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摘要：本文主要介绍建筑异形外围护结构的设计过程和设计要点。从建筑立意到表皮分析，从系统分类到节点构造，从基本思路到设计优化;全面介绍了该类工程的设计流程。通过对外围护结构的重难点分析、针对性设计、关键点控制，为工程实现预定的设计构想、达到功能要求，取得较好的社会和经济效应奠定基础。
关键词：异形建筑;外围护结构;设计流程;构造设计;BIM技术
1、工程特点
建筑外围护结构作为建筑的外衣，将建筑美学、结构、功能等方面要素有机统一。作为建筑思想表达的主要载体，越来越多的建筑外表皮呈现为无规则的异形形态，给设计、施工带来了一系列难题。在以BIM为代表的参数化设计等新技术进行工程应用的过程中，新技术会促进新思路，新思路会产生新方法，随着工程经验和案例的不断丰富、我们也能通过反思和复盘，总结出一些被证明行之有效的思路、方法、流程，在今后面对不断涌现的类似工程中尽快找准设计方向、优化设计成果、创造设计价值。
1.1、异形外围护结构的常见建筑类型
采用异形外围护结构的建筑具有良好的昭示性，是区域内的视觉焦点所在，因此广泛的应用在具有重要社会经济价值的大型公共建筑中。比如以机场、高铁站等为代表的交通建筑;以会展中心、演艺剧院、科技馆、博物馆为代表的展示建筑;以综合性体育中心、专业运动场馆为代表的体育建筑;以企业办公、城市商业体为代表的商办建筑等。
1.2、异形外围护结构工程的共性特点
1.2.1、建筑造型：
在常见的立方体“盒子建筑”中，建筑立面是由一系列的“细节一致、尺寸相同、可重复移植”的局部标准立面组成，使得设计师习惯上用“典型大样”来进行这种形式的表达。
随着建筑技术水平提高，建筑师主观创造的空间增大，导致越来越多的公共建筑采用立意新颖、追求个性的建筑表现形态。而自由创意的空间变化将导致“可重复立面缺失”。直接受到影响的，便是以幕墙为代表的建筑外围护结构。作为一种工业化生产的建筑产品，外围护结构的各种材料和结构形式都有成熟的系统，如何让它们在个性化、曲面化的建筑形态上能有合理的应用，便成为新的挑战。
1.2.2、建筑设计中的常见曲面
曲面是空间具有两个自由度的点的轨迹集合，工程中最常见的平面实际也是一种特定的曲面。在建筑设计常见的曲面中，除平面外，还有直纹面，旋转面等。下面对各类曲面的定义和特点做简单介绍。
直纹曲面：由直线运动所产生的曲面。常见的柱面和锥面(包括圆台面)都是直纹面。过柱面和锥面上每一点有一条直母线作为成形元素。柱面和锥面是可以展开的曲面，在传统绘图软件上可以进行展开布置图、加工图、放线图等深化设计工作，属于较为简单的曲面类型。
在直纹面中，有两种比较特别的“双曲面”在建筑工程中运用也非常广泛。一种是单叶双曲面，是由一条直母线，绕不共面的一条基准线生成。另一类型是双曲抛物面，由空间中两条不共面的直线进行双轨扫掠形成的曲面，因外形类似一只马鞍又名马鞍面，在建筑工程中常应用于屋面结构。单叶双曲面和双曲抛物面都是由两族直母线组成的曲面，属于不可以展开的曲面。
旋转曲面：由母线为一条平面曲线，绕其平面上的一条轴旋转一周形成的曲面称为旋转曲面，常见如球面，椭球面，环面，单叶双曲面和双曲抛物面(后两者同时也属于上文所述的直纹面)等。
球面在建筑工程中应用非常广泛，进行表皮划分的方式一种是传统的沿球体经纬线方向进行分格，现在对球面进行三角化也越来越常见。三角化分格方式容易出现局部规则与大面不一致的情况，需要不断进行调试和优化才能得到比较理想的结果。椭球面在建筑工程中的运用相对较少，经典应用项目有国家大剧院等。
1.2.3、建筑结构：
