全文刊載於《建築實踐》2019年10月刊
建築工業化、資訊化的升級不斷提高著工程複雜度的上限，在釋放設計自由度的同時也對工程控制提出了更高的要求。北京大興國際機場外殼系統的數位實踐即是一個不斷認識複雜的過程。
建築師藉著參數化工具對複雜邏輯的關聯能力，編織數位主控網格，聯動各級程式參數，引入智能專項設計，以系統整體效率的提升求解工程的複雜性。
「複雜」一詞，在大型工程中是一個長期處於消極語境下的詞彙。複雜性經常導致工程難度的非可控增長，繼而引發作品在完成度、週期、成本等方面的潛在風險，故常被認為是一種非理性的設計選擇。
北京大興國際機場作為當代全球範圍內的重大樞紐工程，規模空前，系統繁多，是一部覆蓋航空和高鐵，吞吐海量人流、物流、資訊流的超級機器。系統數量與規模的交織疊加使航站大樓在客觀上已成為一個複雜系統，從工程建設的源頭上對「複雜」實現有效控制成為航站大樓設計的核心問題。在諸多的工程挑戰之中，航站大樓外殼系統更因其大跨度的自由曲面造型而成為焦點。
1 起點：直面複雜
2015年初，北京市建築設計研究院有限公司（BIAD）和中國民航機場建設集團（CACC）作為航站大樓設計總承包單位，接手由設計競圖得標方巴黎機場集團建築設計公司及其後與扎哈‧哈迪德建築師事務所組成的聯合體完成的前期工作。強化設計伊始，團隊從建築、結構、機電等多專業同步展開對原提案的評估工作。
概念提案
聯合體交付的前期造型模型，是轉存在Rhino格式內的mesh曲面表皮，由近兩百萬塊細分多邊形組成，在操作層面上已不具備可調節性，機能上近似於只讀文件。團隊需要從基礎定位的原點開始，在延續原概念提案造型特點的同時，結合各專業評估意見，從頭梳理整個航站大樓建築外殼系統的設計邏輯。
技術路線的架構是外殼系統工作的基礎，核心在於異形自由曲面造型的工程實現。業內較為成熟的做法為造型幾何有理化，即把造型階段的原始曲面進行拆解，擬合成由可展曲面、二次曲面等類型的單一曲面組合而成的曲面集。這是一種用「簡單」去擬合「複雜」，在逆向設計流程中「降維」的技術策略。在分析中設計團隊發現，此一方法難以在獲取工程便利與保持造型資訊間取得平衡，對於未在生成階段預設拆解邏輯的概念造型，如試圖實現曲面流暢、細部豐富的空間效果，過於瑣碎的拆解反而會帶來工程複雜度的激增。
團隊嘗試跳出兩難選擇，不再侷限於單純的幾何分析，轉而嘗試將整個外殼系統視作一個複雜系統進行整體統籌——增強內部關聯，淘汰低效冗餘，以系統總體效率的提升來消解複雜性。
從此策略出發，在建立動態關聯的全參數化控制系統之前，首先需要回到造型邏輯的生成階段，在原概念提案中相對獨立的各子系統間建立起緊密的邏輯關聯。此一過程中，各專業經前期評估提出的諸如優化空間體驗、增強抗震性能、降低熱工負荷、爭取自然採光等訴求成為了造型統籌的目標，由此展開對原提案的大幅調整優化：首先，調轉原6根C型柱的開口方向，由向心方向改為離心方向，平衡樓內自然採光與熱工負荷的同時使6根C型柱共同組成受力更為合理的拱殼形態，主鋼結構網架自C型柱根部起向心交匯，自然編織出中心穹頂，將核心區6片屋面與採光頂拉結起來，在建築外觀與結構體繫上均融合為一個整體。
同時，原四層值機大廳中每側4根立柱替換為1根直落二層行李廳的巨大C型柱，原帷幕牆處的對位結構柱也分散為空間受力的蜂窩柱，提供更強有力支撐的同時在量體上消隱於次級帷幕牆結構，使整個核心區內部形成僅依託8根C型柱的大跨空間。一系列多專業整合將航站大樓構建為一個深度關聯、工程可控的複雜系統打下了結構性基礎。
