非線性建筑從設(shè)計(jì)到施工難點(diǎn)及解決方案
——以平潭海島科學(xué)博物館項(xiàng)目為例

李國(guó)勇 （同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 前言

非線性源自于非線性科學(xué)，屬于復(fù)雜性科學(xué)(Complexity Science)的范疇，完全掙脫了經(jīng)典線性科學(xué)的束縛，使人類對(duì)自然和社會(huì)的認(rèn)知角度走向了動(dòng)態(tài)的、傾斜的、模糊的、不規(guī)則的科學(xué)領(lǐng)域。

在當(dāng)今設(shè)計(jì)科技水平不斷進(jìn)步的同時(shí)，數(shù)字技術(shù)也得到了高速發(fā)展，非線性建筑在此基礎(chǔ)上也得到了迅猛的發(fā)展，為人類的生活平添了浪漫、自然的氣息，為城市空間增添了許多形體特征鮮明，富有動(dòng)感韻律的建筑藝術(shù)作品。非線性建筑的先行者以及推動(dòng)者——扎哈·哈迪德，她的設(shè)計(jì)語(yǔ)言“動(dòng)態(tài)構(gòu)成”一直被業(yè)界關(guān)注，這種有別于現(xiàn)代主義的設(shè)計(jì)手法帶來(lái)的不僅是一種全新的空間體驗(yàn)和建筑形式，也給現(xiàn)代主義建筑開辟出了一個(gè)全新的發(fā)展方向。這種類型的建筑更加注重對(duì)建筑復(fù)雜性的關(guān)注，以流動(dòng)、自由、隨機(jī)、不規(guī)則、非標(biāo)準(zhǔn)的非線性，來(lái)反應(yīng)與控制建筑與場(chǎng)地的共生對(duì)話。

非線性建筑能夠形成強(qiáng)烈的視覺沖擊，因?yàn)樵诮ㄖ误w的塑造中運(yùn)用了大量的雙曲線、自由曲線、拋物線等復(fù)雜曲線，因此非線性建筑從設(shè)計(jì)到施工階段都存在著空間表達(dá)、結(jié)構(gòu)選型、平面定位、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等一系列的相關(guān)問(wèn)題。

1 項(xiàng)目背景與概況

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)位于福建省東部沿海，東瀕臺(tái)灣海峽與臺(tái)灣隔海相望，是大陸距臺(tái)灣最近的海島縣。平潭地處臺(tái)灣海峽中北部，擁有良好的港灣和優(yōu)越的深水岸線；濱海資源獨(dú)具特色。

海島中心總體規(guī)劃，以調(diào)整后的排洪溝為界，分為研究區(qū)和科普文創(chuàng)園區(qū)，二期總用地面積約為11hm2。建筑單體包含的功能較多，有海島科學(xué)博物館、科研樓、海島海岸保護(hù)實(shí)驗(yàn)館、海島生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)館、水族館、學(xué)術(shù)交流中心、旅游服務(wù)配套、文體配套設(shè)施（半地下）等功能。

平潭海島科學(xué)博物館，地上5層主要以展廳和藏品庫(kù)房為主地下一層主要作為停車和設(shè)備用房，總建筑面積22667m2。

2 設(shè)計(jì)各階段問(wèn)題及解決方法

2.1 方案階段

問(wèn)題：如果將當(dāng)?shù)靥厣嘏c海洋、科研等主題聯(lián)系起來(lái)

解決方法：平潭當(dāng)?shù)鼐哂袠?biāo)志性的地方特色主要有：海島文化、科研船、海螺、石厝文化等，那么具體到我們的方案設(shè)計(jì)中應(yīng)該怎樣將這些地方元素融入到建筑設(shè)計(jì)中。