钢结构具有良好的造型可塑性作为建筑师的创意载体，另外具有良好的延展性、抗震（词条“抗震”由行业大百科提供）性能优异、自重小的优点，便于组合出大型结构。依附于主体钢结构的幕墙结构，也容易跟随呈现出龙骨大跨度，面材大分格的特点。由于钢结构采用工厂生产、整体构件安装的工艺，也带来了施工误差较大的问题,特有的卸载工序导致不均匀变形，使幕墙设计需要充分考虑安装调节和安装后适应位移的需求。如采用混凝土作为主体结构，设计时需要特别注意运用BIM平台进行碰撞检测，避免表皮与结构出现干涉。
二、设计流程
异形外围护结构与常规形式工程的设计流程基本相同，主要差异体现在前期的建筑形体分析作为后续设计工作开展和深化的基础。按照先后顺序可以分为以下几个大的阶段。
2.1、理解建筑设计的意图和逻辑
异形建筑的表现性和重难点都在于“形”，理解建筑设计创作的本意及外形的成型逻辑是后续设计工作开展的前提。这里以光谷国际网球中心主赛馆建筑设计思路的理解和表皮生成逻辑的分析为例来予以说明。
光谷国际网球中心主场馆整体呈现“旋风球场”、“皇冠球场”的寓意，建筑单体外表皮以旋转提升的竖向杆件构筑出建筑飞扬的动态感，64根倾斜旋转的三角截面钢结构杆件既形成“旋风”的造型意象，又充当外幕墙结构的主龙骨。建筑主体入口处的起伏飘带采用无缝处理的白色氟碳喷涂不锈钢表皮圆滑连续，配合门厅部位视觉通透的大幅面的单索玻璃幕墙，以合理的建筑平衡点营造出富有吸引力与冲击力的入口空间。整个建筑的外表皮是由“面材”和“杆件”两大体系构成。
本建筑外表皮形体的另一大特点便是“基准母线旋转成型”，在相同标高的位置具有相同的幕墙形式，即本工程存在一个“标准墙身”。解决好该墙身中各系统重难点问题，处理好各个幕墙系统交界部位作法，便能打通本工程设计的关键线路。
2.2、外围护结构材料的选择
建筑师的设计构想形成建筑方案设计，效果则由材质来作为体现。外围护结构材料的选择主要为面材与受力构件两个方面。
2.2.1、面板材料的选择
若材料本身为柔性材质，具有良好的可塑性，适合应用于复杂造型的外表皮。一般金属板材，如铝板、不锈钢板、金属屋面板等都属于此类，在异形建筑中较为常见。
相对而言刚性材料不适合应用于异形建筑中。比如天然石材（词条“天然石材”由行业大百科提供），由于自身做出曲面外观的工艺性较差，材质又无法适应较大的弹性变形，为了贴合造型变化不得不将分格设计的非常零碎，在曲面变化较为剧烈的部位难以将分格和效果统一起来。因接缝变多，积灰污染问题也会严重影响外立面效果。
玻璃材料是异形建筑围护结构的常用的透光面材，一方面在于玻璃可通过生产加工完成单曲和双曲的弯弧，另一方面在于玻璃安装时可采用“冷弯（词条“冷弯”由行业大百科提供）工艺”：利用玻璃自身有一定弹性变形能力，在安装时允许玻璃存在翘曲。不在同一平面上的四点玻璃翘曲值一般应小于短边长的1%。除了经验值，我们也能通过力学计算和力学试验的方式来验证设计的安全性。在光谷国际网球中心的双曲面菱形分格点式玻璃幕墙设计中，由于玻璃翘曲值最大达到40mm，我们在结构计算过程中考虑了40mm的初始变形导致的应力，同时通过专用球铰夹具来保证安全性。
2.2.2、受力构件材料选择
铝合金型材（词条“铝合金型材”由行业大百科提供）具有良好的加工性能，而型钢作为龙骨可实现大跨度的结构需求，无论铝合金型材还是型钢，难点主要在表皮曲面法线方向的转动导致的截面扭转，而无需扭转的圆形截面杆件成为龙骨构件的合理备选形式。例如在武汉五环体育中心体育场的横向大跨度起伏飘带的设计中，就采用了钢圆管作为横向钢龙骨，避免了矩形龙骨在弯弧的同时附带截面扭转，优化了工艺。
除了龙骨体系的刚性结构，采用拉索体系的柔性结构也常见于各种锥面、柱面甚至双曲面形体中。由于拉索结构反力较大，需要在建筑设计阶段根据反力大小和构造需求，协同主体结构设计好拉索幕墙的边界条件。
