非線性的當下建筑空間形態(tài)設(shè)計研究

朱村輝

摘要：非線性科學競破了牛頓線性理論的復雜性科學，非線性空間并非是無規(guī)律的線性空間，它是一種連續(xù)流動狀的形體。非線性建筑空間設(shè)計受到拓撲學、褶子思想、模糊理論、混沌學、非標準數(shù)學分析等學科的啟發(fā)。非線性建筑顛覆了歐幾里得幾何學和近代主義建筑學的舊俗，展開了一個動態(tài)的時間與空間共存的流動世界。

關(guān)鍵詞：非線性；空間形態(tài)；拓撲學；建筑空間

一、線性與非線性的概述

線性是相對非線性而言的，是一對互為矛盾的概念；非線性是對線性的否定，線性是非線性的典型特例，但是在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。對于二者區(qū)別從四個角度進行闡述，才能比較完整的理解它們相互關(guān)系。首先，從數(shù)學理論方面分析，線性是指量與量之間按照比例呈一次函數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)出來的軌跡是直線；非線性不按照比例關(guān)系也不呈一次函數(shù)，其表現(xiàn)出來的軌跡是曲線。其次，從物理學方面分析，線性在物理變量間的位移軌跡是呈勻速直線的，變量間的變化率也是恒量規(guī)律；非線性的物理變量是不規(guī)則的、自由的曲線、動態(tài)的流體空間。再次，從建筑學方面分析，線性空間是歐幾里得幾何空間的“疊加”與“重復”；非線性空間是當下前衛(wèi)建筑空間的“續(xù)異性”和“突變性”。

二、非線性在建筑空間的目的和意義

非線性建筑產(chǎn)生于上個世紀60年代，是復雜性現(xiàn)象學科與建筑學科初探的碰撞。許多建筑師對非線性沒有概念，感覺是一種虛無縹緲的非線性形態(tài)建筑，因此，非線性形態(tài)建筑為出發(fā)點的建筑空間設(shè)計的例子幾乎是鳳毛麟角。由于受到拓撲學、褶子思想、分形學、模糊理論、非標準數(shù)學分析、混沌學等學科的影響；同時受到德勒茲“去中心學說”哲學思想的影響。非線性建筑形態(tài)的鵲起打破了經(jīng)典現(xiàn)代主義均值空間，改變了建筑師在創(chuàng)作過程中單一的設(shè)計理念，創(chuàng)造了具有時代感、前衛(wèi)建筑空間設(shè)計風格。

當今，信息技術(shù)、經(jīng)濟、科學技術(shù)等諸多領(lǐng)域的迅速崛起，為非線性建筑空間的發(fā)展創(chuàng)造了一個新的世界觀，為建筑師的探索提供的更高的平臺。但是，非線性與建筑設(shè)計畢竟是邊緣性、復雜性和綜合性的學科，難免會帶來許多問題。為了解決諸多問題，因此，需要對建筑系統(tǒng)演化過程本質(zhì)認知和揣摩需要有更深度的探究。如何更好的解決非線性在當下建筑空間形態(tài)中運用研究等相關(guān)問題？所以需要對相關(guān)哲學理論、幾何學、物理學、環(huán)境生態(tài)學、建筑結(jié)構(gòu)學等學科體系進行深入的研究。并且結(jié)合自身典型案例進行實踐，理性和客觀地為非線性建筑空間形態(tài)設(shè)計做出一套正確的方法和策略；提供具有實際意義的理論引領(lǐng)和指導；對清晰的了解當下前衛(wèi)建筑形態(tài)知識，掌握建筑的主流設(shè)計有著主要的意義。

三、研究的方法

（一）文獻參考與案例剖析法

文獻參考法是根據(jù)研究目的，展開調(diào)研和閱讀大量的文獻獲取相關(guān)數(shù)據(jù)資料，從而正確地、全面地對論點進行論證的一種研究方法。本文主要是通過讀取非線性學科、邊緣性學科和復雜性學科相關(guān)文獻資料，把非線性和建筑空間形態(tài)相結(jié)合做出本質(zhì)性和系統(tǒng)化、深層次的理論研究。通過案例剖析對當代建筑形態(tài)在結(jié)構(gòu)、藝術(shù)效果、材料分析進行更客觀的認識非線性在建筑空間形態(tài)的表現(xiàn)。

