中庭參數(shù)化吊頂生成設(shè)計(jì)研究
——同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院三期大廳吸音吊頂設(shè)計(jì)

■ 汪滋淞 Wang Zisong 肖晨昊 Xiao Chenhao 申辰璐 Shen Chenlu

1 背景介述

高校是廣大師生進(jìn)行學(xué)習(xí)科研的場(chǎng)所，需要安靜宜人的聲環(huán)境，大量的事實(shí)表明，大學(xué)校園里噪聲污染現(xiàn)象日趨普遍，嚴(yán)重干擾了師生正常的學(xué)習(xí)和溝通[1]，當(dāng)環(huán)境噪聲較高時(shí)，交談和思維幾乎不能進(jìn)行，嚴(yán)重影響師生的工作和學(xué)習(xí)，甚至?xí)斐墒?、疲勞、神?jīng)緊張、記憶力衰退等[2]。

同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院三期大廳，為工業(yè)遺產(chǎn)建筑改造空間，大廳高度較高，經(jīng)常作為教學(xué)活動(dòng)、演出等空間使用，通過對(duì)學(xué)院使用人群的訪談及調(diào)研了解到，噪音和回音回蕩在大廳里，使得學(xué)生們聽不清楚老師的授課內(nèi)容及同學(xué)們的談話內(nèi)容，導(dǎo)致注意力分散，影響溝通與交流。與此同時(shí)，使用者必須不斷提高聲音來蓋住噪音，產(chǎn)生疲勞感，甚至有精力燃盡的感覺。

項(xiàng)目通過基于聲環(huán)境優(yōu)化的吸音吊頂參數(shù)化生成設(shè)計(jì)，結(jié)合學(xué)院的精神和內(nèi)涵，深化吊頂裝置設(shè)計(jì)的品質(zhì)化、功能化，形成具有時(shí)代文化氣息、充滿濃郁的藝術(shù)氛圍的教學(xué)活動(dòng)場(chǎng)所，創(chuàng)造良好聲環(huán)境的學(xué)習(xí)空間。

2 吸音吊頂參數(shù)化設(shè)計(jì)

吸音吊頂是創(chuàng)造舒適和有效率聲環(huán)境關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素，目前，國(guó)外數(shù)字化吊頂設(shè)計(jì)值得借鑒。

悉尼技術(shù)大學(xué)禮堂吊頂設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)材料和構(gòu)造的技術(shù)進(jìn)步。吊頂由超過1 000個(gè)獨(dú)特平面組成了穿孔鋁板的流動(dòng)表皮。表皮連接了天花和墻壁，將光、視聽設(shè)備、火警和機(jī)械服務(wù)整合成動(dòng)態(tài)的整體，將新的生活帶入到空間中。吊頂?shù)匿X板表面的穿孔可以促進(jìn)聲能轉(zhuǎn)化成熱能并將其消耗，進(jìn)而起到吸音降噪的作用，滿足大禮堂舉辦各種活動(dòng)時(shí)對(duì)于音效方面的要求（圖1）。

我國(guó)基于參數(shù)化的吊頂設(shè)計(jì)起步較晚，特別是針對(duì)高校中庭空間數(shù)字化吊頂設(shè)計(jì)研究很少，本次設(shè)計(jì)基于滿足空間聲學(xué)和美學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)化吊頂生成設(shè)計(jì)實(shí)踐嘗試。

3 參數(shù)化吊頂生成設(shè)計(jì)案例

3.1 項(xiàng)目基地概況

同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院由上海巴士一汽原廠址的機(jī)修廠房改造（圖2）。其中，機(jī)修工廠為20世紀(jì)50年代所建，面積2 098m2，鋼筋混凝土空腹桁架（殼體屋面）加空間框架結(jié)構(gòu)，外立面以白色涂料[3]、紅磚墻面、白色鋼窗為主。創(chuàng)意學(xué)院建造保留了原有建 筑的空腹桁架和殼體屋面結(jié)構(gòu)。

3.2 聲環(huán)境測(cè)量

項(xiàng)目首先對(duì)學(xué)院中庭放置聲源進(jìn)行聲環(huán)境測(cè)量，在房間角落及講臺(tái)處，每個(gè)聲源點(diǎn)放置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，聲源高度1.6m，與站立的老師等高，測(cè)點(diǎn)高度1.2m，與坐著的學(xué)生等高，結(jié)果見圖3：中庭空間聲音混亂而復(fù)雜，空間現(xiàn)有中頻混響時(shí)間為4.0s，嚴(yán)重超出國(guó)標(biāo)要求的1.5s，聲環(huán)境差。而后根據(jù)聲效測(cè)試計(jì)算出的所需靜音吊頂?shù)拿娣e、數(shù)量及預(yù)達(dá)到的聲環(huán)境效果數(shù)據(jù)（表1）：需采用類似120片1.17m×1.17m的吸音吊頂對(duì)空間進(jìn)行改造，可使得中頻混響時(shí)間降低至1.43s，創(chuàng)造良好的聲環(huán)境。

