参数化设计在体育馆建筑造型设计中的应用-——以东方体育中心为例

参数化设计在体育建筑造型设计中的应用——以东方体育中心为例上海交通大学现代体育建筑的造型设计参数化设计在现代建筑设计中的运用案例研究——东方体育中心参数化设计在东方体育中心建筑造型设计中的运用1234参数化设计体育建筑造型设计现代体育建筑的造型设计体育馆建筑的功能性强，比赛厅大小、形状受到功能的制约;体育建筑的技术含量高，其屋盖结构、空调、光照、制冷等技术都对造型有很强的制约;体育建筑受环境的影响大，需要大而宽敞的外部空间环境，而具体环境又反过来影响建筑的造型。可见，体育建筑的建筑造型受功能、技术、环境制约较大，其造型创作特点是综合性强，是建筑艺术与技术的有机结合。其创作范畴涵盖了比赛厅的空间设计、技术设计、与环境的依存关系以及地域文化等精神领域的范围。现代体育建筑的造型设计1.与环境要求相结合的创作思路一般情况，我们总是希望体育馆雄伟壮观，最好成为城市一景和标志性建筑，这种希望和要求完全可以理解，但不能不问环境，一味追求雄伟、有失和谐。体育馆本身的体量大小可调节余地一般不大，但不等于没有潜力与可能，体量的外露之多寡则有较大的斟酌余地。比如下沉式布局，选择扁平或渐沉收敛的体形、设台座等，都可减少体量、协调环境。体育馆的体量和尺度处理，应以环境条件为转移，不应一成不变，只强调雄伟壮观而不问环境是否和谐是不可行的。现代体育建筑的造型设计2.与美学规律相结合的创作思路形体、结构、材料建筑的美学规律涵盖面非常的广泛，它贯穿了建筑的形体组织、内外空间表现、装修与色彩等多个方面，也渗透到物理、结构、材料、心理、仿生、社会、文化、艺术的各个领域。一切事物都有自己的法则和其内在的规律，而体育建筑造型设计的法则是统一的，而产生美的方式是多种多样，仁者见仁、智者见智的;基于现代体育建筑往往在造型上反映社会物质生活与文化生活的面貌、气氛和时代性。现代体育建筑的造型设计3.与立意构思相结合的创作思路与立意构思相结合的创作思路涉及体育建筑设计的各个方面。它是一条主线，将建筑的环境、功能、技术完整而有力地整合在一起，创造一种超凡的建筑意境、建筑形态、建筑情感，来震撼观众的心灵，升华体育建筑的艺术成就。参数化设计在现代建筑设计中的运用参数化设计是指设计对象的结构形状比较定型，通过一组参数对其拓扑关系进行约定，改变参数带进而改变整体图形。产品的设计都是要经过概念设计，草图设计，详细设计等多个过程，每个过程又伴随着反复的推敲，那么经常的改动这一个设计的特点正适合参数化的应用，可以使效率大大提高。使得建筑师从繁重的劳动中解放出来，更加专注于设计的过程。参数化设计在现代建筑设计中的运用Rhinoceros拥有强大的建模功能：Rhinoceros带有布尔运算、放样、旋转、控制点调节等来创建NURBS曲线、曲面和实体的3D建模工具，基于NURBS，Rhinoceros的建模是精确和强大的，用它所生产的模型可以直接交付厂家进行生产制造；可快速修改：Rhinoceros自带延伸、合并剪切、挤压等对曲线、曲面和实体的编辑工具，可以不受约束的进行袖带；支持多种格式：Rhinoceros涵盖了主流的3D格式类型，如DWG、3DS、JPG、RIP等；渲染方面，Rhinoceros提供了材质较多的控制，现如今，也有很多插件如Penguin、Flamingo。1.Rhinoceros参数化设计在现代建筑设计中的运用Grasshopper最显著的特点就是它由自己一套独特的方式来完成整个建模的过程——通过节点与连线的方式组织自己的算法与几何操作；实时展示效果：在作为模型动态变化的发起者，可以使用户在调整和揣摩设计成果的时候具有更细致、自由的观察力；严谨的数据化建模操作。