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膜結(jié)構(gòu)建筑師的思維能到什么地步？看看這座膜

時間:2018-04-24 02:28:10 瀏覽數(shù)：

對于中國膜結(jié)構(gòu)建筑界而言，過去的十五年是“繁榮”的十五年，也是“失去”的十五年。這十五年間，中國膜結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計水平被落得越來越遠，中國的新時代地標設(shè)計中幾乎難以見到中國人的身影。直到這樣一座膜結(jié)構(gòu)建筑的出現(xiàn)，讓中國人開始追趕上世界膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的步伐，以一件超現(xiàn)實主義的作品與各國膜結(jié)構(gòu)建筑師對話。
這座膜結(jié)構(gòu)建筑就是鳳凰國際傳媒中心，它坐落在朝陽公園之畔，占地面積1.8公頃，總建筑面積7.2萬平方米，建筑高度55米。除媒體辦公和演播制作功能之外，該膜結(jié)構(gòu)建筑還是一個對公眾開放的互動體驗空間。
這座膜結(jié)構(gòu)建筑在項目之初便確定了一個最基本的想法：一定要由中國本土設(shè)計師，設(shè)計建造一座代表現(xiàn)代中國的膜結(jié)構(gòu)建筑。

（一）“莫比烏斯環(huán)”卷成的鳳之巢：一座完全由曲面圍成的膜結(jié)構(gòu)建筑
2014年10月，一場時裝品牌首秀在尚未投入使用的鳳凰中心舉行，這也是它的第一次亮相。那既擁有自然結(jié)構(gòu)之美，又內(nèi)涵東方傳統(tǒng)意蘊的莫比烏斯環(huán)，在揭開面紗之際驚艷眾人，迅速受到各界關(guān)注。
這座完全由自由曲面圍成的玲瓏剔透的膜結(jié)構(gòu)建筑，是出自怎樣的設(shè)計師，來自怎樣的創(chuàng)意呢？一切都要回到原點——2008年，鳳凰中心選址于北京市內(nèi)最大的公園朝陽公園西南角，邵偉平帶領(lǐng)的中國設(shè)計團隊中標。邵偉平曾經(jīng)和諾曼·福斯特一同打造首都機場T3航站樓——那一時期，中國設(shè)計師通過和海外明星膜結(jié)構(gòu)建筑師合作，不斷提升，最終迎來了屬于自己的機會。
在設(shè)計之初，設(shè)計團隊就明確了一點——鳳凰中心必須是一個圓潤的膜結(jié)構(gòu)建筑。坐落在北京四環(huán)內(nèi)最大的城市公園，擁有大批的綠地植被和水體，這是鳳凰中心得天獨厚的優(yōu)勢。但是鳳凰中心地塊周邊的道路卻是不規(guī)則的多邊形，如果設(shè)計一座方方正正的房子注定與地塊形狀沖突，也無法體現(xiàn)圓融匯聚的媒體文化。

于是，經(jīng)過無數(shù)次的方案修改、推倒和重構(gòu)，經(jīng)過無數(shù)個日夜的修改和完善，鳳凰中心的設(shè)計最終出爐——莫比烏斯環(huán)的外形下包裹著兩座獨立的多功能膜結(jié)構(gòu)建筑，其間穿插著多變的共享空間，環(huán)形的膜結(jié)構(gòu)建筑圍合成的中央廣場又是膜結(jié)構(gòu)建筑體量的核心。中央廣場被巨大而飛舞的鋼結(jié)構(gòu)圍合，連接著西側(cè)的城市主干路與東側(cè)的朝陽公園湖濱綠地，是一處可向公眾開放的公共空間，首次亮相時的品牌發(fā)布會便是在這里舉行。

在這個設(shè)計中，“莫比烏斯環(huán)”的構(gòu)思源自“鳳凰”的形象，莫比烏斯環(huán)數(shù)學模型的最大特點是“有界無邊”，消除了傳統(tǒng)建筑中的“正交”概念，所有曲線在360°的空間中連續(xù)循環(huán)，通過一個連續(xù)的、不斷變化的曲面將高聳的辦公樓和低矮的演播樓統(tǒng)一成一個封閉的整體。

