数字渗透背景下的复杂建筑设计探索——浅谈东安湖体育场全过程参数化设计实践

蒋玉辉 周宏伟 盛日照

环境模拟、性能优化、3D打印、机器建造……数字技术正渗透到建筑设计的各个方面，并更新着设计与建造的流程。受益于建筑材料的日趋丰富和建造工艺的进步，建筑师的创造力得到极大解放，以非线性、自由曲面建筑为代表的复杂建筑越来越广泛地呈现在公众视野中，在复杂的形体设计逻辑下，结构性能、功能空间及施工建造都表现出对数字技术的依赖。此外，为满足项目建设周期和大众审美需求，建筑师亟需寻找一种更科学有效的设计方式，保证设计的高质、高效完成。

东安湖体育场数字技术实践的探索与思考重点包括：1）将设计概念、项目所在区域特殊环境与不同维度建设需求相融合；2）有针对性地将数字技术与不同设计内容相协调、结合；3）保证体育建筑兼顾视觉标识性与实用价值。

1 数字渗透的全过程设计

东安湖体育场位于成都“东进”战略核心区——龙泉驿区东安湖片区，是第31届世界大学生夏季运动会开闭幕式主场馆。项目南侧紧邻东安湖，与未来城市CAZ中心隔岸相对，景观资源丰富。建筑形象契合“飞碟”造型，并以横向的铝合金格栅及“悬窗”玻璃幕墙体现建筑科技感，约27 000m的彩釉玻璃穹顶为亚洲之最。内场将部分视线质量较低的南北坐席转移至东西看台，构成类圆形的“看台碗”。除观众休息厅、赛事组织用房等必需空间外，利用结构高度在南侧29m标高处设置全景观光厅，充分利用东安湖等景观资源。此外，项目从设计到建成周期仅两年，面对综合体育场的复杂设计因素，我们选择以全过程数字化的设计方案对项目各阶段进行高效管控。

全过程数字设计以数据为核心，强调数据库的建立与数据的传递、交互，以应用于项目全生命周期为目标。本项目以Rhino+Grasshopper搭建参数化设计平台，形成“设计参数—建立算法规则—结果评价与反馈—迭代与优化”的设计框架，具体应用内容包括看台设计、体育场形体研究、内部空间BIM协同设计等，整个过程采用迭代、优化的思路实时调整设计参数，以计算机虚拟呈现的方式实时评判设计的合理性与完成度。

整个过程中，以参数化看台形式为起点，建筑师基于算法生形、形体构建、数字建造进行全过程设计，将设计、建造直观纳入职责与掌控范围。

2 算法生形——从无到有的几何参数化设计

算法生形是根据特定的几何逻辑，通过代码编程的方式生成几何形体的过程，形体生成结果具有多解性、多样性。算法生形分为两种方式，一种是根据既定数学模型进行计算，如扎哈x 哈迪德在伊斯坦布尔新区城市设计中采用羊毛算法的设计思路；另一种是根据概念制定计算逻辑，生成建筑形体。后者综合了建筑师的主观情感与客观的理性分析，是现阶段应用较为广泛的设计方式。

1 沿湖外观

2.1 空间导向的拓扑生形策略

东安湖体育场建筑形体以内场空间形态为导向，基本形采用与看台形态相呼应的圆形，建立如下逻辑：1）以体育场平台（7m 标高）作为底边缘Crv2 标高参数；2）读取看台7m 标高层轮廓线，确定功能用房、观众休息厅宽度，将两者集合作为底边缘Crv2 半径参数输入；3）根据场地及看台罩棚覆盖率确定顶边缘Crv1 半径参数；4）根据工艺照明需求确定顶边缘Crv1 标高，并辅助城市条例、建筑师主观判断等复核、优化顶边缘标高；5）根据第一、四步绘制截面轮廓线Crv3；6）计算生成不同拓扑形态，综合优选几何形体。

