非线性建筑设计中的细部优化与误差调节

2019-09-11李晓岸

建筑技艺 2019年7期

关键词：细部转角曲面

李晓岸

LI Xiao’an

楷亚锐衡设计规划咨询（上海）有限公司北京分公司

1 研究背景

近些年来随着我国经济和技术水平的提高，越来越多夺人眼球的非线性建筑作为城市地标建成并投入使用，其中不乏国内设计方完成的作品。但目前国内设计方在设计和建造复杂非线性建筑，特别是其细部设计和建造方面与欧美发达国家仍存在一定的差距。

以扎哈·哈迪德设计的广州歌剧院为例，扎哈事务所只做到了项目的初步设计阶段，后期的施工图设计由当地设计单位完成。但拥有较强非线性建筑设计经验的扎哈事务所在施工图阶段没有给予足够的指导和帮助，加之当地设计单位经验不足，导致建筑立面的细分、室内管线与结构交接节点等细部设计处理不当。建造过程中未能及时修正这些问题，再加上本身复杂的曲面形体选择石材作为表皮就极不合理，最终导致建成的广州歌剧院立面拼缝参差不齐（图1，2），室内管线的保护板与主体结构之间连接粗糙（图3）。广州歌剧院的建成效果在一定程度上反映了国内非线性建筑存在的问题，作为造型独特的地标性建筑，“只可远观”成为人们诟病的对象。

受到成本、工期、技术等因素影响，非线性建筑的建造精度无法达到汽车、飞机等工业产品的加工精度，需要在设计阶段提前考虑如何处理可能出现的误差。本文总结了非线性建筑设计中常用的几类细部和节点设计方法，有助于增加建筑细节、减小误差或降低误差感知，使建筑的外观更加精致。

1 广州歌剧院细部效果

2 广州歌剧院细部效果

3 广州歌剧院细部效果

2 非线性建筑的细部优化设计

不少本土的非线性建筑远看造型别具特色，但近看往往缺乏细节设计。非线性建筑的细部优化是通过一些细部构造的设计增加建筑近人尺度的细节，提高人对建筑的感知精度。这里的感知精度是指人对物体的精确程度的感受，感知精度高的建筑给人以“精致”“高档”的心理感受，所以感知精度也可以理解成建筑的精致程度[1]。它是一个评价概念，因人而异。细部设计的种类非常多，在非线性建筑设计中常用的几类包括：构件拼贴方式的设计、转角的设计、分隔缝的细部设计等。

2.1 构件拼贴方式设计

构件拼贴通常指采用曲面板材单元弥合建筑整体曲面的组合方式，主要有无缝拼贴、等缝拼贴、搭接拼贴等。

（1）无缝拼贴

无缝拼贴是使用单独一整块构件组成建筑，或采用跟构件单元相同的材料填充单元间的缝隙，并通过处理让人看不到缝隙。无缝拼贴使得建筑看起来是一个连续光滑的整体，在视觉效果上很有吸引力。比如英国艺术家安尼诗·卡普尔在芝加哥千禧公园设计的“云门”（Cloud Gate）雕塑，因为特别像一颗豌豆，所以当地人亲切地称呼其为“芝加哥豆”（Chicago Bean）。高20m、宽10m的“芝加哥豆”由168块10mm厚的曲面不锈钢板固定在内部的钢骨架上，通过焊接填充不锈钢板之间的缝隙，使用砂纸和打磨机对焊接缝进行细致的打磨抛光，最后展现出光滑如镜面般无缝隙的视觉效果（图4，5）[2]。

4 “芝加哥豆”外观

5 “芝加哥豆”外观

无缝拼贴一般只适用于小型建筑、建筑小品或温度变化不大的室内设计中。因为大型建筑受温度变形影响较大，当单元间的缝隙没有预留变形的空间或使用软性材料吸收变形产生的应力时，积累的应力有可能会对接缝处产生破坏，产生漏水或结构裂缝等问题。

（2）等缝拼贴

等缝拼贴是构件单元之间留出均匀的缝隙，缝隙中空或者使用其他材料填充。采用这种方式进行拼贴，缝与构件单元一起作为建筑外观的一部分，所以一方面要将建筑曲面划分为便于构件单元加工且视觉美观的网格，另一方面要对缝的细部外观进行设计。一般采用三角形、四边形、六边形等结构更合理、建造更简单的单元网格对曲面进行划分。

