從設(shè)計(jì)到建造
——互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心的一體化實(shí)現(xiàn)

袁烽 朱蔚然

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

如果說電子與信息工業(yè)的應(yīng)用是一種屬于20世紀(jì)后期的工業(yè)化模式，那么新型工業(yè)化應(yīng)當(dāng)是以信息工業(yè)為基礎(chǔ)的智能工業(yè)化，是一種集成了人的智慧、機(jī)器的計(jì)算以及新型工具能動(dòng)性的新模式，并體現(xiàn)為新的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與社會(huì)形態(tài)。工業(yè)化極大地改變了建筑行業(yè)，迫使建筑師以非傳統(tǒng)的方式進(jìn)行思考，且重新定義了設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程與建造流程。

互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心是一次對(duì)當(dāng)下新型建筑工業(yè)化實(shí)踐方式的思考。如何將烏鎮(zhèn)的文化背景、當(dāng)?shù)氐乃l(xiāng)環(huán)境、公共建筑的形式以及互聯(lián)網(wǎng)之光的主題融合創(chuàng)新，從設(shè)計(jì)到建造全過程地實(shí)踐建筑的智能工業(yè)化，是對(duì)人機(jī)合作從思維邏輯到落地實(shí)現(xiàn)的一次挑戰(zhàn)。

1 新型一體化過程

互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心位于烏鎮(zhèn)核心景區(qū)西北角，緊鄰西柵古建筑群，坐落于一片千年水鄉(xiāng)之間。及至2018年，已有五屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)在烏鎮(zhèn)成功舉辦，在開展大型會(huì)展活動(dòng)的同時(shí)也帶動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的集聚，促使區(qū)域經(jīng)濟(jì)從傳統(tǒng)旅游業(yè)轉(zhuǎn)向科技產(chǎn)業(yè)。博覽中心周邊被農(nóng)宅、旅游項(xiàng)目及一期展館包圍，新舊區(qū)域交織。作為2019年互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)的新場館，不僅需要考慮與一期建筑在形式與功能上的協(xié)調(diào)，還需考慮整體片區(qū)作為互聯(lián)網(wǎng)峰會(huì)核心片區(qū)的可能，并在建筑設(shè)計(jì)上體現(xiàn)先進(jìn)理念與技術(shù)。面對(duì)多維的設(shè)計(jì)要求與僅僅六個(gè)月的時(shí)間，我們選擇以設(shè)計(jì)建造一體化的模式對(duì)全過程進(jìn)行管控。

一體化的首要特征是打通人的思維與機(jī)器的運(yùn)算思維，其次是打通設(shè)計(jì)與建造。這一切建立在建筑設(shè)計(jì)方法從幾何參數(shù)化、性能參數(shù)化到建造參數(shù)化的一體化聯(lián)動(dòng)基礎(chǔ)之上[1]。如此，建造便在人機(jī)合作中被重新納入建筑師的職責(zé)與掌控范圍，這也是對(duì)建筑師與包工頭分置的職業(yè)特征的挑戰(zhàn)。將該思維應(yīng)用在博覽中心項(xiàng)目中，則體現(xiàn)為從設(shè)計(jì)生成、模擬、優(yōu)化，再到建造的新型一體化過程，而這種以“過程”為核心的模式帶來了高度統(tǒng)一的數(shù)字化操作流程，避免了人力、物力與時(shí)間的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了博覽中心用鋼量的最小化、跨度的最大化、工期的最短化。

在博覽中心的設(shè)計(jì)前期，為達(dá)到山水連綿的形態(tài)效果，展廳屋頂選用張弦梁結(jié)構(gòu)形式起拱，以達(dá)到中間高、兩邊低的坡屋頂效果，同時(shí)在每一根脊梁處打開以引進(jìn)自然天光。對(duì)初期模型進(jìn)行推敲時(shí)，建筑師在Grasshopper節(jié)點(diǎn)式編程平臺(tái)中，以全參數(shù)化建模的方式對(duì)屋頂?shù)膱D解靜力學(xué)懸垂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。全參數(shù)化建模可以極其方便地調(diào)整所有構(gòu)件的幾何類型、尺寸規(guī)格和位置關(guān)系，以達(dá)到調(diào)整屋頂整體形態(tài)的目的，且避免了手工建模等費(fèi)時(shí)費(fèi)力的操作。如此，在生成與模擬的環(huán)節(jié)，建筑師對(duì)幾何的操作就轉(zhuǎn)變?yōu)榱藢?duì)數(shù)據(jù)的操作，且越接近底層數(shù)據(jù)，操作就越高效，這是一種典型的機(jī)器思維融入建筑師思維的體現(xiàn)。