2.2 基于视线分析的形体深化

体育场形体深化中将“悬窗”玻璃幕墙作为重要构成元素，保障体育场内不同空间的良好观景视野。结合内部功能策划需求，设置东西侧悬窗与南侧观景悬窗。形体深化可拆分为景观视线质量分析以及玻璃幕墙匹配。视线质量分析包括：1）对基础形体进行网格单元划分；2）设置视线分析取值点，包括东安湖主体景观及火炬塔、东安阁等景观节点；3)参考体育场看台视线质量参数，设置视距、视高与视线角度三个参数，并为不同参数分配权重；4）分析视线质量结果，绿色表示视线质量差，不能看到或者极少区域能看到东安湖等景观，红色则表示视线质量良好。

结合视线质量分析结果，东西侧悬窗结合观众休息厅标高及平面区域设置，将西侧悬窗部分设置在视线质量较差的区域，原因在于东侧视线质量明显高于西侧，因此玻璃幕墙范围匹配以东侧为主导，西侧与东侧对称布置；南侧观景悬窗设置在形体高区，避免遮挡内场观景视线，水平范围设置在视线质量良好的区域，并综合垂直交通体数量（主要受防火分区数量影响）以及空间集约、高效利用等因素，以减少对内场视线遮挡。此外，根据结构找形匹配调整悬窗设置高度及范围，满足结构合理性需求。

2 构成体系

3 全过程数字应用技术路线

4 几何参数化的形体设计

5 视线质量分析

6 玻璃幕墙范围匹配示意

3 形体构建——从有到美的性能参数化设计

形体构建基于算法生形结果，根据结构性能、环境性能、材料性能等评价标准进行优化设计，将具有视觉感观的形体“美”升华为具有建筑性能品质的内在“美”。建筑性能并不能简单等同于经济性，而是期望以性能参数化的技术手段，综合自然、人文、生态等因素，实现建筑全生命周期的可持续运营。因此，这是一种超越工作效率与经济效益的设计方式。

东安湖体育场因其内场、观众休息厅等空间形态具有大跨度、大悬挑的特点，因此结构成为性能优化的重要内容。Grasshopper插件Ameba是一款基于双向渐进结构优化法（BESO）的拓扑优化设计软件，为基于结构性能优化的建筑形体设计提供了良好的研究平台。性能分析结合建筑特点，分别对北侧、南侧以及东西侧三个典型剖面进行不同工况的结构性能模拟：北侧仅承受屋面荷载、东西侧承受屋面荷载及观众休息厅荷载、南侧承受屋面荷载及高空观光厅荷载。根据计算发现，靠近内场悬挑部分（A）及外侧曲面部分（B）是需要优化的重点内容。其中A处为灯光照明的环形马道，应在满足2m的净高需求下，尽可能减小A端结构厚度。B处形体结构性能较低，形体优化策略包含两方面：1）综合南侧高空观光厅内部空间体验及使用效率，适当缩小悬挑，将结构内侧作为休闲、展览等功能空间，外侧作为室外观景平台；2)除高空观光厅外，其他区域利用幕墙体系塑造原有建筑形体。

7 结构性能模拟

8 A 区灯桥马道优化调整

4 数字建造——从美到精的建造参数化设计

数字建造强调依据材料特性进行虚拟建造研究，该阶段更注重材料的单元划分方式、构造方式以及材料间的相互联系。利用计算机方便地调整各构件形式以及连接方式，避免效率低下的手工建模方法。借助参数化的设计方式及批量的输出成果，现代化的数控加工等手段为复杂建筑的精美呈现提供了强有力的技术支撑。

东安湖体育场立面横向格栅设计须兼顾通透性与整体性，即既能体现看台内场“望山见水”的空间效果，又能在体育公园以及城市片区中呈现完整统一的建筑形象。在计算规则的建立中，以截面形式、尺寸、通透率等参数对立面通透性影响以及相互关联性进行研究，计算得出符合设计概念的截面形式。

体育场结构选型为“立面正交网架+屋顶平面桁架”的结构体系，水平格栅单元划分原则与立面网架成对应关系，不额外增加结构系统。如果简单地与结构体系对应，会使得格栅单元长度不一、连接点增多，增加加工难度，效果不理想。方案最终沿逆时针单方向与结构相对应，使得格栅单元需要在约12m跨度上满足最小挠度（1/180跨度）的需求。因此，截面尺寸选择成为项目成败的关键因素，截面尺寸太小，挠度变形大；截面尺寸太大，自重加大，经济性降低。将格栅竖向挠度变形计算公式写入Python编程代码，对比不同截面尺寸（200mm˜ 100mm、400mm˜ 200mm、600mm˜ 300mm）的变形程度，并综合通透率（满足消防排烟的最小通透率25%、35%、50%）以及整体效果，最终选择截面尺寸400mm˜ 200mm及立面通透率35%。