（二）歸納總結(jié)法

歸納總結(jié)法也是本文研究主要方法之一。由于非線性現(xiàn)象本身就具有特殊性和復雜性的特征，所以在研究過程中需要具有高度的歸納總結(jié)。非線性建筑空間這種復雜性和特殊性導致了在不同時期不同地點所表現(xiàn)的復雜性程度是不一樣的，所以必須要對該類進行階段性的歸納梳理。這樣才能把建筑空間系統(tǒng)內(nèi)部特性關(guān)系進行明晰的歸類認識，有了清晰的認識才能對非線性在建筑空間研究做出客觀性的評價。

（三）跨學科研究法

跨學科研究法，也稱“交叉研究法”。運用物理學、幾何學、拓撲學、混沌學等學科的理論、方法和成果從整體上對非線性在建筑空間進行綜合研究?？茖W運動規(guī)律表明，學科與學科之間存在著即分化又綜合的辯證關(guān)系。

四、非線性建筑設(shè)計發(fā)展階段

數(shù)字化技術(shù)在建筑空間的運用，為非線性的扭曲面、不確定性、多變性等諸多難以處理的問題都得到了解決。非線性建筑發(fā)展大致分為三個階段：1非線性建筑設(shè)計在沒有計算機輔助之前。建筑師在繪圖上面都是采用手繪和手工模型，在建造過程中建筑師需要到現(xiàn)場監(jiān)工，而且工期時間很長，預算成本出入較大。因此，非線性建筑在當時建造的數(shù)量極少。2.探索階段。計算機輔助設(shè)計的創(chuàng)始者是弗蘭克·蓋里（FrankOwenGehry），在他的作品中大量的運用流線性曲面，對于施工方面有著極大的難度，面對這樣的困局，冥思苦想終于探索出利用高新科技與藝術(shù)相結(jié)合的道路，將飛機設(shè)計軟件CATIA運用于建筑設(shè)計模型制作中，強大的曲面建模和數(shù)控技術(shù)讓弗蘭克·蓋里為建筑設(shè)計開啟了新的篇章。3.全面應(yīng)用階段。計算機軟件技術(shù)運算強大，不僅對非線性形態(tài)的形體進行生成，而且在形態(tài)建造上有很強的制造技術(shù)。參數(shù)化編程設(shè)計技術(shù)、圖像的分析和數(shù)控技術(shù)，使建筑形態(tài)變得更加線性化，多樣化，復雜化。例如北京銀河SOHO的設(shè)計，整個建造形體都是使用流線型曲面，得益于NURBS造型技術(shù)，在修改曲面形狀只需要調(diào)整參數(shù)來控制造型設(shè)計效果。

五、非線性建筑空間形態(tài)設(shè)計的探索途徑

非線性理論對建筑空間形態(tài)設(shè)計影響是多方面，有弗蘭克·蓋里、艾森曼、哈德林等為代表的解構(gòu)主義。無論是物化了的建筑空間形式還是與復雜多變概念上的建筑空間形式，它都與幾何學、混沌學、新型材料學、環(huán)境生態(tài)學、分形理論、建筑結(jié)構(gòu)學等學科領(lǐng)域有著重要的內(nèi)在關(guān)系。

（一）前沿學科研究角度探索

由于科技的進步，建筑事業(yè)得到發(fā)展甚快，各種形式、各種風格相繼涌出，非線性建筑形態(tài)發(fā)展也變得更加奇異，歸根結(jié)底離不開幾何學（Geometry）、拓撲學（Topology）、混沌學（Chaos）對建筑的影響。幾何學是研究空間關(guān)系的數(shù)學分支，是研究拓撲空間在拓撲變換下的不變性和不變量，也是當前全球建筑學范疇探討最多之一的前沿數(shù)學運用。根據(jù)幾何學的基本原理，物體適當縮放尺寸它的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)不會因此改變。許多建筑師通過這原理與建筑設(shè)計相結(jié)合，隨之產(chǎn)生出歐幾里得幾何學的非線性建筑形態(tài)設(shè)計。拓撲學為建筑行業(yè)提出了具有邏輯性的空間思維方式。拓撲性的不變量和不變性質(zhì)是建筑學空間邏輯變化的基本方式，它的本質(zhì)是不討論兩個圖形是否全等性質(zhì)，但討論拓撲等價性質(zhì)。比如：圓與橢圓、正方形與三角形、直線與曲線從拓撲學角度分析它們是等價圖形?；煦鐚W，是研究混沌運動的一門新型學科?？茖W表明，它是由確定性內(nèi)因獲得隨機性的運動狀態(tài)，不受外因隨機性的影響。它具有突變性、分維性、標度性、普適性的特征?；煦鐚W對建筑的影響還有另一方面，混沌學家常說：“混沌是打扮成無序的有序”，因此，它是一種復雜的高級有序?；煦鐚W從復雜中發(fā)現(xiàn)簡單，又從簡單中找到復雜?；煦鐚W理論研究給當下設(shè)計師對空間形態(tài)研究得到主要啟發(fā)。

