复杂建筑的数字化设计策略

王斌 解立婕

王斌 北京市建筑设计研究院有限公司BIM 工程师。

解立婕 北京市建筑设计研究院有限公司设计总监，高级工程师。

数字化设计工具在建筑设计领域得到越来越广泛的应用，在诸多超大型、超复杂三维空间体系工程的建设中，正占据着越来越不可或缺的位置。

北京CBD核心区远洋集团及汇丰银行总部大厦（以下简称“Z6”）由于复杂的建筑功能，以及异形曲面的幕墙系统和结构体系，决定了数字化设计必须贯穿整个正向设计过程，否则将无法按时、保质、成本可控地完成任务。

在设计过程中，我们总结出了一套具有实践意义的数字化设计方法，高效地完成了项目的整体设计。该方法已成为团队解决复杂项目的通用方案，在超高层、机场、科研办公、文化建筑等各类项目中，都得到了广泛的应用实践。

1 建造挑战

在人类所能够建造的建筑类型中，超高层建筑可以被称为最复杂的工程类型，其外立面幕墙工程量巨大，建造难度高，对设计精度和设计效率有着更严格的要求。

Z6项目位于北京市朝阳区CBD东扩区的西南位置，是集办公、高档酒店、商业、地下车库为一体的大型综合建筑。建筑占地面积11 007m，总建筑面积23.88万m，其中地上建筑面积19万m，地下建筑面积4.88万m，地上68层，地下5层，高度405m。塔楼内包含约14万m的国际甲级写字楼和一个超五星级酒店，同时在地下及裙房配备少量高端商业（图1）。

Z6建筑的体型几何是在一个标准圆弧面上进行倾斜的网格划分，每个网格单元都是双曲面，导致实际建造中的幕墙玻璃板块、横竖框、倾斜交叉的结构体系及相应的外包铝板都需要进行平板化优化，并带来错缝对位等一系列问题。因此，需要在综合考虑视觉效果、工程可建造性的前提下，以极高的精度开展结构体系的设计工作。数字化技术的出现，使设计师有条件解决如此复杂的设计问题。

2 技术策略

2.1 几何规则的建立

设计复杂建筑的关键是建立一个完整、精确的三维几何定位系统，必须为所有建筑构件定义简明的几何生成规则，用于澄清各个元素之间的定位关系、尺寸大小等。在初始设计阶段，这些几何体系并不代表任何实体构件，而类似于对整个幕墙体系的“骨架”进行定义，后续所有的深化设计都将在这个骨架体系上展开——从某种意义上说，这是整个建筑的DNA（图2）。

2.2 规则的程序化表达

这些简洁明确的几何规则天然地适合计算机参数化生成。我们把几何规则“翻译”为Rhino平台上的数万行代码，精确描述完整的建筑幕墙体系，甚至连详细的幕墙型材构造三维模型都全部由代码生成。虽然这种方式在初期编程阶段花费的时间并不比传统手工建模少，但其拥有精确、完整、逻辑性强的优势，在形成完整的参数化体系后，可以有效提升后期的工作效率。

Z6项目使用VB.NET语言，利用Rhino强大的几何处理能力和Grasshopper便捷的可视化操作，完成了整个项目的编程工作。

2.3 建立完整的数据库

所有建筑构件元素都有着明确的几何生成规则，并用程序代码表达，最终形成一个完整的项目“数据库”。数据模型的深度需要用一个标准加以规范，虽然在现有的BIM标准中有关于模型细致程度的标准，即LOD等级（Level of Development），但在实际设计过程中还是过于笼统，尤其是针对幕墙设计。根据以往的设计经验，模型的深度标准能够随着设计的进行逐渐深化，并完整描述各阶段、各参与方的设计需要及成果（图3）。

