

3.4 设计法则

3.4.1 声学设计法则

设计时充分考虑室内空间体型、所选材料对声场的影响，亦需考虑使用者对空间传播声音的主观感受。学院大厅作为教学和演出、展览活动的发声地，语言清晰度和声调宏亮感都是声学设计的重要指标。声学设计时需通过合适形态的吸音吊顶，加强有效的声反射，控制混响时间，防止回声，使声能在空间内均匀分布和扩散。

3.4.2 参数化吊顶方案设计生成法则

参数化设计（Parametric Design）把设计要素变成函数的变量，通过改变函数及算法，使人们能够获得不同的设计方案。参数化设计强调的是输入和输出的对应，参数既可以是静态数值也可是动态数据，通过改变和修正参数达到结果的多元可能[4]。生成设计法则是基于计算机超强的计算能力与以上现象数理原理的结合，当变量或者参数发生改变时，参数影响结果而不改变原先定义的逻辑和规则。

3.5 设计方案

3.5.1 “链元”声环境吸音吊顶设计

设计创意学院不同于传统学院，强调创新、自由的思维，反映在室内中庭吊顶设计上，更需要创新性反映学院精神及内涵。“链元”吸音吊顶设计，从学院文化关键词入手，由灵感、敏锐、创新等词为意向，以思维和大脑为主题，以“神经链接”为元件（图4），在声源比较大的区域，随机生成点云，由点云形成面，借助犀牛（Rhino）、蚂蚱（Grasshopper）软件进行参数化生成设计：设定吊顶在空间中的平面随机点,而后生成地面锚点，将随机生成的点连接起来，形成mesh网格，使用wb插件算法细分mesh网格，对边长进行细分，利用相同的规则逻辑基于优化mesh网格。利用grasshopper中的袋鼠插件进行重力模拟mesh曲面及优化网格细分，并进一步通过控制链接凸点形态的参数变量，使形态元素随着自然演化过程，被转化为变量后的数字系统中的一系列控制曲线，由曲线控制点调整曲面造型，并通过调动模型的坐标调节不同的参数来生成不同的形态（图5）。

图3 设计创意学院空间声测结果

表1 吊顶面积、数量及预期达到的声环境数据效果数据表

链接元件可由学生自己进行裁剪，形成学院师生共同汇聚智慧的理念。元件采用玻璃纤维板，自重轻、吸音性能强、不易潮湿，并易于折叠、切割和生产制作，在吊顶制作中，采用Grasshopper中的双曲面梁（Beam）细分为若干块二维平面，将这些组件通过节点的连接与固定形成弧线造型，为了保证结构的稳定性，采用了双重玻璃纤维板的叠加和拼接。再经RhinoNest程序软件，在反复调试中最优化地将加工构件进行模块化的排版与切割（图6）。在设计中，归纳最基本的规则和原则建构数字模型形态，自主演化波浪、涟漪自然韵律雏形，并生成最终形态（图7）。

图4 声环境吸音吊顶的“神经末梢”参数化设计

图5 “链元”吊顶设计参数化形态调整

3.5.2 “同舟共济”声环境吸音吊顶设计

以同济大学“同舟共济”为主题，在场地分析和概念确立的基础上，提出概念模型，通过不同算法，进行船体规则控制下自组织地生成形态雏形。

模拟船体的框架结构，采用参数化设计运用不同形状剖面连续切片构成船体形态，根据空间的平面尺寸生成空间网格，纵向坐标尽量贴近穹顶上的管道下沿标高，横向坐标在船体形态预定空间范围内由参数变量取值获得。

确定空间网格空间剖分后，在空间网格内生成船体骨架片状的区域，并运用参数化形态设计，进行船体骨架片状的位置及形态调整（图8）。设定若干最高控制点和最低控制点及曲面控制点，标高和曲面在一定范围内随机产生，通过函数方法的优化及调整，计算船体骨架构建的相邻点标高和曲面，形成相对应的数据矩阵。对于船体木质材料的加工构建，利用数控机床进行材料构建制作，整个流程包括：Grasshopper切片生成及编号—数控切割机选择—CAD切片大小确定及排版—调整切片大小及数量—上机试片—修正切片大小及编号—上机切割—切割完成编号（图9）等程序。

