基于Grasshopper平台的幕墙全过程设计浅析--以粤奥植博馆幕墙工程为例

基于 Grasshopper 平台的幕墙全过程设计浅析 -- 以粤奥植博馆幕墙工程为例

陈诚

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 上海 200092

[摘要] 运用先进而高效的参数化软件及软件搭设的人与计算机交互平台，通过可视性程序编译技术，能帮助我们幕墙设计师高效地将实现灵活而多变的外立面效果设计具体地展现给建筑师与业主。本文以实际工程案例--粤奥植博馆幕墙工程的参数化辅助设计，展现在幕墙设计初期，深化设计阶段，与各兄弟专业配合中的高效与巨大帮助。让这座充满梦幻色彩的建筑在理性科学与感性审美中达到最大的平衡点。

[关键词] 异形场馆 ；可视性程序编译；人机交互；专业间协调；数据共享；角度自适应；防排水；

0 引言

随着我们祖国在和平发展道路上的迅速崛起，各行各业的科技都在突飞猛进。建筑行业亦是如此，规整的“盒子”“圆筒”已经远远不能满足建筑师的胃口。越来越多地承载人类智慧与美的造型各异的建筑与场馆，在中国大地上拔地而起，复杂的表面机理，几十上百种的可替换材质，很难找到规律的体量布置，如何找到一个既能与建筑完美契合的分格尺寸，又能让结构工程师打消结构安全顾虑，同时让业主对造价经济和可控上满意，一系列错综复杂的问题交织在一起，每时每刻不在困扰这我们这帮幕墙设计师，挑战愈演愈烈。因此在不同设计阶段，充分的合理利用先进的参数化关联设计技术与对应的人机交互平台，能极大地帮助幕墙设计师配合建筑师实现心中真正想要的建筑之美。

以粤奥植博馆幕墙项目第五立面铝板屋顶幕墙设计为例，除了使用传统的Auto平面设计软件外，借助轻量级参数化设计软件Rhinoceros及可视化画编程平台Grasshopper（以下简称GH），极为高效而具体的可视成果展现，通过前期配合建筑设计不同分格划分及对应分析，施工图设计阶段根据设计方案，通过可视性程序编译得出相关设计信息作为依据，进行节点构造设计，工程量预估，对特殊位置如排水构造设计，与幕墙结构计算与主体结构空间干涉预判等协同设计，最终让这座充满梦幻色彩的植物博物馆在理性科学与感性审美中达到最大的平衡点。

1 工程概况

本工程位于广东省珠海横琴新区。建筑地下1~2层，地上5层。第五立面为3片“绿叶”造型的异型金属铝面板叠加而成。起伏高度最大落差为21.7m 。其中金属铝面板面积为5614㎡。

基本设计参数：

1. 地震设防烈度：7度（0.10g）

2. 风荷载按照澳门规范200年一遇风压结合风洞动态测压实验报告（编号JK-F2018W033-1）进行取值；

效果图 最终面板划分效果

2 前期方案设计阶段的运用

该阶段GH等参数化设计工具的主要应用就在于原有几何表皮的分析及优化从而未面板的细分做铺垫。本建筑外形十分的独特，其中最为显眼的就是类似于树叶形态的第五立面，轻柔的搭在顶部。与其中医博物馆的主体特色，十分的吻合。因为此造型特殊，最大高度落差接近22m，宽幅相差m。三片巨型绿叶成层叠状，由自身特有曲线控制，空间相互关系呈非规律性。在此基础上做出既能满足建筑师自然优美的主观需求，又能满足结构及加工制造工艺所需要的复核材料物理力学性能及经济指标，实现“精确美”的面板的分割显然是一项巨大而艰巨的任务。原有的方案模型也是多个不均匀曲面拼接而成。曲线不够顺滑，过渡僵硬是方案模型的通病。GH这一可视编译模块工具提供了许多功能，比如在原模型中提取数量足够的关键控制点，生成Nurbs曲线，在允许精度要求范围内，无限逼近原多重曲面，真实反映建筑愿意。使得肉眼无法识别的不够顺滑，通过精确的数学表达，使其不仅造型流畅，而且更易加工制作。有了此“新衣”，下一步设计不再是无源之水无本之木，也大大提高了我们在极短时间内提供更多分格方案的可能性， 并同时产生足够支撑板块划分合理性的各项数据：如长短边长，曲率，最大拱高等。我们为建筑师提供如下方案：

1. 1. 方案1 菱形板（图2.1）：常见的分格方式，形式灵活，较有美感。缺点是容易在边缘处出现碎小三角板块；下料中出材率适中，造价略高；

   2. 方案2 矩形板（图2.2）：最常规的板块设计。样式较为单一，但容易施工安装，效果易把控，与原曲面贴合度较高。可以通过拟合算法将双曲变成单曲面，将符合工艺加工条件的起拱值不大的单曲面变成平板面，是在效果与造价平衡关系中最常选择的一种分割方式；

   3. 方案3 三角形板（图2.3）：常见的分格形式，尤其在异型建筑表皮划分中出现。可以保证所有面板均为平板，随着板幅的缩小，会愈加贴近原曲面，拟合效果最好且造价较低。但缺点也相对明显，下料中，面板材料的利用率较低，施工定位要求比较高，多点交汇位置容易出现不平整；

