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设计学报·实践 | 金陵金菱艺术馆参数化设计及建造意匠

| 原文刊载于《建筑学报》2025年01期，总第672期

金陵金菱艺术馆参数化设计及建造意匠

​Parametric Design & Construction Concept of Jinling Diamond Art Pavilion

张雷^1，2  雷晓华²  李政²  冯雨珺²

1 上海交通大学设计学院

2 张·雷设计研究azLa

金菱艺术馆位于南京河西南沿平良大街一侧，建筑面积 621m²，前期作为江南玖序住宅的销售中心使用，待住宅完工交付后，承担小区的归家大堂、图书馆、儿童活动及展览活动等功能。建筑基座部分的方形体量和南北两侧高层住宅平行，相同尺度的顶部体量轻轻扭转，使得上部形体与 20°夹角的平良大街近似平行，其立意在于表现上升的气韵 (图 1~5)。

▲ 图1  景观与建筑

▲ 图2  总平面

▲ 图3  一层平面

▲ 图4  二层平面

▲ 图5  东向外景

1 形态与结构

建筑采用钢结构。形体扭转使得贯通空间布置通高竖向构件受到一定限制。为充分表现建筑扭转的空间效果，结构方案通过 4 根通高立柱支撑屋顶钢结构桁架，再由屋顶悬挑桁架吊挂二层及夹层的水平结构构件 (图 6)。结构设计使主体结构在 7 级地震烈度作用下仍保持弹性受力状态。中央圆形钢管柱内灌注自密实混凝土，提高安全冗余度。

▲ 图6  剖面

4 根支撑立柱中的 3 根隐藏于墙体，唯一暴露在外的支撑柱位于扭转空间的核心位置，菱形空间与方形基座的空间丰富性得以展现 (图 7、8)。

▲ 图7  钢结构图示

​▲ 图8  室内空间

2024 年 2 月 8 日，钢结构立柱吊装，一层联系桁架施工，之后安装悬挑桁架，其余桁架采用同样的方法完成，最后吊装背面钢架，随后进行两层楼面混凝土浇注。3 月 13 日，对结构施加预应力，并在后期施工过程中进行同比例应力释放，以保证设计荷载全部作用在设定的钢结构上。在对结构施加预应力的同时，不受钢结构自重悬挑影响的一层区域幕墙龙骨先行施工。预应力单位每隔 3~5 天到现场检查，数值满足设计要求时同步进行应力放张。严苛的工期要求，使得结构施工过程中大量工序交叉，施工单位以设计方提供的三维数字模型为依据，不间断同步更新，保证项目顺利推进。

2 幕墙参数化设计

参数化设计的运用成为后续幕墙设计及现场施工的重要技术保障。利用 Grasshopper(GH) 插件的高效参数化工作流，进行立面效果的多方案快速呈现，经比较研究后确定方向，力求精确控制扭转形体与材料之间的交接关系。后期运用 GH 内化的数理逻辑，辅助实现快速精准的施工控制。

通过可控量化参数的设定，参数化设计极大提高了多路径、多方案比较的工作效率。在确定的方案形体关系上，首先将扭转体量分解成 4 种面的组合——规则平直面、不规则平直面、单曲面和双曲面，并分别为其编写同源殊途的参数化电池组 ：重新拾取不同类型的面，基于面提取线性檩条定位线，再通过线性檩条定位砖的点位，根据不同排布方式对所有檩条线进行数据分组，在 GH 中批量化模拟铺砖效果。

可调节控制参数包括相邻行檩条的间距、同檩条相邻砖的间距、砖尺寸等，从而实现快速视觉化三维铺砖模拟效果，经分析比较后确定砖的类型及排布方式的推进方向。

2.1 排砖方式研究

全顺通缝有统一的方向及韵律，因大量非垂直交接边线导致方向性和边缘齐整性二者不可兼得。全顺错缝类似于花格砖的做法，能够通过调节砖与砖的缝隙尺寸有效收边，但不同面之间交接关系复杂，收边砖缝尺寸类型较多，面与面交接做法难以归类，增加了构造的复杂性及后期施工难度。顺丁组合相较全顺立面肌理丰富，基于一顺两丁的排列，收边交接可采用密拼顺砖守齐，边缘效果规整但会产生收边生硬的问题，曲率突变的双曲面位置因折叠度较大，导致顺丁砖上下层会产生碰撞，从而影响整体韵律感。全丁通缝具有相邻砖间距调节的自由度，整体性强，通透感好，但统一的通缝尺寸在边缘交接处很难实现间距均匀。全丁错缝针对全丁通缝进行优化，增加了立面的丰富性和层次感，通过调节边线附近的缝隙尺寸，解决了面和面交接的收边问题 (图 9)。

