力与美的融合——科技赋能冬奥“雪绒星”

黄蔚欣，胡竞元

1 背景介绍

2020年夏，我们团队申请并获得北京市科委的资助，作为科技冬奥项目的一部分，在国家游泳中心南广场为2022北京冬奥会设计和建造灯光艺术装置。经过一年多的努力，以立体雪花为概念的8朵“雪绒星”灯光艺术装置落地“冰立方”南广场，在奥林匹克中心区的夜色中闪耀着冰雪的光芒，以科技和艺术的融合，传达“一起向未来”的冬奥理念。

作为建筑类院校的团队，能够有机会承担公共艺术装置的设计和制作，是因为我们团队原创研发了一项自由曲面建造技术——编织式复杂拓扑空间网壳（以下简称“编织网壳”）。过去10多年间，国际数字建筑研究领域最重要的前沿之一就是在计算机技术的支持下，综合设计、加工、结构、建造的自由曲面建造技术。而编织网壳就是我们在这一方向提出的一种形态——结构一体化的技术系统。本文将介绍编织网壳的研发理念，以及使用这一技术完成的“雪绒星”灯光装置作品的设计理念与技术创新。

2 力与美的融合——空间、结构与奥林匹克精神

2.1 力、空间与形式

从佛光寺大殿柱头铺作的双杪双下昂设计造就的深远挑檐[1]、哥特式教堂的飞扶壁对拱顶侧推力的实体化表现，到勒·杜克（Eugene-Emmanuel Viollet-le-Duc）在《建筑谈话录》（Entretiens sur l'architecture）中，将力学逻辑和建造程序的理性原则相结合的结构理性主义思想[2]，从古至今，力的制约和影响在形式美中贯穿始终（图1-3）。

图1 佛光寺东大殿剖面图局部

图2 巴黎圣母院剖面图

图3 勒·杜克“3000人座位教堂”方案绘图

进入20世纪后，随着技术的进步和对建筑经济性要求的提高，更高效的结构体系和设计方法应运而生。在设计方法方面，菲利克斯·坎德拉（Felix Candela）将双曲抛物面应用于混凝土薄壳的设计（图4），以及安东尼奥·高迪（Antonio Gaudi）在圣家族教堂设计中使用的逆吊找形法（图5），拓展了纯推力拱壳形式表现的边界。结构体系上，将连续的曲面壳体和平板离散化为仅受拉或受压的直杆组成的空间网壳和平面网架结构，则是又一次突破，其中最典型的案例当属巴克明斯特·富勒（Buckminster Fuller）的测地线网壳（图6）。由于最大限度消除了结构构件中的弯矩，空间网壳能够以更纤细的构件、更低的自重占比，实现大跨度、大悬挑；同时，从砌体和混凝土的湿作业，转向标准化的杆件和节点，大幅度降低了建造难度。因此，空间网壳由于其结构可胜任多样的空间形态的实现，为建筑—结构一体化的设计提供了更多可能性。

图4 霍奇米洛克餐厅的四叶双曲抛物面造型

图5 圣家族教堂设计找形模型

图6 1967年蒙特利尔世博会美国馆

随着计算机辅助设计工具的快速发展和数字设计思想的演进，更多复杂的自由曲面造型有条件被广泛应用于建筑形式中（图7），给既有的结构类型带来了新的挑战。设计上，空间网壳的离散网格体系难以适应多阶连续的曲线和曲面，结构退化为支撑曲面表皮的骨架，形式与结构脱节，导致出现一些违背结构一般原理的建筑方案，造成浪费；建造上，自由曲面的准确施工需要复杂定位和大量临时支撑，建造的成本和难度大幅上升。此外，自由曲面造型带来大量异形构件的加工，而目前已有的3D打印、CNC加工等手段，存在高品质、低造价和快速生产的“不可能三角”。

图7 自由曲面造型建筑的设计与建造实例a-哈尔滨大剧院b-汇流博物馆c-台中歌剧院的外形和部分结构

为解决自由曲面建造的难题，在空间网壳的基础上，产生了弹性网壳（elastic gridshell）这一新的结构形式。早在1976年，弗雷·奥托（Frei Otto）在曼海姆多功能大厅（图8）的设计中已使用双向双层木条组成的网壳作为屋面结构，其特点在于：采用柔性的平直连续构件交叉形成平面网格，并通过抬升等方式使其发生较大的弹性弯曲变形，达到经力学找形得到的纯推力空间曲面形态后将其锁紧，形成可承受荷载的刚性结构[3]。由于这种结构在建造过程中、承受荷载时都利用了构件受弯后自动产生的回弹力保持稳定，因此其自由曲面形态完全来源于外荷载和各个构件内力的平衡，其形式即为受力情况的反映，力学逻辑和建造程序相互统一，是结构理性的完美体现。弗雷·奥托提出的体系延续了传统空间网壳结构的大跨度、大悬挑能力，并在其基础上进一步简化了建造过程。

