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摘要：本文主要介紹建筑異形外圍護結構的設計過程和設計要點。從建筑立意到表皮分析，從系統分類到節點構造，從基本思路到設計優化;全面介紹了該類工程的設計流程。通過對外圍護結構的重難點分析、針對性設計、關鍵點控制，為工程實現預定的設計構想、達到功能要求，取得較好的社會和經濟效應奠定基礎。
關鍵詞：異形建筑;外圍護結構;設計流程;構造設計;BIM技術
1、工程特點
建筑外圍護結構作為建筑的外衣，將建筑美學、結構、功能等方面要素有機統一。作為建筑思想表達的主要載體，越來越多的建筑外表皮呈現為無規則的異形形態，給設計、施工帶來了一系列難題。在以BIM為代表的參數化設計等新技術進行工程應用的過程中，新技術會促進新思路，新思路會產生新方法，隨著工程經驗和案例的不斷豐富、我們也能通過反思和復盤，總結出一些被證明行之有效的思路、方法、流程，在今后面對不斷涌現的類似工程中盡快找準設計方向、優化設計成果、創造設計價值。
1.1、異形外圍護結構的常見建筑類型
采用異形外圍護結構的建筑具有良好的昭示性，是區域內的視覺焦點所在，因此廣泛的應用在具有重要社會經濟價值的大型公共建筑中。比如以機場、高鐵站等為代表的交通建筑;以會展中心、演藝劇院、科技館、博物館為代表的展示建筑;以綜合性體育中心、專業運動場館為代表的體育建筑;以企業辦公、城市商業體為代表的商辦建筑等。
1.2、異形外圍護結構工程的共性特點
1.2.1、建筑造型：
在常見的立方體“盒子建筑”中，建筑立面是由一系列的“細節一致、尺寸相同、可重復移植”的局部標準立面組成，使得設計師習慣上用“典型大樣”來進行這種形式的表達。
隨著建筑技術水平提高，建筑師主觀創造的空間增大，導致越來越多的公共建筑采用立意新穎、追求個性的建筑表現形態。而自由創意的空間變化將導致“可重復立面缺失”。直接受到影響的，便是以幕墻為代表的建筑外圍護結構。作為一種工業化生產的建筑產品，外圍護結構的各種材料和結構形式都有成熟的系統，如何讓它們在個性化、曲面化的建筑形態上能有合理的應用，便成為新的挑戰。
1.2.2、建筑設計中的常見曲面
曲面是空間具有兩個自由度的點的軌跡集合，工程中最常見的平面實際也是一種特定的曲面。在建筑設計常見的曲面中，除平面外，還有直紋面，旋轉面等。下面對各類曲面的定義和特點做簡單介紹。
直紋曲面：由直線運動所產生的曲面。常見的柱面和錐面(包括圓臺面)都是直紋面。過柱面和錐面上每一點有一條直母線作為成形元素。柱面和錐面是可以展開的曲面，在傳統繪圖軟件上可以進行展開布置圖、加工圖、放線圖等深化設計工作，屬于較為簡單的曲面類型。
在直紋面中，有兩種比較特別的“雙曲面”在建筑工程中運用也非常廣泛。一種是單葉雙曲面，是由一條直母線，繞不共面的一條基準線生成。另一類型是雙曲拋物面，由空間中兩條不共面的直線進行雙軌掃掠形成的曲面，因外形類似一只馬鞍又名馬鞍面，在建筑工程中常應用于屋面結構。單葉雙曲面和雙曲拋物面都是由兩族直母線組成的曲面，屬于不可以展開的曲面。
旋轉曲面：由母線為一條平面曲線，繞其平面上的一條軸旋轉一周形成的曲面稱為旋轉曲面，常見如球面，橢球面，環面，單葉雙曲面和雙曲拋物面(后兩者同時也屬于上文所述的直紋面)等。
球面在建筑工程中應用非常廣泛，進行表皮劃分的方式一種是傳統的沿球體經緯線方向進行分格，現在對球面進行三角化也越來越常見。三角化分格方式容易出現局部規則與大面不一致的情況，需要不斷進行調試和優化才能得到比較理想的結果。橢球面在建筑工程中的運用相對較少，經典應用項目有國家大劇院等。
1.2.3、建筑結構：
