李飚 唐芃 李鴻漸

東南大學(xué)建筑學(xué)院建筑運(yùn)算與應(yīng)用研究所

東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司建筑運(yùn)算與應(yīng)用聯(lián)合教授工作室

業(yè)主：南京湯山溫泉旅游度假區(qū)管理委員會(huì)

建設(shè)地點(diǎn)：江蘇省南京市江寧區(qū)

建筑設(shè)計(jì)：東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司建筑運(yùn)算與應(yīng)用聯(lián)合教授工作室

聯(lián)合設(shè)計(jì)：南京倍立達(dá)新材料系統(tǒng)工程股份有限公司

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：李飚

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：李飚、唐芃、李鴻漸、郭翰宸、楊波（結(jié)構(gòu)）

建筑面積：293m2（橋面面積）

設(shè)計(jì)時(shí)間：2018

建成時(shí)間：2019

攝影：許昊皓、王笑、唐芃

1 項(xiàng)目概要

南京湯山礦坑公園入口景觀廊橋是連接城市道路與園區(qū)的人行入口，景觀橋北起美泉路，橋身跨越場(chǎng)地既有池塘，指向北側(cè)湖面并與礦坑宕口遙遙相對(duì)。作為園區(qū)游覽路線的起點(diǎn)，廊橋一方面是城市景觀與自然景觀的過(guò)渡載體，引導(dǎo)游人進(jìn)入園區(qū)、跨越通行；另一方面作為景區(qū)入口的標(biāo)識(shí)，需兼顧其引導(dǎo)性和標(biāo)志性，同時(shí)體現(xiàn)出園區(qū)的風(fēng)格定位，形成由喧鬧城市到天然盛景的“過(guò)濾器”。廊橋內(nèi)外空間貫通，其本身也成為公園一景。

橋身設(shè)計(jì)順應(yīng)場(chǎng)地既有現(xiàn)狀，借助自然地形，緩坡向西北方向引入場(chǎng)地。橋面入口處標(biāo)高57.4m，出口處標(biāo)高58.3m，高差約1m，平橋橋面長(zhǎng)52.7m，橋面面積293m2；上蓋部分長(zhǎng)43.2m，平均寬度8.7m，內(nèi)部最低點(diǎn)距橋面3.1m，外部最高點(diǎn)距橋面6.1m。廊橋連廊對(duì)景巧妙地將人流引導(dǎo)向北側(cè)礦坑宕口，出口與園區(qū)內(nèi)景觀道路連通，向東可到達(dá)茶室，向西可通往園區(qū)游客中心。橋體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，廊道上蓋為鋼筋混凝土網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外掛GRC（Glass Fiber Reinforced Concrete，即玻璃纖維增強(qiáng)混凝土，異形曲面建筑常用表皮造型材料）。項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度一組，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。

2 設(shè)計(jì)意象

為體現(xiàn)從城市環(huán)境到礦坑公園的氛圍轉(zhuǎn)換，穿過(guò)廊橋進(jìn)入景區(qū)的設(shè)計(jì)意象在方案設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)確定。這是一條由城市道路跨越水面指向公園湖面的通道，其本身的體量厚重而低矮，仿佛在崖洞中穿行。光線通過(guò)“崖壁”上富有韻律的自由開(kāi)孔引入，在橋面上形成富有節(jié)奏的光影。與這個(gè)空間體驗(yàn)形成鮮明對(duì)比的是走出廊橋后開(kāi)闊明亮的公園美景，而始終引導(dǎo)著人們向前探索的是作為廊橋出口對(duì)景的礦坑特有的景觀。從厚重低矮到豁然開(kāi)朗的空間氣氛轉(zhuǎn)換，在心理上加強(qiáng)了場(chǎng)景切換的儀式感，完成從路途奔波到輕松游園的心理過(guò)渡。這種特殊的進(jìn)入體驗(yàn)也在后續(xù)方案的調(diào)整中一直得以延續(xù)。

最終實(shí)施的方案造型來(lái)源于自然山體和巖洞，并關(guān)注人在廊橋內(nèi)部的感受與周邊環(huán)境的互動(dòng)關(guān)系。為簡(jiǎn)化受力邏輯，使結(jié)構(gòu)體系更加清晰明確，景觀橋分為步行橋面（平橋）及罩住步行橋的上蓋兩個(gè)相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體。上蓋部分采用白色有顆粒感的GRC裝飾混凝土表皮，使廊橋整體顯得粗獷自然，其側(cè)邊緣流暢起伏的曲線與場(chǎng)地中的自然山體和礦坑遙相呼應(yīng)，在堅(jiān)硬質(zhì)感的基礎(chǔ)上使整體效果更加流暢輕盈。褶皺內(nèi)部預(yù)留空間安裝燈帶，在夜色中勾勒出廊橋標(biāo)志性的輪廓曲線。構(gòu)件分縫順應(yīng)曲面形態(tài)均勻分布，表面微微凹陷的三角圖案若隱若現(xiàn)，隨整體形態(tài)收放變化，形成連續(xù)自然的紋理，為橋面空間增添了更多尺度宜人的有趣細(xì)節(jié)。

