利用三维数字化驱动设计完成穿孔铝板的建筑表现

马 杰，熊楚峰，赵 野，刘晓峰，蔡小林（武汉凌云建筑装饰工程有限公司，湖北 武汉 430040）

作为控制建筑表现效果的重要方式，幕墙穿孔铝板一直都受到建筑师们的青睐，通过各种简单的排列、变化、组合，就能在薄薄的铝板上呈现出与众不同的视觉效果，形成各种韵律和肌理的美感。

由于设计手段、加工工艺的局限性，传统的穿孔设计主要分为两大类，一类主要是在规则的形状上对冲孔进行等距或规律性的排布，如西班牙巴达霍斯美术馆（图1），其内外立面如同覆有一层印有信息的穿孔表皮，上面通过等径等距的穿孔按一定规律排布出不同图案，使置身其中的参观者仿佛处于星空之中，时刻感受一种静默、神秘的现代艺术气息；另一类是利用穿孔模拟各种简单图像，如法国 Saint Nazaire 剧院内幕墙（图2），通过冲孔大小、疏密的变化，模拟衍生出 17 世纪丝绸纺织品上的花卉图案，再通过不断地重复贯穿在剧院大厅、礼堂、围墙及栏杆上，打破了混凝土结构的厚重感，营造出一种雍容、高贵的氛围。

图1 西班牙巴达霍斯美术博物馆

图2 法国 Saint Nazaire 剧院

分析传统的穿孔设计，具有逻辑单一、规律性强、重复度高、图案简单的特点，往往通过几张布置图就能表达清楚。但随着设计师们对建筑表现个性化的不断追求，进而对穿孔形状、大小、间距变化也有了更精确的定制化要求，有时甚至需要呈现出大型复杂图像；同时随着建筑外形越来越复杂，穿孔设计的对象也从简单的二维规则平面上升到三维空间自由曲面。如果采用传统的布孔方法，不仅费时费力，还无法保证最终的呈现效果，给设计加工带来了很大挑战。

为了解决这些问题，我们应用 BIM 技术，采用数字化驱动的方式，建立参数化三维模型，通过程序实时控制穿孔形状、大小、间距等重要参数的变化，根据设计要求找到最优解，完成既满足外观设计效果，又符合生产加工工艺要求的穿孔布置方案，并自动批量导出穿孔布置图，极大地提高了出图效率。本文以武汉市东西湖体育中心幕墙项目中穿孔铝板设计为例，针对常见的穿孔设计要求，介绍两种基于数字化驱动的布孔方法：三维相贯线布孔法和图像干扰法。

1 三维相贯线布孔法

武汉市东西湖体育中心（以下简称东体）由体育场、体育馆、游泳馆组成，整体造型如凌空腾飞的凤凰展开双翅。为了呈现飘逸、灵动的设计感，每个场馆都环绕有 3 条造型各异的飘带铝板（图3），除体育场底层飘带有角度翻转变化外，其余飘带都呈喇叭口型，即任一竖剖截面线与水平面呈固定角度，同时飘带的上下轮廓也起伏不定，高度不断变化（图4）。在这种空间自由曲面上进行穿孔设计，就必须要对每块铝板的布孔有非常精准的控制手段，才能保证加工安装后的表现效果。

图3 武汉市东西湖体育中心飘带

图4 分缝铝板细节

经过前期对飘带表皮分析、优化以及幕墙设计方案反复验证后，最终确定了飘带铝板的形状及分格形式，一场两馆总计有 2 900 余块分格。由于总体造型的原因，每块铝板的大小、形状、位置都完全不同，其中还有近 10% 为单曲铝板，利用 Grasshopper 软件，按照理论状态建立参数化铝板模型后，结合设计师与加工工艺要求，总结出穿孔布置需要满足以下条件。

