艾宏波，車 通，崔百興

(1.西安建筑科技大學(xué) 設(shè)計(jì)研究總院，陜西 西安 710055； 2.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055)

20世紀(jì)以來，隨著框架結(jié)構(gòu)和建筑幕墻材料技術(shù)的發(fā)展，建筑表皮成為可以更靈動自由的表達(dá)建筑性格和空間特征的要素.建筑表皮作為建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅能表達(dá)建筑的精神內(nèi)涵和文化意義，同時也是建筑與環(huán)境交流的主要界面，具有很強(qiáng)的功能性[1].在數(shù)字技術(shù)日益發(fā)展的今天，數(shù)字設(shè)計(jì)成為了重要的實(shí)踐手段[2]，國內(nèi)外建筑師通過應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺，將各種復(fù)雜的雙曲面、非線性的建筑表皮進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并付諸實(shí)踐[3]，形成了與傳統(tǒng)建筑造型具有顯著差異性的建筑形象，在視覺上呈現(xiàn)出更加連續(xù)流動的建筑風(fēng)格，成為越來越多的建筑師青睞的表達(dá)方式.

雙曲面表皮的應(yīng)用也帶來了諸多現(xiàn)實(shí)問題：首先，表皮曲率的變大導(dǎo)致施工難度和建筑造價(jià)上升、施工精度差的問題；其次，表皮設(shè)計(jì)中網(wǎng)格劃分不合理的讓曲面單元之間的擬合精度差，網(wǎng)格嵌板過多也導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性差；最后，曲面開洞與網(wǎng)格的一致性、洞口位置與內(nèi)部功能光熱性能需求的關(guān)聯(lián)性差.當(dāng)前國內(nèi)外雖然有較多在雙曲面表皮設(shè)計(jì)構(gòu)建方面的應(yīng)用，即通過參數(shù)化技術(shù)手段完成對大型曲面幕墻和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐[4]，但是對以上問題的回應(yīng)還不夠充分.如北京MAD事務(wù)所設(shè)計(jì)的哈爾濱木雕博物館[5]、鄂爾多斯博物館以及哈爾濱大劇院等，英國建筑師扎哈設(shè)計(jì)的廣州歌劇院、北京銀河SOHO以及北京大興國際機(jī)場、 迪士尼音樂廳[6]等，這些建筑的表皮都具有造型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、雙曲面表皮曲率變化大以及設(shè)計(jì)和施工難度大等特點(diǎn).但是其曲面的經(jīng)濟(jì)性差、嵌版的擬合精度不足等問題也讓曲面表皮的最終呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)效果有所不足.李曉岸[7]、王力[8]分別以東大門和杭州東站為例進(jìn)行了雙曲面表皮的實(shí)踐和應(yīng)用，但是曲面開洞上無法適應(yīng)室內(nèi)性能需求.以上問題中，方案設(shè)計(jì)階段雙曲面表皮的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程和優(yōu)化方法的不合理是最主要的原因，因此在方案設(shè)計(jì)階段對雙曲面表皮設(shè)計(jì)流程進(jìn)行梳理，同時應(yīng)用更合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法成為解決雙曲面表皮設(shè)計(jì)和保證建造效果的重要手段.

本文從西安騰訊雙創(chuàng)小鎮(zhèn)展示館方案及雙曲面表皮的優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺Rhino&Grasshopper，系統(tǒng)梳理雙曲面表皮優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，從形態(tài)擬合、表皮分割、表皮光熱性能優(yōu)化等角度進(jìn)行深入探究，塑造出流動飄逸的建筑形體，構(gòu)建具有生態(tài)特征并符合美觀需求的雙曲面表皮.

