复杂曲面表皮优化设计策略研究与应用

王津红， 强晨阳， 康梦慧

（大连理工大学建筑与艺术学院，辽宁 大连 116000）

0 引言

随着数字技术的不断发展，建筑的设计方法与其呈现的形式正不断地接收着新的冲击与变革。在当下建筑设计中的最能体现技术与艺术的变革性的即是建筑表皮，而在建筑表皮设计实践中，建筑表皮的复杂性也越来越大。复杂曲面的设计与实现问题已经成为了当下建筑师必须面对的挑战。

国内外复杂曲面的研究中，诺曼·福斯特的大英美术馆改造项目对复杂曲面的形态以及结构划分都进行了参数优化来便于工程建造。李晓岸在东大门设计广场中归纳了金属材质的曲面加工方式并进行了实践和应用，吴水根等在某科文化中心项目中对复杂幕墙表皮的优化进行了进行了实践与总结，但是都对优化设计流程与策略缺少充分的介绍。

为此文中结合大连某足球场表皮优化设计，分析复杂曲面表皮对于工程的不便性，设计出一套应用于复杂曲面的优化设计策略，通过针对性的优化

方法为复杂曲面的工程衔接提供支持，提高相似工程的优化效率。

1 复杂曲面表皮与参数化设计

1.1 复杂曲面表皮

“建筑表皮”一词来源于英文“surface”的转译，指的是建筑物的外表面，建筑与外部空间直接接触的界面以及相应组件与组合形式的统称。对于建筑表皮的定义，较为公认的是对其不限制其空间特定位置、厚度以及相应材质等，它是一个相对模糊的概念集合。在具体形式上可能与建筑结构相互分离并构建出另一套系统，而在平面形式上可能较为规整也可能基于复杂曲面而生成。

建筑表皮相关的最早研究来自于建筑师戈特弗里德·森佩尔出版于1851年的《建筑四元素》，书中将早期的居住系统分成围合物、屋顶、火炉和基础，书中的围合物即为最原始的表皮。在这时期，建筑表皮完全从属于功能，处在朴素、本真的原始阶段。建筑表皮的概念一直处于动态变化中，在当今时代得益于计算机强大的算力，设计师可以获得通过人脑无法创造的复杂建筑形式。它打破了传统的自上而下的设计思维壁垒，而是自下而上地、相关地生成许多新的理念。这些理念深刻地丰富了建筑设计的方法与形式。

1.2 参数化设计

参数化设计是一种基于计算机技术发展的设计方法，它将设计中的影响因素看作变量参数。参数化设计的本质特征是各个变量参数之间的系统拓扑结构关系，这种结构关系赋予了参数化设计可延展性而不拘泥于某一确切的形式。因此它不同于传统设计中的推进方法，参数化设计的延展性使它更容易应对条件变化，在设计出现变更后，只需调整相应参数即可自适应生成满足新条件的建筑形式，见图1。

图1 AAMI公园球场

参数化的出现正大规模的取代着传统的一部分重复式设计流程，由参数化设计生成的组件具有很强的适应性，可根据不同限制条件转化生成不同的形态并且组件内部具有系统性的联系。例如在建筑表皮设计中，见图2，组成建筑表皮的杆件与模块可根据表皮自身的曲率变化生成相应合理的形态，无需在不同位置重复相似流程，从而有效的提升了工作效率。在某足球场表皮设计中参数化技术的介入使得设计大大提升了效率减少了许多重复性劳动。

图2 AI Bahar塔表皮

2 复杂曲面表皮优化设计的步骤

在复杂曲面表皮设计中，整套设计与施工流程包含了形态、分组、材料、数据以及构造等。建筑表皮一般由多块表皮单元组合而成，在优化设计过程中需要充分考虑到实际建造要求来对表皮单元进行尺寸优化、曲率优化、空间定位等工作。在复杂曲面表皮设计中，首先需要确定基础曲面造型来作为形态初步设计，其次再对基础曲面进行优化、细分与重构，通过逻辑算法将整体曲面划分成满足建造要求的单元，并在整体与单元间构建一种拓扑关系来加强曲面的整体性。在参数化模型中建立好这种关系后，所有的单元都具有很强的自适应性，能够随着整体的变化而在不同的曲率处生成不同形态的单元。例如建筑表皮结构，建筑表皮优化的同时建筑结构也相应重构，可先在参数化平台上根据算法规则进行建立。建筑表皮与结构应成一体化设计，结构与细部构件由参数进行定义，因此具有很好的易定位性与精确性，保证了结构在复杂曲面上能平滑过渡。建筑表皮的参数化设计方法一般分为如下5个步骤：