2 主控網格系統
當設計團隊嘗試從對複雜性的認識入手，藉由增強系統內部關聯以求提升系統效率，其結果究竟是消解複雜性還是陷入混沌，關鍵在於能否實現有效的工程控制。幾何控制是外殼系統工程實現的關鍵手段。團隊研發出一套整合屋面、採光頂、帷幕牆、鋼結構等多專業的全參數化幾何定位系統，稱為「主控網格系統」。主控網格在營造建築空間體驗的同時蘊含結構邏輯，以空間定位主鋼結構網架球節點為基礎，可實現對外殼系統的層級控制。從可視化角度來看，主鋼結構直觀反映了主控網格的形態特色。
主控網格系統將異形曲面造型基準面、系統邊界劃分、構造層次設置等設計資訊轉譯為幾何資訊，再以數據形式輸出。數位設計工具上，設計團隊選擇了可與T-spline塑形與Grasshopper編程工具參數聯動的Rhinoceros 5.0作為準確描述邏輯關係的軟體平台，全參數化編織主控網格。技術工具之上，主控網格系統控制力的強弱取決於其邏輯關聯的深度和品質。從對每個子系統的把控，到對美感、力學、材料的邏輯抽象和提取，建築設計需更深入地發揮其在多專業團隊中的統領作用，才能建立關鍵、有效率的參數聯繫，而非製造冗餘。
2.1定義基準曲面
藉由定義基準曲面，在主控網格內可限定出各系統內的面域和系統間的邊界。基準曲面分兩種定義模式與對應系統的材料、曲面特色相適應：其一是精確幾何定義，適用於以玻璃為主材料，以二次曲面為基礎曲面的採光頂和帷幕牆系統；其二為自由曲面塑形，適用於以鋼、鋁等金屬材料為主的高階自由曲面的屋面、大吊頂系統。
2.1.1 精確幾何
以中心採光頂的幾何定義為例，在Grasshopper中，藉由定位基準點與圓弧端點的向量方向，依次定義出中心球頂圓弧、中段指廊圓弧、末端庭院落地圓弧等三段基準圓弧，其中每兩段圓弧間再藉由Bi-Arc雙圓弧相切銜接。即合計藉由7段一階導數連續的圓弧定義出主採光頂的一條剖面子午線，再沿藉由中心基準點的垂直軸線旋轉得到回轉曲面，經相鄰屋面輪廓線投影裁切得到主採光頂的基準面。在此基礎上，藉由分別調節三段基準圓弧的標高參數與過渡雙圓弧的半徑比率，設計團隊可進一步定義屋面與大吊頂基準曲面在與主採光頂交接部位的邊界。
2.1.2 自由塑形
精確幾何與自由曲面間的關係類似街頭藝術表演者手中的金屬框和拉起的肥皂膜——前者是穩定的邊界，後者則是內部自由變換的曲面。為實現高品質自由曲面塑形，設計團隊引入工業設計中的T-Spline曲面，相較於Rhino原生的Nurbs曲面，其大幅地減少了模型表面控制點的數目，且在Rhino平台中可以無損轉化為多個Nurbs曲面組成的高階連續的多重曲面。在構建T-Spline曲面基準面時，藉由對曲面形態的拓撲分析，最少化佈置結構線數量，合理佈置曲面奇點位置，同時，結構線的位置也與外殼系統中建築、結構的主要定性約束條件相配合，進而實現有效的調節。
2.1.3 曲面層次
建築師外殼屋面系統設為5層基準面，從外到內依次為：1號屋面裝飾板完成面基準面、2號屋面防水層基準面、3號主鋼結構上弦球節點中心點基準面、4號主鋼結構下弦球節點中心點基準面、5號吊頂完成面基準面。設計團隊藉由T-Spline曲面定義1號和5號基準面，由1號曲面向內偏移得到2號、3號曲面，由5號曲面向內偏移得到4號曲面，不同部位的偏移距離受屋面、吊頂構造做法預留高度的控制。3號面與4號面的z軸間距，即主鋼結構上下弦間的結構高度受大跨度空間結構的需求而連續變化。