▲ 图9  5种砖排布方式及五组电池

方案在研究了砖幕墙的多种可能性后，确定了砖幕墙排砖方式采用全丁错缝，选择 60mm×60mm×180mm 陶砖作为外立面材料，通过上釉及不上釉两种陶砖点阵布局的方式形成退晕变化。

2.2 面和面交接研究

方案形体扭转的造型特点，决定了实施过程中需要处理多种面与面的交接关系。砖的尺寸、排布方式及不同类型面之间交接的几何特性，对面和面之间的交接产生直接影响 (图 10)。

▲图10  10 种面与面交接类型

规整四边形平直面间的 90º 常规交接是最简单的类型，需确保相邻面边缘砖之间对位齐整，产生严丝合缝的秩序感。针对不规则平直面、曲面与平直面的交接，及异型曲面之间相互交接，需确保边缘均匀，尽量不出现三角锯齿状空隙 (图 11)。

▲ 图11 平直面交接 ( 左 ) 与曲面交接 ( 右 )

上下层砖错缝 60mm 的梅花形排布方式，在面和面交接的边缘会不可避免地产生数理矛盾，在曲面上这一问题更为突出，曲面檩条长度有一定差异，曲面卷曲角度及空间扭转幅度差异性较大，无法实现理想化的全丁错缝排布。事实上，全丁错缝在视觉上与均匀满铺差异甚微。经过对异型边平直面、单曲面及双曲面收边排布的模拟，以整体均匀和谐、面和面的交接自然清晰为核心，确定了适应性较强的操作办法。

平直面在两侧边缘最后 10 列左右进行渐进式匀砖，确保每一根檩条边缘的砖均匀守齐。砖缝在平直面临大门和侧门门洞处渐密，保证距门缝 20mm 位置的砖守齐，砖缝渐变最大和最小差值控制在60mm~20mm 之间 (图 12)。平直面主要沿长向檩条排砖，对于倾斜角度过大的三角形或曲线收边的平直面，采用“打补丁”的方式将局部檩条旋转 90º，改变排砖方向，保证收边位置均匀效果 (图 13)。

▲ 图12 门洞边排砖

▲ 图13  通过旋转檩条“打补丁”排砖

针对排砖难度大的双曲面，通过参数化途径最大程度有理化，抓取双曲面檩条线并重构，所有双曲面均由直线檩条拼合，成为“类双曲”单曲面组合。但由平直面过渡到曲面的立面，仍需解决平直面和曲面檩条不平行问题，直线檩条上的砖只能在单一方向调节间距，无法解决角度过大时的收边问题。

2.3 复杂双曲面研究

针对复杂的双曲面，使用 rhino 分析其曲率，确定曲率突变的位置，将双曲面在最合理的位置拆分为两个单曲面，是曲面檩条曲线转直线的行之有效的方法。以西立面为例，将顶边线作为基准线对曲面进行扫略，根据其类似单轨扫略的轨迹，将双曲面拆分为左右两个面。相比运用底边线扫略的拆分位置，顶边线扫略拆分位置更有利于展现立面肌理的完整性，同时檩条间的总体关系相对平行，不会出现大的斜向檩条线，施工便捷 (图 14)。

▲ 图14  西立面双曲面檩条布置

对于北立面，最初的直观感觉是以顶边线方向为基准采用横向檩条排布，然而在双曲面转直线时，生成的规格较多且数量差异大，采用全竖向檩条也出现同样问题。针对其双曲面特性，方案最终通过对相邻面进行微调的方式，将北立面拆分为一个平直面和一个可双轨扫略得出的双曲面。

平直段沿用横向檩条丁砖错缝排布。双曲面从平直段交线起卷曲折叠度较大。设计遵循双曲底层逻辑，通过抽取曲面 U/V 方式提取檩条线，相较于人为干预，nurbs 曲面 ¹⁾ 自身 U/V 基于原生算法优化而成，因而后期弧线檩条转化的直线檩条会更贴合曲面。双曲面上檩条之间的相对距离参考拆分后相邻平直面上的檩条间距，实现均匀的视觉效果控制 (图 15)。