一套优化的几何定位系统，应以最简明的逻辑体系简化所有空间定位点和相互的制约关系。在以往的工作流程中，几何体系只能简单地通过“固定”的三维模型来控制，但在漫长的设计过程中，由于没有关联的几何逻辑组织，伴随不断深化、修改中的每一次误差都会传递、积累，直到施工建造，设计师的控制力也由此被逐层削弱。并且，维护分散繁杂的模型也给设计师带来大量的重复工作。面对超复杂的几何形体、精细化的设计要求和频繁修改优化的设计过程，只有建立动态的、可调整参数和逻辑的数据模型信息库，才是适应当下设计需求的新手段。看似复杂的模型实际上是对简单计算逻辑的表达，包含所有设计成果，使修改、优化、控制变得更加便捷有效，极大地解放设计师的生产力（图4）。

在传统项目设计中，经常碰到一个项目仅有一个模型的情况。模型仅能承载部分尺寸信息，在使用时往往难以提取，并且大部分模型的深度、精度、完整性都有很大的缺失，这将导致设计师无法掌控整个项目。无论下游的深化单位用几倍的时间、精力去拼凑还原，项目的完成品质依旧会大打折扣，并增加设计成本。

由逻辑规则生成的建筑“数据库”，比仅用模型提取信息更方便、准确。模型只是一个可视化的表现，而组织和管理数据库需要强有力的逻辑。精确完整的模型使设计师可以精确控制项目的每一个细节，优化每一种可能。

2.4 信息的提取和传递

对于包含所有设计信息的“数据库”，如何提取与传递数据信息是最大化利用数据库的关键。Z6项目参与方多、设计周期长，怎样共享、传递、整合各方设计信息，提供一个统一、便捷、精确的模型平台，是我们面临的巨大挑战。

为此，我们从最基本的描述几何体型的坐标点、弧线、标准面，到结构中心线、玻璃单元、外包构件等，都设计了完整清晰的命名体系，连同文字示意图、数据表、公式坐标点，共同形成几何说明文本（图5），使体系内所有几何元素信息都能被保存、检索、传递。它不依赖于任何一个平台，各方团队在各自的软件上都能制作出完整、唯一的几何形态。在Z6这一超高层项目中，业主、咨询方、顾问、外方设计团队、本地设计院之间有着大量模型文档数据需要交互、共享、管理、协作，只有采取这种方式，才能使项目设计准确、高效、有序地开展。

Z6项目属于全过程数字化设计，每一个构件的生成方式和原始定义数据都被记录在代码中，能够借助Rhino的Grasshopper插件进行可视化，便于随时查看、提取数据。例如，一块玻璃单元的原始板块由上下两层的层间控制线上截取的四个顶点定义，但并不代表玻璃板块的实际尺寸；还需考虑横竖框的设计尺寸，但设计中会经常调整，只有最终的幕墙深化厂家才能确定；最原始的四个点的定位参数才是玻璃单元板块定义的源头，而这又与其所在高度的基础层间弧线关联，随高度变化有规律地收分（图6）。因此在设计过程中，我们需要编写脚本，迅速有效地提取任一单元板块的数据信息，而哪怕是在最精细的手工建模中，数据信息的保留与迅速提取都是不可能实现的。

1 外立面模型

2 带有设计信息的参数化模型

3 满足设计深度要求的BIM 模型

4 数字联动的设计运算

5 几何说明图纸摘选

6 玻璃单元板块的定义规则

所有定义环环相扣，通过相应的逻辑规则，由代码形成统一的参数化模型完整地存储定位、尺寸，并在需要的时候迅速提取相应数据。基于这一完整的数据库，面对不同工程参与方的需要，不光能传递模型，还能方便高效地提供完整的数据表格、相关设计条件、生成逻辑（图7）。

2.5 软件之间的数据交换

在实际操作中，需要在不同软件之间进行数据交换。各专业、各阶段应用的软件平台有所区别，关注的模型对象、深度不同，软件支持格式也存在差异，即便可以成功交换模型，也有可能丢失大量附带信息，行业中IFC（Industry Foundation Classes）这样的数据交换标准的实际使用情况也不尽如人意。