2.1 优化表皮曲率

表皮曲率即曲面偏离平面的程度。表皮曲面点在在复杂曲面表皮优化的过程中，表皮的曲率往往是作为第一个考虑的因素。在由前期推敲完基础曲面后，为了方便后期加工与建造，首先需要对曲面进行曲率分析，在建造上往往曲率越大建筑的施工难度也就越大。

2.2 划分表皮单元

表皮单元的划分需要将整体效果和工程可实施性共同考虑，根据效果意向对曲面在UV两个不同方向上进行划分并重构，一般采用方形、菱形和三角形等方便施工的几何图形进行划分。

2.3 赋予形式逻辑

在设计完表皮单元造型并基本确定表皮划分后，对表皮整体外观基于设计前期推敲的形式逻辑来进行构建。需要将前期设计的概念和预期效果转化为可供软件识别的算法逻辑并且这种逻辑构建下的参数化建筑应具备一定适应性。

2.4 编组数据信息

编组数据信息分为，根据逻辑构建步骤的打包方法与根据建筑表皮单元信息的打包方法。逻辑构建步骤的打包方法是为了强化优化策略的逻辑性并利于减少算法的错误率，对表皮优化的算法命令进行打包。而建筑表皮单元信息的打包方法则是首先对表皮上各个单元的信息如顶点坐标、单元边长、单元面积等进行提取，然后将表皮的数字信息进行相应分组打包。表皮单元信息打包使得表皮单元不仅在形态上成为独立的组而在数据结构上也呈现出清晰的分组，有利于对建筑信息的整理与信息流交接。

2.5 深化细节与辅助施工

深化细节这也是一个全程参数化的过程，在修改表皮划分逻辑、开洞大小等关键参数后，外表皮的形式在整体上会相应产生变化，其次再继续深化细节即进行构造设计、节点设计和构件优化设计等一系列过程。并最终用图纸和列表形式输出，辅助后期的施工进行。

3 复杂曲面表皮优化在某足球场项目中的应用

在足球场表皮设计项目中，设计的创作灵感源自充满动势起伏的海浪，效果图见图3。方案力图寻求建筑形体与滨海场地之间良好的耦合关系，见图4。为了充分展现城市特色，建筑内外部界面采用螺旋上升的开放坡道来连接，建立了良好的建筑内与外、建筑与海洋的互动关系。而建筑在表皮设计中，由于曲面的复杂性使得设计的推进面临着巨大的挑战。

图3 足球场效果图

图4 复杂双曲面

（1） 曲面形态为复杂双曲面。足球场整个表皮在竖直方向上的轮廓为不规则曲线，导致足球场整个形态为一复杂双曲面，表皮结构定位非常复杂困难，难以用传统的方式去解决。

（2） 意向效果的划分逻辑与施工要求不符。为了加强表皮的动势效果，表皮划分为上中下三层，每一层在边缘处形成多个单元块密集堆叠状态，使得后期施工与材料安装非常不便，见图5。

图5 边缘收分过于密集

（3） 划分单元繁多不易信息传递。足球场的尺度规模非常巨大，在表皮划分后对意向效果状态难以把控，不易后期调整。并且表皮的相关信息不易传递给加工方与建造方。

整个表皮设计非常复杂，需要在保证原有方案理念的基础上对其进行可实时性的优化来保证其满足项目造价以及周期时间等要求。而参数化模型具有很强的可调试性与系统性等优势，因此项目引入参数化技术并运用文中所归纳的优化逻辑来重新构建表皮曲面。

3.1 优化表皮曲率

在设计中由前期生成的基础曲面为多个椭圆形曲线放样生成，表皮部分为三个相似的复杂双曲面组合而成。考虑到工程的便利性，首先将曲面导入编写好的曲率分析算法中进行计算。然后将计算求得的数据利用可视化处理，将曲率的大小用颜色进行划分，可以方便直观的了解到曲面所需要调整的位置。在曲面的曲率优化方面有两种方法可以，第一种是对基础曲面的原始放样曲线拖动控制点进行调整。第二种则是对曲面进行运用网格柔化算法进行平滑处理。第一种更偏向于手动控制，而第二种则是运用算法逻辑进行针对性的曲率优化。在设计中为了尽量不修改基础曲面造型设计以及可调试性而采用网格柔化的方法进行曲率优化，在尽量保持设计弧度的情况下根据生产工艺的最大极限曲率进行筛选，如图6所示。