​▲ 图15  北立面双曲面檩条布置

平直面与双曲面相接时，两个面上的檩条方向无法保持一致，给北立面后续排砖的整体均匀性带来挑战。设计通过 GH 得到基于曲面上所有砖相对旋转角度的加权平均数取整，确定了 34º 旋转值。根据曲面檩条方向，砖统一旋转 34º 生成顺应檩条方向的排布方式，达成高效施工及整体效果之间的平衡 (图 16)。

​▲ 图16  砖旋转 34º 排布

2.4 彩釉渐变研究

彩釉面陶砖采用自上向下逐渐增加的渐变排布方式，模拟南京城墙斑驳的时间痕迹。参数设计选择抖动 (Jitter) 电池随机震荡，通过 z 轴高度重新排列数据结构，设定深色釉砖作为“生长量”百分比控制随机选取值，各立面彩釉砖数量约占陶砖总数量 35% 左右，通过震荡程度和随机参数控制效果，分组筛选出上釉砖和浅色非釉面砖有机排列，表现金陵金秋闪烁的梧桐光影 (图 17)。

​▲ 图17  彩釉面渐变研究

2.5 辅助幕墙设计

平直面与曲面上砖的排布简化为直线檩条的排砖，复杂的三维砖立面简化为二维直线排布及布点问题。只需将各个面上的二维檩条立面展开，即可完成幕墙立面单元的预制及拼装。

复杂三维曲面本身从数理角度无法精确转化为平面图形，设计将软件提供的曲面展开图细分为两部分。一是以平面展开图为目标的双曲面外轮廓线，设计通过不断细分曲面，探索软件展开极限，为幕墙设计方提供尽量准确的技术图纸。二是以施工排版图为目标，将空间檩条线定位转换为有详细砖点位的檩条平面排布图纸。每块砖的排布点位相对于檩条的位置信息对后期施工帮助更大，檩条总数量及每根檩条长度信息可以精准地以表格形式提供给幕墙施工单位。通过 GH 抽取檩条长度，拾取空间砖点位并于平面檩条阵列上重新布点，确保砖点位的准确性。两套图纸相互促进，使得施工图纸更加直观，排砖更加准确。

3 陶砖幕墙建造艺匠

13.9 万块定制陶砖作为艺术馆的立面材料，致敬南京现存世界最长都城城垣的深厚文脉。陶砖的颜色参考了现存于南京博物馆的一块模印有“石头”的东晋晚期城砖 (图 18)。

​▲ 图18  陶砖色泽参考东晋城砖

3.1 陶砖安装固定

陶砖幕墙采用两种固定方式，“装配式 U 型卡槽对穿螺栓固定”连接强度高，用于主入口顶部悬挂陶砖曲面，避免陶砖脱落形成的安全隐患；其他立面及屋顶部分采用较为常规的“装配式化学锚栓固定”，表现工匠传统与现代建造技术的融合 (图 19)。陶砖幕墙单元模块为直线型，长度在 1.2m 左右，单元模块为安装在直线型檩条上一横排10~11 块陶砖，每块陶砖的角度均可通过背衬螺栓调节 (图 20)。参数化设计将三维曲面简化为二维直线排布及直线上点的灵活调整，将各个面的单元模块展开，即可进行单元模块的制作及现场放线安装。

▲ 图19  U型卡槽对穿螺栓（上）与化学锚栓详图（下）

▲ 图20  标准单元模块及可调节背衬螺栓

施工排版图成为项目实施精确度的有力保证，设计单位提供的陶砖立面展开图是施工排版图的工作基础。施工排版图将立面拆分成线，也就是檩条的脊线，再根据每一块陶砖跟脊线的关系，反推檩条加工图纸。设计是从面到线、再到点，施工则是反过来，从点到线、再到面。13.9 万块陶砖固定在 4 万根檩条上，为保证檩条安装的准确性，施工排版图分成 10 余个面，每一个面再分成不同区域，每一根檩条在施工排版图上均被准确定位，并根据排版图定人定岗现场加工 (图 21)。

▲ 图21  施工排版图 ( 红色代表釉面陶砖，未填充代表普通陶砖 )

施工单位还将两项陶砖安装方式申请了专利 ：第一种是“装配式U 型卡槽对穿螺栓固定”陶砖吊顶安装系统专利 ；第二种是陶砖上锚栓的固定方式专利。锚栓在和陶砖固定过程中，往往比洞口小，在药剂没有完全凝固时发生移位，无法保证完全垂直，这对陶砖在檩条上固定的平整度有较大影响。通过现场试验，解决办法是将密封橡胶圈套在锚栓上，以保证锚栓和陶砖基本垂直，从现场效果来看这一策略简单有效。