1 項(xiàng)目概況

騰訊雙創(chuàng)小鎮(zhèn)展示館位于西安市浐灞生態(tài)區(qū)灞河西岸，具有優(yōu)越的生態(tài)景觀環(huán)境.2017年，騰訊宣稱要用數(shù)字經(jīng)濟(jì)為中國企業(yè)鋪就一條新“絲綢之路”并提出中國的數(shù)字文化產(chǎn)品就是一種“新絲綢”.而西安作為中國古代絲綢之路的起點(diǎn)城市，“新絲綢”的概念具有很強(qiáng)的歷史性和現(xiàn)實(shí)性，同時給人帶來一種靈動飄逸和連續(xù)流動的印象.另外，數(shù)字和科技的概念更是一種動態(tài)、無邊界的探索精神的體現(xiàn)，“∞”在數(shù)學(xué)上表示的是“無窮大”，同時該符號也象征著無窮連續(xù)，被認(rèn)為是—個超越邊界而增加的概念，其數(shù)學(xué)性質(zhì)呼應(yīng)了建筑對于科技、智慧的定位——一種動態(tài)、持續(xù)和無窮的探索.

根據(jù)以上兩個概念，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將形體采用了莫比烏斯帶的形式組合.莫比烏斯帶是將一根紙帶扭轉(zhuǎn)180°后，兩頭再相接，使本身具有兩個面的紙帶變?yōu)橐粋€面，成為具有獨(dú)特?cái)?shù)學(xué)和藝術(shù)特性的幾何體.帶兩面代表兩個獨(dú)立事物，那么莫比烏斯帶在此的意義就是融合科技與文化的碰撞，共建數(shù)字絲綢之路的“新絲綢”.以莫比烏斯帶為形態(tài)概念的基礎(chǔ)，在Rhino空間中通過逐步推敲和優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成本次展示館設(shè)計(jì)的基本形態(tài)，其形態(tài)生成過程如圖1所示.

圖1 展示館生成過程

建筑基本形態(tài)通過逐步的細(xì)化來滿足展示館的美學(xué)需求和建筑各個尺度在功能上的需求.展示館共兩層，一層為展廳，主要作為數(shù)字展示功能，二層作為會議和辦公部分供工作人員使用.室內(nèi)空間適應(yīng)雙曲面的表皮造型形成高低錯落的空間特征，通過豎向樓梯和坡道的設(shè)計(jì)讓室內(nèi)空間也形成了動態(tài)的聯(lián)系；同時形體扭轉(zhuǎn)相接的部位通過抬升，形成架空空間，這些架空空間從不同方向引導(dǎo)人流，形成建筑入口的灰空間和建筑廣場，照片如圖2-3.

圖2 展示館鳥瞰照片

圖3 展示館架空空間照片

2 雙曲面表皮設(shè)計(jì)優(yōu)化

在雙曲面表皮設(shè)計(jì)優(yōu)化前首先要梳理雙曲面表皮設(shè)計(jì)優(yōu)化的邏輯流程，來貫通于整個設(shè)計(jì)優(yōu)化過程.設(shè)計(jì)優(yōu)化流程包括：概念形體推敲、曲率控制下的雙曲面形態(tài)優(yōu)化、曲面網(wǎng)格劃分及單元優(yōu)化以及光熱性能導(dǎo)向的表皮洞口優(yōu)化四個部分，其優(yōu)化流程圖如圖4所示.本節(jié)將從以上幾個步驟對雙曲面表皮的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行詳細(xì)闡述.

圖4 雙曲面表皮優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

2.1 曲率控制下的雙曲面形態(tài)優(yōu)化

前文已經(jīng)分析了展示館建筑整體的基本特征，在Rhino空間中通過手動細(xì)化操作Nurbs曲面的形態(tài)控制，完成了建筑基本形態(tài)的推敲和設(shè)計(jì).展示館的雙曲面表皮在形態(tài)上從立面墻體和建筑立面之間互相延伸，屋頂和立面表皮的延續(xù)交融使表皮呈現(xiàn)出優(yōu)美的曲度和流暢的美學(xué)特征.而通過Rhino手動建模推敲的曲面雖然也是Nurbs曲面，但是其表皮的曲率在手動拉伸的過程中會出現(xiàn)曲率不均勻等問題，同時當(dāng)建筑高度或面積等設(shè)計(jì)因素需發(fā)生變化來適應(yīng)設(shè)計(jì)需求時，該方法也無法快速精確的對表皮形態(tài)及大小進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)重降低了設(shè)計(jì)效率，也為后期各項(xiàng)深化帶來了不便.因此需結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺Rhino&Grasshopper，以原模型形態(tài)作為參考形，再進(jìn)行表皮雛形的參數(shù)化建模，通過參數(shù)控制曲率來達(dá)到曲面形態(tài)優(yōu)化的目的.

