赋形、找形、解形

——临沂启阳国际机场迎送大厅屋顶设计

文 / 高凡 于昊惟 杨俊宸 许松健 武启剑 邢野

临沂机场位于临沂市西南角，距离城市中心仅8km。随着机场临空经济区的建设，城市的发展逐渐向东跨过沂河，机场航站区与城市融为一体。原航站区T1和T2航站楼共约1.76万㎡，新航站楼T3约为10万㎡，负担国内到达出发功能，T1、T2航站楼改为国际航站楼。

“港城一体化”是崔愷院士为临沂机场改扩建工程设计的核心思想。打造城市热点新区是我们在总体规划层面的主要目标：新航站楼指廊延续老航站楼屋顶微微起拱的建筑形态，延绵向北延伸近700m，形成前列式构型；GTC（地面交通中心）综合体在陆侧紧邻城市道路一字展开，总长度约600m，具有停车场、商业、办公、酒店等功能；新指廊、GTC、机场跑道、沭埠岭一路都呈南北向展开，顺应着流经临沂的多条主干河流的方向，在大尺度地域中形成了默契。

▲东侧整体鸟瞰图 ©本土设计研究中心

NO.1

赋形：飘浮的拱顶

赋形是在设计的初始阶段，根据场地、功能、结构、地域文化等因素赋予建筑初步形态。这一阶段的建筑形态模糊而混沌，便于在设计之初不断调整，并最终以一种统一的状态巧妙地回应各种需求。

临沂机场的主楼是港城一体化理念的集中体现，南北长240m，东西长180m，在指廊与GTC之间，将两条平行的体量锚固在一起。临沂机场主楼的体量较为独立，一部分GTC的集散功能划归到了迎送大厅里，一层的北侧和南侧分别布置出租车和大巴车候车区和车道边。

▲出发层主入口 ©高凡

▲从 GTC 看主楼屋顶 ©高凡

为了进一步挖掘空港资源，加强港城融合，我们在整体规划中还设计了从城市到航站楼的步行连桥，城市居民可以便捷地到达迎送大厅。在大厅中的浮岛之上我们设置了小型航空文化展厅，在此可以了解航空知识，观看空港起降的飞机。而乘飞机到达空港进行短暂停留或者转机的旅客也可以通过连桥通往城市，享受城市带来的便捷配套服务。

▲轴测爆炸分析图 ©本土设计研究中心

“集散”中的“集”是一个向心的动态，在建筑类型上拱形穹顶具有很强的向心性，能够发挥材料轴向受力的优势，可以用更薄的结构厚度获得更大的无柱空间，但拱在落地时往往需要强有力的结构体来抵消巨大的侧推力。纯粹的拱顶空间是向心而静止的，交通枢纽建筑的空间需要将汇聚来的人和物有序地疏“散”出去。因此，落地的拱脚被抬起来，空间向外延伸，让视线与行动流线不受阻挡。

四周被掀起的拱壳是一个瞬间不稳定的状态。在同结构师进行了多次讨论之后，我们决定在屋顶的四周采用双层网架，为屋顶向外出挑提供了有利条件的同时，也将网壳的推力消化在周圈双层网架的平面内。整个屋顶形成了单层到双层连续渐变的断面，厚度被隐藏在内部，屋顶成为一个平衡的整体，轻轻放在两排V型柱上，支撑屋顶的柱子可以做的更细，布置也可以更灵活。由此，我们创造了一个飘浮在空中的穹顶，主楼大厅内获得了80m×170m的无柱空间。

▲屋顶概念生成分析图 ©本土设计研究中心

▲航站区剖面图 ©本土设计研究中心

临空经济区主轴线从沂河向东延伸，迎送大厅屋顶飘浮于轴线的尽端。穹顶圆润的形态高高隆起，让人联想起东方升起的朝阳，这与历史上临沂曾名为启阳城的意象不谋而合。因此在方案确定后，由于“启阳”意象的深入人心，临沂机场也由原来的“临沂沭埠岭机场”更名为“临沂启阳国际机场”。功能、结构、文化诉求在此汇聚，临沂启阳国际机场迎送大厅屋顶的概念基本成形。

▲出发车道边 ©高凡

▲航站楼屋檐出挑覆盖整个车道边立交系统 ©高凡

NO.2

找形：重构数理逻辑，探寻操作秩序

在赋形阶段，屋顶的形态、意象得以确定，接下来便是为这个复杂形体重构数理逻辑，探寻操作秩序，使模糊的形体变得理性而自洽。造型不再流于主观的审美，而是回归几何与力学的本源，最终形成一个造型完善、能够容纳多种系统、便于调整修改的拓扑模型。