鋼結構具有良好的造型可塑性作為建筑師的創意載體，另外具有良好的延展性、抗震（詞條“抗震”由行業大百科提供）性能優異、自重小的優點，便于組合出大型結構。依附于主體鋼結構的幕墻結構，也容易跟隨呈現出龍骨大跨度，面材大分格的特點。由于鋼結構采用工廠生產、整體構件安裝的工藝，也帶來了施工誤差較大的問題,特有的卸載工序導致不均勻變形，使幕墻設計需要充分考慮安裝調節和安裝后適應位移的需求。如采用混凝土作為主體結構，設計時需要特別注意運用BIM平臺進行碰撞檢測，避免表皮與結構出現干涉。
二、設計流程
異形外圍護結構與常規形式工程的設計流程基本相同，主要差異體現在前期的建筑形體分析作為后續設計工作開展和深化的基礎。按照先后順序可以分為以下幾個大的階段。
2.1、理解建筑設計的意圖和邏輯
異形建筑的表現性和重難點都在于“形”，理解建筑設計創作的本意及外形的成型邏輯是后續設計工作開展的前提。這里以光谷國際網球中心主賽館建筑設計思路的理解和表皮生成邏輯的分析為例來予以說明。
光谷國際網球中心主場館整體呈現“旋風球場”、“皇冠球場”的寓意，建筑單體外表皮以旋轉提升的豎向桿件構筑出建筑飛揚的動態感，64根傾斜旋轉的三角截面鋼結構桿件既形成“旋風”的造型意象，又充當外幕墻結構的主龍骨。建筑主體入口處的起伏飄帶采用無縫處理的白色氟碳噴涂不銹鋼表皮圓滑連續，配合門廳部位視覺通透的大幅面的單索玻璃幕墻，以合理的建筑平衡點營造出富有吸引力與沖擊力的入口空間。整個建筑的外表皮是由“面材”和“桿件”兩大體系構成。
本建筑外表皮形體的另一大特點便是“基準母線旋轉成型”，在相同標高的位置具有相同的幕墻形式，即本工程存在一個“標準墻身”。解決好該墻身中各系統重難點問題，處理好各個幕墻系統交界部位作法，便能打通本工程設計的關鍵線路。
2.2、外圍護結構材料的選擇
建筑師的設計構想形成建筑方案設計，效果則由材質來作為體現。外圍護結構材料的選擇主要為面材與受力構件兩個方面。
2.2.1、面板材料的選擇
若材料本身為柔性材質，具有良好的可塑性，適合應用于復雜造型的外表皮。一般金屬板材，如鋁板、不銹鋼板、金屬屋面板等都屬于此類，在異形建筑中較為常見。
相對而言剛性材料不適合應用于異形建筑中。比如天然石材（詞條“天然石材”由行業大百科提供），由于自身做出曲面外觀的工藝性較差，材質又無法適應較大的彈性變形，為了貼合造型變化不得不將分格設計的非常零碎，在曲面變化較為劇烈的部位難以將分格和效果統一起來。因接縫變多，積灰污染問題也會嚴重影響外立面效果。
玻璃材料是異形建筑圍護結構的常用的透光面材，一方面在于玻璃可通過生產加工完成單曲和雙曲的彎弧，另一方面在于玻璃安裝時可采用“冷彎（詞條“冷彎”由行業大百科提供）工藝”：利用玻璃自身有一定彈性變形能力，在安裝時允許玻璃存在翹曲。不在同一平面上的四點玻璃翹曲值一般應小于短邊長的1%。除了經驗值，我們也能通過力學計算和力學試驗的方式來驗證設計的安全性。在光谷國際網球中心的雙曲面菱形分格點式玻璃幕墻設計中，由于玻璃翹曲值最大達到40mm，我們在結構計算過程中考慮了40mm的初始變形導致的應力，同時通過專用球鉸夾具來保證安全性。
2.2.2、受力構件材料選擇
鋁合金型材（詞條“鋁合金型材”由行業大百科提供）具有良好的加工性能，而型鋼作為龍骨可實現大跨度的結構需求，無論鋁合金型材還是型鋼，難點主要在表皮曲面法線方向的轉動導致的截面扭轉，而無需扭轉的圓形截面桿件成為龍骨構件的合理備選形式。例如在武漢五環體育中心體育場的橫向大跨度起伏飄帶的設計中，就采用了鋼圓管作為橫向鋼龍骨，避免了矩形龍骨在彎弧的同時附帶截面扭轉，優化了工藝。
除了龍骨體系的剛性結構，采用拉索體系的柔性結構也常見于各種錐面、柱面甚至雙曲面形體中。由于拉索結構反力較大，需要在建筑設計階段根據反力大小和構造需求，協同主體結構設計好拉索幕墻的邊界條件。
2.3、系統分類與形體分析