我們提取與建筑主題相吻合的“海螺”做為基本形態(tài)，以“海螺”為意向進(jìn)行主體博物館的設(shè)計(jì)，符合項(xiàng)目定位和背景，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用抽象的設(shè)計(jì)手法，取意境上的神似，形成寫意、新穎的建筑造型。建筑中保留了海螺的概念，通過(guò)提取海螺形態(tài)的數(shù)學(xué)邏輯，將海螺的邏輯曲線巧妙地融入到建筑形體的塑造中。在室內(nèi)空間設(shè)計(jì)上，采用了螺旋樓梯，提取海螺形態(tài)的數(shù)學(xué)邏輯的同時(shí)呈上大下小進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面與建筑的外在造型相呼應(yīng)，另一方面也與海螺的螺旋漸變?cè)煨拖嗪魬?yīng)，并營(yíng)造出一個(gè)極具趣味性的中庭空間。螺旋樓梯與展覽功能相結(jié)合，從樓梯的底部到頂部可根據(jù)平潭不同海洋深度的生物標(biāo)本進(jìn)行展覽，讓人們的參觀更形象直接。同時(shí)隔一段平臺(tái)還可設(shè)置休憩區(qū)域，體現(xiàn)人性化的同時(shí)也可讓游客停下來(lái)感受一下中庭的豐富空間，可帶給人猶如置身海底一般的體驗(yàn)。將海螺的意向充分的體現(xiàn)在整體的建筑形象中。

在造型上取乘風(fēng)破浪的科考船為意向，進(jìn)行抽象化設(shè)計(jì)，形成具有震撼力的立面形態(tài)。底層采用了平潭海島當(dāng)?shù)氐氖?，既是石厝文化的體現(xiàn)，又增加了建筑的厚重感。

方達(dá)生一看臉都白了，他說(shuō)：“小夢(mèng)，我知道你是真心愛孩子，舍不得孩子，我們不會(huì)逼著你馬上離開他，會(huì)給你時(shí)間……”

2.2 擴(kuò)初及施工圖階段

問(wèn)題：自由曲線的建筑輪廓如何定位、室內(nèi)空間合理利用、具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幕墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、屋頂?shù)姆浪?、設(shè)備的管道等相關(guān)問(wèn)題。

解決方法：為了保證建筑形體充滿張力且富有流動(dòng)感的整體效果，在擴(kuò)初階段需要對(duì)構(gòu)成建筑形體的每條曲線進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的定位，然而感性的建筑形態(tài)需要理性技術(shù)的支撐，由于本次項(xiàng)目的形體特別復(fù)雜，因此三維模型的建立是本次項(xiàng)目方案擴(kuò)初和施工圖設(shè)計(jì)的最基本也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的二維表達(dá)方式將很難清晰的表達(dá)建筑的形體以及空間關(guān)系，導(dǎo)致在施工過(guò)程中難以對(duì)建筑輪廓進(jìn)行定位，不能保障施工進(jìn)度及質(zhì)量。

因此我們本次項(xiàng)目采用Rhino和BIM相結(jié)合的建模形式，通過(guò)軟件的輔助來(lái)精確定位各種曲線的位置關(guān)系以及各專業(yè)構(gòu)件及管道之間的空間關(guān)系。

①通過(guò)Rhino軟件確定建筑的基本形體及內(nèi)部空間關(guān)系。

②將結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)備各專業(yè)的管網(wǎng)導(dǎo)入BIM軟件中，將建筑模型通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行整合，得到建筑的總體模型。

③在BIM的可視化界面中優(yōu)化結(jié)構(gòu)與空間、各專業(yè)設(shè)備管道之間、結(jié)構(gòu)與設(shè)備管道之間的各種矛盾問(wèn)題。

④與幕墻設(shè)計(jì)單位溝通幕墻的節(jié)點(diǎn)做法，參數(shù)化表皮的細(xì)部構(gòu)造，窗戶、欄桿、扶手等一系列細(xì)部構(gòu)件與建筑主體的銜接等細(xì)部做法。

⑥屋面防水：由于建筑形體是三維曲面形體，所以為了確保以后在使用過(guò)程中建筑對(duì)排水、防水、隔熱和保溫的要求，在防水處理上我們采用了剛性防水和柔性防水相結(jié)合的雙層防水。