三角形划分得到的构件是平面三角形，构件的加工建造是最简便的，但节点一般连接有6个三角形构件单元，且连接角度各不相同，所以节点的制作及安装比较麻烦。福斯特的大英博物馆中庭屋顶、扎哈的广州歌剧院都采用了三角形划分方式。

四边形划分一般是在计算机中提取描述曲面特征的四边形线框，对曲面进行划分。这种划分方式形成的图案较均匀，结构也比较合理，划分形成的网格既可以是四边形表皮面板的轮廓，也可以是面板后龙骨结构的框架。划分形成的四边形表皮面板通过构件优化，尽可能多地转化为平面和单曲面构件，或者少量双曲面构件，从而达到降低造价的目的。扎哈设计的盖达尔·阿利耶夫文化中心就采用的是标准的四边形网格对外表皮曲面进行划分，以GRC面板进行拼贴的方式（图6）。为了让四边形划分的外观效果更加丰富，也可以对分割线进行平移或局部删除等操作，形成有趣的划分图案。建筑师朱锫设计的深圳OCT设计博物馆对立面四边形划分做了小的调整，设计师将竖直方向的分隔缝整体平移，水平方向上保持不变，形成类似砖块堆砌的效果（图7）。盖里在西雅图设计的体验音乐中心则以标准的四边形划分为基础，通过程序控制删减一部分分隔线，形成看似不规则的四边形划分图案（图8，9）。建筑师采用大小不一的曲面四边形彩色金属板，上面的金属板下缘搭接在下面的金属板板上缘，拟合复杂的整体曲面外表皮。

6 立面的四边形划分方式

7 立面的四边形划分方式

8 体验音乐中心的立面设计划分过程

9 体验音乐中心的立面设计划分过程

六边形划分像蜂巢一样，整体形式美观，且结构合理，常用于规则的球形曲面或椭球形曲面的划分上，这样能够保证细分成的六边形构件仍是平面构件，比如格雷姆·肖设计的伊甸园项目。当曲面比较复杂时，细分成的六边形不是平面构件，加工难度比较大，且比起四边形构件更加浪费材料，则不适合采用六边形划分方式。

相比于搭接拼贴，等缝拼接要求建造后缝均匀整齐，所以对构件的加工精度及安装精度要求更高。

（3）搭接拼贴

搭接拼贴是将构件单元像中国传统屋顶瓦片的布置方式一样相互搭接。在搭接时一般采用统一的上层压下层或左侧压右侧的方式，上层压下层更有利于排水。搭接保证同一层构件的下边缘是对齐的，上边缘是隐藏在上一层构件的内侧，即使构件因为加工精度问题造成上边缘不齐，也不会被看到。盖里设计的洛杉矶迪士尼音乐厅（图10）和西雅图体验音乐中心的立面曲面金属板（图11），都是采用搭接拼贴的方式。搭接拼贴能够有效地隐藏部分加工误差，并且不需要额外设计连接节点，只需要将曲面板连接到背面的龙骨结构上即可，是非线性建筑曲面拼贴简便易行且效果较好的方式。选择合适的构件拼贴方式需要根据建筑的大小、设计外观效果、立面的功能需求、加工精度的情况等方面进行综合考虑。

10 曲面搭接拼贴方式

11 曲面搭接拼贴方式

2.2 转角设计

正如领口、袖口在服装中的重要地位一样，建筑的转角是形体发生转折、收口的位置，处理好转角的细节对于提升人对建筑的感知精度非常明显[1]。一般非线性建筑表皮都会干挂较薄的面板，如金属板、GRC板等。在建筑转角处，两块板之间会形成一道缝隙，也会露出面板的边缘截面，需要专门对转角处的面板构件进行处理，提高转角的精度。

例如盖里设计的路易斯威登基金会的墙体采用GRC板进行拼贴，并对转角处的GRC板切口做了小圆角处理，相邻两个面相交处留出均匀的缝隙，突出建筑的转角（图12）。更好的处理方法是直接定制生产转角构件，保证建筑在转角处是连续的。例如扎哈设计的香港理工大学艺术系馆立面使用白色不锈钢板，转折处的构件不是分成两个部分进行拼贴，而是一体化加工而成，保证转角光滑、连续且没有缝隙（图13）。根据人的知觉规律，一般情况下弧形的转角相对于尖角感知精度更高[1]。比如卡拉特拉瓦设计的里昂机场火车站主结构的柱脚采用的是现浇曲面混凝土，曲面的转角从底部转折往上逐渐变成圆角平滑过渡，提高了构件感知精度（图14）。

