复杂双曲面建筑外表皮设计探析

李燕亮

前言

近年来，在多元化文化元素发展与我国建筑设计水平不断提升的情况下，建筑工程的形式也呈现出高技术和多样性等特点，建筑表皮随着建筑的产生而产生,并作为建筑不可或缺的组成部分与建筑一起发展进步。采用复杂双曲面建筑外表皮设计，在具有非常美观和个性的外观同时，透露着时尚气息和时代精神。

1.工程概况

韶关学院音乐楼坐落于粤北历史文化名城韶关市,占面面积约2482㎡，由3栋建筑单体组成，总建筑面积约9450㎡，主体面积约7150㎡，椭圆形音乐厅面积约1245㎡，弧形面积约1055㎡。此建筑工程背山面水，并且具有张力性钢结构以及流畅性室内的空间，在音乐楼复杂双曲面的外表皮设计中，造型十分大气和新颖。详见图1。

2.复杂双曲面建筑外表皮设计

2.1设计方法

在工程项目的设计中，采用先造型后拟合的方式，由于不能避免出现整体结构的不合理情况，在后期还借助结构补偿方式进行实施。在此工程中，首次通过多目标的自动找形法进行设计，保证表皮形态的特征基础上，对其结构合理性进行同对期优化，来后期的施工和安装等提供良好的条件[1]。在施工工艺中，对适合复杂性双曲面的建筑表皮多种材料和加工方式进行了研究与比较，且于施工现场制造出1:1的等比例不同材质施工的样板，在充分对比工程表皮效果与各幕墙龙骨形式效果的基础上，有效设计出可在车间进行大面积表皮模块锻造的方法，同时结合能够灵活调节的安装节点来对误差进行消除，最后再实施整体的打磨成形。

2.2参数化的设计

2.2.1整体性优化

对此工程整体性外表皮进行优化，主要是借助基因算法来实现的，其中位移加权变量以曲面建模相关控制点为主，同时采用梯度下降的形式，来合理构建模型。通过多目标性来有效求出加权性，从而达成快速收敛目的，并根据外观具体要求来合理设置和控制形体变形范围，这就有效的改变了传统性直角的坐标系点收敛慢以及形态低控制性等缺点。借助极小曲面相关原理，实现复杂性双曲面的有理化，将其高斯曲率控制为0，来实现应变能的降低，这就从结构上有效对扭转进行了减小，防止边界发生变形的情况[2]。

2.2.2合理优化工程表皮分板

在初步进行方案选型的过程中，设计人员应综合考虑分板方案相关无缝排布、错缝排布以及对缝排布等各种排布形式。在进行错缝排布与对缝排布时，设计人员可通过缝隙来有效处理尺寸相对较小的面板表面肌理，此类尺寸相对较小的面板模块为运输与安装方面提供了较大便利，在自由曲面的建筑中也是广泛使用。尽管在整体性优化的过程中，合理生成了对高斯曲率为0的曲面，但从上述几何性实施分析结果来看，此类曲面的可展性并不明显。与此同时，该分缝方案中大量采用了两类不同的面板，并且这两类面板的形态也存在较大差异，这就要求设计人员在进行整体性优化的前提下，还需深入开展自动化优化设计。

2.2.3对表皮分板进行拟合

设计人员在拟合表皮分板的过程中，以面板最大曲率值为基准，通过基因算法来拟合形态相对接近的单曲面，然后利用相应角点与中点误差对其实施有效分类。若存在误差是不超过3mm的，就则允许进行单曲面的拟合，同时这种加工的工艺也是较简单，若超过3mm，双曲面加工的工艺就比较复杂，值的注意的是在进行可展面板拍平中，一般不存在误差，若双曲面板是自板材通过冲压而成形，就会发生一定变形，因此可以借助专业化的软件钣金模块来实施拍平，一定要极可能的和高精度的放样展开进行拟合，再通过多点压形进行成形处理，或把板材通过多点拉形在成形后，再借助面板裁切来进行最终的成形处理，从而保证其成形具有高精度。数字化手段在初始设计应用中，分缝式表皮处理的方式为其制造性能的提升具有重要意义，自模块在生产完成至安装结束，此方法更加适合在大量复杂性双曲面项目中进行使用，而韶关学院音乐楼为了实现整体视觉的流畅性，就使用无缝设计[3]。

2.3表皮材料和工艺的比较与选用

2.3.1表皮材料和工艺的比选要求

在本工程施工设计中，表皮材料和工艺的选择十分重要，其对建筑设计预期目标的实现具有直接影响，因此，在此工程表皮材料的选择中，就在基于建筑表皮的流畅连续性以及接缝少的基础上，对国内市场适用的外表皮诸多类型的材料实施了综合性的分析，并对其各种类型材料的材质以及工艺等进行了比较。在进行表皮材料的选择中，需要其对诸多的设计要求标准进行满足，第一点，要求对材料设计的标准要求进行满足，主要包括表皮材料耐火和耐久以及刚度和强度等。第二点，要符合结构体系相关标准要求，确保表皮材料能有效适应工程钢结构的变化，并满足相关荷载组合作用力的需要。第三点，表皮材料应符合工程施工工艺标准要求，并可进行大规模生产，以充分体现出其简单性与实用性特点，从而避免施工中出现材料提供的延迟。