1 鳥(niǎo)瞰

2 總平面圖

3 建成效果與地形關(guān)系

4 建成前場(chǎng)地環(huán)境（2017年）

5 建成后礦坑宕口的對(duì)景（2019年）

供行人步行的平橋?yàn)槌Ｒ?guī)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面總長(zhǎng)52.7m，其中最窄處橋面寬度為3.6m，最寬處為7m，橋面總面積為293m2。平面形狀順應(yīng)上蓋部分的曲線走勢(shì)，呈迂回曲折的S形，其中S的兩處突出上蓋的部分形成開(kāi)敞的可供游客休憩眺望的觀景平臺(tái)，為游客穿行增加了趣味感。橋面的面層選用混凝土鑲嵌石子的做法，篩選2～5cm粒徑的黑色石子作為材料，在其中鑲嵌了直徑3cm的點(diǎn)狀LED燈，這些點(diǎn)狀燈具與流線形LED燈帶共同組成橋面的照明系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)模擬集群算法，生成了燦若星河的照明效果，在夜晚與橋身的照明共同勾勒出浮于水面的奇幻效果。橋欄桿配合橋的整體形態(tài)采用了模擬生物體骨骼的構(gòu)成邏輯，通過(guò)對(duì)自然生物結(jié)構(gòu)的模擬，欄桿形式隨橋面邊緣曲率不斷變化，形成連續(xù)漸變的有機(jī)形態(tài)。所有欄桿形狀各異，其加工圖紙均由團(tuán)隊(duì)編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)導(dǎo)出，并由激光切割機(jī)等數(shù)控加工設(shè)備精確制造，保證了最終設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確性。欄桿扶手在橋面凸出的休憩平臺(tái)處逐漸放寬，便于游客放松依靠、駐足觀景。

6 橋面燈帶夜間照明效果

7 方案設(shè)計(jì)模型

8 白色帶巖石顆粒效果的GRC面材

9 橋面黑色卵石與點(diǎn)狀LED鋪裝試樣

10 形體控制空間曲線及關(guān)鍵剖面

11 景觀廊橋軸測(cè)分解圖

3 設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

景觀橋的上蓋異形曲面部分采用單層結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼外掛GRC混凝土構(gòu)件做法，也是方案深化設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。上蓋部分整體形態(tài)可分為上、下表面以及側(cè)邊三個(gè)區(qū)域，連續(xù)變化的曲面模糊了豎直和水平方向之間的硬性邊界。側(cè)邊緣層疊的皺褶形態(tài)呈周圈環(huán)繞，并隨整體形態(tài)起伏收放變化——在橋兩端收窄使邊緣更加輕盈，在中部又如散落的絲帶層層擴(kuò)大，將鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼與混凝土基礎(chǔ)的連接處隱藏其中。上蓋復(fù)雜的曲面整體形態(tài)由若干關(guān)鍵剖面所限定，并由三維建模軟件中相應(yīng)的曲面生形函數(shù)計(jì)算生成。設(shè)計(jì)師通過(guò)對(duì)關(guān)鍵截面曲線形狀以及截面位置、角度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體造型的控制。截面中的折線最終形成側(cè)邊區(qū)域的皺褶形態(tài)，通過(guò)硬朗的棱線突出曲線的蜿蜒走勢(shì)。深化后的截面同時(shí)為側(cè)面周圈環(huán)繞的燈帶預(yù)留了安裝空間，使得燈具線路得以隱藏，通過(guò)混凝土表面漫反射形成柔和的燈光效果。