(1) 所有穿孔在世界坐标系中呈水平竖直排布。

(2) 铝板与铝板之间的穿孔分布必须保持连续，不能错开。

(3) 孔径 40 mm、孔间距按 250 mm/3 个均匀分布。

(4) 为了保证加工强度，每块铝板上穿孔边缘距板边缘≥ 15 mm。

与常规穿孔要求相比，以上这几条似乎没有任何特别之处，但用来约束类似东体飘带这种空间自由造型的曲面，用传统方式或一般的参数化办法就会发现寸步难行。首先按照常规思路，第一步应该设法将所有铝板展开摊平才能方便布孔，但分析 2 种摊平方式会发现，如果按一块块铝板分别展开，就切断了板块间的视觉联系，无法找到保持板块间穿孔联系的参照基准，最终结果很难满足条件（2）；如果把同一飘带作为一个整体展开，虽然可以弥补分开摊平的缺陷，但是展开后的形状非常不规则（图5），无法找到保持穿孔横平竖直分布的参照基准，无法满足条件（1）。另外，这种空间自由造型飘带的建筑表现很大程度上取决于穿孔布置的精确性，而针对这么多大小形状都不相同的铝板布孔不可能简单几次就得到满意的结果。因此，在反复的调试、优化过程中，能实时观察到三维状态下的布置效果就显得非常重要，而摊平后的二维布置方式显然无法做到这一点。

图5 整体摊平后飘带形状

我们转换思路，直接在三维空间对分缝铝板进行布孔，不仅解决了上述问题，还能直观检查布孔结果的准确性。但从二维平面上升到三维空间，对我们控制穿孔位置的方法也提出了更高要求。经过前期对表皮的优化拟合，90% 以上的分格都为形状不规则的平面铝板，剩下的也拟合成可完全展开的单曲铝板，并且均为四边形。考虑到加工变形，摊平前后穿孔形状的变化几乎可以忽略不计。因此，三维空间里的穿孔布置可转化为对穿孔中心点位置的求解。

为了在三维空间中同时满足条件 (1)、(2) ，必须要找到一种既能联系铝板间位置关系，又能表现出每块铝板形状特点的参照依据。考虑到水平穿孔都处于同一标高位置，由它们中心点连接而成的曲线不仅连续，而且长度也与铝板相关，恰能满足要求。于是我们利用一系列等高参照平面与每块铝板求交集，得到的交线即为穿孔横向排布的相贯线，再通过设计适当的边距与间距即可获取中心点位置。

分析铝板形状与相贯线特点发现，由于与水平面成固定角度向外倾斜，每块铝板形状大致呈扇状（图6），相贯线长度也是从下到上逐渐变长。如果穿孔严格按照等距方式分布，将会在边缘处留下明显空白（图7），怎么排布都无法铺满每块铝板，不论是单块还是整体效果都相差太远。针对这种情况，最好的方式是顺着相贯线长度变化，逐渐微调布孔间距，使穿孔也呈扇状分布。经过与生产厂家沟通，在穿孔布置图明确的情况下，非等距布孔的加工没有问题，最终选择了该方案。

图6 扇状铝板

图7 等距排布效果

最后，筛选出在有效范围内的穿孔中心点，排除无效点，并将所有点位附着于铝板上一起摊平展开，按顺序批量导出穿孔布置图。整个求解过程的具体步骤如下。

(1) 获取相贯线。由于每块铝板形状不规则，导致上下边缘与水平方向不平行，因此边缘处交线的覆盖范围不充分，特别是尖角位置的更是参差不齐，无法通过等分获取点位。为了统一算法逻辑，先延伸每块铝板的上下边缘，扩展范围，再与等高参照面求交集，最终获取能完整覆盖每块分缝铝板的相贯线（图8）。

图8 分缝铝板完整相贯线

(2) 求取穿孔中心点。得到每块铝板上的相贯线后，通过均分即可获取穿孔点位。由于穿孔最终呈扇形排布，孔间距必然会在一个范围内变化，但为了保证铝板的表现效果，该范围需要尽可能缩小。为此，我们先分析每块铝板上相贯线长度的变化范围，计算出可能的穿孔数量，在满足最小边距的前提下，通过调节边距值，求取穿孔数量、间距、边距三者间的最优解（图9）。