▲主楼值机大厅 ©高凡

在这一阶段，我们摒弃了先塑造自由曲面，再以网格细分进行拟合的方式，而是采用了一种自下而上、建筑结构一体化的方法：首先建立平面网格，再对其进行量化变形、定义厚度，形成一个兼顾造型、构造与结构的拓扑系统。它不对应某一特定形态，而是通过参数化手段定量调整，不断被优化修改。

建立网格是将高次无理的连续曲面有限化的过程。曲面的细分与空间网架采用了同一套平面三角形网格体系，提供了控制曲面形态的操作点与定位点。60°交叉的三向网格能在三维上更好地贴合并描述曲面，从源头避免曲面板块的出现。

为了使平面网格的变形更加理性，我们采用了力学模拟的方法。理性的形态与高效的结构往往互为依托，物理的法则也往往以最简单而优雅的方式实现最佳的受力效果，达到一种自内而外统一的美。这种美学可以从高迪与弗雷·奥托的建筑和研究中窥见一斑：前者通过“逆吊找形”，探索复杂形体中高效的轴力模型；后者则通过对“自然结构（Natural Constructions）”的 研 究，创 立 了柔 性 结 构 的“自 成 形（Selfformationg）”找形方法。从实物模拟到现如今的计算机仿真模拟，力学找形的边界被不断拓展，其应用场景也超越了传统意义上对于单一的结构最优解的探索，而是建立起一种动态的、自组织的形体生成逻辑。

▲高迪的逆吊找形模型（左），弗雷·奥托的自成形找形研究（右）

在临沂机场主楼屋顶的找形过程中，我们首先限定了网格四条边界的悬垂形态，以及内部沿网格线的弹力。对中央穹顶区域施以竖直向上的力，使穹顶区域在合力的作用下形成反向的悬垂面，对应结构单层网壳区域，并进一步对所有节点施以均匀向下的力，使其悬垂下降至合适的高度。由于网格的张力会使节点在水平方向上发生位移，为使后续深化工作简单易操作，我们限定每个节点只能在z轴方向上位移，保持水平投影网格不变，复杂的三维曲面被解构成2.5维。

▲屋顶力学模拟动态生成过程 ©本土设计研究中心

后续的操作和深化都在这2.5维空间秩序中进行，相比法向变化更简化，也更符合建构逻辑。经过结构工程师对生成的网格面的模拟计算，我们可以得到控制性的结构高度区间。以上述自组织网格作为结构下弦，保证屋顶下方平滑流畅的观感；每个节点按照规则只沿z轴移动一定的距离，形成结构所需的高度，以相同的拓扑关系构建上弦网格。通过相同的方式，仅通过z轴移动留出幕墙构造高度，优化排水坡度，上表面完成面同样运用了张力模拟的办法使其形态更加连续平滑，最终屋顶上下表面得以完成。

▲屋顶檐口大样图 ©本土设计研究中心

这种形体建构的逻辑实现了造型与结构的一体化设计。力学找形所形成的类悬垂形态本身具有结构的合理性，拓扑网格的顶点、边线也能与网架的球节点和杆件一一对应。这种一体化设计是图解静力学在计算机时代的演进，为建筑师提供了宏观的结构控制视角。复杂的受力形式被统一成一种变量，即上下层之间的结构高度。通过分区对结构高度进行调控，建筑师既能有效地控制屋顶形态，也便于将单层网壳、双层网壳、双层网架等概念与屋顶形态的上凸、反弯、下凹以及相应的结构高度区间进行对应。

▲结构体系分区剖面图 ©本土设计研究中心

至此，我们建立了一个参数可控、半自主构型的拓扑网格控制体系。其中，力学模拟的基本形、分区结构高度、屋面构造高度都可以通过参数动态调整，建筑形态的变化可以直接以顶点坐标的形式反馈到结构计算软件中，免去了反复搭建网架计算模型的过程。设计的偏后期，屋顶空侧边界由最初的直线调整为外凸的弧线造型。

正是借助这一网格系统，建筑与结构得以实现快速的成果反馈。在调整的过程中，我们自主编写了针对网架节点的结构及构造高度检测工具，针对单元网格面的排水坡度、室内平均净高分析工具，以及针对整体造型的塔台通视检测工具等，实现可视化的成果检验，辅助找形。