在完成建筑方案的整體理解、材料選擇工作后，設計流程進入到立面系統方案設計階段。在本階段中，依舊是將形體特點作為重點，即通過對外立面的區分和歸類，將不同的立面區域采用不同的系統設計方案，進行針對性的設計。
2.3.1、整體考量，尋找規律
在建筑進行整體理解基礎上，尋找主體和局部間的規律，看看是否存在軸對稱或者中心對稱的關系，以便找到可重復借鑒的區域，減少設計的整體工作量。
2.3.2、分類分區，針對設計
在按傳統方式進行幕墻系統分類后，需要進一步根據外形變化的方式和程度對各幕墻系統再次分析，得到變化極值范圍，不同的區間對應不同的做法。例如光谷國際網球中心的菱形雙曲面玻璃的形體分析過程就體現出了不同區域不同方案的思路。
該工程主要立面的幕墻分格采用菱形劃分，由于建筑形體類似“皇冠”，因此對于每塊幕墻面材實際都是一個左右對稱，上夾角略大于下夾角的特殊四邊形。為了用四邊形平面擬合翹曲，我們進行了絕對翹曲值和相對翹曲值兩個階段的分析。具體到一個節點處的進出構造，足以容納一定范圍的翹曲，再配以實例中已經應用比較多的玻璃“冷彎”安裝工藝，在保證完成效果的前提下曲率較為平緩的菱形玻璃可用平板玻璃來實施。通過BIM軟件的分析，以橫向排煙窗為界，上部彩釉玻璃為熱彎區域，下部普通立面為平面玻璃。對需要進行熱彎處理玻璃，由分析得出5個不同半徑組成的最優半徑組合，使優化后的表皮與原始造型最大程度保持一致。
2.3.3、定值分析，簡化變量
外圍護結構的表皮完成面與主體結構邊緣之間存在著一系列層次關系。在層次關系中應盡量減少參數種類和變量，為深化設計降低難度。包括結構邊緣線、龍骨表面定位線、表皮完成面、外附裝飾構件邊緣線等進出偏移尺寸，盡量將其固化為定值。而上述構件之間的調節構造尺寸則可以設計為變量，用來適應立面造型的變化。例如五環體育中心豎向單索玻璃幕墻外掛穿孔板（詞條“穿孔板”由行業大百科提供）飄帶系統從配合建筑初步方案設計到最終施工圖設計，都明晰的設定了定值和變量。
作為該建筑的主要立面形式，豎向單索玻璃幕墻的水平輪廓投影為橢圓形，同時在豎向呈現出84°的外傾角，豎向鋼拉索長度跟隨檐口造型的起伏在10～15米范圍內變化。單索幕墻外分布有三條鋁板飄帶，三條飄帶固定（詞條“固定”由行業大百科提供）外傾角為73°，沿橢圓形平面輪廓掃掠同時高度方向起伏成型。以上定位尺寸和角度是在建筑設計階段確定為定值。
考慮到外露桿件盡量纖細輕巧，飄帶鋁板采取了四點支撐的固定方式。由拉索轉接不銹鋼撐桿裝置穿過豎向玻璃膠（詞條“玻璃膠”由行業大百科提供）縫，在玻璃外端固定住飄帶鋁板。撐桿的主體為一根螺紋套管，本身能有±80mm的調節量作為初步調節。撐桿前端的齒板齒墊能使鋁板在進出方向約有20mm左右的調節量為第二步的精確調節。
以上的定性分區，擬合優化，定值變值關系等一系列的“形體分析”是異形工程所特有的設計過程，沒有這些分析結果，后續的節點方案設計中所設置的各種調節構造便沒有數據支撐，這也是和常規工程在設計流程上最顯著的差別。
2.4、節點方案的設計思路與構造設計方法
在完成了上述“形體分析”后，設計進程來到了具體的節點方案設計階段，也是整個設計流程的重點所在。由于異形工程本身的特殊性，為了實現“合理、經濟、美觀”等主要目的，節點設計方案可沿以下思路進行推進：
從藝術創作漸進到工程實施 從陌生到有既往經驗可循
從無規無序到定尺定量 從耗費巨資到造價合理
2.4.1、利用材料自身特性
在幕墻的常用材料中，有的本身就是柔性材質，如金屬板、膠條等，在工程表面較為平滑，分格間都是細微變化時可加以運用。例如銀河SOHO項目檐口曲面鋁板，根據橫向分格較長的特點，利用鋁單板自身為柔性材料的特性，設置同一底座上采用兩個轉接構件為一組，分別固定住通長的橫向靠尺型材和豎向加強筋，采用現場冷彎工藝將鋁板找形完成。
