复杂形体的数字技术综合解决方案——腾冲市民俗展览馆数字设计研究与实践

姚稼澍 赵榕娜 尹武先

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

建筑师对建筑造型设计孜孜不倦的探索、业主对建筑造型的各种定制需求，使得越来越多的复杂形体方案应运而生。因为复杂形体具有空间复杂曲面的特征，传统的二维设计方法和设计配合模式无法满足方案深化、施工图设计与多专业协调的需求，造成复杂形体建筑工程造价过高、施工难度大、建成效果不尽人意的状况。

数字技术的出现为有效应对复杂建筑提供了新的工具、工作流和方法论，但各类数字技术工具各有所长，项目在不同设计阶段对数字工具的需求也有所差异。因此，如何搭建一套综合数字技术解决方案，整合现有数字技术完成多专业间的协调与不同阶段的信息传递，是高效、精准、经济地实现复杂形体建筑设计的关键所在。本文以腾冲市民俗展览馆为例，在现有参数化及BIM技术的基础上，通过自定义编程技术与接口开发，创新地实现了参数化技术与BIM技术的高度融合，打通了复杂建筑设计的各个环节，有效应对设计中出现的各类数据流动、信息整合、多专业及多平台协同设计问题，走出了一条高效应对复杂建筑设计的数字技术综合应用之道，为其他此类建筑工程提供了案例借鉴。

1 工程概况

腾冲民俗展览馆位于云南省腾冲市腾越县东湖生态湿地公园南侧、美域湖畔东南。建筑属于小型展览馆，总建筑面积12 309m2，主体建筑高23.70m，主体建筑地上3层，附属设备机房地下1层。

腾冲在历史上具有规模庞大的玉器加工和贸易体系，地域特色是以“翡翠”为代表的玉文化，方案设计的理念即源自当地“玉出腾冲”的俗语。

就建筑形体来说，设计采用圆润的形态、环形的平面；立面延续设计主题，从“玉璧”“玉环”主题出发，结合寓意城市无限发展的“莫比乌斯环”，两个类椭圆形体螺旋上升、相互环绕，围合出复杂的建筑空间，表达出城市发展进程中“历史”与“未来”环环相扣的愿景。

项目复杂的建筑形态使得方案深化和施工图设计遇到以下问题：

（1）复杂形体的精确空间定位。由于建筑形体的变化，在不同标高、不同轴号下建筑外轮廓不具有统一性或规则变化性，常规建筑图纸无法精细表达其复杂的空间变化，为方案深化与施工定位带来困难。

（2）复杂表皮的曲面优化与细分。在传统工作模式下的表皮设计中，表皮的网格细分往往受到后期幕墙深化的制约，尤其是异形曲面幕墙的细分设计，最后实施的细分结果时常与初始的表皮概念相悖，表皮效果无法由建筑师把控，会出现建筑造价过高的情况。

（3）复杂帷幕系统结构设计。通常涉及到建筑设计软件与结构设计专业软件之间的信息互导，对于异形建筑形态的结构设计，模型数据的抓取是有效设计的关键。

1 鸟瞰效果图

2 Grasshoper 中的C#运算器

（4）复杂空间的机电设计。倾斜的建筑外墙与曲面向上的屋面影响建筑内部功能的使用品质，这主要由于结构与机电设备需要与异形空间进行配套设计以及准确定位与安装，而这些问题在二维图纸中无法直观呈现并进行设计。

结合以上问题，项目团队通过参数化自定义编程，提出了复杂空间设计的综合解决方案，主要包括参数化设计、接口程序开发、BIM技术创新整合、三维设计等，实现了不同专业、不同阶段的数据无缝对接，从而打通了复杂建筑设计中从概念表达、深化设计到建造控制的高效、精确的工作流与方法论。

2 数字技术平台

2.1 基于Rhino软件的参数化设计平台

参数化设计是将设计要素编写为参数与算法，通过修改参数得到并优化设计结果。腾冲民俗展览馆选用参数化设计主要是应用其逻辑性和动态性，逻辑性适用于深化方案阶段产生的非有理复杂形态的有理化设计；动态性适用于通过改变设计约束条件，深化、调整、推敲设计方案。项目选用Rhino软件平台，是基于其强大的曲面造型能力和丰富的参数化设计插件。

2.1.1 Grasshopper插件

Grasshopper（以下简称GH）为设计师提供了多种可视化的算法运算器，通过逻辑思维自动生成模型结果。在本项目中，主要用于方案深化阶段的复杂形体参数有理化设计和建立具有逻辑性的几何控制，并进行施工图信息的批量生产。

