编织结构自由曲面空间网壳灯光艺术装置冬奥“雪绒星”
冬奥雪绒星
——编织立体雪花的诞生
世界瞩目的北京冬奥会已落下帷幕，冬奥会期间，各国运动健儿不断创造佳绩给世人带来一个又一个惊喜，与此同时科技与艺术的结合也让大家充分感受到了赛事以外冬奥的魅力。其中最令人印象深刻的莫过于开幕式上的“雪花”——一片片写有所有冬奥代表团名字的“小雪花”聚合构建成一片璀璨夺目的“大雪花”。与此同时，也有这样的八片立体雪花闪耀在国家游泳中心南广场，它们拥有一个优美的名字——雪绒星。
2020年清华大学建筑学院黄蔚欣研究室接到任务：在冰立方（即国家游泳中心“水立方”）南广场完成一系列主题雕塑，将科技与艺术结合，为冬奥增光添彩。在北京市科委的支持下，经过团队为期一年的设计与建造，八座编织立体雪花灯光艺术装置在国家游泳中心南广场完美落成。
建成作品视频
冬奥会开幕式直播中的“雪绒星”
以鸟巢和水立方为背景的作品全景
设计方案
雪花、冰晶的典型特征是完美的六轴对称性，其形态千变万化，又都源自六轴对称的基本规则，是秩序与韵律的和谐统一。“雪绒星”系列作品基于雪花的对称美特点，从正二十面体出发，通过“升维”，并抽象、简化，形成了新的编织雪花。这样的立体雪花设计，突破了传统的平面雪花在艺术表现上的局限性，又体现了我们对雪花形态本质——对称美的理解。
完成的“雪绒星”作品由简洁的线元素塑造曲面，在不同角度观看，空间编织的杆件前后叠加在一起，步移景异，引人入胜。作品形成散落在广场上的三个组团，如同空中飞舞的雪花、又似夜晚跌落的流星，自然融入水立方建筑背景，在夜色之中，极致理性的曲线和感性弥散的光塑造出一种梦幻般的绚烂效果。
整体鸟瞰效果
不同尺度雪花生成
精细模型
阳光下的雪花雕塑
建成作品照片
创新的空间曲面建造系统
——编织结构
在技术实现方面，该作品基于黄蔚欣研究室原创提出的一种全新的应对自由曲面空间网壳的数字设计与建造系统——“编织结构”。该系统是由连续弹性杆件交织而成的自由曲面空间网壳，是建筑形态与空间结构一体化的系统，具有结构合理、建造便捷、形态多样、环保节材等的特点。编织结构起源于传统编织工艺和现代数字技术的结合，融合了传统编织的快速成型的优势，利用数字技术发展了编织的拓扑，可满足更广范围的自由曲面形态的建造。通过自主开发的数字算法的支持，能够实现从形态设计、结构验证、到施工建造的全过程参数化。
基础曲面与编织网格
加工数据生成
完成效果
该系统的创新点主要有：
创新点 1：基于网格重建和动态松弛算法的编织式网壳生成技术
针对大尺度自由曲面的建造问题，基于空间网格（mesh）模型，综合运用网格均一化、拉普拉斯平滑、网格边旋转、中点细分等一系列方法，创新性地开发了可以在任意自由曲面上进行网格重建的计算工具，可以便捷的生成均匀、连续、结构性能良好的不同形态的编织式空间网壳。同时，开发了基于动态松弛算法的结构模拟与形态验证工具，能够分析编织式空间网壳的受力和变形，验证其结构合理性。
创新点 2：开发了基于非线性编程和自启发式算法的编织式空间网壳优化技术
首先，提出基于非线性编程的优化算法，对复杂空间网壳结构进行性能化设计：结构性能需求可自然地与目标函数和约束条件建立联系，结合非线性编程和多目标优化，实现了在多重约束条件下的结构性能最优化设计。其次，将自启发式算法成功应用于结构优化。通过控制点调整构件形状，并采用模拟退火算法进行参数优化，可不受初始形状影响，以某一约束条件作为目标函数，基于有限元分析，不断优化参数，最终获取结构形状的全局最优解。
创新点 3：基于三维样条展开和动态工序优化的编织式空间网壳快速绿色建造技术
提出了基于计算机算法的编制杆件展开和建造工序优化的编织式空间网壳快速绿色建造技术。通过对编织式空间网壳模型方案进行三维样条展开和节点标记，将三维空间复杂定位工作简化为沿弹性杆件的一维定位，极大地简化了建造工作。通过动态工序优化和节点设计，项目组确立了一套使用 FRP、PC、竹材等可循环利用材质和标准化节点的构造体系，实现了编织式空间网壳的快速绿色建造。
创新点 4：基于多层杆件协同和传感智能控制的编织式空间网壳性能提升技术
为了进一步增强编织式空间网壳的结构性能与适应性，项目组开发了基于多层杆件协同和复合材料的结构性能提升技术，大幅度提升了编织式空间网壳的结构性能和形态适应性，并应用在冰结构、木结构的建造中。同时，结合传感智能控制和可编程灯光系统，实现了编织式空间网壳与周边环境的实时互动，提升了其视觉表现。
编织结构建造简便，轻巧坚固，造型简洁美观，能够实现各种非线性形态，已有多项建成的装置作品，如上海豫园民俗灯会主题装置、国家博物馆艺术与科学大展、万科松花湖滑雪度假区主题装置、北京燕京里联合办公空间等，在各项目中开展了不同材料和构造方式（如FRP、PC、竹材、复合冰、多层杆件等）、不同场景（室内、室外、悬挂、自支撑等）的应用。原创成果“编织式复杂拓扑空间网壳设计与建造关键技术与应用”获2019住建部华夏建设科技奖一等奖。
