梦幻建筑师

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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（Jonathon Ward）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（Eric Phillips）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（Steve McConnel）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Tim Leberecht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。”