梦幻建筑师

告别故纸堆,顶尖建筑高手开始用电脑设计虚拟的真实世界

这一幕建筑师工作的场景酷似电影《钢铁侠3》的画面—无数激光设计蓝图定格于空中,电影主角小罗伯特·唐尼帅气地用各种姿势与手势,变换着机器人的设计方案.远在美国西雅图的NBBJ建筑师事务所办公室里,NBBJ全球合伙人乔纳森·沃德（JonathonWard）正在扮演着现实世界里的小罗伯特·唐尼.

沃德使用一种名为草蜢（Grasshopper）的计算机辅助系统赋予虚拟世界真实的物理学定律,甚至连太阳的光芒与轻风的微抚亦在其计算中.沃德只需轻点鼠标,就能改变体育场任何一根梁柱的粗细、长短,甚至令其消失.沃德,这位一方世界的神,还能化身为虚拟体育场中的一名普通观众,考察其观赛视野是否足够完美.如果遇到被前面的观众挡住了视线?没关系,身为虚拟世界里的神,只要一挥手,其就能让体育场的设计改变.

数据控

一座尽可能多的保证良好观赛视野的体育场,意味着什么?答案是：能卖出更多的高价门票,并且提升观赛体验.这正是沃德对中国杭州奥体中心的设计良方.从观众视野入手通过人体工程学收集大数据在计算机模拟后,形成最利于观众视野的体育场内部结构,这种混凝土结构在体育场馆设计中被称为碗（Bowl）,其承载着所有观众、座位、通道的运算.

计算机也许无法模拟出每一次观众的活动,但大数定理在人群中永远有效.草蜢凭借从全球各处采集到的人类活动数据,在被导入计算机模型后,通过分析观众进出场习惯、人群聚集习惯,沃德不断修正碗的造型.

当然,在传统体育场的设计之中,碗的内部设计与构成体育场外部钢结构设计并无太大关联,正是这一点造成外部钢材的极大浪费.计算机辅助设计成为建筑师们为业主节省资源的利器.“当业主方问我们,‘你们能为这座体育场带来什么特别之处’,我们就想到节约大量钢材是个很好的方案.”沃德告诉《环球企业家》.

中国杭州奥体中心与北京鸟巢体育场体量相当,同样拥有八万个座位,但用钢量仅为鸟巢三分之一.鸟巢总计花费11万吨钢材,而杭州奥体中心在NBBJ计算机设计规划下,省下超过7万吨优质钢材,足以装满1240个火车车皮.这是一个未来的建筑世界,却早已诞生于实际建筑设计之中,乔纳森说：“在这个世界,一切都由数据驱动.”

建筑设计业早就不是埋头图纸堆的工作,真正的顶尖建筑高手用电脑设计虚拟的真实世界.

草蜢系统是BIM（建筑信息模型）系统软件犀牛的一种插件,其中含有大量事先编制的运算器,能够自动根据输入参数生成形体.数以万计的二维构件图纸进入这个系统,互相勾连形成模型.

任何改变都会自动生成整个建筑结构的改变,新建筑方案会自动生成.但真正做到这一点并不容易.

直到2002年,BIM系统才真正出现,NBBJ正是BIM系统的早期开发者与最早使用者之一,对BIM的运用已超过10年.这为其带来了在BIM领域无可匹敌的经验与创意,最终才形成类似电影《钢铁侠3》的设计场景.

草蜢系统与传统设计方式最大不同在于,输入碗的形状后,系统自动生成支撑碗所需的结构受力点,这些受力点构建出外部钢结构形状,而内部结构的每个改变都能直接与外部结构联动,设计速度便大幅增加,这使NBBJ比其他竞争对手更快地拿出了初步方案,在竞标中获得优势.

在计算机辅助系统使用设计之前,建筑师们用的是泡沫塑料、纸盒木板.创意的产生和测试都需要数周甚至数月时间,这还不包括反复的修改、调试.而现在,整座体育馆从基座、碗、钢结构到屋顶,全部被转化为数据云,在屏幕上显示出体育场的造型.

但别以为,它只是一幅漂亮的三维效果图.通过建筑信息模型（BIM）系统,设计方案的内部属性亦最大幅度模拟真实.NBBJ上海办事处项目负责总监艾瑞克·菲利普斯（EricPhillips）告诉《环球企业家》：“如果以前我们只能模拟一个瓶子的造型,现在我们就能模拟它如何使用,怎样盛水、倒水.”

以“鸟巢”为基准,沃德最初设定的钢材使用量是其一半.但经由在BIM系统上的细微调整,杭州奥体中心的设计潜力仍被继续大幅挖掘.

