国家工程｜重解复杂：北京大兴国际机场外围护数字设计

建筑工业化、信息化的升级不断提高着工程复杂度的上限，在释放设计自由度的同时也对工程控制提出了更高的要求。北京大兴国际机场外围护系统的数字实践即是一个不断认识复杂的过程。

建筑师借助参数化工具对复杂逻辑的关联能力，编织数字主控网格，联动各级程序参数，引入智能专项设计，以系统整体效率的提升求解工程的复杂性。

访谈全文刊载于《建筑实践》2019年10月刊

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“复杂”一词，在大型工程中是一个长期处于消极语境下的词汇。复杂性经常导致工程难度的非可控增长，继而引发项目在完成度、周期、成本等方面的潜在风险，故常被认为是一种非理性的设计选择。

北京大兴国际机场作为当代全球范围内的重大枢纽工程，规模空前，系统繁多，是一部覆盖航空和高铁，吞吐海量人流、物流、信息流的超级机器。系统数量与规模的交织叠加使航站楼在客观上已成为一个复杂系统，从工程建设的源头上对“复杂”实现有效控制成为航站楼设计的核心问题。在诸多的工程挑战之中，航站楼外围护系统更因其大跨度的自由曲面造型而成为焦点。

北京大兴国际机场航站楼剖透图

1 起点：直面复杂

2015年初，北京市建筑设计研究院有限公司（BIAD）和中国民航机场建设集团（CACC）作为航站楼设计总承包单位，接手由设计竞赛中标方巴黎机场集团建筑设计公司及其后与扎哈·哈迪德建筑事务所组成的联合体完成的前期工作。深化设计伊始，团队从建筑、结构、机电等多专业同步展开对原方案的评估工作。

投标方案

概念方案

实行方案

联合体交付的前期造型模型，是转存在Rhino格式内的mesh曲面表皮，由近两百万块细分多边形组成，在操作层面上已不具备可调节性，功能上近似于只读文件。团队需要从基础定位的原点开始，在延续原概念方案造型特点的同时，结合各专业评估意见，从头梳理整个航站楼建筑外围护系统的设计逻辑。

技术路线的架构是外围护系统工作的基础，核心在于异形自由曲面造型的工程实现。业内较为成熟的做法为造型几何有理化，即把造型阶段的原始曲面进行拆解，拟合成由可展曲面、二次曲面等类型的单一曲面组合而成的曲面集。这是一种用“简单”去拟合“复杂”，在逆向设计流程中“降维”的技术策略。在分析中我们发现，这一方法难以在获取工程便利与保持造型信息间取得平衡，对于未在生成阶段预设拆解逻辑的概念造型，如试图实现曲面流畅、细节丰富的空间效果，过于琐碎的拆解反而会带来工程复杂度的激增。

团队尝试跳出两难选择，不再局限于单纯的几何分析，转而尝试将整个外围护系统视作一个复杂系统进行整体统筹——增强内部关联，淘汰低效冗余，以系统总体效率的提升来消解复杂性。

从此策略出发，在建立动态关联的全参数化控制系统之前，首先需要回到造型逻辑的生成阶段，在原概念方案中相对独立的各子系统间建立起紧密的逻辑关联。这一过程中，各专业经前期评估提出的诸如优化空间体验、增强抗震性能、降低热工负荷、争取自然采光等诉求成为了造型统筹的目标，由此展开对原方案的大幅调整优化：首先，调转原6根C型柱的开口方向，由向心方向改为离心方向，平衡楼内自然采光与热工负荷的同时使6根C型柱共同组成受力更为合理的拱壳形态，主钢结构网架自C型柱根部起向心交汇，自然编织出中心穹顶，将核心区6片屋面与采光顶拉结起来，在建筑外观与结构体系上均融合为一个整体。

C型柱前后位置对比

航站楼外围护横剖对比

同时，原四层值机大厅中每侧4根立柱替换为1根直落二层行李厅的巨大C型柱，原幕墙处的对位结构柱也分散为空间受力的蜂窝柱，提供更强有力支撑的同时在体量上消隐于次级幕墙结构，使整个核心区内部形成仅依托8根C型柱的大跨空间。一系列多专业整合将航站楼构建为一个深度关联、工程可控的复杂系统打下了结构性基础。

