中国魔幻建筑凤之巢的背后克服了哪些技术难关

（一）“莫比乌斯环”卷成的凤之巢：一座完全由曲面围成的建筑

2014年10月，一场时装品牌首秀在尚未投入使用的凤凰中心举行，这也是它的第一次亮相。那既拥有自然结构之美，又内涵东方传统意蕴的莫比乌斯环，在揭开面纱之际惊艳众人，迅速受到各界关注。

这座完全由自由曲面围成的玲珑剔透的建筑，是出自怎样的设计师，来自怎样的创意呢？一切都要回到原点——2008年，凤凰中心选址于北京市内最大的公园朝阳公园西南角，邵伟平带领的中国设计团队中标。邵伟平曾经和诺曼·福斯特一同打造首都机场T3航站楼——那一时期，中国设计师通过和海外明星建筑师合作，不断提升，最终迎来了属于自己的机会。

在设计之初，设计团队就明确了一点——凤凰中心必须是一个圆润的建筑。坐落在北京四环内最大的城市公园，拥有大批的绿地植被和水体，这是凤凰中心得天独厚的优势。但是凤凰中心地块周边的道路却是不规则的多边形，如果设计一座方方正正的房子注定与地块形状冲突，也无法体现圆融汇聚的媒体文化。

于是，经过无数次的方案修改、推倒和重构，经过无数个日夜的修改和完善，凤凰中心的设计最终出炉——莫比乌斯环的外形下包裹着两座独立的多功能建筑，其间穿插著多变的共享空间，环形的建筑围合成的中央广场又是建筑体量的核心。中央广场被巨大而飞舞的钢结构围合，连接着西侧的城市主干路与东侧的朝阳公园湖滨绿地，是一处可向公众开放的公共空间，首次亮相时的品牌发布会便是在这里举行。

在这个设计中，“莫比乌斯环”的构思源自“凤凰”的形象，莫比乌斯环数学模型的最大特点是“有界无边”，消除了传统建筑中的“正交”概念，所有曲线在360°的空间中连续循环，通过一个连续的、不断变化的曲面将高耸的办公楼和低矮的演播楼统一成一个封闭的整体。

走进这座建筑，斜向钢柱形成的韵律在环形坡道映衬下产生了强烈的音乐感。两柱之间的玻璃幕墙设计成渐变的平板玻璃箱体，插接组合准确，层层叠叠，晶莹剔透，而在底层入口处的大门洞立面玻璃箱体转成吊顶。走进其中，周围的幕墙钢构弧线顺坡而下，向中心汇聚。曲面玻璃和墙板界面的顺畅圆滑，板缝的连贯顺直，各种设备口部的整合和控制等等都完美地契合在一起。

幕墙、结构外壳一体化的设计概念，将建筑表皮形式、结构和材料构造进行高度的设计整合。它们的界限在创作中实现融合，表皮既是结构，结构也是装饰，钢构件、铝板、幕墙玻璃被技巧性地塑造成一个流畅的建筑曲面。

（二）万事开头难，先用飞机设计软件画个圈

在“参数化设计”流行的建筑设计界，世界明星建筑师用一件件光怪陆离的作品震颤著公众的眼球。凤凰中心同样是这样一件“参数化”的作品，设计师利用数字技术手段，对场地条件、规划要求、周边环境充分分析，创造出这个复杂的三维形体。

然而，在面对如此“惊艳”的设计造型时，设计师们发现最大的问题是设计的复杂性已经超出了传统建筑软件的能力范围，他们不得不寻找更加精密，而且能够具备复杂建模能力的软件。最终，他们选择了一款飞机设计软件CATIA，用设计流线外形的强大功能来建构“凤凰之巢”的复杂结构。

计算机生形可以帮助设计师将设计意向以代码的形式传递给软件，再由软件转化成设计图形。计算机图形学包括了两个重要的方面，一是几何关系，二是表现效果。在凤凰中心的设计中，由莫比乌斯环的几何关系发展成实实在在的建筑结构关系，需要借助强大的数字技术。

设计师们在设计凤凰中心时开创性地大量运用了三维数字化技术，是国内首次运用三维数字技术进行全面的、大规模建筑实践的案例。该项目利用建筑信息模型以及参数化编程控制技术生成了无法逐一绘制的技术信息，完成了常规技术无法实现的设计成果。

这场数字化的革命，还带动了全新的工作模式——“三维协同”的发展。有赖于BIM技术的运用，在三维协同状态下，建筑师、结构师、机电工程师可以在同一个全信息建筑模型完成设计成果的交流与传递。各类配合问题可以在第一时间被发现，并在直观的状态下完成团队内部的沟通、讨论、决策，及时保证设计成果的高度整合性。

这种工作模式利用多种高精度三维设计软件将所有的可视元素在BIM模型中进行了表达和验证，虚拟化的建筑元件在几何尺寸和形式上具有与真实建筑构件1:1的足尺比例关系，并且包含了建筑材料、重量等非几何信息。

这种方式使凤凰中心实现了真正的虚拟建造，使工程后续的生产、建造与运行工序大大受益，甚至带动了整个建筑产业链的升级和发展。

在凤凰中心南侧办公主楼的建设设计中，设计师面临这样的问题——如何将一个顺滑的“主楼基面”发展为包含多层次建筑构件信息的实体。经过严密的、多层级参数的调控过程，设计方由建筑“基础控制面”推导出“主楼基面”，再由“主楼基面”定义完整的主楼梁、板、柱结构几何控制线，最后以结构几何控制线为基础加入建筑装修几何控制系统。

