基于参数化设计之大跨度结构形态及表皮体系优化＊——以中国（海南）南海博物馆屋盖为例

苏朝浩 向科 施立阳

1华南理工大学建筑设计研究院股份有限公司

2华南理工大学建筑学院

以“丝路逐浪，南海方舟”为主题的中国（海南）南海博物馆是我国第一座建成的适应“一带一路”发展战略的国家级海洋类综合性博物馆，是一个融合海洋文化特征与海南地域特色、凸显公共性需求、适应复杂场地条件、具有浓郁滨海人文风情和充满活力的文化活动场所，更是体验南海文化、海南文化与中国海洋大国风采的物质载体及滨海文化的场所（图1）。

博物馆总用地面积100 196m2，总建筑面积70 593m2，包括展陈、业务保障、科研教育、科技服务及服务于“一带一路”的会议展览交流平台等功能，容积率0.576，绿地率30.2%，建筑密度28%，建筑最高点48.45m，建筑高度为36.15m。建筑契合场地形成南北长、东西窄、面向水面微微弯曲的狭长建筑体量，保留横贯基地内的红树林河道。整体建筑分为南、北二区：南区为博物馆主体，地下1层，地上5层；北区地上5层，主要为会展功能。南、北区通过最大跨度约为60m的空中平台和屋盖连接为一体。

1 屋盖的意义与挑战

设计力求最大化体现中国海洋大国的风采和气度，创作灵感源自海南民居船型屋的建筑形体，一气呵成、简洁洗练，与滨海场地形成良好的耦合关系。为了充分展现海南特色、南海特色，在大屋盖的设计中通过对海船、海浪、渔网、船型屋等元素的表达，以抽象、现代的建筑形态传神地再现南海海洋文化及海南本土文化的特性，达到地域性、文化性与时代性的和谐统一。

通过大屋盖空间形态的舒张与紧缩，形成张弛有序、丰富的空间关系。满足大型文化建筑室内空间的层次性、明确性和高品质要求，空间设置与展陈内容相得益彰。在建筑内部靠近滨水区域南北向布置连续通高的公共空间，作为空间和观展主轴，串接不同功能区。连续起伏的坡屋顶下形成具有层次的内部空间，实现了良好的建筑室内外、建筑与海洋的互动关系。一方面，具有传统建筑风味的大屋盖体系，也是立面造型的重要组成部分，屋面与立面的关系密不可分；另一方面，其下覆盖的公共廊道是核心空间。因此，屋盖的下表面对于公共空间的表达具有着特殊的意义。

在从设计到施工、竣工总共不到11个月的过程中，屋盖设计须应对多个挑战：1）规模大而复杂，屋盖体系是长度约280m、面积为26 800m2的双曲面，坡度急陡；2）施工条件恶劣，暴晒的天气导致屋盖内部强烈的温度应力；3）面临着强台风的冲击和考验。因此，在设计及施工周期如此紧张等限制条件下，考虑到项目施工完成度的品质要求，屋盖体系如何进行表皮有理化，以适应施工、结构形态的匹配和调适优化构成了设计的关键[1]。

2 面向施工效率的表皮优化

1 鸟瞰视角下的“南海方舟”

业主：中国（海南）南海博物馆

建设地点：海南省琼海市潭门镇

建筑设计：华南理工大学建筑设计研究院有限公司

项目负责人：何镜堂、郭卫宏、向科

设计团队：何镜堂、郭卫宏、向科、何炽立、刘涛、梁玮健、苏朝浩、黄翰星、徐文娜、许喆、黄文耀、谢敏奇等（建筑）；方小丹、丁少润、王帆等（结构）；林小海、杜智恒等（暖通）；岑洪金、江帆等（给排水）；俞洋、陈卫彬、过仕佳、陈华坚等（电气）；耿望阳、范细妹等（智能化）；陈卓伦、胡文斌等（节能）；王朔等（BIM）；何耀炳等（管综）；周华忠等（概算）；广州普邦园林股份有限公司，晏忠等（景观）；广州市城市组设计有限公司（室内）