技术升级
数控三维滚弯型材编织式网壳
作为一种轻型结构系统，编织结构施工便捷、轻便坚固的特点突出，但对于需要永久性呈现的公共艺术装置而言，要在视觉效果精致美观的基础上，兼顾力学性能与耐候性能，并非一件易事。为此，课题组在原有编织结构弹性构件体系的基础上进一步研发，在雪绒星雕塑中创新地采用了铝型材作为结构主体。利用6061铝型材较好的塑性，对杆件预先进行冷弯加工，从而扩展了原来编织结构全弹性杆件的综合性能。
通过专业的结构计算，确定铝型材的截面尺寸和铝型材型号，并设计雕塑的连接节点，保证了结构的强度。另一方面，所有的连接构件、供电线路、LED灯带、构造节点都隐藏在订制的U形型材截面内，最终展现出极致纯净的雪花，视觉效果极佳。
雕塑细部照片
新研发的铝型材结合LED灯带的构造体系进一步实现了大尺度三维空间形体的建造可能性，也对加工工艺提出了更高的要求。为此，我们使用了三维数控滚弯技术，借助自主开发的grasshopper插件，将空间曲线转化为加工数据输入设备中，完成连续弯曲杆件的定制化加工。
加工数据计算程序的界面与可视化结果
滚弯机调试生产
“雪绒星”作品将声光电现代技术综合应用到公共空间艺术中，高度结合了几何学、计算机图形学和建筑结构等多个领域的知识，具有非常独特的美学价值，是科学与艺术的结晶。作为冬奥系列艺术作品，该设计综合考虑冬奥主题意象、科技冬奥理念和公众活动需求，提升了城市公共文化生活品质。
雪中的“雪绒星”
雪绒星宛若天外飘落的晶莹雪花，凛冽寒风中绽放别样的轻盈优雅，洁白的光芒在冰立方的表面四散出漫天的辉光，让人想起“燕山雪花大如席，片片吹落轩辕台。”的苍茫雪景，亦或是那“星汉灿烂，若出其里。”的辽远夜空。这一方芥子、两三点雪色，亦可生出皑皑风情，共同为观者带去有关素雪飞霰、浩渺时空的意境与无垠想象。
本作品是北京市科学技术委员会资助的科技冬奥项目，由清华大学建筑学院黄蔚欣工作室牵头研发。整个雪花雕塑开创性地将数字设计、新型结构、新型工艺结合在一起，是一次全新的探索。从设计方案深化、结构构造研究，到加工设备开发、加工软件的研发，团队的研究形成了一系列技术成果，有望在灯光艺术、雕塑和建筑领域得到广泛应用。
项目最终的完美呈现离不开各个团队之间的合作：滚弯机器设备由“广东高谱弯曲技术有限公司”开发，“北京法博瑞克工贸有限公司”负责定制的铝型材杆件，“北京敦煌盛世广告有限公司”负责电路施工，“北京尚乘华阳科技有限公司”负责杆件的生产和雕塑安装，“广州广角智能家居科技有限公司”则对数控灯光表演进行了技术支持。在此，一并感谢各个团队的竭力协助，以及每个参与者尽心尽力的付出。
单元加工完成
基础吊装
整体组装
建成效果
历经为期一年的设计与建造，不负众人所期，八颗大小不一、错落有致的雪绒星最终在冬奥开幕式上完美绽放。作为矗立在冰立方南广场的灯光艺术装置，希望能够在冬奥会之后，成为奥林匹克公园夜间景观的亮点，继续为市民的公共文化生活增光添彩。
项目信息
项目名称：编织结构自由曲面空间网壳灯光艺术装置“雪绒星”
（本项目由北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会资助）
项目主持：清华大学建筑学院黄蔚欣研究室
设计团队：黄蔚欣，吴承霖，高雯，丁佩雪，刘翘楚，黄子愚，胡竞元
技术研发：黄蔚欣，吴承霖，胡竞元
结构设计：潘鹏，冯捷讯
技术支持：清华大学建筑设计研究院 房轻舟
动画制作：刘茹枫
铝材加工与安装：北京尚乘华阳科技有限公司 左阳，熊林贵
强弱电安装：北京敦煌盛世广告有限公司 张琢
程控系统：广州广角智能家居科技有限公司 匡林建，肖杰
供稿：吴承霖、胡竞元
作者简介
黄蔚欣
清华大学建筑学院长聘副教授，日本京都大学博士，瑞士苏黎世理工大学(ETH)访问学者。全国高等学校建筑学专业教育指导委员会建筑数字技术教学工作委员会副主任委员，中国建筑学会环境行为学术委员会常务委员兼副秘书长，中国建筑学会计算性设计学术委员会委员，中国建筑学会建筑结构分会委员，中国城市科学研究会大数据专业委员会委员，曾任亚洲计算机辅助建筑设计学会（CAADRIA）委员。
主要研究方向：数字建筑设计，基于结构分析的建筑形态生成，大数据环境行为研究，设计认知，承担和参加多项国家自然科学基金、国家科技支撑项目的研究，发表中、英文论文70余篇。
主持完成了国庆70周年庆典天安门广场“红飘带”工程的全方位参数化设计工作，实现高效的多专业协同、高精度建造；主持国家植物博物馆5万平米曲面屋顶参数化设计；建造完成多个编织结构空间艺术装置作品，包括2020上海豫园新春民俗灯会“鱼旎如意”、国家博物馆展出作品“3D编织中国结”，国家游泳中心冰立方广场“雪绒星”等。