Grasshopper中主要是以数据操作为依据，是依据运算器进行连接组织来实现模型的创建的，通过参数的变化来控制模型，在建模的调控中，图形只起到了监视程序编写的作用；完整的保存数据。2.Grasshopper上海东方体育中心是为举办第十四届上海国际泳联世界锦标赛而兴建。冯·格康，玛格及合伙人建筑师事务所于2008年赢得了项目设计竞赛，建筑综合体从设计到落成历时将近两年半的时间。综合体包括一座可举办多种体育赛事以及文化活动的多功能体育馆、一座游泳馆、一座室外跳水馆和一个媒体中心。基于可持续的城市发展方针政策，体育中心取代了黄浦江沿岸的工业区旧址，为这一地区重新注入活力。案例研究——东方体育中心在第十四届上海国际泳联世界锦标赛期间，体育馆承办花样游泳锦标赛，赛后这里还可为拳击、篮球、羽毛球、冰球等运动项目提供场地或用来举办音乐会等文化活动。馆内设有14000多个观众坐席，也可通过增加临时座位扩展至18000个坐席。封闭的体育馆体采用圆形平面，主体为钢筋混凝土结构，屋面钢结构跨度170m，其上覆盖铝合金表皮。平行的钢梁依次排列形成一座35m高的拱廊，将环绕赛场布置的开放式前厅的玻璃幕墙围合于其内。案例研究——东方体育中心1.综合体育馆游泳馆内设有4个一字排开的两个标准尺寸泳池、一个跳水池和一个娱乐池。馆内设有3500个固定坐席，为满足世界锦标赛的赛事要求，可扩展至5000座。封闭的游泳馆平面为长方形，主体为钢筋混凝土结构，屋面为钢结构，长约210m，宽120m，高22m，其上安装有三角形的玻璃天窗。日间光线沿着钢梁结构之间的细长窗带射入馆内，在实现自然采光的同时有效避免了直射光线造成的眩光问题。案例研究——东方体育中心2.游泳馆室外跳水馆综合体坐落于人工岛之上，可提供2000个固定坐席。在世锦赛或其他高规格赛事举行期间可扩容至5000席。跳水馆的配置为一个标准室外跳水赛池、跳塔以及一个标准游泳赛池。跳水馆屋面结构外环直径约130m，内环直径90m，形式与建筑圆形平面相吻合，构造则与其他两座场馆大同小异。屋盖梁架由建筑主体结构支撑，位于结构单位之间的轻质张拉膜可起到遮阳挡雨的作用。案例研究——东方体育中心3.室外跳水馆游泳馆80m高的媒体中心位于基地北侧，共有15层。内有健身中心、会议室、医疗服务中心、贵宾休息区和办公区。规则的8.4m结构网格保证内部空间可进行灵活的分隔利用。外立面表皮采用白色微孔铝合金镶板，表达了湖面水波荡漾的美好意象。案例研究——东方体育中心4.媒体中心参数化设计在案例建筑造型设计中的运用上海东方体育中心项目的建设是为举办2011年第14届FINA国际泳联世界锦标赛,同时也为将上海建设成亚洲体育中心城市。德国GMP国际建筑设计有限公司于2008年中标该项目。项目包括三个主要体育场馆—综合体育馆、游泳馆及室外跳水馆。其外形特征是建筑由一系列连续变化的大跨度空间析架组成。参数化方法的介入为解决设计和建造过程中遇到的问题提供了强大支持。参数化设计在案例建筑造型设计中的运用在概念设计阶段,水、波、桥梁、风帆等意象元素作为设计概念首先感性地决足了体育馆的建筑形态由若干动态变化的位点，甚至尺度的定义都在一个相对较大的可调或可选范围内。此时很多常规的三维软件都能把控、塑造这样一个三维模型，以满足建筑师的视觉要求，并通过缩放、拉伸、挤压等操作对形体进行整体的、模糊的修改。本项目利用Rhinoceros软件的自带建模功能，通过放样作为轮廓线的空间曲线得到单榀桁架，阵列并由CageEdit命令整体修改后得到形体。1.参数化设计在本项目中的特点参数化设计在案例建筑造型设计中的运用而当项目进人深化设计阶段，数据将以施工依据作为目标，对精确性的要求不言而喻。