2 主控网格系统

当我们尝试从对复杂性的认识入手，通过增强系统内部关联以求提升系统效率，其结果究竟是消解复杂性还是陷入混沌，关键在于能否实现有效的工程控制。几何控制是外围护系统工程实现的关键手段。团队研发出一套整合屋面、采光顶、幕墙、钢结构等多专业的全参数化几何定位系统，称为“主控网格系统”。主控网格在营造建筑空间体验的同时蕴含结构逻辑，以空间定位主钢结构网架球节点为基础，可实现对外围护系统的层级控制。从可视化角度来看，主钢结构直观反映了主控网格的形态特征。

主孔网格控制下的主钢借口与装饰面板

主控网格系统将异形曲面造型基准面、系统边界划分、构造层次设置等设计信息转译为几何信息，再以数据形式输出。数字设计工具上，我们选择了可与T-spline塑形与Grasshopper编程工具参数联动的Rhinoceros 5.0作为准确描述逻辑关系的软件平台，全参数化编织主控网格。技术工具之上，主控网格系统控制力的强弱取决于其逻辑关联的深度和质量。从对每个子系统的把控，到对美感、力学、材料的逻辑抽象和提取，建筑设计需更深入地发挥其在多专业团队中的统领作用，才能建立关键、高效的参数联系，而非制造冗余。

2.1定义基准曲面

通过定义基准曲面，在主控网格内可限定出各系统内的面域和系统间的边界。基准曲面分两种定义模式与对应系统的材料、曲面特征相适应：其一是精确几何定义，适用于以玻璃为主材料，以二次曲面为基础曲面的采光顶和幕墙系统；其二为自由曲面塑形，适用于以钢、铝等金属材料为主的高阶自由曲面的屋面、大吊顶系统。

2.1.1 精确几何

以中心采光顶的几何定义为例，在Grasshopper中，通过定位基准点与圆弧端点的矢量方向，依次定义出中心球顶圆弧、中段指廊圆弧、末端庭院落地圆弧等三段基准圆弧，其中每两段圆弧间再通过Bi-Arc双圆弧相切衔接。即合计通过7段一阶导数连续的圆弧定义出主采光顶的一条剖面子午线，再沿通过中心基准点的垂直轴线旋转得到回转曲面，经相邻屋面轮廓线投影裁切得到主采光顶的基准面。在此基础上，通过分别调节三段基准圆弧的标高参数与过渡双圆弧的半径比率，我们可进一步定义屋面与大吊顶基准曲面在与主采光顶交接部位的边界。

精确几何定位

2.1.2 自由塑形

精确几何与自由曲面间的关系类似街头艺术表演者手中的金属框和拉起的肥皂膜——前者是稳定的边界，后者则是内部自由变换的曲面。为实现高质量自由曲面塑形，我们引入工业设计中的T-Spline曲面，相较于Rhino原生的Nurbs曲面，其大幅地减少了模型表面控制点的数目，且在Rhino平台中可以无损转化为多个Nurbs曲面组成的高阶连续的多重曲面。在构建T-Spline曲面基准面时，通过对曲面形态的拓扑分析，最少化布置结构线数量，合理布置曲面奇点位置，同时，结构线的位置也与外围护系统中建筑、结构的主要定性约束条件相配合，从而实现有效的调节。

2.1.3 曲面层次

建筑师外围护屋面系统设为5层基准面，从外到内依次为：1号屋面装饰板完成面基准面、2号屋面防水层基准面、3号主钢结构上弦球节点中心点基准面、4号主钢结构下弦球节点中心点基准面、5号吊顶完成面基准面。我们通过T-Spline曲面定义1号和5号基准面，由1号曲面向内偏移得到2号、3号曲面，由5号曲面向内偏移得到4号曲面，不同部位的偏移距离受屋面、吊顶构造做法预留高度的控制。3号面与4号面的z轴间距，即主钢结构上下弦间的结构高度受大跨度空间结构的需求而连续变化。