总建筑面积：70 593m2

设计时间：2015.08～2016.08

建成时间：2017.06

摄影：战长恒、姚力

2 总平面图

3 渔港视角下的“南海方舟”

大屋盖的表皮肌理来自于渔网、鱼鳞等海洋文化的样本，菱形的网格划分契合文化意象，但也对建筑构造及施工工艺提出了更高的要求。首先，整个屋盖在平面上弯曲，在垂直方向上也是不规整的曲线轮廓，这就导致生成的形体是一个不规则的双曲面，长度方向上各个断面的坡度各不相同；第二，两端在垂直方向上的高度不同，导致同数量的网格划分后每个单元的尺寸也不尽相同；第三，由于曲率不同，划分后的单元四个角点不共面，无论对于金属屋面板还是玻璃天窗都是非常规的订制品，造价非常昂贵。因此，整个屋盖体系在保证原有方案设计理念的可实施性基础上，还要保证其具有适应于短周期、合理造价的项目总体要求，必须进行优化调适，决定采用Rhino及插件Grasshopper进行程序编制及调试[2]。

2.1 初步平板化分析

首先，根据铝板的常规尺寸进行单元划分。屋盖采用铝板作为装饰面板，其单元划分必须依照产品的出厂常规尺寸（铝板板材边长2.44m）进行，避免出现定制化的超大尺寸单元。沿着长边X和短边Y分别设置两个参数，采用菱形划分的算法，每个单元的边长尺寸控制在2.35m以内。在此基础上，设定每一个单元4个角点的变量，计算每个角点与其他3个角点形成的平面间距离H，并分析H数值的分布，通过图像直观表达。通过初步分析可得到：H最大值为128.037mm，最小值为11.003mm。从实际工程施工的误差拟合角度出发，H为30～40mm的翘曲是能够通过铝板本身的弯弧加以拟合的，那么假设H的极限值取为40mm，从彩色分布图中可以得出，原有设计方案的双曲面中大部分的H值超标，会出现大量的非常规铝板，将导致造价和施工工艺不可控。

2.2 迭代优化

基于施工效率、准确率的考虑，通过参数化设计对原始双曲面进行优化非常必要。首先，对原始曲面进行单元划分，生成了位于单元角点上的控制点；进而将这些控制点进行面外法向量的偏移，作为一个迭代的参数；将这些变量输入到基因算法的控件进行迭代运算，设置好H值的目标；运算程序收敛之后，可以通过新的控制点生成新的双曲面。最后，对生成的双曲面进行适应性的综合评估。

2.3 分段优化

从整体曲面的迭代优化结果分析，新的曲面虽然能够很好满足单元划分后的翘曲可控和施工高效性要求；但边缘的轮廓曲线却不受控，与周边的形体关系难以协调。因此，新的策略是在长度方向上将整体曲面进行分段，并参考上一个步骤迭代优化后曲面的若干断面线进行新一轮调适，再输入到迭代程序中进行验证，最终取得一个折中的优化结果，使得大部分单元能够满足工程施工所允许的“四点不共面”的误差要求，将不满足的单元控制在10%以内并通过定制生产。这是一个适应于边界条件的折中优化方法。

4 初步的单元划分与平板率分析

5 引入基因算法进行迭代优化

6 引入基因算法进行迭代优化

7 分段迭代优化

8 分段迭代优化

9 大屋盖顶部细部

10 大屋盖顶部细部

11 双层网架厚度1.2～0.4m范围的形态比选

12 强调交叉方向上的差异性的两种方式

3 网架结构形式的比选

临海大屋盖对应其下部是公共大厅，也是各个展厅和会议厅的前厅部分，空间高耸而狭长，屋盖的下表面构成了公共大厅视觉空间的重要组成部分，因此大跨度的空间结构形式就显得非常重要。对应于菱形网格的表皮肌理，网架结构更加具有适应性[3]，它不仅在两个方向上具有均等性，而且网格的交点跟金属屋盖或者吊顶更容易交接，构造也较为简单。然而，网架的在视觉空间上的缺点也非常突出，容易导致空间界面的混乱，韵律感相对较差。因此，作为建筑的结构[4]，网架必须进行形态设计，令其产生空间形式美。