▲屋顶平面网格体系及后期变形调整 ©本土设计研究中心

▲可视化的成果检验，辅助找形 ©本土设计研究中心

▲屋面施工现场照片 ©高凡

NO.3

解形：模型轻量化、图模联动、数据高效传递

建筑设计过程中建筑师的工作除开理论、概念、策略、方法外，还有很大一部分工作是如何描述和传递，其中包括建立可视化模型和图纸的绘制与出图，这部分工作我们称之为“解形”。我们认为这是当代建筑技艺的重要组成部分，设计时间是有限的，在建模、制图与出图工艺上的改进可以为设计师争取更多的时间用于完善设计，这也就意味着建筑设计完成度的提高。

模型轻量化是高效工作的基础，传统的建模方法在当建筑物达到一定规模和复杂程度之后由于现有计算机的算力限制，往往无法得到一个便于查看的整体模型。在临沂机场的设计实践中我们摸索出了一套轻量化的建模方法，通过索引找形阶段中的空间定位点及相对应的逻辑顺序完成迎送大厅屋顶的模型构建，继承了找形阶段的参数信息，这种建模方法正好与Grasshopper中Mesh生形原理匹配，使后续屋顶深化模型具有拓扑结构变化的能力。

同时，不同于Rhino中Nurbs曲面储存了复杂的数学描述信息，Mesh是以最简平面原则去拟合空间曲面，符合Sketchup等建模软件的PolygonMesh-API导入规则，有效提高主楼大厅屋顶模型在不同软件操作平台的可编辑性。同时，由于微观上没有曲面存在，在建造上也提高了效率、降低了成本。

▲结构可视化模型 ©本土设计研究中心

除此之外，我们还组件化地归类模型，进一步减小模型内存占用，实现了模型的轻量化、系统性和联动性。施工图阶段的调整深化可以直接将参数接入模型，实现设计联动，利用实时渲染技术可查看贴近真实的效果以直观的验证设计。该三维模型也可直接交付给其他专业，实现多专业协同设计，提升项目整体设计效率和质量。

虽然如今直接利用三维模型进行深化和施工越来越普遍，但平面图纸依然不可或缺，这其中会有大量重复繁琐的工作。例如，迎送大厅屋顶结构14 012个上下弦杆轴心线定位点坐标标注、屋顶46 140片吊顶板中相同板宽的分类填充处理等，需要在拓扑建模的基础上，搭建参数化的施工图出图流程，实现图纸与模型联动，减少了人为错误影响的同时也降低了修改成本，提升施工图深化阶段的设计效率和准确性，确保设计信息的精准传递。

▲主楼一层到达大厅 ©高凡

NO.4

结语

在机场这类大型复杂项目的设计过程中，赋形、找形、解形三个阶段都扮演着关键的角色，缺一不可。赋形阶段融合多方面因素，为建筑赋予初步的形态和设计方向。找形阶段重构数理逻辑，探寻操作秩序，建筑形体逐渐从模糊变得理性、自洽可调整。解形建立了一套图模联动的程序，将抽象几何逻辑转化为可视化模型和可交付图纸。在有限的时间内设计信息传递的流畅程度和反馈速度决定了设计最终的完整性和准确性。

临沂机场迎送大厅屋顶的建造是顺利的，在经历了“赋形、找形、解形”之后，施工单位进行了最后一步“完形”。2023年2月19日屋顶第一部分完成提升，2023年3月21日屋顶的第二部分也缓缓升起完成合拢。至此，临沂启阳国际机场新航站楼迎送大厅屋顶轻轻地飘浮在了航站区上空。

▲主楼一层到达大厅 ©高凡

项目信息

项目名称：临沂启阳机场航站楼改扩建及附属工程（航站楼子项）

业主：山东省机场管理集团临沂国际机场有限公司

建设地点：山东省临沂市

建筑设计：中国建筑设计研究院有限公司本土设计研究中心

方案团队：崔愷、邢野、喻弢、高凡、于昊惟、曾瑞、曹洋

项目负责人（航站楼部分）：崔愷、何咏梅、邢野、郭正同

施工图团队（航站楼部分）：高凡、吴洁妮、卢勇、杨俊宸、于昊惟、刘虎、郝雨（建筑）；李可溯、滕林（总图）；王载、叶垚、许松健、陈婷婷、武启剑、王喆（结构）；朱跃云、张庆康、高来泉、李斌、禚泽华、李皓（给排水）；尹奎超、张凡（暖通）；马霄鹏、张雅维、邵子尧、邢健健、成鹏、王昀（强电）；陈玲玲、唐艺、李胜杰（弱电）

总建筑面积：100 579m2

设计时间：2019—2021

摄影：高凡