有时在建筑的转角处会专门以一些构件进行包裹，隐藏转角处的误差。住宅室内装修常用的地板踢脚线、墙的护角都起到类似的作用。例如在盖里的迪士尼音乐厅设计中，立面的转角处使用了颜色相同的铝合金护角压条，在保护转角不被破坏的同时，遮挡住两块拼贴的不锈钢板之间的缝隙。不过迪士尼音乐厅只是在人使用的高度设置了压条，较高的位置则裸露出缝，因为缝并不均匀，难免略显粗糙（图15）。迈耶设计的盖蒂中心，表皮采用白色的铝塑板，转角处则专门设计了一体化的转角构件，消除了转角处的缝隙，形成非常干净整齐的交接线（图16）。

12 非线性建筑的转角处理

13 非线性建筑的转角处理

14 非线性建筑的转角处理

15 建筑转角构件

16 建筑转角构件

2.3 建筑分隔缝细部设计

建筑的分隔缝是在两个构件单元间留出一定空间，或是在之间填充软性材料（如结构胶、泡沫等），区别于建筑因结构功能需要而设置的变形缝、沉降缝和防震缝。分隔缝的设置起到释放构件因温度等变形产生的应力、增加建筑细节、提高感知精度、消解构件单元的加工误差等作用。分隔缝的细部根据缝的材料进行分类，主要有直接将构件空开一定缝隙、使用结构胶填充缝、使用构件遮盖缝隙等方式。

当外立面没有防水保温的功能，只是作为饰面材料时，常常直接留出分隔缝。外饰面板通过背面的连接件与龙骨结构相连，即干挂幕墙结构。大部分非线性建筑的外墙板之间都是采用这种形式，例如建筑师朱锫设计的深圳OCT设计博物馆采用了不锈钢板进行立面拼贴，水平方向预留了约10mm宽的缝，竖直方向预留了约5mm宽的缝（图17）。直接预留缝的方式建造比较简单，不用再对缝进行处理，但要求构件加工和安装的精度较高，以保证缝均匀整齐。

使用结构胶填充缝和构件遮盖缝是在玻璃幕墙建造中使用最为广泛的方式。结构胶有很好的防水、保温、耐候特性，而且能吸收玻璃热胀冷缩产生的变形应力。划分幕墙的框架提供一定的结构加强的功能，并且能隐藏因玻璃加工误差导致缝隙不均问题，设计精巧的构件也能增加整个立面的细节。这两种处理方式同时应用在盖里设计的路易斯威登基金会帆船造型的曲面玻璃上，主方向采用铝合金玻璃框架，次方向上在玻璃之间填充白色结构胶（图18）。盖里设计的迪士尼音乐厅在水平方向上采用搭接形式，竖直方向的缝之间插入了与立面板材相同的不锈钢条（图19），使得分隔缝的细部更加精致，同时起到一定的防水作用。

17 非线性建筑分隔缝细部

18 非线性建筑分隔缝细部

19 非线性建筑分隔缝细部

工厂加工的构件单元运送到现场进行拼装，拼装后要保证缝的宽度均匀、合适。构件拼装过程中同时要保证分隔缝排布整齐，要对齐的缝必须连成一条直线，其他缝也要保证相互平行，使建筑的立面划分具有规则性。

3 非线性建筑的连接节点优化设计

非线性建筑的连接节点优化设计是以便于建造、调节误差等为目的，对连接构件的节点所做的优化调整。非线性建筑的连接节点需要建造安装简便，可以采用同一种或相似的节点方式连接各种形状的构件单元，且具有一定调节误差的功能。复杂的节点尽可能在工厂加工，安装时只需要将构件与连接节点对齐，再采用相应方式连接即可，尽量避免每连接一个构件都需要使用测量仪器或工具进行定位。连接节点尽量藏在构件后面，这样就不需要对节点的外观进行过多处理，满足使用功能要求即可。非线性建筑的连接主要分为螺栓连接、套管连接、胶粘、焊接等方式。

3.1 螺栓连接

螺栓连接常应用于曲面板材与主体结构连接，通过调节隐藏在构件单元后面的螺栓长度来调节构件位置，从而调节误差。一般曲面板是通过螺栓连接在后面的龙骨上，龙骨和曲面板之间会为螺栓调节预留出一定距离。例如盖里设计的迪士尼音乐厅不锈钢板外立面，通过螺栓连接在钢龙骨上，钢龙骨再通过螺栓连接在主体钢结构上。曲面板材会因为变形或加工精度不够等原因，导致相邻的板材间的缝隙不均匀。通过调整不锈钢板内侧的螺栓，可以调节板的位置，使得不锈钢板搭接的缝隙均匀一致，外立面呈光滑连续的曲面（图20）。连接件都隐藏在不锈钢板背后，使得建筑外立面没有多余的构造，看起来十分纯净，背后的连接件也不需要进行额外的装饰，降低了建造成本。