2.3、系统分类与形体分析
在完成建筑方案的整体理解、材料选择工作后，设计流程进入到立面系统方案设计阶段。在本阶段中，依旧是将形体特点作为重点，即通过对外立面的区分和归类，将不同的立面区域采用不同的系统设计方案，进行针对性的设计。
2.3.1、整体考量，寻找规律
在建筑进行整体理解基础上，寻找主体和局部间的规律，看看是否存在轴对称或者中心对称的关系，以便找到可重复借鉴的区域，减少设计的整体工作量。
2.3.2、分类分区，针对设计
在按传统方式进行幕墙系统分类后，需要进一步根据外形变化的方式和程度对各幕墙系统再次分析，得到变化极值范围，不同的区间对应不同的做法。例如光谷国际网球中心的菱形双曲面玻璃的形体分析过程就体现出了不同区域不同方案的思路。
该工程主要立面的幕墙分格采用菱形划分，由于建筑形体类似“皇冠”，因此对于每块幕墙面材实际都是一个左右对称，上夹角略大于下夹角的特殊四边形。为了用四边形平面拟合翘曲，我们进行了绝对翘曲值和相对翘曲值两个阶段的分析。具体到一个节点处的进出构造，足以容纳一定范围的翘曲，再配以实例中已经应用比较多的玻璃“冷弯”安装工艺，在保证完成效果的前提下曲率较为平缓的菱形玻璃可用平板玻璃来实施。通过BIM软件的分析，以横向排烟窗为界，上部彩釉玻璃为热弯区域，下部普通立面为平面玻璃。对需要进行热弯处理玻璃，由分析得出5个不同半径组成的最优半径组合，使优化后的表皮与原始造型最大程度保持一致。
2.3.3、定值分析，简化变量
外围护结构的表皮完成面与主体结构边缘之间存在着一系列层次关系。在层次关系中应尽量减少参数种类和变量，为深化设计降低难度。包括结构边缘线、龙骨表面定位线、表皮完成面、外附装饰构件边缘线等进出偏移尺寸，尽量将其固化为定值。而上述构件之间的调节构造尺寸则可以设计为变量，用来适应立面造型的变化。例如五环体育中心竖向单索玻璃幕墙外挂穿孔板（词条“穿孔板”由行业大百科提供）飘带系统从配合建筑初步方案设计到最终施工图设计，都明晰的设定了定值和变量。
作为该建筑的主要立面形式，竖向单索玻璃幕墙的水平轮廓投影为椭圆形，同时在竖向呈现出84°的外倾角，竖向钢拉索长度跟随檐口造型的起伏在10～15米范围内变化。单索幕墙外分布有三条铝板飘带，三条飘带固定（词条“固定”由行业大百科提供）外倾角为73°，沿椭圆形平面轮廓扫掠同时高度方向起伏成型。以上定位尺寸和角度是在建筑设计阶段确定为定值。
考虑到外露杆件尽量纤细轻巧，飘带铝板采取了四点支撑的固定方式。由拉索转接不锈钢撑杆装置穿过竖向玻璃胶（词条“玻璃胶”由行业大百科提供）缝，在玻璃外端固定住飘带铝板。撑杆的主体为一根螺纹套管，本身能有±80mm的调节量作为初步调节。撑杆前端的齿板齿垫能使铝板在进出方向约有20mm左右的调节量为第二步的精确调节。
以上的定性分区，拟合优化，定值变值关系等一系列的“形体分析”是异形工程所特有的设计过程，没有这些分析结果，后续的节点方案设计中所设置的各种调节构造便没有数据支撑，这也是和常规工程在设计流程上最显著的差别。
2.4、节点方案的设计思路与构造设计方法
在完成了上述“形体分析”后，设计进程来到了具体的节点方案设计阶段，也是整个设计流程的重点所在。由于异形工程本身的特殊性，为了实现“合理、经济、美观”等主要目的，节点设计方案可沿以下思路进行推进：
从艺术创作渐进到工程实施 从陌生到有既往经验可循
从无规无序到定尺定量 从耗费巨资到造价合理
2.4.1、利用材料自身特性
在幕墙的常用材料中，有的本身就是柔性材质，如金属板、胶条等，在工程表面较为平滑，分格间都是细微变化时可加以运用。例如银河SOHO项目檐口曲面铝板，根据横向分格较长的特点，利用铝单板自身为柔性材料的特性，设置同一底座上采用两个转接构件为一组，分别固定住通长的横向靠尺型材和竖向加强筋，采用现场冷弯工艺将铝板找形完成。