图8 曼海姆多功能大厅a-结构照片b-找形模型

作为对弹性网壳的发展，我们提出了 “编织网壳”的创新体系。该体系使用纤维增强塑料（FRP）、PC、竹木、铝材、钢材等弹性材料，以空间网格造型为基础，经网格重建—细分生成算法、结构模拟优化算法形成多向编织网壳结构。此外，该体系还包括基于样条展开的快速建造、结构性能提升技术，是一种形态多样、建造高效、成本可控的自由曲面建造系统[4]。

与一般的弹性网壳相比，编织网壳将三维空间复杂定位工作简化为沿弹性杆件的一维定位，且节点均为双杆相交，构造简单，建造系统简洁。其生成算法可适用于各类曲面造型，因而可满足形式表现和空间塑造的多样化需求；此外，也保留了弹性网壳在结构效率和建筑—结构一体化表现上的优势。

总体上看，编织网壳可用于完成从人体尺度到城市尺度的建筑、景观装置、大地艺术作品，实现全尺度的空间干预（图9）。目前，编织网壳已在一系列复杂造型景观装置的设计建造中验证了其广泛的应用前景（图10），其代表作品就是本文将着重介绍的冬奥艺术装置“雪绒星”。

图9 各尺度的编织网壳、

图10 编织网壳部分建成作品

2.2 力与运动美——结构的身体隐喻

人体是合理的结构，因此富有美感的结构中始终存在对身体与运动的隐喻。早在古希腊时代，雅典卫城的厄瑞克忒翁神庙的“女像柱”已有对女子头顶器物动作的具象模仿，为结构表现赋予了神性的意味。及至现代，圣地亚哥·卡拉特拉瓦常在其设计中融入人体姿态[5]，形成了富有动感和诗意的结构（图11）。

图11 结构的身体隐喻a-女像柱b-卡拉特拉瓦手稿c-卡拉特拉瓦作品，斯达德霍芬火车站

对于编织网壳而言，形式中的运动美是内含的。由于弯曲的弹性杆件随时都有回弹的趋势，如同一张拉满待发的弓，因此不同于传统结构传达的稳固、坚实、永恒的意向，编织网壳表达着力与平衡、轻盈，以及潜在的运动趋势。在建造层面上，中小型的编织网壳中，弹性构件往往由人力弯曲，但最终形成的结构却有相当大的刚度，这种反差是双手能够感知到的。这种人参与建造的方式，使得编织网壳的形式与人更加紧密相关。

3 “雪绒星”——步移景异的立体雪花与星星

3.1 设计定位

2021年夏，我们接到了在国家游泳中心南广场设计景观雕塑装置的任务。基于节俭办赛、可持续发展的理念，作为2008年夏季奥运会的地标以及北京的重要城市名片，国家体育场“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”等主要场馆在2022冬奥会再次承担重要角色。其中，“水立方”被改造为冰壶比赛场馆“冰立方”，并在其南广场地下增建一座冰场。南广场地上部分的景观将成为冬奥景观体系的一部分，并将在赛事结束后作为奥林匹克公园中心区景观的一部分向公众开放。

因此，装置造型需要兼顾到冬奥理念宣传和公众文化活动的需求，我们将其具体定义为以下3点：

（1）对“科技冬奥”理念和冰雪主题的解读。雕塑的设计概念应当契合冬奥会的冰雪主题和奥林匹克精神，并且以科技展现中国力量和“一起向未来”的理念。

（2）对2008年北京奥运会主场馆设计的回应。雕塑位于水立方的南广场。以鸟巢和水立方为代表的2008年北京奥运会主场馆，是全世界数字建筑设计与建造的经典作品，也是这一类建筑在国内发展的里程碑。时隔14年，同样以奥运为契机，如何以雕塑的设计回应这两座建筑，也是我们创作的重要出发点。

（3）标志性、可互动性强。由于所处广场空间的公共性，游客能够近距离与雕塑装置互动，因此雕塑需要在各个角度和距离上均能够传达出作品的主题，细部简洁美观，给人带来可感、有趣、丰富的体验。