曲率控制下的曲面形態(tài)優(yōu)化目標(biāo)是通過參數(shù)化編程完成雙曲面表皮雛形的動態(tài)可控精細(xì)建模，使模型形態(tài)隨著曲面曲率參數(shù)變化可以迅速變化，便于控制；其優(yōu)化邏輯是在Rhino&Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行點(diǎn)、線、面逐層級的參數(shù)化曲率的控制來完成整個雙曲面形態(tài)的控制，完成整個表皮構(gòu)建，具體過程如下：

曲率控制下的表皮雛形設(shè)計(jì)的形態(tài)優(yōu)化邏輯過程，需要首先在Grasshopper中通過三維坐標(biāo)的定位確定整個模型中的特殊定位點(diǎn)，該部分點(diǎn)需要能夠?qū)φ麄€表皮模型的主要結(jié)構(gòu)線和整體形態(tài)起到主要擬合的作用，優(yōu)化時需進(jìn)行特殊點(diǎn)的選擇、參數(shù)化控制數(shù)據(jù)輸入定位等步驟，是該過程的首要步驟；其次，在第一步各控制點(diǎn)完成的基礎(chǔ)上通過該多個控制點(diǎn)擬合生成雙曲面表皮主要結(jié)構(gòu)線，其中主要包括的各部分表皮的邊緣線、曲面控制線、特殊位置控制線等；最后，各表皮控制線間通過參數(shù)化平臺強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力完成擬合放樣等操作和雙曲面表皮雛形的成形，最終完成整體的參數(shù)化編程建模.該過程中可根據(jù)擬合雙曲面的結(jié)果隨時轉(zhuǎn)換前一步驟的定位點(diǎn)和定位線的位置，改變雙曲面表皮曲率擬合的流暢性.如圖5-6所示，Rhino空間中手動建模和參數(shù)化建模下立面曲率的對比，其中顏色相近代表曲率相近.可以看出，曲率控制下的參數(shù)化建模方法可有效提高曲面流暢性.

圖5 Rhino空間中手動建模的立面表皮曲率

圖6 曲率控制下的參數(shù)化模型立面表皮曲率

結(jié)果分析：如圖7所示，最終的表皮雛形形態(tài)可以分為4部分，分別為屋頂表皮、二層立面表皮1、二層立面表皮2以及一層立面+吊頂表皮.當(dāng)設(shè)計(jì)條件局部變化(如建筑面積的增減等)或方案及建筑表皮形態(tài)需要局部調(diào)整時，這些控制點(diǎn)、控制線以及曲面擬合方式等共通構(gòu)成的雙曲面表皮的曲率控制系統(tǒng)，可以在參數(shù)控制下迅速響應(yīng)并形成更加均勻的曲面曲率，使雙曲面表皮雛形還可以在多元的曲率控制系統(tǒng)下完成快速調(diào)整變化，適應(yīng)多元的設(shè)計(jì)語境，能夠有效的提高設(shè)計(jì)效率[9].