同时，大量的现实问题将会被纳人考虑，此时需要兼顾各专业提出的要求以确保建造的可行性及正常使用。首先是建筑师进一步推敲形体的要求，这里如何得到一个可视化的三维模型并能够快速根据要求进行修改是关键。其次是结构设计工程师设计主体钢结构的要求，将形体表面向内偏移后得到结构轴线、发展其为桁架系统，并计算、验证该结构模型是否可行，这种配合亦是一个双向、反复的过程，要求高效地调整模型。此外，幕墙顾问也将根据施工可能性提出如下要求：如何精确实现规模超常的双曲面，包括材料选择、加工工艺、職异形分块等。1.参数化设计在本项目中的特点参数化设计在案例建筑造型设计中的运用“找形（FormFinding）”是每个形体特殊的项目必须完成并且贯穿设计始末的工作，决定找形规则的因素很多，包括设计意图、结构形式、幕墙的材料与施工工艺、风压、采光与遮阳、太阳能利用等等。本项目的找形规则很大程度取决于幕墙材料与施工工艺。深化设计初始，为形成流畅的双曲面，两种材料作为幕墙外装饰面板被纳人考虑：GRC与铝单板。两种材料的曲面成形都需要通过同比例的模具，而通常模具制作的高昂成本正是双曲面装饰铝板高昂总价的主要原因。故为避免制作自由双曲面所需的成千上万不同模具，同时也是力求以最简单的方式描述形体，找形的规则被确定为所有的曲面都是标准球体或圆环的一部分，这样所有在同一侧面内的板块都可以用同一块模具成形，不同模具总数量减少了95%以上。2.参数化设计在本项目中的解决方案参数化设计在案例建筑造型设计中的运用所有的曲面都是标准球体或圆环的一部分这一找形原则，加上所有曲面都是内凹的这一条件，翻译成几何逻辑即为：用多个位置、尺寸受控的标准几何体对一个范围超过所需形体的体块作布尔相减运算，得到最终形体。其中标准几何体的位置、尺寸的定位非常关键。为了使所有桁架个体形成的建筑整体能连续均匀的变化，所有标准几何体就必须通过在空间中连续均匀分布的控制点（多为形体的顶点，且通过四个控制点有且仅有一个球体）。根据上述几何逻辑，就可以在Grasshopper中构建建筑形体的参数化模型了：先制定形体控制轴线（平面与空间皆有），将轴线相交形成空间控制点，然后用几何作图法求得通过控制点的标准几何体布尔，最后将相应的形体布尔相减得到模型结果。2.参数化设计在本项目中的解决方案参数化设计在案例建筑造型设计中的运用上海东方体育中心的主体钢结构为空间桁架系统，桁架的找形原则是：根据幕墙系统构造厚度与主体钢结构自身管径，将形体外表面向内偏移固定距离，得到主体钢结构轴线控制面，进而相交得到控制轮廓线，最后在轴线控制面和控制轮廓线上根据结构规则作出空间桁架轴线。其中受最多关注也是调整次数最多的参数之一是梁高，对于大跨度结构来说，跨中的结构高度是影响整个结构是否成立最敏感的部分。在柱脚部分，主体结构的支撑系统为混凝土柱墩或钢板箱体以及减震盘，形态往往比较特殊且难以控制，故需要充分考虑并调整参数化模型以保证这些结构构件能被形体的外表面装饰铝板覆盖。2.参数化设计在本项目中的解决方案结论在东方体育中心的造型设计中，参数化设计为实现项目独特的形态做出了巨大贡献，然而，参数化设计只是数字化设计里相当有限的一部分。广义地来说，所有运用计算机技术辅助设计的设计都可称为数字化设计，当然我们更关注涉及设计本质的范畴，例如算法生成设计、参数化设计、BIM建筑信息模型等等。以脚本编程、数据库等为工具，遗传算法、自学习系统、多智能主体模拟系统等为方法，解决功能组织、行为流线、空间感受、建筑物理、绿色节能等形态之外的问题，这些数字化设计的可能性将把建筑师和建筑设计带入一个全新的时代。