图6 “链元”吊顶参数化形态调整

图7 “链元”吊顶参数化室内效果图

在“波浪”的吊顶设计部分，在概念设计初期，设计组发现现有的阿姆斯壮弧形板材的曲面还不够柔和，故应用参数化设计程序，模拟借鉴了自然环境中令人印象深刻并时刻演进中的波浪曲线，在软件中以多条曲线描述形态架构，通过非标准构建，加工形成自由、变换的基本弧形单元网格吊顶形式造型（图10）。

图8 “同舟共济”船体吊顶数字化构建

图9 “同舟共济”船体吊顶切片

波浪吊顶将中庭不同部位区分为停留或穿越区域，船体与弧形板相呼应，保持向门厅俯冲的动态趋向，并在管道、吊灯以及喷淋的位置适当降低波浪吊顶高度，并尽可能避开窗户的开窗位置，防止遮挡光线。经过不断的调试，工作小组把所有的切片、龙骨和节点图形化，根据连接路径，按照定位的构建与悬索，形成主要的结构支架，按照顺序插接，其建构的形态和结构形成一个由多个波浪涌动的互为联系、互为牵制的参数化的吊顶形态（图11）。

在寻找材料的过程中，设计组将目标锁定在铝塑板、钢板、木材、玻璃纤维板四种材料上面，并对材料性能进行了分析：虽然铝塑板颜色较多，方便不同深浅色彩的选择，但通过与厂家交流，发现铝塑板不适合激光切割；而金属板虽然适合激光切割，但是自重过大，目前现场条件无法承重；木材易于加工，但容易受潮而变形，因此只能作为船体骨架的小面积的材料。波浪的弧形吊顶最终选择了耐热性和耐潮性好、重量轻、具有良好加工性的玻璃纤维板。玻璃纤维板色彩采用红色等绚丽明显的色彩，以波浪造型多片连续悬挂，塑造出如丝绸缎带般灵动的流线型天花，顿时让静态的房间有了动态的诗意，强调了空间的灵动自由，成为室内夺目的景致，具有强烈的视觉冲击力（图12）。

图10 “同舟共济”波浪吊顶数字化构建

图11 “同舟共济”波浪吊顶数字化构建

根据测量，在同样面积空间内，弧线形吊顶与普通吊顶相比具有更强的吸音效果。将设计成果运用声学软件EASE进行测试，其声压级、明晰度、语言接受指数都有了明显改善（图13）。在学院宏大而宽阔的穹顶，起伏连绵的朵朵浪花涌动出灵动的美感，乘风破浪的“大船”承载着学子的抱负和心境，实现声学和美学的有机统一，符合设计创意学院的审美和氛围。

4 结语

传统的天花吊顶系统设计初衷是以遮盖建筑设备管道为主，而如今的吸音吊顶设计不再只是简单的装饰功能，更是室内设计的点睛之笔。设计创意学院的吊顶设计先后尝试了多种造型概念及不同的设计手法，通过数字模型构建、参数调整、程序实践、材料选用、构件模块加工研究等过程，对不同的参数化构建有了更加深入的理解。参数化设计算法成为吸音吊顶设计过程中重要的工具。程序设计与吊顶艺术设计相得益彰，灵感的激发和设计技能的提高在这一过程中不断地巧妙黏合，艺术与技术、现代与传统的完美结合，使设计美观与性能完善之间达到了平衡，推进了具有独特造型及风格的吸音吊顶构建形式，创造出一个舒适安全的高校室内声环境。

参考文献：

[1]温小乐,林征峰．模糊矩阵法在校园声环境质量评价中的应用 [J]．环境保护科学 ,2006(08)：57-60．

[2]谭军,黄险峰．对高校校园声环境舒适性评价的研究[J]．声学技术 ,2009(02)：45-47．

[3]邹子敬,刘健．工业遗产适应性再利用中的“嵌入”策略 上海同济大学设计创意学院大楼改扩建设计[J]．时代建筑 ,2016(03)：120-125．

[4]孙宏洋,闫子卿．基于参数化方法的空间形态及表皮设计研究 [J]．现代装饰 (理论 ),2015(11)：102．

图12 “同舟共济”吊顶数字化构建

图13 “同舟共济”吊顶声压级、明晰度、语言接受指数测试