在方案概念設(shè)計(jì)階段形態(tài)意象初具雛形后，經(jīng)過(guò)與團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)工程師的共同探討，最終確定上蓋部分選用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)概念模型確定鋼網(wǎng)殼的基準(zhǔn)三角網(wǎng)格，由團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行驗(yàn)算，并根據(jù)結(jié)果反復(fù)調(diào)整，確定合理的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。GRC曲面混凝土構(gòu)件自身背面預(yù)埋鋼架，并通過(guò)焊接連接桿件及相關(guān)調(diào)節(jié)構(gòu)造與主體結(jié)構(gòu)相連接，因而其表面與主體結(jié)構(gòu)間的距離受自身結(jié)構(gòu)和安裝空間的約束，需控制在一定范圍內(nèi)。在上蓋罩棚曲面造型的深化階段，主要工作就是在確定的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和GRC預(yù)留空間的限制下對(duì)曲面形態(tài)的不斷調(diào)整。

單個(gè)GRC構(gòu)件的外形尺寸受成型效果、制造工藝、曲面曲率、交通運(yùn)輸、綜合造價(jià)等多方因素的制約，經(jīng)過(guò)與加工單位多次討論和試驗(yàn)，此次設(shè)計(jì)中GRC單元構(gòu)件的尺寸被限制在2m×2m范圍內(nèi)，以保證構(gòu)件分縫網(wǎng)格對(duì)應(yīng)于整體的適宜尺度和結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的尺寸，在完成效果和加工建造的便利性之間取得平衡。整體造型的分塊設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目的工作重點(diǎn)之一。常規(guī)做法是通過(guò)間距固定的正交網(wǎng)格對(duì)曲面進(jìn)行劃分，以便保證構(gòu)件單元與主體結(jié)構(gòu)之間的連接網(wǎng)架相對(duì)統(tǒng)一，降低施工難度。然而考慮到施工安裝階段的誤差，單元構(gòu)件之間必須預(yù)留一定寬度的縫隙用于誤差消解。這一操作使得正交體系下的網(wǎng)格分縫常常顯得生硬，影響曲面造型的整體效果。考慮到以上因素，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇以單層鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼的網(wǎng)格尺寸為參照，結(jié)合曲面自身UV曲線對(duì)上下表面進(jìn)行剖分，根據(jù)各構(gòu)件單元自身形狀尺寸以及與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格間連接的合理性，調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)控制參數(shù)。側(cè)邊區(qū)域的單元構(gòu)件則根據(jù)上下表面剖分后曲面邊緣對(duì)應(yīng)的分割點(diǎn)進(jìn)行劃分，并與上下表面邊緣及與之相連的小構(gòu)件合為一體，增加了施工的便利性。最終單元構(gòu)件安裝完成后，通過(guò)白色密封膠填補(bǔ)構(gòu)件間隙，保證了上蓋部分的防水性能。與曲面邏輯一致的分縫線條同時(shí)也為整體造型帶來(lái)了更多裝飾性細(xì)節(jié)，豐富了項(xiàng)目的視覺(jué)感受。

4 非標(biāo)曲面設(shè)計(jì)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

非線形曲面造型建筑因其靈動(dòng)自由的形式特點(diǎn)，常用于對(duì)標(biāo)識(shí)性要求較高的設(shè)計(jì)場(chǎng)景。隨著三維曲面建模軟件的不斷推廣完善以及曲面幕墻技術(shù)的逐步普及，越來(lái)越多的劇場(chǎng)、高鐵站等城市大型公共建筑通過(guò)個(gè)性化的曲面造型塑造其獨(dú)有的地標(biāo)形象，參數(shù)化異形曲面建筑設(shè)計(jì)也成為了建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的高頻熱詞。然而近年來(lái)國(guó)內(nèi)大量涌現(xiàn)的曲面建筑實(shí)例卻出現(xiàn)了建造困難、造價(jià)浪費(fèi)、空間比例尺度失衡等現(xiàn)象。究其根本，在曲面建筑看似自由流動(dòng)的形象背后，需要嚴(yán)格的數(shù)理邏輯把控，其實(shí)現(xiàn)也要依托設(shè)計(jì)師扎實(shí)的形式感、功能性的協(xié)調(diào)能力和對(duì)施工流程的充分了解與嚴(yán)格把控，其建造相較常規(guī)建筑要求苛刻數(shù)倍。通常三維異形曲面在建模平臺(tái)通過(guò)各類(lèi)函數(shù)和參數(shù)集得以精確描述，建筑師通過(guò)選擇函數(shù)和調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)形體的控制，因而必須對(duì)相關(guān)軟件及生形函數(shù)足夠熟悉，才能加以靈活運(yùn)用并服務(wù)于具體的設(shè)計(jì)情境中。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計(jì)則需要同時(shí)考慮，邏輯清晰簡(jiǎn)明的結(jié)構(gòu)配合是項(xiàng)目落地的關(guān)鍵因素。與此同時(shí)，曲面幕墻的加工建造工藝也是形體塑造時(shí)需要重要考慮的限制因素，構(gòu)件尺寸限制、需要預(yù)留的最小安裝空間等具體細(xì)節(jié)需要在方案造型設(shè)計(jì)之初就加以考慮，并以參數(shù)方式寫(xiě)入控制程序。