但另一方面，数字化设计的所有信息都通过代码生成、存储，而软件就是各种不同的程序集，纯代码的实现方式非常适合不同软件之间的信息交换，不会在过程中丢失信息，越来越方便的API接口也能够让用户自定义功能。

具有强大几何能力的Rhino平台内置了成熟的Grasshopper可视化编程平台，能够轻松地进行几何形体的参数化设计；BIM软件Revit也推出了自己的开源可视化编程工具，可帮助设计师创建并使用外部库或任何具有 API 的 Autodesk 产品（图8）。并且这两款常用软件都支持简洁的Python语言，使非编程专业的设计师也能开发出适合项目使用的脚本程序。Z6项目也充分利用了这些开发工具，为高完成度的设计提供了可能（图9）。

近几年，除了软件平台自身提供的开发工具越来越开放外，跨平台、开源的开发项目也日益成为新的趋势。如由Robert McNeel &Associates赞助的Rhino.Inside项目，使Revit、Rhino和Grasshopper几乎无缝衔接，其未来的支持茩标更是包括了AutoCAD、ArcGIS、Unity、BricsCAD等众多不同功能的软件。这些跨平台的开发项目，使超大建筑项目中各专业工程团队的BIM协同变得越来越高效流畅。

3 设计流程中的应用

在Z6项目的设计过程中，这套数字化设计策略被运用到了设计的各个阶段。下面通过其在不同专业设计过程中的几个典型应用点，来说明数字化策略给设计工作带来的巨大帮助。

3.1 建筑外立面的参数化几何生成

为解决Z6项目中构件平板化优化所带来的接缝视觉对位问题，设计中为每个构件都制定了一套严格的生成逻辑。

以倾斜的巨撑、密撑的标准层室内外包铝板为例，其几何生成逻辑为：1）提取上下结构定位线、柱中心定位线、层间高度、柱层间上下截面大小、巨撑外竖梃的连接框定位、柱保温层厚度、构造预留距离等一系列参数；2）计算最小外包；3）进行6个外包面的平板化优化；4）如果巨撑和密撑在相邻板块交界处不对缝，还需要调整每个面所在平面的法向偏移距离；5）将6个侧面板平面与地板、天花板高度的平面结合（图10）。经过这一计算步骤可以得到区域节点的外包几何，而全楼类似的相交节点有40多个，在设计中相关参数又在不断地调整，这一系列复杂而又重复的生成过程仅依靠手工建模是无法想象的。但它有明确的规则，非常适合参数化生成，通过编写代码得到精确的结果，并能实时跟随设计过程高效地调整参数。

7 参数化生成的模型局部细节

8 Revit 平台上整合全专业BIM 模型

9 建筑结构模型整合

10 巨撑、密撑的外包生成过程

3.2 建筑结构一体化的设计过程

Z6项目体系复杂，因此需要对结构和幕墙进行一体化设计，保证视觉效果和结构的合理性。复杂项目的结构设计流程有别于传统方式，在设计初期建筑专业和结构专业一起讨论出基本的结构概念形式，再由建筑师结合造型几何生成结构定位模型，以便结构工程师在专业软件中进行计算模拟，得到反馈结构，再调整定位模型。通过这个反复相交的过程，才能得到既满足结构需要，又能很好展现建筑造型的结构体系。

Z6项目的结构顾问方是ARUP奥雅纳工程咨询有限公司，其团队同样具有强大的参数化设计能力。在配合过程中，数字化设计方式成为了共通的设计语言，给工作带来极大便利。例如，Z6的结构巨撑，若从建筑美学上要求应是一条流畅缓和的样条曲线，以得到统一平衡的力量感，但从结构受力上要求，巨撑、密撑的交汇点应落在楼层梁上，避免在楼层中部交汇，导致结构角度不利且阻挡视野。为了满足设计要求，我们利用参数化手段比较不同位置参数的组合并进行受力分析，最终实现了主要连接点的100%对位（图11）。