3.2 铝板防水处理

钢结构有一定的冗余量，应力形变可能导致薄弱部位发生渗漏。从实践效果来看，3 层防水能够有效解决这个棘手的问题。陶土砖幕墙结构采用 60mm×120mm×6mm 热镀锌钢方管、50mm×50mm×5mm 热镀锌钢角钢、简支梁。面板材料从内到外为 2.0mm 厚铝单板素板、2.5mm 厚铝单板素板及 3.0mm 厚氟碳喷涂铝单板。

内侧两层铝单板主要作用是固定保温隔热层及防水。为确保倾斜面和三维曲面的防水效果，在最内层铝板外侧和中间层铝板外侧采用两道防水形成双保险。中间层铝板外侧采用热熔型防水材料，内层铝板外侧采用热熔型加自粘型防水材料，最外层铝板外侧采用耐候胶封口，形成 3 道防水，确保项目复杂形体关系条件下的保温及防水可靠性和耐久性 (图 22)。

▲ 图22   层铝板防水剖面详图

2024 年 4 月 5 日，内侧 2.0mm 厚第一层热熔型防水铝板完成，随后进行防水测试，第一道防水卷材在淋水过程中发现有渗漏，通过节点检查将防水问题全部解决。4 月 21 日，第二层铝板和第二道防水安装及测试完成。5 月 7 日，完成西北侧第三层双曲铝板，铝板安装程序为先顶面、后垂直面、最后吊顶。得益于设计和施工的密切配合及共享数字模型平台，整个幕墙施工在两个月时间内顺利完成。

3.3 现场样板

设计和业主方共同选择了 6 处代表性部位在项目现场搭建 1:1 实物模型，验证这一国内首次采用的陶砖幕墙三维曲面及交线的建造复杂性和实施精准度 (图 23)。先以木质样品 1:1 放样确认形态效果，后采用陶砖进行节点放样验证可行性，根据放样过程中出现的问题，进行幕墙施工图纸设计深化和优化。6 个典型部位实体样板模拟了后期施工中碰到的问题，比如交线处陶砖距离较大，现场通过控制脊线找到解决方法。

​▲ 图23  现场打样

顶面砖幕墙因为掉落的安全风险远大于墙面，需进行特别处理。原设计采用锚栓结构幕墙，样板施工时发现陶砖锚栓开孔存在开裂风险。经技术研判将锚栓结构调整为对穿螺栓结构，陶砖在烧制的过程中预先两边开槽，通过对穿螺栓和顶面连接，实体样板完成后在陶砖上吊挂25kg 重沙袋进行耐久性拉拔测试，确保顶面幕墙安全可靠。檩条的安装方式是将檩条卡在底座上。样板施工时发现陶砖自重较重，安装后檩条及陶砖有向下倾斜问题，对陶砖立面精度控制有不利影响。经现场研判实验，通过在 U 型底座外侧和檩条内侧采用锯齿状面的方式，使底座和檩条咬合，有效防止了檩条和陶砖倾斜。

4 结语

设计采用独特的陶砖幕墙系统呼应在地性文脉及传统，通过三维参数化设计与建造的有效协作，融合工匠传统和现代建造技术，解决了一系列施工难题，使得金陵金菱艺术馆这一小而美的作品在极短的建设时间内得到完整精确的呈现 (图 24)。

▲ 图24  通向地下一层的楼梯

设计单位 / 张·雷设计研究azLa

建筑师 / 雷晓华 张雷 李政 冯雨珺

地点 / 江苏南京

设计 / 2023-2024年  /  竣工 / 2024年

业主 / 南京中海地产有限公司

设计团队 / 

翁昕 李雨茜 李亚斌 齐晴 洪思遥 陈艮林 夏煜琛 王东（建筑）； 杜月 颜克乾 朱泳键 车苏婧（室内）；李均 黄凯 高跃进 朱子洋（结构）；姚永生（给排水）；刘彩琴（电气）；谷加雷（暖通）

施工图设计 / 南京金海设计工程有限公司

基地面积 / 474 m²

建筑面积 / 621 m²

结构形式 / 钢结构

注释

1) 曲线曲面的非均匀有理 B 样条曲面，nurbs 是 Non-Uniform Rational B-Spline 的缩写。

参考文献

[1] 张 · 雷新作：13.9 万块陶砖，金陵金菱艺术馆 [EB/OL]. (2024-08-12)[2024-11-18]. https://www.archiposition.com/items/20240808103205.

图片来源

图 1, 5, 8, 24: 侯博文拍摄

其余图片均由张 · 雷设计研究提供​