1号和5号自由曲面基准面

2.2编织数字网格

在编制主控网格工作中，首先需要主动寻找约束条件，将其视为形成秩序与建立关联的必要条件。约束集中于各系统交接位置，如主钢结构与土建混凝土楼层间10根C型柱、12处浮岛顶支撑、12处下卷落地位置的交接，以及幕墙系统间542处幕墙柱等。

分散在航站楼各处的约束条件需要一条线索串联起来。建筑师在对曲面拓扑关系的分析中注意到，曲面结构线分布和重力、电磁等矢量场有一定的形态相似性，如参考电场布置结构，将C型柱视为场域的极点，则网架中的径向杆件类似于电场中的电场线，环向杆件近似于等势线。如此类推在结构逻辑上也有可借鉴之处：电场中极点附近电场线密度增加，钢结构中C型柱处荷载也最集中；电场中沿电场方向电势的降低速度最快，如依此布置结构杆件，相较于正交网格，力的传递路径也会更短、更直接。

外围护C型柱分层图

综上所述，建筑师将定性的受力分析、审美判断与量化的约束条件相结合，共同编织主控网格，以求工程之利、逻辑之美。在主控网格程序中，将网格中的曲线按径向与环向划分，并进一步按约束特征编组：所有径向曲线都从C型柱底部发出，或联通另一根C型柱、或向外寻找对位幕墙柱、或向心汇聚编织出采光顶；环向曲线则与径向曲线相互约束，且均受控于T-Spline基准面上的控制点。

建筑师将其间复杂的逻辑关系在Grasshopper中通过六千余个电池及上百个可调参数建立起来，在计算机程序中完成了主控网格的搭建。在紧迫的设计周期中，主控网格系统的高效性即得到充分展现，任何基准曲面的局部调整、构造距离的变化，都能在全局得到迅速响应，实时更新输出数据。

屋面系统设计电池图

3系统层级深化

主控网格在底层逻辑上实现了航站楼外围护系统的外观、内装、钢结构的关联整合。系统效率的提升直接作用于290,000㎡的异形曲面屋面系统和320,000㎡的大吊顶系统。在构造深化中，檩条层主次龙骨得以紧密依托主钢结构进行整合布置，节省了大量的转换构造；防水层排水分区划分与天沟、虹吸排水系统构造一样在主控网格控制下展开；在层级深化的末梢，我们通过对内外表皮面板重复率、平板率的控制，进而在微观层面消解复杂性。

屋面构造分层图

以屋面表层金属板与内装大吊顶板为例，逐级深化的过程也是数字程序传递和参数联动的过程。Grasshopper程序的顺序接力为：步骤1，主控网格（BIAD）；步骤2，区间划分（BIAD）；步骤3，板缝划分（BIAD）；步骤4，单板下料（加工企业）。其中，步骤1至步骤3为BIAD团队内部层级深化，步骤3至步骤4为加工企业在BIAD程序基础上的进一步开发。在北京大兴国际机场的实践中，我们首次尝试将计算机程序作为图纸，将模型外的设计成果交付，增强了对加工、施工环节的控制力。

3.1屋面装饰板数字设计

航站楼采用双层金属屋面系统，表层蜂窝铝板板受1号基准面的控制，在基准面上开设两级宽缝，位置分别对应其下依主网格布置的天沟系统与径向主网格。宽缝将基准面划分为一块块条形区间，每个区间沿径向方向为长边，环向方向为短边。装饰板沿区间短边方向成行排布，每行内单块装饰板的宽度统一为1,350mm，长度上限3,000mm，相邻板缝间宽度20mm，行与行之间的缝宽一端等分，另一端随区间长边曲率而变化。

这一创新算法的优势在于以“虚”的板缝代替“实”的板块作为变量，化解了装饰面板对异形曲面与区间边界的适应难题，通过统一板块宽度，最大化地利用了成品铝卷规格，有效降低了8.8万块屋面装饰板的加工难度和成本。如同自然界中鸟类的羽翼对不同姿态的适应，板缝角度随曲面边界形态连续变化的效果也形成了自然变换的肌理。如此类比推演，以交付代码控制板块形态，就犹如基因影响生物性状的过程一般。