又如上海世博軸陽光谷，通過弧形玻璃邊框壓縮帶空腔的膠條產生形變，實現不同三角形玻璃之間的折面角度漸變，不論夾角為正還是為負都能良好適應。
2.4.2、運用各種帶調節的構造
在異形幕墻節點設計中，經常采用齒板、合頁、環箍、套筒、掛鉤掛軸、弧形邊框等構造元素融入設計方案中。如銀河SOHO項目的檐口鋁板，每塊檐口正面鋁板采用上下兩排各7格掛點進行掛裝，使用帶齒環箍作為安裝底座，配合多維調節轉接件(該零件可實現上下、前后、左右、旋轉等多向調節)適應鋁板內傾的漸變夾角。
又如上海東方體育中心運用的套筒轉接件和鋁板安裝掛座。柱腿部位鋼龍骨為水平布置，橫梁部位鋼龍骨為垂直布置，都和鋁板加強筋構成橫豎交叉，在其交點處布置可調節的轉接系統將鋁板固定。由于受力點均布于板面，可大大減小固定點的數量，使調節次數和難度降低。套筒轉接件便是通過圓套管的旋轉調節和進出調節，在走向為隨機布置的主體鋼結構桿件上，能始終保持幕墻鋼龍骨的水平或垂直。
鋁板采用室內掛裝的方式，通過固定于鋼龍骨上的帶齒板掛座和固定于加強筋型材上的掛鉤進行掛裝，掛接系統可實現充分的三維調節。掛鉤型材、U形掛座型材和C形滑槽型材可同時適用于柱腿鋁板和橫梁鋁板兩種安裝節點。
2.4.3、對生產工藝進行優化
在異形工程設計中，“以折代曲，單曲擬合雙曲”是經常使用的設計原則。在滿足原建筑設計效果的前提下，讓加工、施工更高效、更可實現。例如光谷國際網球中心檐口雙曲面菱形分格鋁板為雙曲面鋁板，為避免沿板邊固定的方式導致龍骨截面扭轉，采用了4點固定方式。從屋面網架結構（詞條“網架結構”由行業大百科提供）開始，依次布置有檁條→豎向鋼龍骨→環向鋼龍骨→π型固定件→面板。外層雙曲鋁板安裝為龍骨邊框二合一，壓塊四點固定的方式。“π型轉接件”可以在環向龍骨初步定位的基礎上進行更精細的進出調整。固定處兩塊鋁板間細微的角度變化，則通過圓頭膠條來適應。
對于更普遍的“以折帶曲”的設計方法，在此提供一個經驗性的幾何原則供參考：兩弦長夾角保持在175度以上、弦長L控制在半徑1/10以內、圓弧拱高h控制在15mm以內。滿足以上前提即可通過以折帶曲的方式來擬合。
2.5、成果輸出
2.5.1、科學合理的材料編號方式
異形建筑的表皮分格往往呈現出逐漸變化的特點，導致龍骨桿件的長度、面板材（詞條“板材”由行業大百科提供）料的輪廓尺寸都是“外觀看起來相似，數值有細微差別”。設計成果輸出的材料編號除了要區別不同的材質、種類、規格，最好能賦予一定的邏輯性，便于理解，能讓使用者方便的找到它，安裝到正確的部位。例如在上海東方體育中心項目中，就充分利用了形體上存在對稱關系來進行材料編號，最后達到的作用就是只需查看編號，工程上所用的16480塊鋁板就能各得其所，清晰的找到對應的安裝部位。
2.5.2、訂單與加工圖表達借助模型，以準確高效為原則
根據加工的工藝需求選擇合適的表達方式，平面圖形與參數表單相結合，同時提供桿件和面材的零件加工模型互為校對。目前材料生產廠家大多有較強的深化設計能力，應充分溝通發揮其作用。例如銀河SOHO項目的鋁板面積約有5萬㎡，且均為單一尺寸規格，沒有完全相同的兩塊鋁板。通過BIM深化的模型完全還原幕墻方案，模型完成后直接由BIM軟件導出鋁板模型發往生產廠家，輸入數控加工設備進行面材下料和生產。加工圖和特征參數表則作為廠家出廠自檢和到場驗貨的依據。
2.5.3、成果文件校對
BIM軟件平臺設計輸出過程高效，但數據量往往十分巨大，不便于檢查校對。可采用雙線操作，將結果進行比對的方式來提高準確性。例如上海東方體育中心項目綜合館共有8240塊各不相同的鋁板，軟件生成的加工數據巨大，采用兩位設計師同時操作輸出，導入電子表格軟件中用函數批處理進行結果對比查錯，有效的保證了數據的準確性。