圖7 展示館表皮雛形分類

需注意的是，該參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中，在保證表皮形態(tài)大體不變的情況下，設(shè)計(jì)過程應(yīng)盡可能降低各部分表皮曲率，將雙曲面的表皮區(qū)域減少，提高單曲面表皮等可展開曲面的占比，降低造價(jià)和施工難度[1].但是并不是所有的雙曲面都可以通過曲率控制優(yōu)化成可展開曲面，如圖8所示是一層立面+吊頂層表皮優(yōu)化后的曲率分布圖，可以看出即使在優(yōu)化后大部分表皮的曲率是均勻的，但是仍然有多處的曲率在局部位置變化較大(圖中綠色和紅色的位置)，則該位置屬于無法優(yōu)化的區(qū)域，設(shè)計(jì)中做局部處理即可，保證大部分曲面曲率均勻.與此同時，參數(shù)化編程的雙曲面表皮設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性還可以體現(xiàn)在雙曲面表皮雛形的后期深化、表皮性能優(yōu)化和施工建造上.

圖8 一層立面+吊頂層表皮曲率分布

參數(shù)化平臺與性能優(yōu)化模塊有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)連通性，可以很便捷的進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的傳輸，有利于對表皮的各項(xiàng)物理性能有更直觀的控制和把控；在表皮單元的分割和加工上，可以運(yùn)用現(xiàn)有的參數(shù)化模型通過Grasshopper的工具組進(jìn)行快速的適應(yīng)性分割，同時也可以對各個模塊的分板單元進(jìn)行信息提取，為施工建造提供優(yōu)質(zhì)條件.該部分將在下文進(jìn)行詳細(xì)闡述.

2.2 曲面網(wǎng)格劃分及單元優(yōu)化

在數(shù)字技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺的幫助下，雙曲面等復(fù)雜曲面的建筑表皮能夠生成可視化程度高并且可以加工的技術(shù)圖紙，為設(shè)計(jì)和施工提供了極大的便利.復(fù)雜的雙曲面表皮通過細(xì)分分割為若干個表皮分板單元后，才可以將圖紙和參數(shù)化模型交給工廠進(jìn)行加工，也更有利于后期的運(yùn)輸和模塊化安裝.整體上復(fù)雜的雙曲面表皮，通過細(xì)分優(yōu)化和適應(yīng)性分割后可以用平面或單曲面等便于加工的曲面進(jìn)行擬合.同時由于功能或特殊部位的結(jié)構(gòu)要求，部分曲面表皮單元會改變其厚度、材質(zhì)、形狀等屬性，完成整個曲面優(yōu)化過程[7].本節(jié)將對展示館的雙曲面表皮進(jìn)行單元優(yōu)化和適應(yīng)性分割，來達(dá)到最大限度的節(jié)約造價(jià)、為表皮單元的加工和施工建造效果提供保障的目的.

2.1小節(jié)中通過參數(shù)化方法完成了雙曲面表皮雛形的設(shè)計(jì)后，在本節(jié)的表皮優(yōu)化階段可以提供具有詳細(xì)參數(shù)的表皮基本形，能快速將多個整體的表皮細(xì)化分割為多個表皮分板單元.優(yōu)化過程力求在保證整個建筑造型連續(xù)流動的效果外，實(shí)現(xiàn)對雙曲面表皮造價(jià)降低及快速加工施工等預(yù)期.極小曲面原理是幾何學(xué)常用的雙曲面優(yōu)化方法之一，即將復(fù)雜雙曲面優(yōu)化為多個平面分板單元的組合，從而降低雙曲面表皮單元的曲率，進(jìn)而降低表皮造價(jià).但運(yùn)用該原理形成的多個平面單元拼接的邊緣多數(shù)情況下是不規(guī)則且無序的，同時分板單元之間的縫隙也是不規(guī)則的，這樣勢必會造成表皮造型細(xì)部上的無序.而利用表皮分板單元模塊拼接后形成的縫隙實(shí)現(xiàn)的表皮肌理作為建筑表皮的重要組成部分[8]，對建筑形象起到至關(guān)重要的影響，因此極小曲面拼接的方法并不適合本項(xiàng)目.在表皮分割的過程中，需要更加注重分割后的分板單元之間拼接形成的表皮肌理對整體造型的影響，該肌理應(yīng)是與雙曲面表皮形成呼應(yīng)關(guān)系的、有序且具備適應(yīng)性效果的.