9 B 区优化调整

10 格栅单元划分研究

11 格栅截面研究一

如何对矩形截面进行再设计是实现内场通透性的重要环节，项目以拓扑变形的设计思路，利用Grasshopper 计 算 器Galapagos Evolutionary Solver，保证矩形框靠外侧竖向高度不变（Pt1/Pt2 位置不变）以维持整体建筑的通透率，靠比赛场内侧角点（Pt3/Pt4）进行竖向移动，且最大移动距离为150mm（保证竖向50mm 构造需求），将格栅对内场遮挡角度总和最小作为评判参数，以此迭代计算方式对矩形截面进行拓扑变形，发现Pt4向下移动能明显增加内部通透率，Pt3 竖向移动对通透率没有影响。依据拓扑分析结果，综合泛光、排水等因素完成细节深化工作，并针对深化节点进行竖向挠度验算，最后通过1：1 材料样板比选不同表面处理工艺的光泽、光晕等，指导幕墙的生产与加工。横向格栅数字建造过程直观展现了体育场的建成效果，同时也极大提高了建筑师对项目的整体把控。

5 结语与展望

本文以东安湖体育场为例，从形体生成、空间构成和细部研究三方面阐述了全过程参数化设计策略。以定量分析取代了传统定性分析的设计过程，注重多学科交叉与连接，使得建设项目兼备了多维度的性能合理性。此外，全过程设计以数据的建立与传递作为工作流程的基础，保证了各专业、各学科间基于同一工作平台的协同，破除了传统设计信息不对称的壁垒，为项目的高质、高效完成提供了保障。例如在结构专业同事配合下，建筑师能够借助参数化的优势进行结构找形，并直接将计算模型交由结构专业进行计算，极大提高了设计效率。此外，整个幕墙系统的细部尺寸划分工作均由建筑师完成，并直接交由厂家深化、加工，以信息零误差的沟通方式保证了项目的完成度。

随着科学技术的不断进步，数字孪生、元宇宙等逐渐渗透到生活场景的各个方面，计算机的角色也正从数字辅助设计向人机协作转变。处于这一历史发展长河中，建筑师应当以更长远的视野关注、思考建筑创作与数字技术的协作。

12 格栅样式效果对比

13 格栅截面研究二

14 格栅节点示意

业主：成都华润置地驿都房地产有限公司

建设地点:四川省成都市龙泉驿区

建筑设计：中国建筑西南设计研究院有限公司

项目总负责人：蒋玉辉

项目副总负责人：袁振华（体育场、三馆）、金蓓（体育场）

体育场设计团队：袁振华、周宏伟、钱聪、盛日照、邓霁月、郝飞（建筑）；冯远、陈文明、周全（结构）；文烨、李静、杨红兵、涂敏（给排水）；陈英杰、张明宇、李泊然、姚奇（暖通）；银雪、李江涛、陈汉、徐胜梅（电气）；吴寰、补翔宇、杨异（智能化）；董彪、赵鑫、向宇（幕墙）

三馆设计团队：袁振华、都成、周宏伟、肖波、杨扬、邱严泉、钱聪、盛日照（建筑）；王立维、张蜀泸、刘翔、张志军、陈迪、赖程刚（结构）；王建军、刘帅、沈冰洁（给排水）；魏明华、杜燕鸿、吴佳（暖通）；李慧、郑宇、张滔、邱玉（电气）；吴寰、补翔宇、杨异（智能化）；董彪、赵鑫、向宇（幕墙）

三馆联合设计（方案、初步设计）：德国GMP国际建筑设计有限公司

总建筑面积：约32万m

设计时间：2019.06—2020.09

建成时间：2021.04

1 意维摄影

2-14 作者自绘