图6 曲率优化前后对比图

3.2 划分幕墙单元形态

在划分单元步骤中考虑到施工的效率、准确率等因素，首先通过参数化设计对复杂曲面进行利于加工的单元划分，其单元划分是根据生产商所提供的生产尺寸要求进行确定（方案中采用膜结构为外表皮材料），避免出现订单要求超出工厂工艺水平的情况出现，见图7。如采用菱形划分的算法则可在曲面UV方向设置2个参数，将长宽设置在在例如1.5～2.5m之间。而又考虑到实际工程施工的误差性和施工便利性，为单元间预留出例如50mm的缝隙。在尽量保持原设计划分单元数量的前提下，从建筑造价以及建造工艺便利性来确定最适应的划分尺寸区域。最后决定采用先曲面进行菱形划分，再以菱形单元为组沿较短对角线划分为2个三角面，使得每一个面都处于平板的状态有利于表皮整体的稳定性和耐久性。

图7 单元细分优化后疏密对比

3.3 赋予表皮韵律与变化

为了使得与海边环境与城市特色更好的结合，在表皮色彩和肌理上采用翻滚的“海浪”为设计意向。在Rhino软件中将“海浪”通过参数化设计的形式映射在曲面上，在模型上呈现的则是由深浅不一的蓝色色块有规律的组合而成，在建筑的表皮单元上进行“上色”，并为了整体的美观和动势效果，在Grasshopper平台中建立几条可干扰整体韵律地曲线，并依照单元模块距离曲线的距离大小来映射单元模块的颜色深浅。整个流程采用参数化设计思想，因此可以非常方便的对控制曲线以及算法进行调试来达到最理想的表皮肌理如图8所示。

图8 表皮“上色”

3.4 编组数据信息

在采用Rhino和Grasshopper软件并使用参数化设计方法对表皮进行重新划分的同时，对于模型的数据管理以及算法步骤打包也非常的重要，见图9。在构建算法以及对目标建立拓扑关系的同时，对各个环节的算法进行打包归类不仅能提升算法逻辑的可阅读性，同时也能对相似算法进行归纳总结从而提升相似项目的工作效率。而在数据处理上，对曲面调整好参数后，再将单元的尺寸、空间定位点、厚度、单元面积等信息数据逐一打包并标号排布，列出相应的加工参数和序列，来方便工厂加工。

图9 Grasshopper程序电池逻辑

不同于传统的建筑信息管理，参数化设计方法有清晰明确的尺寸参数值并能在设计变更后自动生成相应的数据编号和信息流，大大减少了数据整理的时间花费。

3.5 深化后期细节与辅助施工

对于复杂建筑表皮的材料后期的深化在传统工具中也具有巨大的工作量，而运用参数化设计，可在后期对表皮进行全局可调式的细部深化。在足球场表皮设计中，项目运用参数化设计工具相应的生成膜结构安装边框以及与足球场内部结构相联系的固定部件，大大缩减了后期深化的难度，便捷于工厂的加工与安装。并为了方便指导施工，将前一部数据转化为可定位的信息来提高工程效率。

4 结语

在此足球场复杂多变的曲面的优化设计过程中，作者运用Rhino和Grasshopper等软件，使用参数化工具对表皮重新划分并对形态等进行了整体优化设计，使得方案能达到一个可实际应用于工程与建造的结果。并得出以下结论：

（1） 针对复杂曲面表皮在工程中的不便性来研究设计一套优化策略，可以对工程的施工衔接效率进行一定的提升。

（2） 参数化设计思维在复杂曲面优化中具有一定优势性，运用参数化设计工具在建筑复杂曲面优化中具有很强的可实施性。

参数化技术的发展大大提高了建筑设计的创新与施工便利性，在复杂异形建筑中尤为突出。希望能通过论文对复杂曲面问题的优化进行一定的推进。

由于项目目前还未完全实施成，优化步骤还需要进一步分析与验证，在后续的研究中希望可以继续对复杂曲面表皮进行研究实践，不断优化迭代此策略。