圖1 悉尼技術(shù)大學(xué)禮堂吊頂室內(nèi)實(shí)景圖

圖2 同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院

3.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.3.1 屋頂承重方式及吊頂高度

學(xué)院在重建時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加固措施，但由于其工業(yè)遺產(chǎn)建筑構(gòu)造的難以改造性，目前學(xué)院大廳頂部保留薄殼結(jié)構(gòu)，最薄點(diǎn)不足8cm 厚，無法承受吊頂?shù)闹亓浚虼?，不能在薄殼上面像普通吊頂一樣安裝膨脹螺栓，需從建筑的二層頂部的橫梁墻體處拉支撐桿并拉鋼絲懸索，并在懸索上面安裝吊頂，這對(duì)吊頂?shù)淖罡吒叨扔幸欢ǖ囊?，需盡量低于梁且高于窗戶，保證陽光能從窗口均勻射入。

3.3.2 材料的選擇

學(xué)院大廳為大型空間，為了達(dá)到控制空間的混響時(shí)間、降低噪聲、消除回聲的目的，界面材料的吸聲處理非常重要。常用材料中，金屬和巖棉質(zhì)量太大，石膏板自重較大，均不適合該設(shè)計(jì)空間。根據(jù)以上情況，設(shè)計(jì)采用具有較好耐熱性和耐潮性，重量輕的玻璃纖維板等環(huán)保材料來構(gòu)成吊頂材料。

3.3.3 室內(nèi)消防安全

公共活動(dòng)場(chǎng)所需要考慮消防安全和規(guī)范，吊頂設(shè)置需避開現(xiàn)有室內(nèi)消防噴淋頭，確保基礎(chǔ)設(shè)施的正常使用和室內(nèi)消防安全。

3.4 設(shè)計(jì)法則

3.4.1 聲學(xué)設(shè)計(jì)法則

設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮室內(nèi)空間體型、所選材料對(duì)聲場(chǎng)的影響，亦需考慮使用者對(duì)空間傳播聲音的主觀感受。學(xué)院大廳作為教學(xué)和演出、展覽活動(dòng)的發(fā)聲地，語言清晰度和聲調(diào)宏亮感都是聲學(xué)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。聲學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需通過合適形態(tài)的吸音吊頂，加強(qiáng)有效的聲反射，控制混響時(shí)間，防止回聲，使聲能在空間內(nèi)均勻分布和擴(kuò)散。

3.4.2 參數(shù)化吊頂方案設(shè)計(jì)生成法則

參數(shù)化設(shè)計(jì)（Parametric Design）把設(shè)計(jì)要素變成函數(shù)的變量，通過改變函數(shù)及算法，使人們能夠獲得不同的設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是輸入和輸出的對(duì)應(yīng)，參數(shù)既可以是靜態(tài)數(shù)值也可是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過改變和修正參數(shù)達(dá)到結(jié)果的多元可能[4]。生成設(shè)計(jì)法則是基于計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的計(jì)算能力與以上現(xiàn)象數(shù)理原理的結(jié)合，當(dāng)變量或者參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，參數(shù)影響結(jié)果而不改變?cè)榷x的邏輯和規(guī)則。

3.5 設(shè)計(jì)方案

3.5.1 “鏈元”聲環(huán)境吸音吊頂設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院不同于傳統(tǒng)學(xué)院，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新、自由的思維，反映在室內(nèi)中庭吊頂設(shè)計(jì)上，更需要?jiǎng)?chuàng)新性反映學(xué)院精神及內(nèi)涵?！版溤蔽舻蹴斣O(shè)計(jì)，從學(xué)院文化關(guān)鍵詞入手，由靈感、敏銳、創(chuàng)新等詞為意向，以思維和大腦為主題，以“神經(jīng)鏈接”為元件（圖4），在聲源比較大的區(qū)域，隨機(jī)生成點(diǎn)云，由點(diǎn)云形成面，借助犀牛（Rhino）、螞蚱（Grasshopper）軟件進(jìn)行參數(shù)化生成設(shè)計(jì)：設(shè)定吊頂在空間中的平面隨機(jī)點(diǎn),而后生成地面錨點(diǎn)，將隨機(jī)生成的點(diǎn)連接起來，形成mesh網(wǎng)格，使用wb插件算法細(xì)分mesh網(wǎng)格，對(duì)邊長(zhǎng)進(jìn)行細(xì)分，利用相同的規(guī)則邏輯基于優(yōu)化mesh網(wǎng)格。利用grasshopper中的袋鼠插件進(jìn)行重力模擬mesh曲面及優(yōu)化網(wǎng)格細(xì)分，并進(jìn)一步通過控制鏈接凸點(diǎn)形態(tài)的參數(shù)變量，使形態(tài)元素隨著自然演化過程，被轉(zhuǎn)化為變量后的數(shù)字系統(tǒng)中的一系列控制曲線，由曲線控制點(diǎn)調(diào)整曲面造型，并通過調(diào)動(dòng)模型的坐標(biāo)調(diào)節(jié)不同的參數(shù)來生成不同的形態(tài)（圖5）。