20 迪士尼音乐厅不锈钢板立面的构造调整

3.2 套管连接

套管连接常作为杆件连接的构造方式，通过调节连接两个杆件的套管的位置，控制杆件位置的误差。在国家大剧院钢网架的设计中，最初巴黎机场设计公司为了满足预制钛板和玻璃幕墙的安装条件，要求构件安装的允许偏差为±2mm，并且要求全部结构进行预拼装，保证安装质量。但对于长212m、宽143m、高45m的巨型椭球屋顶，要达到这种精度需要耗费极大的财力、人力[3]。为降低建造成本，钢结构设计和施工单位上海机械施工有限公司对钢结构的连接节点进行了优化。从原先法方提出的利用螺栓和法兰的连接方式，变为利用套管连接，构件与套管进行焊接固定位置。套管可进行较大范围的移动，调节误差量比较大，降低了构件制作的加工精度要求，从而降低造价（图21）[4]。

21 国家大剧院钢网架连接节点

3.3 胶粘连接

胶粘常用于非金属构件的连接，如玻璃、铝塑板、胶合木等。用于胶粘的结构胶具有一定变形能力，起到释放构件因温度等变形产生的应力，调节构件间缝隙误差的作用。但胶粘的耐久性与其他连接方式还有一定差距，对于一些关键的不容易进行维护和更换的隐蔽节点，应选用更为牢靠的方式。

3.4 焊接连接

焊接常用于金属构件的连接，在非线性建筑建造中，相比于螺栓和套管连接，焊接对工艺要求更高，建造难度较大，一般不推荐。组成非线性建筑的构件往往各不相同，需要设计同一种或相似的连接节点，以满足各种形状构件单元的连接要求。例如大英博物馆中庭屋顶的三角形钢网架，每个节点都要与6根矩形截面的钢杆件相连，并且通过节点传递力和弯矩，杆件之间的角度从26°～110°不等。如果采用传统的球节点，每个球节点开孔的位置都不一样，加工难度大且不容易准确，安装时出现误差也比较难以调整。通过和钢结构专家一起进行研究，福斯特事务所设计了一种简便易行的节点连接方式。当矩形截面的钢杆件汇聚到节点时，截面缩为三角形，采用焊接的方法连接各个杆件，满足各方向杆件的连接要求（图22）。这样不仅使安装时节点焊接更加简便、准确，同时增加了焊接的长度，减少了焊接的深度，避免了焊接过深导致构件由于温度变形产生多余应力的情况[5]。

22 大英博物馆屋顶钢网架节点

有时构件交接的连接节点并不能完全消除误差，只需在满足建筑功能的前提下，用构件遮挡住可观察到误差的部位让人看不到误差，便可以使得建筑看起来更加精致。这类误差隐藏构造主要有构件相互搭接布置、在构件交接处使用扣板或压条等方式。

构件相互搭接布置是最简单常用的隐藏误差的方式，不需要额外设置构造节点，只需将构件像中国传统屋顶的瓦片的布置方式一样相互搭接即可。搭接常用在曲面板的误差隐藏中，在搭接时一般采用上层板压下层板的方式，这样可以保证水流不进板材内侧。搭接保证同一层构件的下边缘是对齐的，上边缘是隐藏在上一层的构件内侧，即使构件因为精度原因造成上边缘不对齐，也不会被人看到，如迪士尼音乐厅和体验音乐中心的立面搭接拼贴方式。

在构件交接处使用扣板或压条，来遮挡构件交接时出现的误差。比如在室内装修铺地板时，经常会在地面与墙交接的地方设置踢脚，一方面是为了保护墙脚，另一方面是通过踢脚遮挡住地板铺设到墙角时出现的参差不齐的缝。玻璃幕墙的分隔框架在提供一定的结构加强功能的同时，也隐藏了因玻璃加工误差导致缝隙不均的问题，设计精巧的构件也能增加整个立面的细节。在建筑的转角使用的护角压条，一方面保护转角不被碰坏，另一方面遮挡住来自两个面拼贴的构件之间的缝隙。