3.2 立体雪花

经多轮比选，最终实施方案以“立体雪花”作为设计的主要概念，将8个可发光的立体雪花造型的编织装置作品在场地内的草坪上成组设置。“没有两片雪花是完全相同的”，在高度规则的六重对称模式下，雪花能够产生极为丰富的形式，这种特性启发了我们从固定的几何母题出发，通过局部变化形成系列雪花变体的设计策略。

自然界中的雪花都是片状，若仅将其放大到装置尺度并平铺在地面，远看不够醒目；若将其立起，则最佳的观赏视角较为单一，不能满足在广场空间多方位观看的需要。解决的方法有两种：一是让雪花旋转起来，可兼顾各个观察角度，但成本、耗能较高，对机械系统耐久性要求高，游客也不便于近距离欣赏；第二则是我们采用的方式，以多面体为基础造型，从不同视角下均可看到形态完整的多边形轮廓。

我们使用正二十面体作为雪花的几何母题，并将各三角面向内凹陷形成雕塑外形（图12）。正二十面体是最复杂的正多面体，同时具备五重、六重的旋转对称性。因此，当游客绕雕塑移动时，造型的轮廓在六角雪花和五角星之间过渡，步移景异，富有趣味。

图12 不同角度下的外形原型

在外形原型的基础上，经网格重建—细分、结构模拟优化，生成了编织网壳造型。通过改变网格形式、减少曲面三角片的数量、将两个曲面三角片合为曲面菱形片等方法，可得到多种雪花造型的设计（图13）。这些发光雪花的多边形轮廓呼应了水立方的表面形式，由交错的杆件编织形成的镂空造型又神似鸟巢的编织立面，既似雪花，又如五星，因此得名“雪绒星”（图14-17）。另外，为提高装置的可互动性和趣味性，我们通过可编程控制设备，设计了装置发光亮度的呼吸效果。

图13 实施方案中的4种雪花造型，2m、3m、5m造型均作镂空处理，3m造型杆件不出头

图14 雪花组团

图15 “雪绒星”形似五角星的视角

图16 “雪绒星”形似雪花的视角

图17 “雪绒星”日间视觉效果

4 创新科技——面向未来的人类命运共同体

编织结构空间网壳是传统工艺与现代技术的结合（图18）。编织是东方智慧的表达，它利用材料的弹性，以材料适应性的弹性找形和相互协同的方式，形成形态多样、方便耐用的日常器物、家具、建筑构件；我们在研究中，采用现代的计算机辅助设计工具和新材料，赋予它在空间形态和建筑结构中更广泛的适用性[6]。

图18 编织结构空间网壳的技术体系

“雪绒星”作品抽象地再现了自然界中的雪花造型，将多样的造型统一在正二十面体的形式母题中，展现纯粹的几何之美；在“雪绒星”作品的研发中，我们进一步将工艺和材料的表达进行升级，采用数控加工的铝合金型材作为结构主体。弯曲的闪亮的铝构件和明暗变幻的光影，展现了新工艺、新材料带来的技术之美。我们相信，几何是全人类的语言，而创新科技则面向未来，表达着构建“人类命运共同体”的美好愿景，可以成为“一起向未来”的冬奥理念的载体。

5 总结

“燕山雪花大如席，片片吹落轩辕台。”李白在《北风行》中的浪漫感叹，跨越千年凝结成北京冬奥会上的纷飞雪花。创新的科技成果，使得我们能够以编织的东方智慧，完成“大如席”的巨型雪花装置，为冬奥增光添彩。我们也力图在“雪绒星”作品中呈现编织网壳的结构之美——高大空间结构由充满张力的杆件组成，并呈现出雪花的轻盈姿态，希望我们的作品也能够成为体育运动中“力与美”主题的另一种表达。

2008年为北京奥运会建造的鸟巢与水立方，是划时代的建筑作品，也是我国数字建筑设计与建造领域10多年来快速发展的重要起点。很荣幸能够在2022冬奥会的重要契机，以我们在数字化建造领域的一项研究进展对这块场地做出回应。10多年间，数字建筑研究与实践从对形式和算法的探索，发展为更深刻的对建筑学本质的回应，包括对感知、行为和空间生成的研究，以及材料、结构、建造、智慧运营等的多学科融合。我们期待这个方兴未艾的领域，能够在未来为建筑学不断拓展新的前沿和多元的发展路径。