曹馨丹
上海尤安建筑设计股份有限公司 200439
摘 要：随着建筑建造技术的进步和人们对空间体验和视觉有了更高的审美和需求，参数化在设计领域中逐渐发展起来。参数化设计的应用使得商业建筑由传统的空间形式逐渐转变为更加自由多元的空间体验形式，也使建筑设计过程本身产生了新的方法和思考方式。本文以大众置业长春星耀活力城为例，探讨基于 Rhino+ Grasshopper 参数化设计平台，商业建筑的参数化中庭采光顶的建模思路，及在方案设计中协调造型形态、空间体验、技术规范、结构等各方面的应用。
关键词：Grasshopper；采光顶设计；参数化设计；中庭采光顶；商业建筑
1. 引言
参数化设计在商业建筑设计中日益成为被关注和应用的重点，它打破了传统设计的界限，影响着商业建筑的方方面面。而商业空间的功能，形体，造型，视觉传达等都影响着人们的体验，感受和行为。无论是参数化的表皮还是空间形体都使得商业空间从传统的封闭式方盒子，逐渐转变为新型的多元化的空间形式，甚至商业的运营模式也随着空间形式的改变而改变。
所以熟悉并探究参数化设计在商业建筑设计中的应用，有利于探索方案设计中空间形体和空间体验的更多可能性，在节能，调节物理环境，结合更多娱乐技术等各方面，运用参数思维将设计向更加精确更加自动化的方向推进，通过参数变量，实时分析空间造型形态，尺寸和对各方面的影响，提高设计出图效率。
本文通过探讨大众置业长春星耀活力城的大跨度伞状壳体形态中庭采光顶的参数化建模思路，讨论在项目方案设计中Grasshopper的编程思路，参数设计在项目中对造型找形、空间设计等问题的思考方法，以及规范、结构等问题对参数建模的影响和解决的方法。
2. 大众置业长春星耀活力城项目介绍
项目位于吉林省长春市绿园区南阳北路以南、西环城路以西、飞跃北路以北，规划用地面积44793平方米，总占地20150平方米，规划总建筑面积210532.26平方米。
星耀活力城商业的单体设计经历过几轮的方案改动，从比较常规的体块穿插型商业单体方案，到引入曲线表皮，最后参考樟宜机场，确定了以中庭大跨度的伞状网壳玻璃采光顶穹顶的形式，将自然景观与商业充分渗透融合，打造成为长春市区域新地标、独特的空间体验、城市活力、超级IP、艺术氛围的购物之旅集结为一体的复合型商业娱乐综合体。活力城内部通过科技手段将直径为10m，高45m的自由落体瀑布水幕与森林引入室内形成超级商业IP，成为大众共享的城市自然公园，满足附近及城市消费需求，助力绿园区汽车产业升级。室内从顶部玻璃穹顶直接落到1层的自由落体瀑布的水幕流水水量可以达到1.5T/s，结合室内的绿化，打破了气候的限制。中庭的伞状网壳玻璃穹顶保证了整个商业中庭空间的通透明亮，将太阳光线引入室内，一定程度上对室内光环境和节能产生了优化作用，创建了一种视、听、触、味、嗅五感观的室内自然绿化景观空间和新奇体验，增强了商业的经济活力。
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图1 大众置业长春星耀活力城鸟瞰图
3. 中庭采光顶Grasshopper编程建模
对于空间曲线曲面建模比较复杂的中庭玻璃采光顶来说，无论是从曲线的弧度调整，整体的高度和造型找形，还是数量非常庞大的非标准化的玻璃分割，甚至是细节的尺寸调整，一旦有修改，传统的建模方式就要整体模型重新建模，工作量巨大而且时间不可控。为了满足日益增长的方案设计需求和新的空间审美体验，参数化建模就很好的配合解决这个问题。
3.1 采光顶模型分析