1號和5號自由曲面基準面
2.2編織數位網格
在編制主控網格工作中，首先需要主動尋找約束條件，將其視為形成秩序與建立關聯的必要條件。約束集中於各系統交接位置，如主鋼結構與土建混凝土樓層間10根C型柱、12處浮島頂支撐、12處下卷落地位置的交接，以及帷幕牆系統間542處帷幕牆柱等。
分散在航站大樓各處的約束條件需要一條線索串聯起來。建築師在對曲面拓撲關係的分析中注意到，曲面結構線分佈和重力、電磁等向量場有一定的形態相似性，如參考電場佈置結構，將C型柱視為場域的極點，則網架中的徑向桿件類似於電場中的電場線，環向桿件近似於等勢線。如此類推在結構邏輯上也有可借鑑之處：電場中極點附近電場線密度增加，鋼結構中C型柱處荷載也最集中；電場中沿電場方向電勢的降低速度最快，如依此佈置結構桿件，相較於正交網格，力的傳遞路徑也會更短、更直接。
外殼C型柱分層圖
綜上所述，建築師將定性的受力分析、審美判斷與量化的約束條件相結合，共同編織主控網格，以求工程之利、邏輯之美。在主控網格程式中，將網格中的曲線按徑向與環向劃分，並進一步按約束特色編組：所有徑向曲線都從C型柱底部發出，或聯通另一根C型柱、或向外尋找對位帷幕牆柱、或向心匯聚編織出採光頂；環向曲線則與徑向曲線相互約束，且均受控於T-Spline基準面上的控制點。
建築師將其間複雜的邏輯關係在Grasshopper中藉由六千餘個電池及上百個可調參數建立起來，在電腦程式中完成了主控網格的搭建。在緊迫的設計週期中，主控網格系統的有效率性即得到充分展現，任何基準曲面的局部調整、構造距離的變化，都能在全局得到迅速響應，實時更新輸出數據。
屋面系統設計電池圖
3系統層級強化
主控網格在底層邏輯上實現了航站大樓外殼系統的外觀、內裝、鋼結構的關聯整合。系統效率的提升直接作用於290,000㎡的異形曲面屋面系統和320,000㎡的大吊頂系統。在構造強化中，檁條層主次龍骨得以緊密依託主鋼結構進行整合佈置，節省了大量的轉換構造；防水層排水分區劃分與天溝、虹吸排水系統構造一樣在主控網格控制下展開；在層級強化的末梢，設計團隊藉由對內外表皮面板重複率、平板率的控制，進而在微觀層面消解複雜性。
屋面構造分層圖
以屋面表層金屬板與內裝大吊頂板為例，逐級強化的過程也是數位程式傳遞和參數聯動的過程。Grasshopper程式的順序接力為：步驟1，主控網格（BIAD）；步驟2，區間劃分（BIAD）；步驟3，板縫劃分（BIAD）；步驟4，單板下料（加工企業）。其中，步驟1至步驟3為BIAD團隊內部層級強化，步驟3至步驟4為加工企業在BIAD程式基礎上的進一步開發。在北京大興國際機場的實踐中，設計團隊首次嘗試將電腦程式作為圖紙，將模型外的設計成果交付，增強了對加工、施工環節的控制力。
3.1屋面裝飾板數位設計
航站大樓採用雙層金屬屋面系統，表層蜂窩鋁板板受1號基準面的控制，在基準面上開設兩級寬縫，位置分別對應其下依主網格佈置的天溝系統與徑向主網格。寬縫將基准面劃分為一塊塊條形區間，每個區間沿徑向方向為長邊，環向方向為短邊。裝飾板沿區間短邊方向成行排布，每行內單塊裝飾板的寬度統一為1,350mm，長度上限3,000mm，相鄰板縫間寬度20mm，行與行之間的縫寬一端等分，另一端隨區間長邊曲率而變化。