设计师只需用鼠标移动滑块,就能调节数万块制件中任何一块的大小、长短、粗细,甚至拿走几根支柱.而与NBBJ共同设计杭州奥体中心的中建国际工程师们,则在自己的系统上测试经过调整、缩减的结构,以确认其安全性和牢固程度.数据模型通过网络在双方之间来回往复.“整个夏天,几乎每天都在往复修改.我们和工程师们分别测试模型的可视化部分和结构稳定性,最终达到平衡.”沃德回忆.

5个月后,体育场的设计方案终于确定.听来很漫长?但如果不依靠计算机辅助设计,这样频繁的修改要花上几年时间.这些修改将体育场的钢材使用量压低到极致—与鸟巢相比,减少65%的钢材使用量.“这符合可持续发展的理念,节约下来的钢材可以做很多事,还节约了大量用于炼钢、运输、吊装的人力.”沃德表示.

通过这套系统,设计师们获得的神力还包括“先知先觉”.中建国际BIM主管张学斌介绍,利用体育场的电脑模型,他们在体育场建成之前,就完成了观众席声压级差分布、温度环境、风环境等测试.

虽然已经拥有66年的历史,但NBBJ对高科技的喜好却始终走在尖端.利用BIM系统可以为业主有效节省建材、资金与工期.2008年完工的美国圣约翰普罗维登斯公园医院就是一个例子.工程设计、建设期间正逢“卡特里娜”飓风肆虐美国,亦令包括钢、玻璃在内的建材紧缺.通过BIM系统,NBBJ在设计医院外墙时,与外墙建筑承包商CGI从设计早期就共同描绘出外墙结构的设计图纸,以便预制.由于BIM系统的存在,所有外墙所需使用的玻璃窗、铝窗框、隔音绵、幕墙都可以在车间中精确预制,这使建筑在成本与工期上都大大缩短—整个外墙的花费减少了20%,工期亦提前了8个星期.另一门建筑业的大生意,也在全球崛起.对正在蓬勃发展的企业而言,一座新总部无疑是最能彰显形象的图腾.NBBJ在中国的客户中包括了腾讯、支付宝、苏宁等正在崛起的互联网巨头,他们都将自己的新总部交给NBBJ设计.

最大挑战

NBBJ对技术的运用很容易抓住这些大企业的心,其中一大因素即是NBBJ通过先进的设计技术,使建筑更加节能、环保,节省运营开支.在西雅图北侧,NBBJ为比尔及梅琳达·盖茨基金会设计的总部形如两只相对的回旋镖.

通过对新技术的运用,这一园区仅可饮用水消耗量一项就能节约79%之多.NBBJ管理合伙人史蒂夫·麦康奈尔（SteveMcConnel）介绍,“建筑占据全球33%的能源消耗.如果算上建筑内的设施、系统消耗的能源,这个数字则是67%.”而通过计算机辅助设计,建筑师们能够设计出“一次投入,终身受益”的被动式环保设施.

腾讯新总部大楼坐落在深圳,这座年平均气温23摄氏度的低纬度城市,建筑面积27万多平方米大楼所需的空调及照明费用不菲.NBBJ计划使腾讯新总部能耗比中国绿色建筑最高标准三星级,再提升30%的节能效率,整座大楼设计耗电量总计节省约12%.

这一数字十分具有吸引力.以建筑面积29万平方米的上海金茂大厦为例,年均电费超过4000万元,节约12%意味一年省下480万元人民币.

为此,NBBJ设计团队研究了深圳的气候、日照方向及日照时间,并将这些参数与建筑区位、朝向结合.“在深圳,建筑的南侧是夏天阳光照射最久的方位,我们就设计‘自我遮罩’外墙结构.”“自我遮罩”听起来十分简单：大楼玻璃幕墙以两层楼为单位向外倾斜,与顶端的不透明挡板构成一个角度.当夏天正午太阳最毒辣时,日光被不透明挡板挡在建筑之外,减少透入楼内的热量,从而降低空调费用；而清晨、黄昏时,阳光则可以自由透入建筑,节约照明费用.

但每天的日照时间、方向都有微妙不同,1度倾斜差异便带来不同的遮罩效果.决定自遮罩系统倾斜程度亦变得十分困难.此时,便轮到计算机登场.通过BIM系统,沃德只需滑动滑块调整遮罩的斜率,系统就能自动显示大楼的耗电量.同样的技术还应用于NBBJ对位于南京苏宁睿城设计中,在建筑动工前,风向、温度、日照等数据就输入模型,对建筑热量的预估可精确到每处立面.

NBBJ首席营销官TimLeberecht告诉《环球企业家》：“当一切都可由数据驱动时,所有设计师都会使用相同的数据池.这意味着,大家设计出的建筑虽然都是最有效率的,但却会一模一样.在建筑界,最好的设计并不一定是最有效率的设计.将效率、功能和美感、艺术性结合起来,才是建筑师的最大挑战.”