2.1.2 EvoluteTools插件

EvoluteTools插件作用于建筑表皮真正的构造问题，帮助设计师在任何曲面造型上进行细分设计与面板平直化，将精美复杂的曲面造型设计转换为实际的可建项目。通过EvoluteTools及其提供的RhinoScript接口，输出的面板信息可以直接用于加工生产。从设计初期的概念找形、施工图阶段的表皮深化到实施建造，EvoluteTools在降低成本、缩短工期、降低风险、加工实施等方面对项目各方均有很大益处。在本项目中，EvoluteTools主要用于施工图阶段建筑外表皮的深化设计。

2.1.3 Python与C#编程语言

Python与C#编程语言作用于项目的多个阶段，由于GH的开放性，多种编程语言得以在GH环境中以运算器的形式参与GH算法，使GH算法的自由度大幅提升。Python编程还作用于软件之间的接口开发，例如SAP2000与Rhino之间的模型传递。

插件和编程语言的自定义开发与整合应用，形成了自定义条件下强大的参数化工具包，给予了设计师构建全新的数字设计工作流的极高可操作性，提高了Rhino的复杂几何生成能力，高效应对了各类复杂设计问题。

2.2 基于Revit软件的BIM三维协同设计平台

腾冲市民俗展览馆采用Revit软件搭建BIM设计平台，在对其接口进行适当扩展开发的基础上，信息数据可与Rhino等软件模型数据实现无缝对接，避免数据在软件间传递中产生信息丢失或信息不匹配的情况。此外，Revit为项目各参与方提供了“所见即所得”的虚拟建筑体验，能够直观地展示和传递设计成果。同时，Revit凭借出色的信息整合与三维设计能力，实现各专业在同一中心文件下的协同工作，消除传统二维图纸设计流程中建筑、结构、机电专业因图纸信息不同步而产生的错漏碰缺，提高工作效率。

Revit平台的另一参数化设计插件Dynamo，可以帮助Revit在建筑信息管理方面得到更好的发挥，如不同算法规则定制化模型、自动化数据录入、文档编制等。另外，Dynamo为Revit创新性地提供了定制设计工具的机会。作为一款开源插件，Dynamo可以通过Python编程语言调用Revit API，在可视化的界面中，结合用户需要开发自己的Revit插件，定制化需求，实现更高适用度的模型管理与三维设计方法。

3 批量生产异形体量截平面

3 复杂形体的参数化设计

在数字技术的实际操作中，引入“变量”与“约束”去满足设计要求是建筑参数化设计的核心。变量指可变参数，如层高、面积、曲面细分程度等一系列尺寸度量；约束参数意为不可改变的参数或是维护等级较高的参数，如几何元素之间的连通性与几何性。通过设置“变量”与“约束”这两类参数构建三维数字模型并制定参数规则，两者可结合实际需要相互变通，使设计流程具有快速生成、多样修改、反复推敲等一系列优势，为建筑优化设计与建造控制提供严谨的逻辑思维模式与更高效的工作方式。

3.1 建筑表达几何控制

复杂形体的设计表达与节点详图一直是传统设计的痛点。腾冲民俗展览馆以精准的数字模型为基础，利用数字技术定位与表达建筑系统的各个组成部分，明确几何信息边界，有效改善非线性空间形体的二维制图效率。

通过GH算法，可以实现以下设计成果：1）以不同的截平面标高作为可变参数，批量产生在相应截平面标高下的表皮与屋面截面线，实现异形体量精细化平面定位，服务于各类平面施工图；2）将复杂倾斜屋面内外边线展开，精准批量定位屋面边缘各点的三维坐标，使建筑师与工程师在此信息基础上再进行二维平面图纸的深化。

4 复杂屋面内外展开定位

节点详图是建筑精细化建造的另一个关键点。在传统的建筑设计中，为缩减图量并且方便施工，节点详图通常采用较为统一的模数，如统一的坡度、幕墙倒角等。对于复杂自由形体项目，模数的过度消减会导致项目的完成效果有所偏差。在腾冲民俗展览馆中，各个轴线的幕墙倾斜率与屋顶坡度均不相同，利用参数化工具可批量生产各个复杂节点的墙身控制线，在二维制图中准确表达曲面幕墙与土建的几何关系。

3.2 建筑表皮精细化设计

3.2.1 参数化几何网格概述

在通用的学术术语下，网格（Mesh）一般指通过共用的点与线来连接的多边形群组；而在建筑设计的语境中，我们将网格作为建筑表皮的抽象数学模型进行分析，网格的顶点、边线、面表达建筑外表皮结构中的节点、梁、面板。这样单个的网格便可看做是一个实际的建筑表皮单元，从而要考虑实际建筑项目的适用性。

对于曲率较小的自由曲面，四边形网格与原曲面贴合度较高，可通过算法将双曲面变单曲面、单曲面变平板，在保证建筑效果的前提下降低造价。网格细分通过不同的组合规则可设计出多种变体细分方案，如菱形网格、六边形网格、泰森多边形网格等。在腾冲民俗展览馆中，外墙饰面采用铝板面板和玻璃幕墙，其中铝板为四边形铝单板，数字模型中也使用四边形网格进行细分设计。以下表皮精细化设计均为采用EvoluteTools插件、结合自定义程序、实现复杂表皮的平板化拟合与分析。