1 鳥瞰

2 平面圖

3 屋頂系統(tǒng)拆分

4 建筑結(jié)構(gòu)拆分

5 引入天光的張弦梁下部空間

在對(duì)大跨度建筑模型進(jìn)行優(yōu)化的過程中，首先需要優(yōu)化其結(jié)構(gòu)形式，以達(dá)到重量輕、材料少、施工能耗低、開放且輕盈的目的。博覽中心在結(jié)構(gòu)體系選型時(shí)，考慮到在半年的項(xiàng)目周期內(nèi)懸索或鋼板帶等柔性體系較難處理，對(duì)建造的控制也較為復(fù)雜，因此選用了半剛性的張弦梁體系。主張弦梁間采用“懸鏈梁”對(duì)常規(guī)懸索結(jié)構(gòu)中的鋼索進(jìn)行優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)形式可以通過材料受拉讓鋼材的性能最大化，又不需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行索形調(diào)整。懸鏈梁結(jié)構(gòu)體系中，我們用工字鋼替換鋼索實(shí)現(xiàn)材料的預(yù)找形，在參數(shù)化模型中將230根懸鏈梁統(tǒng)一優(yōu)化為半徑一致的圓弧段，極大地降低了加工和施工的難度。

2 預(yù)制裝配式建造

裝配與建造在詞源上有諸多共通之處，在討論“裝配”（Fabrication）或“建造”（Fabrication）時(shí)，可解釋為對(duì)材料進(jìn)行構(gòu)造的動(dòng)作，同時(shí)二者也是生產(chǎn)大型或具有一定技術(shù)難度作品的過程?！皵?shù)字化裝配”借用機(jī)械和計(jì)算機(jī)技術(shù)，根據(jù)作品結(jié)構(gòu)材料和運(yùn)輸安裝限制，將虛擬轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，將復(fù)雜模型整體轉(zhuǎn)化為易于安裝和運(yùn)輸?shù)暮唵瘟慵2]。在博覽中心的裝配式建造階段，由于從設(shè)計(jì)到建造的全流程均在同一套信息模型內(nèi)完成，設(shè)計(jì)與建造之間的鴻溝被消解，設(shè)計(jì)信息不再需要復(fù)雜繁瑣的轉(zhuǎn)化工作，甚至可以直接被建造流程所接受并識(shí)別，減少了中間提資、繪圖和交底的事項(xiàng)，大幅提高了建筑、結(jié)構(gòu)和其他專業(yè)以及工廠三方之間的數(shù)據(jù)傳輸效率和優(yōu)化調(diào)整效率。

裝配式建筑將傳統(tǒng)施工現(xiàn)場中大量的工作轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，批量生產(chǎn)、加工構(gòu)件和配件后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場就能直接裝配。裝配式建筑具有顯著的系統(tǒng)性特征，須采用一體化的建造方式，即在工程建設(shè)全過程中，主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)、裝飾裝修系統(tǒng)通過總體技術(shù)優(yōu)化、多專業(yè)協(xié)同，按照一定的技術(shù)接口和協(xié)同原則組裝成裝配式建筑[3]。

以懸鏈梁為例，博覽中心項(xiàng)目做到了從優(yōu)化異形結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)模塊化構(gòu)件，到進(jìn)入工廠預(yù)制，最后到現(xiàn)場按建造過程進(jìn)行吊裝。這種上下游打通的流程并非完全是線性的，而是相互關(guān)聯(lián)且方便返回任意環(huán)節(jié)。預(yù)制裝配式建造模式可以縮減時(shí)間，但其更重要的意義在于流程的暢通和勞動(dòng)力的合理分配。

9 室內(nèi)空間

全預(yù)制裝配式建筑主結(jié)構(gòu)運(yùn)用了性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與工具，被優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化為8個(gè)A字柱、4根張弦梁與2段邊緣弧梁以及230根懸鏈梁，充分發(fā)揮了材料潛力，從源頭上減少了生產(chǎn)量。此外，該項(xiàng)目還將動(dòng)態(tài)模數(shù)系統(tǒng)和全預(yù)制裝配邏輯運(yùn)用到整個(gè)展館的表皮構(gòu)建中，將聚碳酸酯板材料的立面“鱗片”在現(xiàn)場安裝。2萬m2屋頂、70萬塊瓦片的安裝創(chuàng)造性地采用了半預(yù)制化的方式，將濕作業(yè)的傳統(tǒng)瓦優(yōu)化為預(yù)制化的安裝單元進(jìn)行現(xiàn)場裝配，使瓦片單元的裝配與結(jié)構(gòu)部分的施工同步。每個(gè)瓦片單元包含18塊瓦片，可在地面上直接組合，且每個(gè)單元只需5min便能在屋頂對(duì)應(yīng)位置安裝完畢。

現(xiàn)場機(jī)器人系統(tǒng)是預(yù)制裝配式建造中的新型工具，能夠完美地補(bǔ)充傳統(tǒng)加工數(shù)控機(jī)器無法實(shí)現(xiàn)的工藝，減少勞動(dòng)力的浪費(fèi)和工人現(xiàn)場施工的風(fēng)險(xiǎn)。博覽中心非常規(guī)屋頂上鋼梁之間的連接，異形張弦梁和半剛性懸垂系統(tǒng)也意味著大量的圓弧形構(gòu)件和高空焊接作業(yè)，工人在高空中焊接曲線形構(gòu)件會(huì)帶來作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和安裝誤差。為避免該情況并進(jìn)行精準(zhǔn)建造，項(xiàng)目使用了柔性軌道焊接機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場焊接，將柔性軌道附著于曲面構(gòu)件上，經(jīng)過簡單的現(xiàn)場工作起始點(diǎn)示教后自動(dòng)完成焊縫跟蹤?，F(xiàn)場機(jī)器人系統(tǒng)不僅可以更快地執(zhí)行任務(wù)，而且精度極高，人機(jī)協(xié)作勢必會(huì)為新型建筑工業(yè)化帶來更廣闊的前景。