走進這座膜結(jié)構(gòu)建筑，斜向鋼柱形成的韻律在環(huán)形坡道映襯下產(chǎn)生了強烈的音樂感。兩柱之間的玻璃幕墻設(shè)計成漸變的平板玻璃箱體，插接組合準確，層層疊疊，晶瑩剔透，而在底層入口處的大門洞立面玻璃箱體轉(zhuǎn)成吊頂。走進其中，周圍的幕墻鋼構(gòu)弧線順坡而下，向中心匯聚。曲面玻璃和墻板界面的順暢圓滑，板縫的連貫順直，各種設(shè)備口部的整合和控制等等都完美地契合在一起。

幕墻、結(jié)構(gòu)外殼一體化的設(shè)計概念，將膜結(jié)構(gòu)建筑表皮形式、結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)造進行高度的設(shè)計整合。它們的界限在創(chuàng)作中實現(xiàn)融合，表皮既是結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)也是裝飾，鋼構(gòu)件、鋁板、幕墻玻璃被技巧性地塑造成一個流暢的膜結(jié)構(gòu)建筑曲面。
（二）萬事開頭難，先用飛機設(shè)計軟件畫個圈
在“參數(shù)化設(shè)計”流行的膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計界，世界明星膜結(jié)構(gòu)建筑師用一件件光怪陸離的作品震顫著公眾的眼球。鳳凰中心同樣是這樣一件“參數(shù)化”的作品，設(shè)計師利用數(shù)字技術(shù)手段，對場地條件、規(guī)劃要求、周邊環(huán)境充分分析，創(chuàng)造出這個復(fù)雜的三維形體。
然而，在面對如此“驚艷”的設(shè)計造型時，設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)最大的問題是設(shè)計的復(fù)雜性已經(jīng)超出了傳統(tǒng)建筑軟件的能力范圍，他們不得不尋找更加精密，而且能夠具備復(fù)雜建模能力的軟件。最終，他們選擇了一款飛機設(shè)計軟件CATIA，用設(shè)計流線外形的強大功能來建構(gòu)“鳳凰之巢”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

計算機生形可以幫助設(shè)計師將設(shè)計意向以代碼的形式傳遞給軟件，再由軟件轉(zhuǎn)化成設(shè)計圖形。計算機圖形學包括了兩個重要的方面，一是幾何關(guān)系，二是表現(xiàn)效果。在鳳凰中心的設(shè)計中，由莫比烏斯環(huán)的幾何關(guān)系發(fā)展成實實在在的膜結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)關(guān)系，需要借助強大的數(shù)字技術(shù)。
設(shè)計師們在設(shè)計鳳凰中心時開創(chuàng)性地大量運用了三維數(shù)字化技術(shù)，是國內(nèi)首次運用三維數(shù)字技術(shù)進行全面的、大規(guī)模膜結(jié)構(gòu)建筑實踐的案例。該項目利用膜結(jié)構(gòu)建筑信息模型以及參數(shù)化編程控制技術(shù)生成了無法逐一繪制的技術(shù)信息，完成了常規(guī)技術(shù)無法實現(xiàn)的設(shè)計成果。

這場數(shù)字化的革命，還帶動了全新的工作模式——“三維協(xié)同”的發(fā)展。有賴于BIM技術(shù)的運用，在三維協(xié)同狀態(tài)下，膜結(jié)構(gòu)建筑師、結(jié)構(gòu)師、機電工程師可以在同一個全信息膜結(jié)構(gòu)建筑模型完成設(shè)計成果的交流與傳遞。各類配合問題可以在第一時間被發(fā)現(xiàn)，并在直觀的狀態(tài)下完成團隊內(nèi)部的溝通、討論、決策，及時保證設(shè)計成果的高度整合性。
這種工作模式利用多種高精度三維設(shè)計軟件將所有的可視元素在BIM模型中進行了表達和驗證，虛擬化的膜結(jié)構(gòu)建筑元件在幾何尺寸和形式上具有與真實膜結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件1:1的足尺比例關(guān)系，并且包含了膜結(jié)構(gòu)建筑材料、重量等非幾何信息。
這種方式使鳳凰中心實現(xiàn)了真正的虛擬建造，使工程后續(xù)的生產(chǎn)、建造與運行工序大大受益，甚至帶動了整個膜結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)鏈的升級和發(fā)展。

在鳳凰中心南側(cè)辦公主樓的建設(shè)設(shè)計中，設(shè)計師面臨這樣的問題——如何將一個順滑的“主樓基面”發(fā)展為包含多層次膜結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件信息的實體。經(jīng)過嚴密的、多層級參數(shù)的調(diào)控過程，設(shè)計方由膜結(jié)構(gòu)建筑“基礎(chǔ)控制面”推導(dǎo)出“主樓基面”，再由“主樓基面”定義完整的主樓梁、板、柱結(jié)構(gòu)幾何控制線，最后以結(jié)構(gòu)幾何控制線為基礎(chǔ)加入膜結(jié)構(gòu)建筑裝修幾何控制系統(tǒng)。