5 批量生产异形体量墙身定位线

6 根据原始曲面生成的初始网格细分方案

7 初始细分方案中扭曲的网格线

8 局部平面约束使目标网格线平直化

9 局部均衡约束使目标网格线分割均匀

3.2.2 网格细分设计与优化

网格细分参数化设计起始于Nurbs自由曲面，此曲面可被看作网格细分设计的参考对象，表皮细分拟合成果需要在满足其他参数的前提下，无限接近此曲面，接近的程度即为曲面接近值参数（Surface Closeness），这也是表皮细分设计中维护等级最高的“约束”参数。

除曲面接近值之外，网格优化还有诸多其他约束参数，如边缘接近值（Curve Closeness）、最小化网格边线长度（Fairness Spring）、最小化曲率（Fairness Curvature）、最小化曲率变量（Fairness Curvature Variation）等。这些约束参数构成“全局约束系统”，控制细分方案中网格的扭曲、紧缩、位移、均衡曲率等整体效果，从而保证网格与原始曲面的几何相似性与适用性。通过不断修改与尝试，筛选出符合原始曲面的全局约束参数设置，再通过迭代算法计算出初始网格细分方案。此网格方案与原始曲面无限贴合，形状与曲面几乎一致。

经观察我们发现，初始细分方案并不十分完美，为了更接近真实建造的情况，需要局部约束来修正优化措施：在原始方案的拱形上方，竖向网格线与造型曲面之间出现了扭曲，而在实际幕墙构造中，这些点线需要对齐某一平面以实施平板类的构件，同时满足建造与美学的要求。因此，通过数字技术设置局部约束参数并优化算法，使目标点线制约在相应的平面上，以达到幕墙可建造的要求。优化后的竖向网格较之前更平直，也更契合曲面逻辑。此外，面板的尺寸也需要精准考量，为使网格分割美观均匀、相邻两个网格尺寸相近，在局部添加了网格边线长度均衡的约束，让细分方案在建筑表达上满足曲面造型的流畅变化效果，也为后期在建造误差允许的情况下消减面板模数提供了基础，从而降低建造成本。

10 建筑北入口挑空边界线（红色）

11 网格适应性调整后，网格线与红色边界线重合

12 网格线就挑空边界（红色）做适应性调整前后

3.2.3 细分方案基于建筑系统的适应性调整

在网格细分参数化设计中，不仅要关注曲面与细分网格之间的几何拟合关系，也必须考虑建筑本身的影响。在实际的建筑表皮系统中，形体还会被门、窗、挑空等建筑类别元素所打破。如展览馆北侧入口挑空区域在形体上切割了表皮曲面，切割边界与细分网格线并不重合，建筑表皮系统与细分网格之间的关系并未体现出应有的适应性，使得切割网格后会出现半个面板的情况，影响建造效果。因此，通过设置局部约束，对此处横纵网格线进行调整，使其恰好停留在挑空切割的边界上，再利用迭代优化算法顺整网格。

结合以上优化逻辑，对表皮中其他次入口处的网格线也进行调整，使次入口立面开洞上方网格线恰好在设计的通道高度上，在适应建筑系统的同时，保证了整体网格效果。

3.2.4 面板平直度优化

在实际项目中，双曲面幕墙面板较单曲、平板在造价方面有较大差异，利用平板拟合及优化技术将复杂的直纹曲面分解为合适大小与比例的单曲面及平板，并将面板类型控制在最小值，从而降低建造难度以及造价。通过可视化面板翘曲度云图可知，双曲面板数量被控制在较少的数量。

3.3 复杂钢结构参数化设计

13 表皮精细化设计成果

14 表皮精细化设计成果

15 面板翘曲度云图分析

展览馆帷幕系统采用异形钢结构，为避免产生信息误差，利用参数化手段提取建筑模型的幕墙结构线，如幕墙玻璃板块的划分，生成与建筑模型信息高度匹配的结构模型，并通过C#编程技术实现Rhino与SAP2000模型信息数据的无缝对接，打通建筑与结构设计的高效工作流，实现随形而动、快速修改的高效结构设计。

结构设计完成后，利用接口程序无缝反馈含有截面信息的梁、柱及入口钢桁架模型，再通过Python语言编制基于Revit、Rhino及GH的接口程序，在Revit环境中获取截面模型后，进入多专业BIM协同设计阶段。