3 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理念

預(yù)制裝配式建造要求整體性設(shè)計(jì)的方法，并采用系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)理念與工作模式對(duì)建筑中的四大系統(tǒng)進(jìn)行集成。博覽中心綜合考慮多方面不同環(huán)節(jié)的相互交叉和施工的便利性，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)系統(tǒng)之間在不同階段的協(xié)同、融合和集成，最終完成了建筑、結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)、設(shè)備與管線系統(tǒng)以及內(nèi)裝系統(tǒng)的一體化集成設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上，間距2m的H型鋼懸鏈梁與屋面直立鎖邊板的經(jīng)濟(jì)跨度相吻合，兼顧“檁條”的作用，檁條層的合并也使屋面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造得以優(yōu)化。結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算、模擬和優(yōu)化，使得長達(dá)48m跨度的懸鏈梁能以200mm的高度實(shí)現(xiàn)。最終，屋脊張弦梁結(jié)合跨間懸鏈梁的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)形成了90m×200m的無柱空間。外圍護(hù)系統(tǒng)中，東西外墻使用了聚碳酸酯板加絲網(wǎng)印刷，且每一片板的角度嚴(yán)格受到信息模型的參數(shù)控制，擁有良好的透光效果和美學(xué)體驗(yàn)。

10 外墻實(shí)景

項(xiàng)目的室內(nèi)設(shè)計(jì)忠于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，將光源定位與懸鏈梁結(jié)合，隱藏于建筑結(jié)構(gòu)中，通過光的漫反射均勻照亮室內(nèi)空間。如此便免去了二次天花吊裝的工作，避免了直射光源產(chǎn)生的眩光問題。此外，展館裝飾墻體選用了鋁蜂窩板和鋁方管格柵，并在參數(shù)化軟件中通過數(shù)字算法計(jì)算出不同角度的鋁蜂窩板和鋁方管格柵的加工數(shù)量。信息模型的使用提高了加工精度，并在工廠預(yù)制后現(xiàn)場拼裝，壓縮了施工時(shí)間，提高了施工效率。

4 數(shù)字化建造未來

在如此緊張的時(shí)間內(nèi)完成一處滿足復(fù)雜展覽功能的大型展館，每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開數(shù)字化的設(shè)計(jì)與建造。數(shù)字化不僅對(duì)建筑深層次的創(chuàng)作思維有著深刻的影響，也幾乎更新了傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)方法。其對(duì)建造技術(shù)的影響和探索，隨著從幾何性能到建造參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)流程的打通，讓一種全新的設(shè)計(jì)建造生產(chǎn)系統(tǒng)得以建立。

數(shù)字設(shè)計(jì)與建造在新型建筑工業(yè)化中，在繼承傳統(tǒng)工業(yè)化的大規(guī)模批量生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的差異性定制。這不僅為建筑的形式美學(xué)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，更是一種可持續(xù)發(fā)展的新工業(yè)化道路。而隨著前沿?cái)?shù)字設(shè)計(jì)工具以及建筑機(jī)器人技術(shù)的加入，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的差異性、可變性和獨(dú)特性重新回歸到建筑批量生產(chǎn)的視野中，也讓建筑師與建造的關(guān)系再一次緊密地聯(lián)系起來。

在建筑一體化過程中集成數(shù)字技術(shù)，能夠促進(jìn)持續(xù)性和提高生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)全新的建筑表現(xiàn)形式。同時(shí)，數(shù)字化一體化過程強(qiáng)調(diào)多學(xué)科交叉，如建筑、結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、控制系統(tǒng)工程和機(jī)器人技術(shù)等，這是建立數(shù)字建筑文化與新型建筑工業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，需要形成一種牢固的研究聯(lián)系，并將其應(yīng)用于建筑行業(yè)的發(fā)展。

思考建筑業(yè)的未來，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)建造模式有諸多弊病，整個(gè)行業(yè)迫切需要加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，讓產(chǎn)業(yè)范式向創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變，打造新的平臺(tái)經(jīng)濟(jì)，并以綠色發(fā)展為己任。互聯(lián)網(wǎng)之光博覽中心是一次新型建筑工業(yè)化的大尺度建筑實(shí)踐，其過程中有諸多技術(shù)難題需要一步步攻克，其結(jié)果也為新型建筑工業(yè)化道路鋪上了一塊礫石。

圖片來源

圖1，5，9，10 由是然建筑拍攝；其余圖片均由作者自繪或自攝。