图9 获取穿孔中心点

(3) 筛选有效点。主要分 2 次筛选，首先剔除不在开缝铝板范围内的点；然后再剔除距铝板边缘不满足边距要求的点；最后得到我们需要的穿孔中心点（图10）。

图10 筛选后点位

(4) 最后将穿孔点随铝板一同展开，并绘制穿孔，按顺序批量导出穿孔布置图（图11）。

图11 穿孔布置图批量输出

三维相贯线布孔法很好地解决了东体飘带铝板穿孔设计的难题，通过数字化方式，精确地将所有穿孔间距都控制在了 81～85 mm 之间，最终视觉效果与等距排布几乎没有差别，出色地表达了设计意图；极大地节约了人力时间成本，将原本 5 个人 1 个月的工作量缩短至 1 个人 10 d 工作量，大大提高了出图效率；同时也为针对这种空间自由造型曲面的穿孔设计提供了一种直观的解决思路，值得在更多异形项目中拓展应用。

2 图像干扰法

该项目游泳馆内幕墙同样为穿孔铝板，不同的是大面上设计有各种彩带图案，需要在图案内外范围里按不同要求布置穿孔，也是一种常见的穿孔设计。针对这种情况，我们介绍一种图像干扰布孔法，可以根据图片直接得到穿孔设计方案。其原理是图片中各种颜色都对应有相应的灰度值，经过程序识别后，可将不同灰度值标识的区域自动区分开，然后利用点阵分别设置不同的孔径、孔距甚至排布逻辑，以模拟出图片成像（图12）。

图12 图像干扰模拟成像

该方法在很多领域都有一定的应用，结合幕墙专业特点及铝板加工工艺要求，应用于铝板穿孔设计时的具体步骤如下。

(1) 建出整个需要布孔的幕墙表皮，在上面绘出各图案区域并设置为灰度不同的颜色，然后将它们作为一个整体保存为图片。如果面积太大时，可拆分为几张图片分别处理，以提高程序运行效率。如果像东体游泳馆内幕墙的穿孔铝板，需要通过孔径的连续变化表达出彩带的层次感，可将图案颜色设置为灰度值连续变化的渐变色，方便后续程序识别处理（图13）。

图13 内幕墙渐变彩带

(2) 利用程序创建一个能容纳图片大小的点阵，作为穿孔的基准，通过设置点阵的间距及规律表达出穿孔的排布逻辑。实际设置时，可利用相贯线获得铝板的形状特点，预留出开缝及合适的孔边距位置，快速得到满足设计加工要求的有效点阵。当各图案范围里穿孔间距、对缝错缝等排布规律不同时，需要设置多个对应的有效点阵（图14）。

图14 预留开缝及边距的点阵

(3) 导入步骤 1 中保存的图片，利用程序自动识别出不同灰度值标识区域对应的不同点阵范围，根据设计要求分别设置不同孔径值，最后直接得到穿孔布置图。对于孔径连续变化的区域，可同样设置一个孔径范围值，由程序自动识别绘制对应大小的穿孔；对于多种排布规律，可将同一逻辑范围外的孔径值设为 0，对每种规律分别运算后，整合各个结果，最终得到完整的穿孔布置图（图15）。

图15 穿孔布置图细节

(4) 步骤 3 中识别出的各个点阵，不仅能布置成圆孔，还能通过参数设计成椭圆、矩形、多边形，甚至形状不规则的穿孔，呈现出更丰富的建筑表现效果。

图像干扰法不仅大大简化了这种利用穿孔变化模拟任意图案的布孔流程，同时也极大提高了该类型穿孔设计的出图效率，特别是针对幕墙中各种复杂的收边收口更为有效。游泳馆内幕墙总计 1 500 余块铝板，最终一个人不到一周完成了全部布置图，大大缩短了备料周期，有力保证工程顺利推进。

3 结 语

相贯线布孔法和图像干扰法相比于传统的穿孔设计方法，不论在效果呈现、准确性还是效率上都有质的提升，无论是普通项目还是异形项目都值得推广应用，不仅能有效提高设计加工环节的技术实力，减少企业的人力成本，还能作为一种精确控制建筑表现的新思路、新方法应用于建筑设计。