圖3 設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院空間聲測(cè)結(jié)果

表1 吊頂面積、數(shù)量及預(yù)期達(dá)到的聲環(huán)境數(shù)據(jù)效果數(shù)據(jù)表

鏈接元件可由學(xué)生自己進(jìn)行裁剪，形成學(xué)院師生共同匯聚智慧的理念。元件采用玻璃纖維板，自重輕、吸音性能強(qiáng)、不易潮濕，并易于折疊、切割和生產(chǎn)制作，在吊頂制作中，采用Grasshopper中的雙曲面梁（Beam）細(xì)分為若干塊二維平面，將這些組件通過節(jié)點(diǎn)的連接與固定形成弧線造型，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用了雙重玻璃纖維板的疊加和拼接。再經(jīng)RhinoNest程序軟件，在反復(fù)調(diào)試中最優(yōu)化地將加工構(gòu)件進(jìn)行模塊化的排版與切割（圖6）。在設(shè)計(jì)中，歸納最基本的規(guī)則和原則建構(gòu)數(shù)字模型形態(tài)，自主演化波浪、漣漪自然韻律雛形，并生成最終形態(tài)（圖7）。

圖4 聲環(huán)境吸音吊頂?shù)摹吧窠?jīng)末梢”參數(shù)化設(shè)計(jì)

圖5 “鏈元”吊頂設(shè)計(jì)參數(shù)化形態(tài)調(diào)整

3.5.2 “同舟共濟(jì)”聲環(huán)境吸音吊頂設(shè)計(jì)

以同濟(jì)大學(xué)“同舟共濟(jì)”為主題，在場(chǎng)地分析和概念確立的基礎(chǔ)上，提出概念模型，通過不同算法，進(jìn)行船體規(guī)則控制下自組織地生成形態(tài)雛形。

模擬船體的框架結(jié)構(gòu)，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)運(yùn)用不同形狀剖面連續(xù)切片構(gòu)成船體形態(tài)，根據(jù)空間的平面尺寸生成空間網(wǎng)格，縱向坐標(biāo)盡量貼近穹頂上的管道下沿標(biāo)高，橫向坐標(biāo)在船體形態(tài)預(yù)定空間范圍內(nèi)由參數(shù)變量取值獲得。

確定空間網(wǎng)格空間剖分后，在空間網(wǎng)格內(nèi)生成船體骨架片狀的區(qū)域，并運(yùn)用參數(shù)化形態(tài)設(shè)計(jì)，進(jìn)行船體骨架片狀的位置及形態(tài)調(diào)整（圖8）。設(shè)定若干最高控制點(diǎn)和最低控制點(diǎn)及曲面控制點(diǎn)，標(biāo)高和曲面在一定范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生，通過函數(shù)方法的優(yōu)化及調(diào)整，計(jì)算船體骨架構(gòu)建的相鄰點(diǎn)標(biāo)高和曲面，形成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)矩陣。對(duì)于船體木質(zhì)材料的加工構(gòu)建，利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行材料構(gòu)建制作，整個(gè)流程包括：Grasshopper切片生成及編號(hào)—數(shù)控切割機(jī)選擇—CAD切片大小確定及排版—調(diào)整切片大小及數(shù)量—上機(jī)試片—修正切片大小及編號(hào)—上機(jī)切割—切割完成編號(hào)（圖9）等程序。

圖6 “鏈元”吊頂參數(shù)化形態(tài)調(diào)整

圖7 “鏈元”吊頂參數(shù)化室內(nèi)效果圖

在“波浪”的吊頂設(shè)計(jì)部分，在概念設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)組發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的阿姆斯壯弧形板材的曲面還不夠柔和，故應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，模擬借鑒了自然環(huán)境中令人印象深刻并時(shí)刻演進(jìn)中的波浪曲線，在軟件中以多條曲線描述形態(tài)架構(gòu)，通過非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，加工形成自由、變換的基本弧形單元網(wǎng)格吊頂形式造型（圖10）。