又如上海世博轴阳光谷，通过弧形玻璃边框压缩带空腔的胶条产生形变，实现不同三角形玻璃之间的折面角度渐变，不论夹角为正还是为负都能良好适应。
2.4.2、运用各种带调节的构造
在异形幕墙节点设计中，经常采用齿板、合页、环箍、套筒、挂钩挂轴、弧形边框等构造元素融入设计方案中。如银河SOHO项目的檐口铝板，每块檐口正面铝板采用上下两排各7格挂点进行挂装，使用带齿环箍作为安装底座，配合多维调节转接件(该零件可实现上下、前后、左右、旋转等多向调节)适应铝板内倾的渐变夹角。
又如上海东方体育中心运用的套筒转接件和铝板安装挂座。柱腿部位钢龙骨为水平布置，横梁部位钢龙骨为垂直布置，都和铝板加强筋构成横竖交叉，在其交点处布置可调节的转接系统将铝板固定。由于受力点均布于板面，可大大减小固定点的数量，使调节次数和难度降低。套筒转接件便是通过圆套管的旋转调节和进出调节，在走向为随机布置的主体钢结构杆件上，能始终保持幕墙钢龙骨的水平或垂直。
铝板采用室内挂装的方式，通过固定于钢龙骨上的带齿板挂座和固定于加强筋型材上的挂钩进行挂装，挂接系统可实现充分的三维调节。挂钩型材、U形挂座型材和C形滑槽型材可同时适用于柱腿铝板和横梁铝板两种安装节点。
2.4.3、对生产工艺进行优化
在异形工程设计中，“以折代曲，单曲拟合双曲”是经常使用的设计原则。在满足原建筑设计效果的前提下，让加工、施工更高效、更可实现。例如光谷国际网球中心檐口双曲面菱形分格铝板为双曲面铝板，为避免沿板边固定的方式导致龙骨截面扭转，采用了4点固定方式。从屋面网架结构（词条“网架结构”由行业大百科提供）开始，依次布置有檩条→竖向钢龙骨→环向钢龙骨→π型固定件→面板。外层双曲铝板安装为龙骨边框二合一，压块四点固定的方式。“π型转接件”可以在环向龙骨初步定位的基础上进行更精细的进出调整。固定处两块铝板间细微的角度变化，则通过圆头胶条来适应。
对于更普遍的“以折带曲”的设计方法，在此提供一个经验性的几何原则供参考：两弦长夹角保持在175度以上、弦长L控制在半径1/10以内、圆弧拱高h控制在15mm以内。满足以上前提即可通过以折带曲的方式来拟合。
2.5、成果输出
2.5.1、科学合理的材料编号方式
异形建筑的表皮分格往往呈现出逐渐变化的特点，导致龙骨杆件的长度、面板材（词条“板材”由行业大百科提供）料的轮廓尺寸都是“外观看起来相似，数值有细微差别”。设计成果输出的材料编号除了要区别不同的材质、种类、规格，最好能赋予一定的逻辑性，便于理解，能让使用者方便的找到它，安装到正确的部位。例如在上海东方体育中心项目中，就充分利用了形体上存在对称关系来进行材料编号，最后达到的作用就是只需查看编号，工程上所用的16480块铝板就能各得其所，清晰的找到对应的安装部位。
2.5.2、订单与加工图表达借助模型，以准确高效为原则
根据加工的工艺需求选择合适的表达方式，平面图形与参数表单相结合，同时提供杆件和面材的零件加工模型互为校对。目前材料生产厂家大多有较强的深化设计能力，应充分沟通发挥其作用。例如银河SOHO项目的铝板面积约有5万㎡，且均为单一尺寸规格，没有完全相同的两块铝板。通过BIM深化的模型完全还原幕墙方案，模型完成后直接由BIM软件导出铝板模型发往生产厂家，输入数控加工设备进行面材下料和生产。加工图和特征参数表则作为厂家出厂自检和到场验货的依据。
2.5.3、成果文件校对
BIM软件平台设计输出过程高效，但数据量往往十分巨大，不便于检查校对。可采用双线操作，将结果进行比对的方式来提高准确性。例如上海东方体育中心项目综合馆共有8240块各不相同的铝板，软件生成的加工数据巨大，采用两位设计师同时操作输出，导入电子表格软件中用函数批处理进行结果对比查错，有效的保证了数据的准确性。