同時，在設(shè)計中有著同樣生產(chǎn)邏輯的還有100根彎扭的主、次鋼梁，它們的落地狀態(tài)無一相同，該如何設(shè)計？在優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計師們首先將支座分為上下兩部分，通過統(tǒng)一規(guī)則的曲線轉(zhuǎn)直線切變處理，將連接銷軸控制成2-3類標準的樣式，以便于統(tǒng)一開模鑄造，再將這些樣式進行組合，最終得到鋼構(gòu)件。

裙房內(nèi)幕墻初始的控制面由復(fù)雜的雙曲面構(gòu)成。為了能在造價允許范圍內(nèi)高質(zhì)量完成設(shè)計控制工作，依靠BIM模型的高精準性，設(shè)計師們對原始的雙曲面進行了板片優(yōu)化的數(shù)據(jù)分析，確定了板片優(yōu)化的模數(shù)設(shè)置、板片平面外偏差的消納規(guī)則，最終建立起完整的干掛SRC板材幕墻體系模型，用以直接指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)加工和安裝工作。
（三）天馬行空的設(shè)計，讓所有人捏了一把汗
“夢之橋”，一個鳳凰中心中神來之筆的設(shè)計，它在將近四層高差的東中庭空間像飄帶一樣浮在空中，陽光透過鱗片般的透明玻璃投射進來，影影綽綽，流動熙和，一路走去，移步換景，光影在身邊變換，恍如夢境。

當“夢之橋”完全自由的曲線設(shè)計展現(xiàn)出來的時候，設(shè)計師們認為最大的問題在于是否能夠設(shè)計出輕盈的結(jié)構(gòu)讓它真的“飄起來”，他們都為邵偉平捏了一把汗。

“夢之橋”在設(shè)計施工中的名稱比較low，叫做“環(huán)形坡道”。在鳳凰中心項目的設(shè)計中，全長252米的環(huán)形坡道從7米標高爬升到19.6米高的裙房四層。為了實現(xiàn)凌空飛起的視覺效果，工程師設(shè)計了上有拉索，下有暗撐的巧妙結(jié)構(gòu)，利用最簡單的三角形支撐結(jié)構(gòu)在膜結(jié)構(gòu)建筑螺旋狀的鋼結(jié)構(gòu)立場上尋找著力點。
在爬升過程中，“夢之橋”先后與外殼鋼結(jié)構(gòu)、主樓及裙房混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生搭接關(guān)系，同時還要保證環(huán)坡的外型優(yōu)美流暢。

這種“令人捏了一把汗”的設(shè)計貫穿在鳳凰中心設(shè)計始終。“夢之橋”連接的是演播廳和一個樓頂空間。當大樓設(shè)計完成，“樓頂”開闊的地板被連續(xù)的莫比烏斯環(huán)外殼覆蓋。設(shè)計師靈光一閃，決定將這里設(shè)計成一個完全對外的開放區(qū)域，創(chuàng)造全新的交流場所，取名“樓外樓”。
公共空間的打造是對膜結(jié)構(gòu)建筑每一處空間的利用，而賦予“樓外樓”蒼穹般空間體驗的，便是整個膜結(jié)構(gòu)建筑最大的挑戰(zhàn)之一——鋼構(gòu)幕墻工程。

整個莫比烏斯環(huán)的幕墻由4943塊完全不同的玻璃組成，懸掛在“沒有一條是直的”的鋼梁之下。為了表現(xiàn)莫比烏斯環(huán)連續(xù)扭動的形體特征，設(shè)計團隊打造出了一套融合結(jié)構(gòu)力學和美學表現(xiàn)力的全新結(jié)構(gòu)體系——雙向疊合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
它在承擔自重的同時為兩座主體膜結(jié)構(gòu)建筑提供了舒適的內(nèi)部無柱空間。設(shè)計將雙向疊合鋼結(jié)構(gòu)梁通過交叉點的連桿側(cè)向連接，形成主次鋼結(jié)構(gòu)梁分離的空間效果，內(nèi)外鋼梁之間的空間被用來安裝幕墻系統(tǒng)。這一設(shè)計將幕墻、結(jié)構(gòu)外殼一體化，將膜結(jié)構(gòu)建筑表皮形式、結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)造進行高度的設(shè)計整合，以適應(yīng)這個流暢圓潤的膜結(jié)構(gòu)建筑。