方案中选用的玻璃采光顶的参数化结构比较常见。首先在分析模型的时候要拆分建模逻辑，形成编程思路。根据设计意图分析模型，整个玻璃采光顶为伞状的壳体，平面呈椭圆形。将整个采光顶模型看作为形体曲面、框架、变量三部分基本逻辑架构，需要编写的部分主要有：穹顶曲面，结构构件，出水口顶部封闭部分。其中变量可以看作两种：一种是模型本身需要控制的变量，由数字控制，例如采光顶高度，采光顶外边缘的长度、宽度，圆形出水口的尺寸，弧顶的弧度等等；另一种是grasshopper程序建模时编程逻辑的变量，由编程电池组合控制，例如采光顶编程中用到的变量电池组：移动，缩放，分流等。
结构杆件的划分原理是从经典的单层球面网格的肋环斜杆型（施威德勒型）壳面的基础上沿用变化而来，框架结构沿径向和纬向划分，然后划分斜杆。最小单元内的斜杆是连接四边形的对角线之一，网格是三角形，抵抗非对称荷载能力高，适用于大中跨度结构空间。
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图2 肋环斜杆型（施威德勒型）
3.2 采光顶整体建模逻辑思路
采光顶的建模分别用穹顶曲面的逻辑、结构构件的逻辑和出水口顶部封闭部分逻辑生成。整体采光顶的建模的逻辑思路为：首先，通过封闭曲线放样形成喇叭式的伞状曲面；抽取曲面的结构线，将结构线等分产生等分点，通过等分点在曲面上形成纬向曲线，再将纬向曲线等分，连接等分点形成径向曲线，最后转换数据路径结构，连接每个四边形单元的对角线；出水口顶部封闭部分需要在曲面上的椭圆结构线上等分点，与椭圆中心点连接并形成面。
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图3 采光顶整体建模思路
3.3 采光顶分步骤建模思路
穹顶曲面的建模的逻辑思路有两种方式：方法一：用出水口圆形，采光顶边缘椭圆形，顶部入水口椭圆三个封闭曲线进行放样。方法二：用出水口圆形，采光顶边缘椭圆形，以及从圆形到椭圆形的均分渐变曲线进行放样。
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图4 穹顶曲面的两种调试方式
结构构件的建模逻辑比较统一，都是以点带线，以线带面的基本原理为原则，抽离结构线，将曲线等分形成等分点,进而形成径向纬向曲线和最小玻璃单元对角线。
4. 依据造型空间体验和水幕技术对模型参数优化
4.1造型空间体验思考
在活力城的单体造型设计过程中经过从传统几何造型到参数造型的引入，曲面网壳形的采光顶更加为造型和设计带来了新的思考。屋顶采光顶借鉴新加坡樟宜机场的设计，引入大跨度的曲面造型和水幕技术、落水瀑布的设计。从方案设计的层面来说，实现了从诺曼三层次理论中关注基本的色彩，结构，材质等对空间体验的本能层的体验，到可以体验优美曲面造型带来的视觉感受和落水瀑布、音乐灯光秀带给人们的更多感官和趣味互动体验的突破和转变。由于采光顶边缘的结构落位不同，不同于新加坡樟宜机场的整个玻璃幕墙表皮的弧度和造型落位在地面上，活力城的采光顶跨度相对较小，边缘结构落位在顶层店铺和旋转餐厅上，所以以中间高两边低的伞状平滑曲线过渡。其中基于参数建模的采光顶的表面弧度的曲线找形也需要考虑到屋顶的雨雪荷载及施工时钢构和幕墙的弧度、平整度。
4.2 采光顶技术背景
设计期间还需要考虑室内外的物理环境和技术理论知识对采光顶设计的影响。钢构和幕墙的表面平整度，弧度，室内风向也会直接影响最终呈现效果。与新加坡樟宜机场的玻璃穹顶类似，活力城的中庭伞状玻璃采光顶的钢结构内部设置水循环系统，形成中庭的落水瀑布，顶部收水口可以收集雨水，储存到商业低层的水箱中。考虑到长春秋冬温度低气候寒冷，以及各类管道以截面空心的钢梁的形式，和水幕系统的保护需要将管道结构设于室内，防止冬天冻裂，所以在出水口上方做坡度较缓的封闭曲面，设计留有半径比出水口小的圆形收水口。整个设计需要水系统、钢构和幕墙三个工种进行相互配合，并且在设计中也受商业建筑设计的规范和单体结构问题影响。实际施工中截面空心的钢梁通过钢节点连接，每个节点连接六块玻璃，以不同的角度和深度接入节点RHS（方管）用螺栓固定在加工的节点上，有些则根据负载焊接。所以在建模时采用PIPE在曲线上成管，用参数控制PIPE的半径。