（二）建筑結(jié)構(gòu)角度探索

從力學的角度看，建筑的結(jié)構(gòu)是支撐整個建筑物承受荷載的作用，它遵守牛頓的力學原理。在牛頓理解，直線受力比曲線受力簡練是符合科學原理的。但是在非線性學家看來，曲線結(jié)構(gòu)才是正確的、柔美的。正是由于非線性學家的這些思想，創(chuàng)造出大量的非線性建筑結(jié)構(gòu)，如英國女建筑師扎哈·哈迪德設(shè)計的長沙市梅溪湖國際文化藝術(shù)中心。

（三）美學角度探索

通過對建筑審美系統(tǒng)的分析，理解為建筑審美是建立在建筑美學價值基礎(chǔ)上的，而建筑美學價值又體現(xiàn)在對非線性建筑形態(tài)的表現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

1.建筑美學對建筑空間形態(tài)的科學性因為建筑的最主要功能是使用價值，所以要滿足科學性的范疇。建筑本身就是一門藝術(shù)，區(qū)別與其它的藝術(shù)門類，就是因為它具有科學屬性。建筑同樣具有與其它藝術(shù)的“通性”，那就是有與其它藝術(shù)共同具有的審美屬性。如沃爾夫·狄·普瑞克斯（WolfD. Prix）設(shè)計的寶馬世界，運用高科技與建筑美學相結(jié)合，以扭曲的鋼架構(gòu)造展現(xiàn)形態(tài)美，詮釋了寶馬品牌的飛機螺旋槳品牌形象。

2.建筑美學對建筑空間形態(tài)的多元性由于文化、氣候、生活方式以及審美的差異，造成了建筑空間形態(tài)設(shè)計的多元性。不同的角度對建筑形態(tài)的審美價值有不同的看法，審美價值多元性使得建筑審美沒有一個評判的標準。不過各界人士根據(jù)自己對建筑的審美標準找到對應(yīng)的滿足。

六、非線性下建筑空間形態(tài)的表達

（一）非線性下建筑空間形態(tài)的表達手法

1.無序與有序的手法

非線性對建筑空間形態(tài)需要辯證的看待。在分析建筑形態(tài)表達的時候首先就是對空間“無序設(shè)計的有序設(shè)計”，從邏輯學角度說無序是不可能達到真正意義上的審美效果的。因此，實際上非線性的建筑空間形態(tài)設(shè)計體現(xiàn)出來的應(yīng)該是無序中有序的平衡。這種無序中有序的空間表達是當代建筑空間形態(tài)設(shè)計中以一種母題式出現(xiàn)的，恰恰利用這特殊的表達形式增強了建筑形態(tài)藝術(shù)效果。例如北京鳥巢，在設(shè)計中將無序的內(nèi)涵在空間秩序的有序中表現(xiàn)出來?？臻g形態(tài)設(shè)計的革新與哲學相關(guān)聯(lián)，這種設(shè)計突破了赤裸裸的有序邏輯，取而代之的是無序空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)有序空間，這種雙重的空間表現(xiàn)讓非線性空間得到一種可以識別的有序的詮釋方法。

2.平滑混合與柔和的手法。

平滑混合和柔和是曲線結(jié)構(gòu)對優(yōu)化建筑形態(tài)設(shè)計的一種表達形式。運用拓撲平滑塑造空間，各異質(zhì)要素之間與空間界面相互融合，消解了空間與空間之間的界面。這一理論來自于德勒茲的哲學思想，提出的“光滑空間”，它是一種自由的、無拘束的，無等級邊界的空間思想。例如，扎哈主持修建的阿利耶夫文化中心（HeydarAliyevCentre），它是一個綜合性建筑，包括有博物館、圖書館、會議中心等。扎哈的靈感來自于伊斯蘭本地的歷史文化與藝術(shù)花紋相結(jié)合，設(shè)計出一種非線性建筑，與有機曲面形成內(nèi)部平滑的整體空間，外部高聳平滑與柔和的大曲面形態(tài)，完全消解了“墻面”“地面”“頂面”，模糊了建筑空間的維度。