12 西立面圖

13 西立面建成效果

筆者所在的東南大學(xué)建筑運(yùn)算與應(yīng)用研究所，在建筑生成算法及數(shù)控加工建造方面具有一定的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，主要研究方向是基于“數(shù)字鏈”的設(shè)計(jì)—建造全鏈條方法實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目提供了一次很好的將科研成果向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化的機(jī)會(huì)，從生成設(shè)計(jì)到數(shù)控建造的過(guò)程，通過(guò)設(shè)計(jì)算法生成形體并導(dǎo)出加工數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)械臂、激光切割等數(shù)控加工設(shè)備（CNC設(shè)備）加工并在現(xiàn)場(chǎng)拼裝建造完成。其中CNC設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于依據(jù)數(shù)據(jù)而不是依據(jù)圖紙進(jìn)行加工，因此得到的構(gòu)件尺寸極其精確，但這同時(shí)也要求生成設(shè)計(jì)本身各個(gè)環(huán)節(jié)同樣準(zhǔn)確無(wú)誤?！皵?shù)字鏈”中任意一環(huán)的小錯(cuò)誤都可能直接導(dǎo)致整體項(xiàng)目無(wú)法安裝，因而設(shè)計(jì)師必須對(duì)從生成算法到制造工藝的每一個(gè)細(xì)節(jié)都了如指掌。在最初接到本次任務(wù)時(shí)，團(tuán)隊(duì)感受到了巨大壓力：這種規(guī)模的標(biāo)識(shí)性構(gòu)筑物設(shè)計(jì)對(duì)團(tuán)隊(duì)是首次嘗試，其結(jié)構(gòu)形式、安裝形式都需要專(zhuān)業(yè)配合，工藝細(xì)節(jié)也都需要深入探索，對(duì)我們是機(jī)遇也是一次實(shí)戰(zhàn)演練。

14 建成實(shí)景

15 建成實(shí)景

16 建成實(shí)景

17 建造過(guò)程

5 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目作為連接城市與自然景觀的景觀連廊，也是景區(qū)主要的人行出入口。設(shè)計(jì)追求精確細(xì)致的非線性造型，探索基于數(shù)字技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，力求建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精確配合，既創(chuàng)造出漂浮于水面的外觀效果，又有在洞穴中探險(xiǎn)的內(nèi)部感受。在設(shè)計(jì)中采用了運(yùn)算化設(shè)計(jì)技術(shù)，將設(shè)計(jì)的形態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)浇ㄔ於?，再現(xiàn)到實(shí)際效果中，是一種無(wú)紙化設(shè)計(jì)技術(shù)。基于數(shù)字鏈的算法程序生成了建筑形式，并可以精確調(diào)整形式與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，精確計(jì)算出每一個(gè)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相對(duì)應(yīng)的GRC體塊數(shù)據(jù)，使得非標(biāo)曲面造型可以完美再現(xiàn)，將誤差減少到最小。

基于數(shù)字技術(shù)的生成設(shè)計(jì)—數(shù)控建造的過(guò)程，符合未來(lái)新型建筑工業(yè)化的要求，建筑設(shè)計(jì)及其建造實(shí)現(xiàn)本身也是對(duì)各要素綜合平衡的過(guò)程。對(duì)于追求表現(xiàn)力的非標(biāo)曲面形體，對(duì)設(shè)計(jì)師在三維曲面找形、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練下的比例關(guān)系、對(duì)先進(jìn)加工工藝的了解等方面提出了更高要求。在專(zhuān)業(yè)分工日益細(xì)化、各專(zhuān)業(yè)技術(shù)突飛猛進(jìn)的大趨勢(shì)下，建筑行業(yè)需要依托數(shù)字鏈技術(shù)，使更多設(shè)計(jì)要素與行業(yè)先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生聯(lián)系，展現(xiàn)出更多的可能性。在這樣的背景下，生成設(shè)計(jì)中的算法模塊是可以積累復(fù)用的，在不同設(shè)計(jì)要求下能夠應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景，這也是數(shù)字化設(shè)計(jì)相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一大優(yōu)勢(shì)。

圖片來(lái)源

圖3，15，16為許昊皓攝影；圖6，13為侯博文攝影；圖8，9為唐芃攝影；圖14為王笑攝影；其余均為作者自攝或自繪。