基于以上分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)雙曲面表皮雛形的邊緣形狀、造型特點(diǎn)和四部分表皮的位置進(jìn)行了對應(yīng)的分割方式探索.本次優(yōu)化在2.1小節(jié)中曲率控制下的雙曲面表皮形態(tài)優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行分板分割的優(yōu)化設(shè)計(jì).在屋頂表皮的分割上(圖9)，通過參數(shù)控制將、在環(huán)向分割和豎向分割兩個方向進(jìn)行曲線控制分板，將不同部位的分縫肌理位置通過與表皮造型進(jìn)行呼應(yīng)，形成放射狀的分板組合效果.二層立面表皮1和2在造型上曲度較小，優(yōu)化過程中，通過橫向和豎向兩個方向進(jìn)行表皮分板(如圖10)，運(yùn)用多塊平板單元擬合成為曲面表皮，大大降低了表皮造價(jià)和建造難度.由于展示館在一層形成了架空空間和入口空間，因此一層+吊頂層表皮較其他表皮而言更加復(fù)雜，表皮曲度更大.如圖11所示.圖中綠色部分是優(yōu)化后依然呈現(xiàn)雙曲面分板單元，其他顏色均為平板單元或單曲面單元分板.可以看出，雙曲面的分板單元主要集中在入口部分和架空層部分，同時該部分的表皮分割也需要根據(jù)表皮形態(tài)進(jìn)行專項(xiàng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì).雖然在優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)希望盡可能的將雙曲面的分板單元減少，增加可展開曲面和平面分板單元的數(shù)量，但是該特殊部位依然需要存在局部的雙曲面分板單元來滿足流動連續(xù)的設(shè)計(jì)效果，形成表皮經(jīng)濟(jì)性和形態(tài)美觀之間的平衡.

圖10 雙曲面表皮分板

圖11 一層立面+吊頂層表皮分板

經(jīng)上述分析和操作，雙曲面流線型的表皮最后分割為由若干塊形狀大小不一的4 mm厚穿孔鋁板，并在保持整個造型不變的基礎(chǔ)上對表皮曲率進(jìn)行了優(yōu)化，形成大量的單曲面模塊單元，大大降低了整體的表皮造價(jià).按照最終的表皮分割結(jié)果，將每一個分板進(jìn)行對應(yīng)的編號(如圖12)，通過參數(shù)化平臺可以輸出每一塊板的詳細(xì)參數(shù)信息，包括編號、幾何圖形、表皮開洞情況以及安裝位置等，參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用有效的保證了表皮設(shè)計(jì)加工和安裝.

圖12 雙曲面表皮分板編號圖

需注意的是，在優(yōu)化表皮的同時，表皮的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需同時考慮.參數(shù)化設(shè)計(jì)程序可以快速確定建筑主體以及表皮龍骨結(jié)構(gòu)的位置參數(shù)，保證各個結(jié)構(gòu)之間連接的準(zhǔn)確性和精度[10]，使主體鋼結(jié)構(gòu)層、龍骨層以及表皮層三者間能有機(jī)結(jié)合，并對各層級的結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，保證雙曲面弧度順滑[11]，以屋頂為例，其結(jié)構(gòu)如圖13.最后整合參數(shù)化設(shè)計(jì)、工廠加工和現(xiàn)場調(diào)整，形成整個表皮的安裝系統(tǒng)，使雙曲面表皮幕墻可以快速、安全、美觀的呈現(xiàn)(圖14為施工現(xiàn)場照片).

圖13 展示館屋頂表皮結(jié)構(gòu)

圖14 表皮龍骨和表皮單元鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場照片

2.3 光熱性能導(dǎo)向的表皮洞口優(yōu)化

建筑表皮作為室內(nèi)空間與外界環(huán)境直接接觸的空間，其物理性能已愈加受到建筑師的重視.大量實(shí)踐和資料表明，適宜的建筑表皮運(yùn)用，可在日輻射的控制和引入自然光間達(dá)到一種動態(tài)平衡，為室內(nèi)光熱舒適度提升提供有利條件[12].因此，表皮的光熱性能優(yōu)化也尤為重要.