   4. 方案4 六边形板（图2.4）：较为少见的分割方式，每一个板块难以实现单曲拟合，龙骨布置有许多空间角度，施工较为困难，出材率也相对较低；

   5. 方案5 梯形板（图2.5）：三角形板块划分的变形；很难达到三角形板块一样平板化，边缘易出现零碎三角形。完成后平滑程度与矩形面板接近，但不如矩形板经济；

   6. 方案6 细分矩形板（图2.6）矩形面板划分的变形；将一块矩形板一分为4.能够实现平板化，但是杆件长度不如三角形板块划分均匀，且在杆件交汇处容易有非常小的锐角，难以连接，施工安装困难；

以上方案均可以通过拖动控制尺寸的数字滑块，变化板块大小至建筑师满意的效果，并且可在原有空白表皮上实时快速响应，变化连续均匀，图形与数据对应。而往往这一过程，想通过传统CAD手动描线划分效率低下且极易出错。

3 施工图深化设计阶段的运用

建筑师最终选择了三角形和矩形板块为基本板块划分方向。我们开始对此进行深化设计：

1. 以数据为支撑：使用Surf Analysis分析三角形板方案约7405块与矩形板块方案约6756块铝板的最大面积及所在高度位置。此阶段侧重点在设计时的经济指标与施工便利性，考虑制造加工及施工成本；

从力学角度分析：三角形板块尺寸（1130*1900*2100mm）。选用 3mm 厚的型号为 3003-H14 的铝单板，加劲肋采用 6063-T6 铝合金型材；作用在铝单板上的风荷载标准值 WK=7.75 KN/㎡ ,作用在铝单板上的荷载设计值： qK=10.88 KN/㎡ 。最大应力为σ1=80.15 N/mm²＜fg=89.0 N/mm² ；最大挠度df=5.71 mm＜418*2/100=8.36 mm 。铝板面板挠度满足设计要求。

矩形最大板块尺寸（1200*2000mm）。选用 3mm 厚的型号为 3003-H14 的铝单板，加劲肋采用 6063-T6 铝合金型材；根据矩形面板对边支撑规范公式（3.1.1~2）计算应力大小和挠度分别为σ=86.7.N.mm²＜f=100.N.mm²，df=3.40 mm ≤ df.lim= 3.8 mm

（3.1.1） （3.1.2）

2. 运用GH的曲面在中心点法向和切向量关系及基础的数学电池，我们分析了三角形方案与矩形板块方案的最大二面角，选用弧形铝副框来解决角度变化带来的安装调节并消除施工安装带来的附加应力。通过分析矩形板块不同尺寸分格的最大拱高及曲率和离散性考虑可以优化的板块数量，不同方案下铝龙骨用量，帮助成本分析。这样能够实现深化设计成果的精确性与合理性；

4 与其他专业交互设计时的应用

我们将已有的含屋面构造的模型套入主体结构BIM当中，同样通过几何空间分析确保屋面设备及主体结构钢梁和檩条等不和我们的设计成果发生干涉。如果有碰撞，不同专业可以高效配合，让不同专业工作交接的灰色区域由于各种因素所产生的设计影响得到良性反馈，避免重复设计，过度设计。在与给排水的配合，帮助分析雨水路径，合理设计隐藏式排水沟并提供相应的水槽蓄水量体积数据。设计可变的排水沟深度，测试其与外包铝板及檩条，管道设备等干涉等，见图（4-1）。

（4-1） （4-2）

5 后期施工建造的重要意义

基于GH工具精确数学方程表达的曲面的原理，我们可以得到任意以此第五立面模型为基础的工程数据，如铝板的数量，排布定位，各施工控制点高程坐标，支撑面板的钢铝龙骨用量等一系列相关数据。对业主的成本控制，施工单位原料预先采购，施工现场定位及挂板等提供了可靠的数据支持，大大地缩短了工期，减少了人为失误和现场应为信息不全导致的返工从而减少各方成本，使项目得以增值；

6 结束语

伴随建筑形态愈发复杂，需要各设计条件并行考虑，各相关专业同步协调配合，传统的平面设计软件及三维模型软件显然在工作效率和功能匹配上已经难以望其项背，很难表达。基于项目本身的功能需求与造型特征，在方案前期配合阶段，我们将各种设计条件一并考虑，借用参数化这一新技术来解决复杂建筑外形的分析，设计，表达，制造，管理等问题，使用合适的参数化软件，充分发挥此类可视性程序编译模块这一功能，时时调整，同步更新，不仅获得丰富多样的设计成果，还能大量节约宝贵的设计时间和人力成本。在施工图深化设计阶段，灵活运用之前编译软件得出的各种设计和计算数据，指导各种材料的设计及加工。在后期施工管理及现场技术交底过程中，利用好前两阶段数据成果，对原料采购，现场技术难点说明等提供最强有力的数据等信息支持。

结束语：

此次项目的设计就是很好地通过可视参数化编程这一高效工具，最终反映了建筑原设计意图，将材料学，力学，建筑美学，工程造价等多个学科领域有机地结合在了一起，为本项目最终完美的落地以及未来幕墙设计进一步探索提供了借鉴，以应对未来愈加外形惊艳的具有超高难度的场馆建筑及商业大楼的设计挑战。

参考文献：

1. 建筑幕墙: GB/T 21086—2007[S].中国标准出版社，2007

2. 金属与石材幕墙工程技术规范（附条文说明）：JGJ 133-2001[S].中国建筑工业出版社，2004