⑦幕墻系統(tǒng)采用內(nèi)外雙層幕墻系統(tǒng)，外層幕墻系統(tǒng)采用GRC（玻璃纖維增強(qiáng)混凝土）內(nèi)層幕墻系統(tǒng)采用GRG(玻璃纖維加強(qiáng)石膏板),通過(guò)與專業(yè)技術(shù)人員的溝通與協(xié)調(diào)確定兩層幕墻之間最小間距應(yīng)該大于1100mm。

⑧通過(guò)三維模型軟件將復(fù)雜的建筑形體分為若干組獨(dú)立系統(tǒng)，使得復(fù)雜的形體和結(jié)構(gòu)構(gòu)件變得簡(jiǎn)單明了。通過(guò)BIM平臺(tái)可以將最終的三維模型轉(zhuǎn)化為各種可以指導(dǎo)施工的二維圖紙，以及各種節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造做法，而且可以整體關(guān)聯(lián)局部修改，相關(guān)圖紙也會(huì)隨之自動(dòng)調(diào)整，節(jié)省了工作時(shí)間，提高工作效率。

3 施工階段

問(wèn)題：自由曲線的建筑輪廓現(xiàn)場(chǎng)如何定位、模板如何制作安裝、支模架如何搭設(shè)等相關(guān)問(wèn)題。

解決方法：模板需要按照?qǐng)D紙尺寸進(jìn)行放樣，所以現(xiàn)場(chǎng)的施工人員需要在計(jì)算機(jī)上把結(jié)構(gòu)板按照模板常用規(guī)格分成網(wǎng)格塊，通過(guò)在計(jì)算機(jī)里面測(cè)量構(gòu)件尺寸，根據(jù)測(cè)量的尺寸制作每個(gè)構(gòu)件所需的相應(yīng)模板，通過(guò)主次龍骨提前調(diào)好形態(tài)以及建筑造型，然后將相應(yīng)的模板固定在龍骨上面。最后在制作好的模板表面先涂抹一層底子油然后張貼鍍鋅鐵皮，保證構(gòu)件最終表面的光滑度以及后期拆模的方便。模架的支撐系統(tǒng)，需要提前根據(jù)構(gòu)件的板底標(biāo)高確定好每一根桿件的高度，通過(guò)斜撐、拉結(jié)加固，確保后續(xù)的施工以及養(yǎng)護(hù)階段沒有變形。

汲取南京青奧中心、長(zhǎng)沙梅溪湖國(guó)際文化藝術(shù)中心等已經(jīng)建成項(xiàng)目在施工控制過(guò)程中的一些優(yōu)點(diǎn)以及處理方法。

在項(xiàng)目的整個(gè)施工過(guò)程中，定期與設(shè)計(jì)人員以及業(yè)內(nèi)資深建筑師進(jìn)行溝通，及時(shí)交流項(xiàng)目過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題，采用云平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目圖紙、模型的管理。綜合MR、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)，體現(xiàn)項(xiàng)目的智慧綠色建造過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

非線性建筑從發(fā)展初期到現(xiàn)階段的逐步成熟無(wú)不依賴科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些建筑賦予了城市建筑嶄新的生命力，掙脫了技術(shù)水平對(duì)建筑形體及空間的限制，使建筑重獲自由、豐富絢麗的形態(tài)特征。尖端科學(xué)技術(shù)越來(lái)越多的運(yùn)用在具有時(shí)代感的建筑設(shè)計(jì)中，給人們視覺上帶來(lái)沖擊的同時(shí)，也觸動(dòng)了我們對(duì)未來(lái)建筑發(fā)展方向的思考。希望可以通過(guò)建筑的表象形體來(lái)引發(fā)人們對(duì)其形成過(guò)程的深思，來(lái)提升人們對(duì)當(dāng)今越來(lái)越多的非線性建筑的認(rèn)識(shí)和理解。