屋面装饰板设计

3.2大吊顶板数字设计

大吊顶板铝蜂窝板受5号基准面控制，首先由分缝程序将吊顶基准面划分为一条条带状基准面。分缝以主控网格径向线条为基础，从C型柱根部起直至幕墙边缘，并向室外吊顶延伸，缝宽由100mm、100—700mm渐变、700mm几个区间连续变化。在每条基准面内，将两条长边在基准面上的平均线作为中线，在曲面上向两侧偏移排布400mm的宽板块，间隔75mm缝宽以满足排烟需求。在排板程序中，面板的曲率类型依据一边弦高与其边长的比例判定，划分为平板、单曲、双曲三种类型，曲面板集中于C型柱位置。

大吊顶通过单元组框的方式安装，将大量工作转至地面完成。在方案比选中还曾尝试过在单元组框内通过4级固定长度的吊杆控制吊顶板一侧旋转开启，相应的4级开启角度随该面板在曲面上到C柱根部的距离和到侧边的距离共同控制，可进一步降低曲面板比例。该算法的思路是以适当增加构造复杂度来有效降低面板曲率复杂度，经多方权衡最终未被选用，从一个侧面反映出人力成本上涨与数控加工制造普及的双向趋势。

大吊顶两种数字排版 ©️ 郁阳

4专项智能设计

智能设计是数字设计的新阶段，它展现出一种创造“复杂”的能力，是一种可以实现个性化、定制化的设计。建筑师选取了能够充分发挥出这一优势，且可顺畅衔接加工、施工环节的工作内容进行专项智能设计，将人工智能算法引入采光顶遮阳网片设计和C型柱顶部结构划分工作中。遗传算法是使用数学模型模拟生物进化过程中自然选择过程的计算模型，在程序设定的条件与目标下，通过程序迭代计算找到问题的最优解。

为了降低航站楼能耗，建筑师将一层轻薄的遮阳网片置于采光顶玻璃片的中空层中，保障旅客在航站楼内看到蓝天的同时，可以最大限度地遮挡南向的直射光。每个遮阳网片单元形式由4个参数控制，每个参数的不同取值会组合产生上万种形式。计算机以北京全年天球辐射模型为数据基础，通过遗传算法调整遮阳百叶4个参数，从而得到进光量和辐射热量相平衡的均好结果，该设计使得新机场采光顶在透过约60%进光量的同时仅接收约40%的热能。

遗传算法程序

C型柱上方的采光顶是室内空间的视觉焦点。综合视觉与结构需求，建筑师为结构网格划分工作设定了三个目标：（1）边缘整齐；（2）玻璃分板均匀；（3）每根分板曲线方向统一，编织成的整体形成向心张力。为此，我们为主要划分线设置了88个控制点，通过遗传算法程序自动调整各个控制点的相对关系，经过数千个方案的迭代比选，最终得到分板均匀、具有张力的结构网格，这是以往凭人力或常规计算机辅助设计手段所无法达到的。

5结语：重解复杂

当建筑随着数字技术的发展得以更紧密地关联外界环境，也更敏感地回应其内部诉求时，无论是否呈现于外观，“复杂”将成为一种常态。北京大兴国际机场的数字实践即是一个不断认识复杂的过程，建筑师需要掌握复杂度在工程建设全链条中的传递路径，从材料性能、加工工艺、施工技术、设计信息交付传递等方面做出评估判断。目前，设计仍然是消解工程复杂度的首选环节，回到设计的源头，对衡量复杂度的参考系从单一对象到整体系统的认识转变，为实现对复杂工程的控制提供了更广阔的空间，也为判断工程复杂度的合理性，以及发掘设计复杂性的价值建立了评价标准。

除特别标注，本文图片均由北京市建筑设计研究院有限公司提供

新媒体编辑 / Sai，子豪

视觉 / 李贺东方

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