圖8 “同舟共濟(jì)”船體吊頂數(shù)字化構(gòu)建

圖9 “同舟共濟(jì)”船體吊頂切片

波浪吊頂將中庭不同部位區(qū)分為停留或穿越區(qū)域，船體與弧形板相呼應(yīng)，保持向門廳俯沖的動(dòng)態(tài)趨向，并在管道、吊燈以及噴淋的位置適當(dāng)降低波浪吊頂高度，并盡可能避開窗戶的開窗位置，防止遮擋光線。經(jīng)過不斷的調(diào)試，工作小組把所有的切片、龍骨和節(jié)點(diǎn)圖形化，根據(jù)連接路徑，按照定位的構(gòu)建與懸索，形成主要的結(jié)構(gòu)支架，按照順序插接，其建構(gòu)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)形成一個(gè)由多個(gè)波浪涌動(dòng)的互為聯(lián)系、互為牽制的參數(shù)化的吊頂形態(tài)（圖11）。

在尋找材料的過程中，設(shè)計(jì)組將目標(biāo)鎖定在鋁塑板、鋼板、木材、玻璃纖維板四種材料上面，并對(duì)材料性能進(jìn)行了分析：雖然鋁塑板顏色較多，方便不同深淺色彩的選擇，但通過與廠家交流，發(fā)現(xiàn)鋁塑板不適合激光切割；而金屬板雖然適合激光切割，但是自重過大，目前現(xiàn)場(chǎng)條件無法承重；木材易于加工，但容易受潮而變形，因此只能作為船體骨架的小面積的材料。波浪的弧形吊頂最終選擇了耐熱性和耐潮性好、重量輕、具有良好加工性的玻璃纖維板。玻璃纖維板色彩采用紅色等絢麗明顯的色彩，以波浪造型多片連續(xù)懸掛，塑造出如絲綢緞帶般靈動(dòng)的流線型天花，頓時(shí)讓靜態(tài)的房間有了動(dòng)態(tài)的詩(shī)意，強(qiáng)調(diào)了空間的靈動(dòng)自由，成為室內(nèi)奪目的景致，具有強(qiáng)烈的視覺沖擊力（圖12）。

圖10 “同舟共濟(jì)”波浪吊頂數(shù)字化構(gòu)建

圖11 “同舟共濟(jì)”波浪吊頂數(shù)字化構(gòu)建

根據(jù)測(cè)量，在同樣面積空間內(nèi)，弧線形吊頂與普通吊頂相比具有更強(qiáng)的吸音效果。將設(shè)計(jì)成果運(yùn)用聲學(xué)軟件EASE進(jìn)行測(cè)試，其聲壓級(jí)、明晰度、語言接受指數(shù)都有了明顯改善（圖13）。在學(xué)院宏大而寬闊的穹頂，起伏連綿的朵朵浪花涌動(dòng)出靈動(dòng)的美感，乘風(fēng)破浪的“大船”承載著學(xué)子的抱負(fù)和心境，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)和美學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一，符合設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院的審美和氛圍。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的天花吊頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷是以遮蓋建筑設(shè)備管道為主，而如今的吸音吊頂設(shè)計(jì)不再只是簡(jiǎn)單的裝飾功能，更是室內(nèi)設(shè)計(jì)的點(diǎn)睛之筆。設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院的吊頂設(shè)計(jì)先后嘗試了多種造型概念及不同的設(shè)計(jì)手法，通過數(shù)字模型構(gòu)建、參數(shù)調(diào)整、程序?qū)嵺`、材料選用、構(gòu)件模塊加工研究等過程，對(duì)不同的參數(shù)化構(gòu)建有了更加深入的理解。參數(shù)化設(shè)計(jì)算法成為吸音吊頂設(shè)計(jì)過程中重要的工具。程序設(shè)計(jì)與吊頂藝術(shù)設(shè)計(jì)相得益彰，靈感的激發(fā)和設(shè)計(jì)技能的提高在這一過程中不斷地巧妙黏合，藝術(shù)與技術(shù)、現(xiàn)代與傳統(tǒng)的完美結(jié)合，使設(shè)計(jì)美觀與性能完善之間達(dá)到了平衡，推進(jìn)了具有獨(dú)特造型及風(fēng)格的吸音吊頂構(gòu)建形式，創(chuàng)造出一個(gè)舒適安全的高校室內(nèi)聲環(huán)境。

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圖12 “同舟共濟(jì)”吊頂數(shù)字化構(gòu)建

圖13 “同舟共濟(jì)”吊頂聲壓級(jí)、明晰度、語言接受指數(shù)測(cè)試