三、设计要点
在上述介绍设计流程的内容中，已经分阶段对设计要点进行了介绍。在此对异形工程的整体设计组织、结构条件、BIM应用等注意事项做一些补充。
3.1，设计组织特点
与建筑师的沟通反馈、与周边专业的跨专业协调、设计过程的把控、与生产和现场的结合是异形工程设计的主要工作量体现。在方案上以多角度的思考作为基础，充分顾及到建筑效果、规范条文、造价限制、材料特点、生产加工、安装工艺、周边专业、后期维护等与外围护结构整体生命周期相关的方方面面，根据工程的个性特点和技术重难点开展针对性的设计。
3.2，结构设计
非常规的外形往往伴随着非常规的结构。异形工程的结构布置、节点处理都与常规工程有着很大不同，需要根据各个工程的特点来选择合适的结构形式、合理的结构布置。例如光谷国际网球中心的主入口门厅，立面幕墙采用了竖向单索形式，门斗为钢结构门架带室外悬挑雨篷。门架钢结构同时受到雨篷和索结构的影响：雨棚悬臂结构的偏转力、立面玻璃幕墙受风荷载传递到钢架上的水平力、竖向钢索对门架的拉力相互叠加产生影响。
为了减小门架结构和上方圆拱钢梁的反力，采用了类似“张弦梁”的结构形式：在门架和圆拱梁之间增加一根横向钢索并施以较大的预应力，横索与竖索交叉处进行连接，相当于给竖索增加了中间支点，同时横索对圆拱梁存在加强效应，在竖索挠度不变的情况下减小了预拉力。
3.3，BIM技术的贯穿
如前文所述，建筑师在进行建筑方案设计时，平面功能分区和立面效果是分开进行考虑的。异形建筑本身的设计工作是复杂的庞大系统，同时并行多项专业，传统设计手法很难高效协调设计条件，而近年来参数化设计方式的出现，模糊了建筑平面与立面在设计上的空间和时间界限，各专业在统一的BIM模型上开展深化设计工作。BIM的作用主要体现在以下几个大的阶段：
3.3.1，建筑原始模型的特征分析，并按照表皮逻辑完成模型初步深化
通过对逻辑的理解与执行，完成表皮的分格、龙骨杆件的布置与生成、转接件等全部按实际实施情况在数字空间进行实施，以期对后续过程的准确控制。
3.3.2，施工图设计时检验幕墙方案的合理性和可实施性支持节点设计
通过BIM取得节点调节构造需适应的范围值，以此基础完成节点设计。同时对第一步取得的成果文件进行碰撞检查，避免构件干涉。例如武汉光谷国际网球中心门厅单索幕墙。由于受风压（词条“风压”由行业大百科提供）影响变形较大，为了能设计出具有合适调节能力的点式玻璃夹具，我们用BIM模型复现风压变形图，分析在风压最大变形状态下，玻璃面板（词条“玻璃面板”由行业大百科提供）的点式夹具需要具备的角度调节范围。
3.3.3，对深化设计和现场的技术支持
通过对分格定位点坐标进行设定和自动提取，为现场安装空间构件(龙骨，面材，转接件等)提供现场定位。利用实际的构件加工模型，反馈出长度，角度，孔位等加工数据，以加工图结合数据表的形式进行批量输出。
3.4，重视样墙的验证和优化作用
在建筑效果的深化设计完成后，往往会制作实体样墙，利于提前验证设计，尽早暴露问题，优化大面实施。通过样墙验证主要幕墙系统方案，同时对于主体结构可能出现的误差作初步的掌握并提前准备对策，可极大的方便后续大面实施。
结语
随着建筑设计方法、设计概念的革新以及设计工具和施工技术的进步。建筑外立面从单一化、规整化向多元化、复杂化发展。以上内容详细介绍了异形建筑外围护结构的设计流程、思路和方法。通过提前进行形体分析，把握工程的特点和重难点，为系统构造设计提供充分的设计依据;在构造设计和成果输出上考虑生产加工和安装的工艺性，降低施工难度，缩短建设周期;在工作方法上充分运用BIM技术实现设计的贯穿，以达到预期的建筑构想。
作者单位：武汉凌云建筑装饰工程有限公司