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图5 杆件生成及顶部
4.3 控制变量的方法
采光顶的接水口也做了向内收口的弧度，管道和水循环系统会在玻璃采光顶表皮下的网格管道设置和运行，弧形收口的弧度会影响到杆件构件的施工，水流水速甚至整个屋顶的荷载压力。通过控制grasshopper参数变量放缓采光顶表面弧度，使得最高点与最低点高差减小，缓解采光顶中心顶部收水口曲率变化大的部分的轴向力和弯曲力,分散雨雪压力，避免雨雪堆积造成的不对称荷载。通过参数建模逻辑控制网壳弧度，曲率和入水口收口处的弧线角度有三种方法：方法一：将原有网壳曲面缩放调整生成拥有新弧度曲率的曲面，抽离结构线，进而生成等分点和径向纬向曲线和对角线。方法二：用曲线找形原理，将曲线等分得到等分点，将点向Z轴移动，用GRAPH MAPPER控制曲线形态。方法三：调整用于放样的圆形，椭圆的相对高差及本身尺寸大小。最后通过参数控制变量，达到在造型，视觉和技术方面都符合要求的模型。
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图6 控制网壳弧度的三种方法
5. 依据规范和结构问题对模型参数优化
在控制采光顶椭圆长短轴长度的参数变量时，测试两种变量结果：以中庭楼板边缘为起始边缘，向外偏移600mm和向外偏移5m。过程中可以看出，当玻璃采光顶椭圆短轴长度超过45米时穹顶结构会交接到旋转餐厅中，并且屋顶的防火卷帘没有结构支撑和施工架构的地方，无法做防火卷帘，不满足防火规范要求。通过调整椭圆长短轴长度的参数变量，使得模型生成正确的造型体量，从而解决结构和规范问题。采光顶与旋转餐厅的交接的部分，将钢结构设置于旋转餐厅屋顶上，采光顶边缘支撑在钢结构上。而与顶层店铺交接的部分，则由高度为4500mm的女儿墙支撑，以便满足设置排烟窗的要求。
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图11 采光顶与旋转餐厅交接
6. 结论与建议
以上所述，在星耀活力城的中庭采光顶设计中，主要考虑的问题有三个：Grasshopper参数化建模逻辑思路的问题；解决造型空间体验和水幕技术与参数设计结合的问题；解决采光顶规范和结构问题。采光顶的建模思路与肋环斜杆型穹顶相似：封闭曲线放样,抽取曲面的结构线，结构线上等分产生等分点，再通过等分点在曲面上形成纬向曲线、径向曲线、对角线。设计中通过考虑造型、诺曼本能层到行为层的突破的理论进行体验设计、技术背景知识和规范结构问题，控制grasshopper参数变量来解决杆件弧度，曲面弧度，采光顶尺寸和结构落位问题。
在参数建模的问题中，具备分析和拆解建模逻辑和思路的能力是不可或缺的，能通过整体的建立框架，变量等思维逻辑。这需要经过反复尝试和多方案，多种方法进行对比。要熟悉和积累平常参数建模的成面，提取曲线，等分点，找点等方法，也要能在实际建模中实时处理数据匹配和梳理数据结构的问题，针对不同的实际项目找到不同的应对方案和解决办法。其次，涉及到参数设计的方案，在结构和规范中都会有很多新的难点和问题无法找到完全相同的前车之鉴，所以针对实际项目本身的创新和分析研究就显得更加重要。在参数设计日益发展和不断创新的条件下，我们更需要不断的从点滴积累，更好的应用新的技术创造更加优质的空间体验和设计。
参考文献
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? 撰写日期：2021-03