3.1 控制网架的厚度与网格单元大小的比例

网格的单元划分需要与表皮的单元发生对应关系，以减少附加的转换骨架，可大大减少成本和节约施工工期。因此，单元的划分不能太大，避免超出金属表皮的标准产品尺寸；也不宜太小，而降低结构体系的效能。在单元划分优化的基础上，双层网架的厚度W是一个重要的参数，通过W参数的变化（0.4～1.2）可以作为判断构件群组内部韵律感的依据：当W=1.2m时，结构刚度较大、构件截面较小，但是构件群组在距离视点的中远端已经非常混乱，相互干扰程度严重；当W=0.8m时，中远端的相互干扰程度有较为明显的改善；而到了W=0.4m时，情况则更为理想，但此时结构的刚度明显减弱，构件截面尺度加大幅度较多。

3.2 强调交叉方向上的差异性

另外一种强化结构形态分布韵律感的策略是强化交叉方向上构件的差异性。第一种方式是尝试添加单方向的节点板，在节点的位置沿着一个方向增加节点板，既可进行结构加强，也能在一个方向上起到强化视觉效果的作用。第二种方式是尝试将一个方向上的上下弦进行合并，做成一个整体构架，形成一种较为特殊的网架形式，较好地体现构件的节奏感，同时也有一定的细节表现力；但其缺点是腹板部分在结构受力上作用不明显，经济性稍差。这两种方式都为视觉空间表现提供良好的基础形态，无论是结构裸露或是结合菱形网格的吊顶体系，都具有良好的适应性和结构表现的可能性。

4 竖向构件与结构网格的对位优化

观海大厅是一个特色空间，高耸而狭长，为了充分利用渔港的湾景，临海的界面需要简约而富有表现力。Y形柱能够很好地解决大柱跨和界面通透性的问题，但跟玻璃幕墙平行的Y形柱的轴线与其上方的网架节点却存在着难以对位的问题。假如将Y形柱的两个枝丫进行扭转以对位其附近的网架节点，会破坏整个Y形柱阵列的韵律；而如果通过结构转换的方式进行对接，则转换的构造会非常复杂，也会在局部破坏网架结构的表现力。为了解决这个问题，网架的网格划分必须进行重新的调整，Y形柱的枝丫也必须具备一定的移动幅度。

13 引入遗传算法迭代求解

14 引入遗传算法迭代求解

15 遗传算法的最终优解

16 遗传算法的最终优解

17 观海大厅

18 观海大厅

在优化的程序中引入了“遗传算法”，设定了以下几个主要的变量参数：1）网格的数量；2）网格节点的位移；3）Y形柱的开叉角度及范围；4）Y形柱的开叉高度及范围；5）Y形柱末端与节点之间的距离及范围。通过这些主要的变量参数的输入与测试，程序运算收敛之后得出若干过程的比选形态，通过筛选得出一个较为优化的结果。虽然，最终的Y形柱还是难免在形态上出现了大小不一的微差，但在整个空间纵向的视觉效果上还是呈现出韵律感和良好表现力；而在柱子末端与网架的节点对位上，大大减少了工程难度，整体受力合理、构造简单，节约了成本和时间。

5 结语

在日益复杂的大型公共建筑设计及施工过程中，结构形态与建筑形态之间的匹配与协同是一个关乎建筑完成度和质量控制的重要问题[5]。参数化设计是一个解决复杂结构形态与建筑形态之间有效协同的强大手段，能为建筑项目从方案设计、优化设计至施工配合等环节提供强有力的技术保障。