在分析和研究双曲面外表皮材料及其工艺后，设计人员确定使用的材料有铝板、人造石、玻璃钢和不锈钢板等材料，并以1:1等比例方式，在工程施工现场进行具体制作，同时对此类施工样板外观和材料的耐候性等实施观察和比较。

2.3.2材料的综合分析

对各种表皮的材料方案以及施工工艺实施比较，从材料的性能以及施工的工艺方面来看，铝板以及人造石等材料是能够满足相应的标准要求的，而玻璃钢就会存在耐久性的不足情况；在进行无缝性的双曲面其外表皮的材料选择时，对于不锈钢以及人造石来说都具有不错的效果，而对于有缝性的双曲面其外表皮的材料选择时，人造石以及铝板都能够满足性能需求；从经济性方面比较，不锈钢是最贵的，人造石以及玻璃钢并不是很贵，但铝板设计最优的；可将铝板材料用于缝性表皮方案中，而不锈钢板材料可用于无缝性表皮方案中。

2.4施工工艺

2.4.1表皮结构和安装

在韶关学院音乐楼的复杂性双曲面的外表皮中，其主要应用在站房26个数量双曲面的异型柱中，其东西的立面各有4个，而南北的立面各有9个。以无缝性不锈钢板作为异形柱、轨间柱、顶部四角柱内侧部位的基本材质，其中以双曲面不锈钢板作为大异形柱与轨间柱基本材质，而以平板或单曲板作为四角柱基本材质。在韶关学院音乐楼工程中，幕墙、横梁与立柱是双曲面性幕墙结构支撑体系的主要组成部分，施工人员可将幕墙立柱铰支座与主体钢桁架节点有效连接起来，并牢固焊接在幕墙横梁与立柱部位。同时在横梁与立柱部位进行断点设置的方式，以合理调节伸缩变形情况。音乐楼外表皮是挂装在幕墙横梁部位的，受力种类为环向受力。在大异型柱幕墙表皮施工过程中，施工人员可将钢管拉弯，并焊接成曲面网格状，然后通过锻锤工艺，将不锈钢板覆盖在塑性钢管上锻锤成形，并将二者牢固焊接在一起，同时利用大钢管支撑在其中间及四周部位[4]。

2.4.2表皮表面的工艺处理

锤艺与上漆是该音乐楼表皮表面处理的主要工艺流程。其中，锤艺是利用基于无模成形型的锻锤技术来促使金属材质成型，其主要工艺流程是锤艺师利用钣金、錾以及非标垫铁块等来冷热锤敲相应的金属材质。

韶关学院音乐楼的异形柱造型较为复杂，并且曲度也存在较大差异，若采用机械压弯法进行施工作业，将难以确保其造型尺寸的准确性，并且还会影响到其表面交接部位的流畅性，同时也难以取得理想的曲面效果。所以，施工人员可采用手工锤艺法，并结合以往锤艺胎架成异型曲面单元，从而最终形成精确、流畅的复杂曲面造型。

对于上漆施工，可在工厂车间内通过环氧底漆对整个不锈钢表面单元进行有效处理。如果其中存在不平整的部位，施工人员可利用原子灰来进行找平作业。当单元运送到施工现场后，在对其进行焊接与打磨处理，并利用原子灰再次进行局部找平。同时，施工人员要合理维护柱子，以创建良好的封闭性空间环境，并利用漆环氧与氟碳面漆等对柱子中部进行处理[5]。

3.结语

综上所述，表皮设计是是建筑物外观结构设计的主要内容之一，体现了新时代的建筑思想与文化内涵。在韶关学院音乐楼的复杂性双曲面外表皮的设计中，涉及到了诸多方面的内容，作为一种探索性设计方法，其设计方案的实现也为我国后期这类建筑的设计和施工提供了良好的参考。

参考文献：

[1]俞宏杰.双曲面建筑表皮的设计与研究[D].华东理工大学,2015.00193-00193.

[2]张晓琳.某异型双曲面屋面建筑体系设计初探[J].建材与装饰,2016(51).00037-00037.

[3]王力,杨庭.复杂双曲面建筑外表皮设计实践--以新建某市东站为例[J].华中建筑,2018(9).00097-00098.

[4]常波,梅献忠,魏泷瑞.某市东站站房东西立面异形柱双曲面不锈钢幕墙施工技术[J].施工技术,2017(10).00047-00047.