3.變形的手法

在這里的“變形”與我們?nèi)粘Ｉ钏斫獾淖冃胃拍钍遣煌?，日常所理解的變形概念是指從一種形狀變成另一種形狀，類似于從長方體變成圓柱體或是圓錐體的概念。這變形的結(jié)果雖然與本文所論述的變形一樣，但是變形的原理和過程迥然不同，本文設(shè)計涉及到的“變形”，是指一種哲學思想，是一種德勒茲理論中的變形，也是觀念上抽象的變形概念。變形的建筑空間結(jié)構(gòu)形成的非線性是當代前衛(wèi)建筑設(shè)計師追求的設(shè)計主題之一。變形建筑空間在力的作用下直接發(fā)生了幾何關(guān)系和物理關(guān)系，增加了新的表象特征；如橫面、縱面、側(cè)面彎曲變形和扭曲變形之間的相互耦合，導出了空間的大轉(zhuǎn)變彈性變形。一些建筑師運用“變形”的手法，改變原有傳統(tǒng)的歐幾里德幾何“方盒子”建筑形態(tài)，抹去了建筑原型鋒利的菱角，使整個建筑形態(tài)有圓滑的弧線和柔化的邊沿，使“頂”、“地”和“墻”形成了無縫隙的完美建筑形態(tài)。體塊與體塊之間把內(nèi)部的中庭空間與外界空間相連接相互融合，這樣的設(shè)計其實是將內(nèi)空間與外部環(huán)境結(jié)合成一個有機整機。例如，對莫比烏斯環(huán)進行拓撲變形，形成立體的阿拉伯數(shù)字“8”，形成一個扭曲的起伏的線性空間。利用這個原理運用到建筑空間設(shè)計中，這樣塑造出一個多維的流動、連續(xù)、無限的空間，莫比烏斯環(huán)的魔性在于它是無盡循環(huán)的路線，假如一只螞蟻沿著面走，永遠也走不到盡頭。

（二）非線性下建筑空間形態(tài)的表現(xiàn)形式

1.流動曲面

非線性建筑形態(tài)從造型上看給人一種強烈的動勢，它與雙曲線，拋物線，自由曲線，螺旋曲線密不可分。在建筑中自由曲面建構(gòu)，打破了傳統(tǒng)的方盒子建筑模式，建筑空間呈現(xiàn)一種更為豐富多樣的形態(tài)。如SOHO建筑形態(tài)，整個建筑群采用流動曲線包裹，完全體現(xiàn)出非線性建筑空間形態(tài)流動曲面。銀川美術(shù)館以流動的褶皺肌理曲面還原千年地貌的變化，流暢、優(yōu)雅的曲面實現(xiàn)建筑空間形態(tài)有機的、自然的、非線性的大自然面貌，展現(xiàn)出非線性的藝術(shù)魅力。

2.折疊融合

“折疊”實際上是一種整體空間發(fā)生了“不可思議”的形態(tài)變化，表達形式也有著獨特性。通過“折疊”的手段在空間上出現(xiàn)了一種奇特的折疊觀感，讓人感到對“折疊”構(gòu)造產(chǎn)生好奇，打破了現(xiàn)代主義建筑的絕對水平與垂直。在內(nèi)部形態(tài)與外部形態(tài)之間不再是獨立的出現(xiàn)，而是相互融合，相互折疊混為一體。在“折疊”融合的作用下重力對于體量似乎也被消解，空間與空間之間的隔閡也被消化了；例如瑞士盧米諾別墅設(shè)計利用自由折疊方式“六面體定式”實現(xiàn)了折疊結(jié)構(gòu)感和空間感的建筑空間形態(tài)。如同畢加索的繪畫一樣，將建筑的基本形體碎化成互相連接的塊面。這樣的空間設(shè)計，無法辨別地面與墻面之間、立面與頂面之間存在明確的界限；在室內(nèi)同樣看到的是建筑面塊的不同空間和景象，但是這種空間形態(tài)保持著一種連續(xù)性。

七、結(jié)語

本文通過對非線性在建筑空間形態(tài)設(shè)計分析可以得出，非線性對當下的建筑設(shè)計影響甚大。隨著數(shù)字化信息的到來，更多的建筑形態(tài)趨向于多元性、模糊性、動態(tài)性的非線性形態(tài)發(fā)展。在新時代的背景下，新的科學理念和世界觀打破了傳統(tǒng)的“方盒子”建筑模式，給建筑注入了新的生命力。非線性建筑空間是歷史的產(chǎn)物，相比傳統(tǒng)間建筑空間的線性思維，非線性建筑空間設(shè)計是全新的，甚至是顛覆性的，它融合了幾何學、物理學、哲學理論等其它復雜性學科為理論依據(jù)，給人們以本質(zhì)上新的認識和新的思考視角。

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