三、設計要點
在上述介紹設計流程的內容中，已經分階段對設計要點進行了介紹。在此對異形工程的整體設計組織、結構條件、BIM應用等注意事項做一些補充。
3.1，設計組織特點
與建筑師的溝通反饋、與周邊專業的跨專業協調、設計過程的把控、與生產和現場的結合是異形工程設計的主要工作量體現。在方案上以多角度的思考作為基礎，充分顧及到建筑效果、規范條文、造價限制、材料特點、生產加工、安裝工藝、周邊專業、后期維護等與外圍護結構整體生命周期相關的方方面面，根據工程的個性特點和技術重難點開展針對性的設計。
3.2，結構設計
非常規的外形往往伴隨著非常規的結構。異形工程的結構布置、節點處理都與常規工程有著很大不同，需要根據各個工程的特點來選擇合適的結構形式、合理的結構布置。例如光谷國際網球中心的主入口門廳，立面幕墻采用了豎向單索形式，門斗為鋼結構門架帶室外懸挑雨篷。門架鋼結構同時受到雨篷和索結構的影響：雨棚懸臂結構的偏轉力、立面玻璃幕墻受風荷載傳遞到鋼架上的水平力、豎向鋼索對門架的拉力相互疊加產生影響。
為了減小門架結構和上方圓拱鋼梁的反力，采用了類似“張弦梁”的結構形式：在門架和圓拱梁之間增加一根橫向鋼索并施以較大的預應力，橫索與豎索交叉處進行連接，相當于給豎索增加了中間支點，同時橫索對圓拱梁存在加強效應，在豎索撓度不變的情況下減小了預拉力。
3.3，BIM技術的貫穿
如前文所述，建筑師在進行建筑方案設計時，平面功能分區和立面效果是分開進行考慮的。異形建筑本身的設計工作是復雜的龐大系統，同時并行多項專業，傳統設計手法很難高效協調設計條件，而近年來參數化設計方式的出現，模糊了建筑平面與立面在設計上的空間和時間界限，各專業在統一的BIM模型上開展深化設計工作。BIM的作用主要體現在以下幾個大的階段：
3.3.1，建筑原始模型的特征分析，并按照表皮邏輯完成模型初步深化
通過對邏輯的理解與執行，完成表皮的分格、龍骨桿件的布置與生成、轉接件等全部按實際實施情況在數字空間進行實施，以期對后續過程的準確控制。
3.3.2，施工圖設計時檢驗幕墻方案的合理性和可實施性支持節點設計
通過BIM取得節點調節構造需適應的范圍值，以此基礎完成節點設計。同時對第一步取得的成果文件進行碰撞檢查，避免構件干涉。例如武漢光谷國際網球中心門廳單索幕墻。由于受風壓（詞條“風壓”由行業大百科提供）影響變形較大，為了能設計出具有合適調節能力的點式玻璃夾具，我們用BIM模型復現風壓變形圖，分析在風壓最大變形狀態下，玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業大百科提供）的點式夾具需要具備的角度調節范圍。
3.3.3，對深化設計和現場的技術支持
通過對分格定位點坐標進行設定和自動提取，為現場安裝空間構件(龍骨，面材，轉接件等)提供現場定位。利用實際的構件加工模型，反饋出長度，角度，孔位等加工數據，以加工圖結合數據表的形式進行批量輸出。
3.4，重視樣墻的驗證和優化作用
在建筑效果的深化設計完成后，往往會制作實體樣墻，利于提前驗證設計，盡早暴露問題，優化大面實施。通過樣墻驗證主要幕墻系統方案，同時對于主體結構可能出現的誤差作初步的掌握并提前準備對策，可極大的方便后續大面實施。
結語
隨著建筑設計方法、設計概念的革新以及設計工具和施工技術的進步。建筑外立面從單一化、規整化向多元化、復雜化發展。以上內容詳細介紹了異形建筑外圍護結構的設計流程、思路和方法。通過提前進行形體分析，把握工程的特點和重難點，為系統構造設計提供充分的設計依據;在構造設計和成果輸出上考慮生產加工和安裝的工藝性，降低施工難度，縮短建設周期;在工作方法上充分運用BIM技術實現設計的貫穿，以達到預期的建筑構想。
作者單位：武漢凌云建筑裝飾工程有限公司