在这个过程中，参数化设计手段使得设计师能够快速生成解决方案的所有可能排列，并从每次迭代中评估效果，从而得到最优解。Autodesk公司推广的衍生式设计工具、Rhino平台中成熟的遗传算法插件Galapagos都为这种设计方式提供了简单易用的工具算法，在实际工作中解决了大量传统求解方式无法应对的难题。

3.3 幕墙深化阶段无缝衔接的数据传递

数字化技术的精准可控使工程的生产、建造环节也大大获益。Z6属于复杂项目幕墙设计，在设计的初始阶段就和幕墙顾问、厂家反复协商，确定设计方案，创造出良好的室内外视觉感受，同时满足热工、光学、安全性能以及造价控制的要求。

Z6项目的玻璃单元横竖框节点设计，通过有限的设计容差来消化上下倾斜角度和左右平板化造成的错位；幕墙的节点深化，利用参数化手段在全楼范围内进行验算，考察其是否超出设计容差，最终归纳为6种节点类型，满足设计需要；幕墙的单元板块类型达到446种（除去四面对称的重复类型），然而尺寸类型数量会影响造价，经数字化设计得到精确的板块尺寸数据后，再通过计算机专业中广泛采用的聚类算法（Clustering Algorithm），利用节点设计提供的15mm容差归类相似尺寸的板块，最终将板块类型减至73种（图12）。

11 巨撑、密撑的连接点对位

12 板块种类优化

13 通过规则和数据传递设计信息

14 建筑物理环境分析

建筑设计阶段形成的完整、精确、有序的数据结构和模型，可以顺畅地传递给幕墙顾问、建造单位，为节点优化设计提供完整的模型数据支撑，不仅能让建筑师对外立面的控制更深入地到达幕墙设计阶段，也让幕墙设计师可以用参数化工具更高效地开展深化设计（图13）。

3.4 基于BIM模型的建筑性能化分析

Z6项目建立了完整的数字化体系，能够给不同的设计需求提供相应的模型。一般来说，不同专业所需的模型格式不同，需要的模型深度、范围也各不相同。比如在建筑物理分析中，仅包含关键几何信息的简化模型更便于软件运算。Z6项目可以从几何“数据库”中快速提取必要的关键数据生成模型，进行各种建筑物理分析。在Grasshopper平台上有着更方便的Ladybug插件，能够动态调用各种建筑物理分析核心引擎，进行声、光、热物理环境分析（图14）。

4 结语

Z6项目在中国勘察设计协会举办的第九届“创新杯”建筑信息模型（BIM）应用大赛中，获得了科研办公类BIM应用第一名，在2018全球工程建设业卓越BIM大赛中获得最佳应用实践奖第一名。

全过程数字化设计改变了传统的设计模式，借助数字化技术，超复杂的Z6项目才能实现高完成度。文中提出的数字化设计策略是我们在过去的项目中总结的经验，未来复杂建筑的设计实践都可以用这种工作模式来进行。另外，这种工作模式也使得设计团队的技术人员架构呈现出全新的特点。对于类似的复杂项目，设计部门要求项目建筑师都应掌握基本的三维数字技术能力，并配备专人在设计全过程提供更专业的数字技术支持，如几何逻辑构建、数字编程、全信息三维数字建模、虚拟建造及调试、全信息数字表现等。

1-5 作者自绘

7-10,12,13 作者自绘

6 吴凡绘制

11 ARUP 奥雅纳工程咨询有限公司提供

14 Foster+Partners 提供

业主：北京天江通睿置业有限公司

建设地点:北京市朝阳区CBD 核心区建筑设计：Foster+Partners、北京市建筑设计研究院有限公司高层建筑研究中心

项目负责人：马泷、解立婕

BIM 负责人：粀斌

设计团队：褚以平、粀欢欢、杜月、吴凡、椂柳青、刘小飞、 黄婧、张硕、粀舸、邹晓周、曹梦然

总建筑面积：23.88 万m

设计时间：2011

项目状态：在建