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膜結構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：

對于中國膜結構建筑界而言，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，中國膜結構建筑的設計水平被落得越來越遠，中國的新時代地標設計中幾乎難以見到中國人的身影。直到這樣一座膜結構建筑的出現，讓中國人開始追趕上世界膜結構建筑設計的步伐，以一件超現實主義的作品與各國膜結構建筑師對話。
這座膜結構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，該膜結構建筑還是一個對公眾開放的互動體驗空間。
這座膜結構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計師，設計建造一座代表現代中國的膜結構建筑。

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

于是，經過無數次的方案修改、推倒和重構，經過無數個日夜的修改和完善，鳳凰中心的設計最終出爐——莫比烏斯環的外形下包裹著兩座獨立的多功能膜結構建筑，其間穿插著多變的共享空間，環形的膜結構建筑圍合成的中央廣場又是膜結構建筑體量的核心。中央廣場被巨大而飛舞的鋼結構圍合，連接著西側的城市主干路與東側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布會便是在這里舉行。

在這個設計中，“莫比烏斯環”的構思源自“鳳凰”的形象，莫比烏斯環數學模型的最大特點是“有界無邊”，消除了傳統建筑中的“正交”概念，所有曲線在360°的空間中連續循環，通過一個連續的、不斷變化的曲面將高聳的辦公樓和低矮的演播樓統一成一個封閉的整體。

走進這座膜結構建筑，斜向鋼柱形成的韻律在環形坡道映襯下產生了強烈的音樂感。兩柱之間的玻璃幕墻設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成吊頂。走進其中，周圍的幕墻鋼構弧線順坡而下，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，各種設備口部的整合和控制等等都完美地契合在一起。

幕墻、結構外殼一體化的設計概念，將膜結構建筑表皮形式、結構和材料構造進行高度的設計整合。它們的界限在創作中實現融合，表皮既是結構，結構也是裝飾，鋼構件、鋁板、幕墻玻璃被技巧性地塑造成一個流暢的膜結構建筑曲面。
（二）萬事開頭難，先用飛機設計軟件畫個圈
在“參數化設計”流行的膜結構建筑設計界，世界明星膜結構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“參數化”的作品，設計師利用數字技術手段，對場地條件、規劃要求、周邊環境充分分析，創造出這個復雜的三維形體。
然而，在面對如此“驚艷”的設計造型時，設計師們發現最大的問題是設計的復雜性已經超出了傳統建筑軟件的能力范圍，他們不得不尋找更加精密，而且能夠具備復雜建模能力的軟件。最終，他們選擇了一款飛機設計軟件CATIA，用設計流線外形的強大功能來建構“鳳凰之巢”的復雜結構。

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

這場數字化的革命，還帶動了全新的工作模式——“三維協同”的發展。有賴于BIM技術的運用，在三維協同狀態下，膜結構建筑師、結構師、機電工程師可以在同一個全信息膜結構建筑模型完成設計成果的交流與傳遞。各類配合問題可以在第一時間被發現，并在直觀的狀態下完成團隊內部的溝通、討論、決策，及時保證設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，虛擬化的膜結構建筑元件在幾何尺寸和形式上具有與真實膜結構建筑構件1:1的足尺比例關系，并且包含了膜結構建筑材料、重量等非幾何信息。
這種方式使鳳凰中心實現了真正的虛擬建造，使工程后續的生產、建造與運行工序大大受益，甚至帶動了整個膜結構建筑產業鏈的升級和發展。

在鳳凰中心南側辦公主樓的建設設計中，設計師面臨這樣的問題——如何將一個順滑的“主樓基面”發展為包含多層次膜結構建筑構件信息的實體。經過嚴密的、多層級參數的調控過程，設計方由膜結構建筑“基礎控制面”推導出“主樓基面”，再由“主樓基面”定義完整的主樓梁、板、柱結構幾何控制線，最后以結構幾何控制線為基礎加入膜結構建筑裝修幾何控制系統。

同時，在設計中有著同樣生產邏輯的還有100根彎扭的主、次鋼梁，它們的落地狀態無一相同，該如何設計？在優化設計中，設計師們首先將支座分為上下兩部分，通過統一規則的曲線轉直線切變處理，將連接銷軸控制成2-3類標準的樣式，以便于統一開模鑄造，再將這些樣式進行組合，最終得到鋼構件。

裙房內幕墻初始的控制面由復雜的雙曲面構成。為了能在造價允許范圍內高質量完成設計控制工作，依靠BIM模型的高精準性，設計師們對原始的雙曲面進行了板片優化的數據分析，確定了板片優化的模數設置、板片平面外偏差的消納規則，最終建立起完整的干掛SRC板材幕墻體系模型，用以直接指導后續的生產加工和安裝工作。
（三）天馬行空的設計，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”完全自由的曲線設計展現出來的時候，設計師們認為最大的問題在于是否能夠設計出輕盈的結構讓它真的“飄起來”，他們都為邵偉平捏了一把汗。

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

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

整個莫比烏斯環的幕墻由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。為了表現莫比烏斯環連續扭動的形體特征，設計團隊打造出了一套融合結構力學和美學表現力的全新結構體系——雙向疊合網格結構。
它在承擔自重的同時為兩座主體膜結構建筑提供了舒適的內部無柱空間。設計將雙向疊合鋼結構梁通過交叉點的連桿側向連接，形成主次鋼結構梁分離的空間效果，內外鋼梁之間的空間被用來安裝幕墻系統。這一設計將幕墻、結構外殼一體化，將膜結構建筑表皮形式、結構和材料構造進行高度的設計整合，以適應這個流暢圓潤的膜結構建筑。

幕墻的設計利用外殼主鋼梁軌跡將復雜膜結構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之間的交接碰撞，而且使原本復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）莫比烏斯環鋼構件的兩大難點是怎么突破的？
對工程師來說，莫比烏斯環鋼構件的加工生產絕對是一個“噩夢”，然而對于加工企業來說，卻是“中國建造”一戰成名的絕佳機會。
除了門口雨棚的桁架和極少量混凝土結構的支撐桿件外，鳳凰中心的其他鋼構件全部是彎曲的，有的還甚至是空間彎扭的。在整個鋼構的加工生產中，有兩個最大的難點：
一是膜結構建筑外墻的鋼結構主肋，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構；二是環形坡道“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。

要實現如此復雜的鋼結構曲面，只有采用大型船舶船壁的3D空間造型施工技術。即使如此，大船板畢竟只是一整塊連續曲面大板，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。以造船技術為基礎，加工方制作了“樣箱”。
“樣箱”其實就是“內膽”，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表皮輪廓的。這樣，用這種傳統的“木工活”就解決了進度的問題。這樣的方式不需要專業操作儀表的工人，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，特別是在三維構件的焊接中，焊接的順序、焊接過程中的約束方式都會導致變形程度的變化。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備對兩個構件進行拼接時，縫隙大到能踏進去一只腳。

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

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