幕墻的設(shè)計利用外殼主鋼梁軌跡將復(fù)雜膜結(jié)構(gòu)建筑體型的表面劃分成等寬和不等寬相間隔的兩部分漸開線，等寬部分為有支撐作用的實體幕墻，不等寬部分為透光的折板玻璃幕墻。外殼主次鋼梁的分離不僅避免了鋼構(gòu)之間的交接碰撞，而且使原本復(fù)雜曲面的彌合問題分解到主鋼梁、次鋼梁、幕墻單元3個層面解決。
（四）莫比烏斯環(huán)鋼構(gòu)件的兩大難點是怎么突破的？
對工程師來說，莫比烏斯環(huán)鋼構(gòu)件的加工生產(chǎn)絕對是一個“噩夢”，然而對于加工企業(yè)來說，卻是“中國建造”一戰(zhàn)成名的絕佳機會。
除了門口雨棚的桁架和極少量混凝土結(jié)構(gòu)的支撐桿件外，鳳凰中心的其他鋼構(gòu)件全部是彎曲的，有的還甚至是空間彎扭的。在整個鋼構(gòu)的加工生產(chǎn)中，有兩個最大的難點：
一是膜結(jié)構(gòu)建筑外墻的鋼結(jié)構(gòu)主肋，其截面呈梯形，截面尺寸又非常小，高750mm，寬330-500mm，由四塊鋼板拼接組成空間三維彎扭結(jié)構(gòu)；二是環(huán)形坡道“夢之橋”，它的平面是弧形，縱向高低又是弧形，橫截面是月牙形，幾乎沒有一個面是直的。

要實現(xiàn)如此復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)曲面，只有采用大型船舶船壁的3D空間造型施工技術(shù)。即使如此，大船板畢竟只是一整塊連續(xù)曲面大板，而鳳凰中心最終需要彎扭的板材總長達到了30000多米。

彎扭板材只是完成了第一步，更大的挑戰(zhàn)在于如何將這些板材拼接在一起，“精度”和“進度”成為了加工方的雙重挑戰(zhàn)。以造船技術(shù)為基礎(chǔ)，加工方制作了“樣箱”。
“樣箱”其實就是“內(nèi)膽”，一個梯形截面主肋，去掉板厚，里面是空芯的，他們先用木頭做了一個“芯”，這個木頭“芯”的外皮，是完全能夠貼合主肋鋼板的內(nèi)表皮輪廓的。這樣，用這種傳統(tǒng)的“木工活”就解決了進度的問題。這樣的方式不需要專業(yè)操作儀表的工人，非常直觀，一目了然。

同時，在拼接鋼板的過程中還遇到了另一個問題——焊接變形，特別是在三維構(gòu)件的焊接中，焊接的順序、焊接過程中的約束方式都會導(dǎo)致變形程度的變化。使用這種方法，焊縫處的拼接就會非常平順，縫隙最大1厘米。而此前加工方使用日本設(shè)備對兩個構(gòu)件進行拼接時，縫隙大到能踏進去一只腳。

結(jié)語
膜結(jié)構(gòu)建筑不僅僅是一件藝術(shù)與工程的作品，更是與其所處的時代、環(huán)境、文化傳統(tǒng)密切相關(guān)的產(chǎn)物，鳳凰中心設(shè)計之初就著眼于如何以一種圓融的姿態(tài)融入環(huán)境和中國文化，如何與公眾對話。
同時，參數(shù)化的設(shè)計也必將成為未來膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的重要發(fā)展方向。計算機生形賦予膜結(jié)構(gòu)建筑師將天馬行空的創(chuàng)意最終表達為作品的能力。在中國乃至世界，如何將一套復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計的建構(gòu)工作轉(zhuǎn)化為膜結(jié)構(gòu)建筑模型，并且串聯(lián)起下游的施工生產(chǎn)，是一個很重要的問題，鳳凰中心經(jīng)過膜結(jié)構(gòu)建筑師和施工工程師們在各個環(huán)節(jié)的共同努力，為世界膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計與施工提供了絕佳的范例。
由中國本土設(shè)計師設(shè)計、中國企業(yè)建造的鳳凰中心，代表著中國膜結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計行業(yè)的設(shè)計師工程師們開始逐漸找回本土膜結(jié)構(gòu)建筑的話語權(quán)，并且以出色的作品與世界膜結(jié)構(gòu)建筑界對話的努力。

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