在前文表皮曲面形態(tài)優(yōu)化和網(wǎng)格單元優(yōu)化的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目的雙曲面表皮系統(tǒng)采用當(dāng)前使用廣泛的雙層表皮系統(tǒng)，外表皮采用金屬鋁板材料，內(nèi)表皮采用玻璃幕墻，可以更好的滿足建筑的綠色生態(tài)性能及美觀需求；同時金屬材料更易于彎曲加工、開洞、切割，并且耐久性較強(qiáng)[13]，更容易進(jìn)行特殊構(gòu)件的設(shè)計(jì)建造，保證表皮完成后的效果[14].在展示館雙曲面表皮雛形的后期深化上，可以根據(jù)內(nèi)部兩層的不同使用功能對表皮進(jìn)行區(qū)分，分別根據(jù)建筑美學(xué)需求進(jìn)行對應(yīng)的深化設(shè)計(jì).例如一層空間作為展示館的展廳區(qū)域，并不需要進(jìn)行專門的采光設(shè)計(jì)，因此其對應(yīng)的表皮部分可使用不開洞的金屬鋁板；二層作為辦公會議空間則需在雙層表皮上進(jìn)行相應(yīng)的開洞處理，引入較好的自然光線.因此本次表皮光熱性能優(yōu)化重點(diǎn)以展示館二層對應(yīng)的表皮作為優(yōu)化對象.大量研究表明，辦公及會議空間中適宜的自然光線運(yùn)用不僅可以節(jié)約照明能耗，還可以讓室內(nèi)的辦公人員擁有良好的工作狀態(tài)，有利于身心健康[15].因此在二層立面的雙層表皮設(shè)計(jì)中，金屬外表皮通過適宜的開洞處理，形成遮陽板的功能，對于二層的辦公和會議空間而言，可有效的降低室內(nèi)眩光的產(chǎn)生概率，同時自然光通過金屬穿孔板外表皮進(jìn)入室內(nèi)后，光線也變得更柔和.除此以外，金屬外表皮作為遮陽板，可以有效防止西安地區(qū)夏季過多的太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)，降低夏季制冷能耗.需要注意的是，遮陽板開洞方式則通過對不同位置的嵌板通過參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件與性能模擬工具之間的聯(lián)動，得到室內(nèi)性能最佳時開洞的位置及孔徑大小，通過將嵌板固定在外表皮金屬龍骨上來達(dá)到遮陽的效果，鋁板的開洞處理直接在工廠加工完成，在現(xiàn)場完成安裝即可.

結(jié)合上述分析，筆者應(yīng)用Rhino & Grasshopper和Ladybug & Honneybee平臺[16]對雙層表皮對于室內(nèi)光性能的影響和日輻射遮陽效果通過模擬實(shí)驗(yàn)做出對比分析，驗(yàn)證雙層表皮系統(tǒng)的綠色性能.實(shí)驗(yàn)選取二層西側(cè)的局部空間作為對象(如圖15-16所示)，對該局部單元進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M.在室內(nèi)光性能上，由于二層辦公空間比普通的辦公空間層高較高，因此設(shè)計(jì)上更加希望進(jìn)入室內(nèi)的自然光線更加均勻，而采光質(zhì)量通常是較好的.所以采用有效自然采光照度百分比(Useful daylight illuminance，即UDI)[17-18]作為本次實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)，UDI的值可以反映室內(nèi)有效自然采光的使用率，同時該值越大則表示室內(nèi)采光的均勻度越好，產(chǎn)生眩光的概率越低.設(shè)計(jì)上進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，分別為A組：外表皮為單層玻璃的空間和B組：外表皮為金屬穿孔板以及玻璃的雙層表皮空間作為對比.本次模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)GB/T50378-2019《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，將地面反射比設(shè)定為0.3，墻面設(shè)定為0.6，天花板設(shè)定為0.80，玻璃根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，設(shè)定為0.7；工作面高度以辦公空間為例，設(shè)定為0.75 m高度.網(wǎng)格精度設(shè)定為1 m×1 m.