此一創新演算法的優勢在於以「虛」的板縫代替「實」的板塊作為變量，化解了裝飾面板對異形曲面與區間邊界的適應難題，藉由統一板塊寬度，最大化地利用了成品鋁卷規格，有效降低了8.8萬塊屋面裝飾板的加工難度和成本。如同自然界中鳥類的羽翼對不同姿態的適應，板縫角度隨曲面邊界形態連續變化的效果也形成了自然變換的肌理。如此類比推演，以交付代碼控制板塊形態，就猶如基因影響生物性狀的過程一般。
3.2大吊頂板數位設計
大吊頂板鋁蜂窩板受5號基準面控制，首先由分縫程式將吊頂基準面劃分為一條條帶狀基準面。分縫以主控網格徑向線條為基礎，從C型柱根部起直至帷幕牆邊緣，並向室外吊頂延伸，縫寬由100mm、100—700mm漸變、700mm幾個區間連續變化。在每條基準面內，將兩條長邊在基準面上的平均線作為中線，在曲面上向兩側偏移排布400mm的寬板塊，間隔75mm縫寬以滿足排煙需求。在排板程式中，面板的曲率類型依據一邊弦高與其邊長的比例判定，劃分為平板、單曲、雙曲三種類型，曲面板集中於C型柱位置。
大吊頂藉由單元組框的方式安裝，將大量工作轉至地面完成。在提案比選中還曾嘗試過在單元組框內藉由4級固定長度的吊桿控制吊頂板一側旋轉開啟，相應的4級開啟角度隨該面板在曲面上到C柱根部的距離和到側邊的距離共同控制，可進一步降低曲面板比例。該演算法的思路是以適當增加構造複雜度來有效降低面板曲率複雜度，經多方權衡最終未被選用，從一個側面反映出人力成本上漲與數控加工製造普及的雙向趨勢。
專項智能設計
智能設計是數位設計的新階段，它展現出一種創造「複雜」的能力，是一種可以實現個性化、定製化的設計。建築師選取了能夠充分發揮出此一優勢，且可順暢銜接加工、施工環節的工作內容進行專項智能設計，將人工智能演算法引入採光頂遮陽網片設計和C型柱頂部結構劃分工作中。遺傳演算法是使用數學模型模擬生物進化過程中自然選擇過程的計算模型，在程式設定的條件與目標下，藉由程式疊代計算找到問題的最佳解。
為了降低航站大樓能耗，建築師將一層輕薄的遮陽網片置於採光頂玻璃片的中空層中，保障旅客在航站大樓內看到藍天的同時，可以最大限度地遮擋南向的直射光。每個遮陽網片單元形式由4個參數控制，每個參數的不同取值會組合產生上萬種形式。電腦以北京全年天球輻射模型為數據基礎，藉由遺傳演算法調整遮陽格柵4個參數，進而得到進光量和輻射熱量相平衡的均好結果，該設計使得新機場採光頂在透過約60%進光量的同時僅接收約40%的熱能。
C型柱上方的採光頂是室內空間的視覺焦點。綜合視覺與結構需求，建築師為結構網格劃分工作設定了三個目標：（1）邊緣整齊；（2）玻璃分板均勻；（3）每根分板曲線方向統一，編織成的整體形成向心張力。為此，設計團隊為主要劃分線設置了88個控制點，藉由遺傳演算法程式自動調整各個控制點的相對關係，經過數千個提案的疊代比選，最終得到分板均勻、具有張力的結構網格，這是以往憑人力或常規電腦輔助設計手段所無法達到的。
結語：重構複雜
當建築隨著數位技術的發展得以更緊密地關聯外界環境，也更敏感地回應其內部訴求時，無論是否呈現於外觀，「複雜」將成為一種常態。北京大興國際機場的數位實踐即是一個不斷認識複雜的過程，建築師需要掌握複雜度在工程建設全鏈條中的傳遞路徑，從材料性能、加工工藝、施工技術、設計資訊交付傳遞等方面做出評估判斷。目前，設計仍然是消解工程複雜度的首選環節，回到設計的源頭，對衡量複雜度的參考系從單一對象到整體系統的認識轉變，為實現對複雜工程的控制提供了更廣闊的空間，也為判斷工程複雜度的合理性，以及發掘設計複雜性的價值建立了評價標準。