同时，在设计中有着同样生产逻辑的还有100根弯扭的主、次钢梁，它们的落地状态无一相同，该如何设计？在优化设计中，设计师们首先将支座分为上下两部分，通过统一规则的曲线转直线切变处理，将连接销轴控制成2-3类标准的样式，以便于统一开模铸造，再将这些样式进行组合，最终得到钢构件。

裙房内幕墙初始的控制面由复杂的双曲面构成。为了能在造价允许范围内高质量完成设计控制工作，依靠BIM模型的高精准性，设计师们对原始的双曲面进行了板片优化的数据分析，确定了板片优化的模数设置、板片平面外偏差的消纳规则，最终建立起完整的干挂SRC板材幕墙体系模型，用以直接指导后续的生产加工和安装工作。

（三）天马行空的设计，让所有人捏了一把汗

“梦之桥”，一个凤凰中心中神来之笔的设计，它在将近四层高差的东中庭空间像飘带一样浮在空中，阳光透过鳞片般的透明玻璃投射进来，影影绰绰，流动熙和，一路走去，移步换景，光影在身边变换，恍如梦境。

当“梦之桥”完全自由的曲线设计展现出来的时候，设计师们认为最大的问题在于是否能够设计出轻盈的结构让它真的“飘起来”，他们都为邵伟平捏了一把汗。

“梦之桥”在设计施工中的名称比较low，叫做“环形坡道”。在凤凰中心项目的设计中，全长252米的环形坡道从7米标高爬升到19.6米高的裙房四层。为了实现凌空飞起的视觉效果，工程师设计了上有拉索，下有暗撑的巧妙结构，利用最简单的三角形支撑结构在建筑螺旋状的钢结构立场上寻找着力点。

在爬升过程中，“梦之桥”先后与外壳钢结构、主楼及裙房混凝土结构产生搭接关系，同时还要保证环坡的外型优美流畅。

这种“令人捏了一把汗”的设计贯穿在凤凰中心设计始终。“梦之桥”连接的是演播厅和一个楼顶空间。当大楼设计完成，“楼顶”开阔的地板被连续的莫比乌斯环外壳覆盖。设计师灵光一闪，决定将这里设计成一个完全对外的开放区域，创造全新的交流场所，取名“楼外楼”。

公共空间的打造是对建筑每一处空间的利用，而赋予“楼外楼”苍穹般空间体验的，便是整个建筑最大的挑战之一——钢构幕墙工程。

整个莫比乌斯环的幕墙由4943块完全不同的玻璃组成，悬挂在“没有一条是直的”的钢梁之下。为了表现莫比乌斯环连续扭动的形体特征，设计团队打造出了一套融合结构力学和美学表现力的全新结构体系——双向叠合网格结构。

它在承担自重的同时为两座主体建筑提供了舒适的内部无柱空间。设计将双向叠合钢结构梁通过交叉点的连杆侧向连接，形成主次钢结构梁分离的空间效果，内外钢梁之间的空间被用来安装幕墙系统。这一设计将幕墙、结构外壳一体化，将建筑表皮形式、结构和材料构造进行高度的设计整合，以适应这个流畅圆润的建筑。

幕墙的设计利用外壳主钢梁轨迹将复杂建筑体型的表面划分成等宽和不等宽相间隔的两部分渐开线，等宽部分为有支撑作用的实体幕墙，不等宽部分为透光的折板玻璃幕墙。外壳主次钢梁的分离不仅避免了钢构之间的交接碰撞，而且使原本复杂曲面的弥合问题分解到主钢梁、次钢梁、幕墙单元3个层面解决。

（四）莫比乌斯环钢构件的两大难点是怎么突破的？

对工程师来说， 莫比乌斯环钢构件的加工生产绝对是一个“噩梦”，然而对于加工企业来说，却是“中国建造”一战成名的绝佳机会。

除了门口雨棚的桁架和极少量混凝土结构的支撑杆件外，凤凰中心的其他钢构件全部是弯曲的，有的还甚至是空间弯扭的。在整个钢构的加工生产中，有两个最大的难点：

一是建筑外墙的钢结构主肋，其截面呈梯形，截面尺寸又非常小，高750mm，宽330-500mm，由四块钢板拼接组成空间三维弯扭结构；二是环形坡道“梦之桥”，它的平面是弧形，纵向高低又是弧形，横截面是月牙形，几乎没有一个面是直的。

要实现如此复杂的钢结构曲面，只有采用大型船舶船壁的3D空间造型施工技术。即使如此，大船板毕竟只是一整块连续曲面大板，而凤凰中心最终需要弯扭的板材总长达到了30000多米。

弯扭板材只是完成了第一步，更大的挑战在于如何将这些板材拼接在一起，“精度”和“进度”成为了加工方的双重挑战。以造船技术为基础，加工方制作了“样箱”。

“样箱”其实就是“内胆”，一个梯形截面主肋，去掉板厚，里面是空芯的，他们先用木头做了一个“芯”，这个木头“芯”的外皮，是完全能够贴合主肋钢板的内表皮轮廓的。这样，用这种传统的“木工活”就解决了进度的问题。这样的方式不需要专业操作仪表的工人，非常直观，一目了然。

同时，在拼接钢板的过程中还遇到了另一个问题——焊接变形，特别是在三维构件的焊接中，焊接的顺序、焊接过程中的约束方式都会导致变形程度的变化。使用这种方法，焊缝处的拼接就会非常平顺，缝隙最大1厘米。而此前加工方使用日本设备对两个构件进行拼接时，缝隙大到能踏进去一只脚。