圖15 二層西側(cè)局部空間(模擬對象)選取

圖16 表皮開洞的雙層表皮系統(tǒng)

根據(jù)文獻(xiàn)分析實(shí)踐總結(jié)，選取室內(nèi)自然光照度位于100lx和2000lx之間的照度為有效照度，在該范圍外的照度為無效照度[19]，即UDI100-2000，該指標(biāo)越大則表示有效的自然采光效果越好.圖17為兩組實(shí)驗(yàn)的室UDI100-2000的分布圖，同時兩組實(shí)驗(yàn)的UDI平均值分別為64.32%和84.26%，可以看出B組的UDI平均值與A組相比，提高了19.94%，即表皮開洞的雙層表皮系統(tǒng)可以有效提高室內(nèi)有效自然光的利用率.在夏季日輻射遮陽上，通過對該空間玻璃幕墻上的夏季6-9月的累計(jì)日輻射量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，來判斷金屬遮陽板的遮陽效果.依然分別對A、B組進(jìn)行日輻射模擬，其日輻射分布圖如圖18所示.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，A組的日輻射總量為27 097.87 KW·h，比B組的11 324.77 KW·h多了15 773.1 KW·h.從數(shù)據(jù)對比可以看出，表皮開洞的雙層表皮系統(tǒng)可以提供較好的夏季遮陽效果.綜上所述，表皮開洞的雙層表皮系統(tǒng)與單層表皮相比，可以較好的發(fā)揮表皮的綠色性能，創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境[20].項(xiàng)目落成后，研究將繼續(xù)檢測采光節(jié)能各項(xiàng)指標(biāo)，優(yōu)化研究方法.

圖17 A組和B組 UDI實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)可視化彩圖

圖18 A組和B組玻璃幕墻面實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)可視化彩圖

3 結(jié)語

本文從西安騰訊雙創(chuàng)小鎮(zhèn)的方案和表皮設(shè)計(jì)入手，通過融入“新絲綢”和“無窮”的設(shè)計(jì)理念，塑造了流動飄逸的建筑形體和獨(dú)特的建筑形象.在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺Rhino&Grasshopper進(jìn)行雙曲面表皮的設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出了雙曲面表皮實(shí)踐的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，即分為曲率控制下的曲面形態(tài)優(yōu)化、曲面網(wǎng)格劃分及單元優(yōu)化以及光熱性能導(dǎo)向的表皮洞口優(yōu)化三個部分，并驗(yàn)證了該流程的適應(yīng)性.曲率控制下的曲面形態(tài)優(yōu)化通過參數(shù)化編程建模完成了對曲面曲率精確地控制和優(yōu)化，可以有效提高表皮模型的調(diào)整的適應(yīng)性、提高設(shè)計(jì)效率；曲面網(wǎng)格劃分及單元優(yōu)化將不同部位表皮根據(jù)表皮的造型需求進(jìn)行了適應(yīng)性的分板分割，保證表皮紋理形象的同時，降低了表皮造價(jià)；表皮洞口優(yōu)化以光熱性能為導(dǎo)向，將室內(nèi)物理環(huán)境和表皮開洞形成有機(jī)結(jié)合，賦予了表皮綠色生態(tài)的特性.文章通過完整的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐展現(xiàn)了該優(yōu)化方法的有效性，構(gòu)建具有生態(tài)特征并符合美觀需求的雙曲面表皮，為雙曲面表皮設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了流程和實(shí)踐參考.在未來的研究中希望可以繼續(xù)對不同形式的雙曲面表皮進(jìn)行理論和實(shí)踐應(yīng)用，不斷完善此方法.