4 数字技术下的三维协同设计

4.1 跨平台数据传递

从参数化建筑模型、幕墙模型、结构模型到BIM协同模型，数字技术实现了建筑信息在虚拟环境中高质量、高精度的跨平台数据流转。腾冲民俗展览馆施工图阶段，也受益于数字技术优化设计的前端成果。在Rhino平台设计阶段，设计师主要专注于“数字信息模型”，如异形体量、尺寸与定位等，仅能表达建筑设计精准的数字几何概念。这些数字设计成果通过平台间接口，无缝传递至下一设计阶段（Revit平台），再由设计师与工程师以“族”的形式，赋予数字模型详细的建筑属性与功能特性信息，如门窗、结构梁柱、风管设备、幕墙、房间等，并进行数字可视化表达，获得“建筑信息模型（BIM）”，以支持项目在不同阶段的多专业协同设计。

4.2 机电管线排布三维设计

展览馆设计中，曲面种植土屋面螺旋向上，中心屋面由三维曲面玻璃与铝板组成，这些为建筑内部管线空间的设计带来了难题。为使机电管线排布配合屋面曲面顶板并随之向上延伸，BIM技术提供了优选的解决方案：机电全专业预先在三维空间内利用土建虚拟模型梳理出管线走向，对管线标高进行全面分析定位，使管线系统同样在三维空间曲线上贴合曲面屋面；再通过协同作业建立BIM机电模型，并进行管线综合，直观反映净高状态，生成交付成果文件。与二维管线综合相比，三维管线综合有着明显的优势与意义，尤其是在传统图纸表达有困难的复杂空间项目中，三维管线综合能帮助设计师更直观、高效、充分地进行设计，也极大地简化了后期调整的工作量。

4.3 多专业信息协调与管理

在腾冲民俗展览馆项目中，BIM技术致力于解决展览馆复杂空间中的多专业协同问题，讨论并记录方案，为项目参与各方输出多项重要成果。与传统的二维设计图纸相比，基于BIM平台的多专业信息交换更具有完整性与时效性，平台强大的集成技术将各专业数字模型整合至同一界面，可视化各专业间的建筑构件关系，单专业的修改能够及时得到其他专业的反馈，最大程度上避免了因信息遗漏而产生的碰撞，从而减少设计变更，提升工程品质。

在BIM技术的辅助下，建筑信息的数据管理也将在整个设计阶段逐步展开。根据项目进程，运用BIM协同管理平台，所有数据资料采用云存储管理，项目各方能够在云端查看资料及模型。按照项目要求分配项目的成员、阶段、专业、权限等，实现工程进度管理、工单管理、设备管理、成本控制、移动化维保等全关联的协同管理，实现设计与BIM的协同管理。

5 结语

借助数字技术的优势，为复杂建筑设计项目的设计工作组织与建造带来了实质性变革。参数化与BIM技术整合应用的优势拓展了传统建筑工程的设计界面与框架思路，形成了一套自足的数字技术综合解决方案，多维度地提升了工程质量。结合腾冲民俗展览馆项目，主要体现在以下几个方面：

（1）设计质量与效率的提升：利用参数化算法为复杂形体批量生产施工图所需的精准几何定位信息，高效表达复杂形态的建筑设计方案，为项目推进节约大量的时间和精力；在表皮精细化设计过程中，通过参数化编程快速生成合理的网格细分方案，并在曲面拟合度、网格顺整、面板平直度、建筑适应性等方面进行迭代优化，拓展建筑师在表皮设计上的把控度。

16 复杂参数化钢结构设计

17 机电管线排布三维设计

18 多专业BIM 三维协同设计

19 入口透视效果图

20 传统设计工作流与腾冲市民俗展览馆数字技术综合解决方案工作流的比较

（2）施工控制：数字技术生成的全专业BIM模型与表皮精细化模型可直接传递给施工方和幕墙深化方，减少二维图纸传递过程中产生的信息误解和信息丢失，三维数字信息可指导施工定位，帮助施工方充分理解复杂空间建造，保证建筑完成效果。

（3）工作流的简化：数字技术设计平台优化不同设计阶段、不同平台间的数据传递，消除信息孤岛，使不同专业间的沟通更加高效，避免在传统工作模式下各专业信息不同步等导致的大量协调问题。

新的设计问题促进设计工具、手段的革新，新技术应用之初可以提高设计效率和设计质量，随着技术的密集度越来越高，技术的螺旋迭代使得全新的设计工作流、设计思维方式逐渐形成，甚至产生新的设计哲学系统，从而有望彻底改变建筑设计的面貌。本文以腾冲市民俗展览馆为例，通过多种设计技术的“器”，形成新技术的密集应用，并在此基础上提出一整套复杂建筑设计技术解决方案，实现由“术”到“道”的提升，为国内数字设计行业提供讨论范本。随着建筑从业者对数字技术的不断探索与实践，可以预见，数字技术将会在未来建筑设计与建造领域拓展出更多、更宽广的可能。