參數(shù)化在非線性建筑中的應(yīng)用與優(yōu)化研究

祝明哲，龐弘

（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院）

1 研究背景

近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的提高，人們對(duì)美的理解也隨之提高，在現(xiàn)代大師柯布西耶線性建筑的基礎(chǔ)上，越來越多的人開始對(duì)曲面的建筑形式進(jìn)行研究，逐漸形成了非線性的建筑空間理論。至此，越來越多的建筑師加入到這一先鋒的洪流中，但是曲面作為高階的空間平面，傳統(tǒng)的線性方法無法準(zhǔn)確描述這一結(jié)構(gòu)。盡管越來越多奪人眼球的非線性建筑作為城市地標(biāo)建成并投入使用，但是由于我國對(duì)非線性建筑的研究較淺，其細(xì)部設(shè)計(jì)和建造方面尚需在設(shè)計(jì)層面上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，而不是像流水線一般，方案做完交給施工方來解決。這樣在后續(xù)的不斷“傳話”中難免造成“賣家秀”與“買家秀”的現(xiàn)象。

以扎哈·哈迪德設(shè)計(jì)的廣州歌劇院為例。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中，由于扎哈事務(wù)所只負(fù)責(zé)了項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)階段，并沒有對(duì)建筑曲面部分細(xì)節(jié)進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)，后期的施工圖設(shè)計(jì)則是由當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)單位完成。但擁有較強(qiáng)非線性建筑設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的扎哈事務(wù)所，在施工圖階段沒有給予足夠的指導(dǎo)和幫助，加之當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)單位尚未有能力獨(dú)自進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而正常的表皮優(yōu)化處理需要跟設(shè)計(jì)師不斷地思想碰撞，尋找一個(gè)效果與可建造的平衡點(diǎn)，才能完全地保持原有扎哈的設(shè)計(jì)形體。因此導(dǎo)致建筑立面的細(xì)分、室內(nèi)管線與結(jié)構(gòu)交接節(jié)點(diǎn)等細(xì)部設(shè)計(jì)處理不當(dāng)。建造過程中就更難修正這些問題，再加上本身復(fù)雜的曲面形體選擇 石材作為表皮加工難度大，最終導(dǎo)致建成的廣州歌劇院立面拼縫參差不齊。廣州歌劇院的建成效果在一定程度上反映了國內(nèi)非線性建筑存在的問題，作為造型獨(dú)特的地標(biāo)性建筑，“只可遠(yuǎn)觀”成為人們?cè)嵅〉膶?duì)象。

2 參數(shù)化輔助設(shè)計(jì)

數(shù)字化軟件繁多，本文主要基于Rhinoceros+Grasshopper軟件平臺(tái)進(jìn)行簡要介紹。Grasshopper是一款在Rhinoceros環(huán)境下運(yùn)行的采用程序算法生成模型的插件，是目前設(shè)計(jì)類專業(yè)參數(shù)化設(shè)計(jì)方向的入門軟件。與傳統(tǒng)建模工具相比，GH的最大的特點(diǎn)是可以向計(jì)算機(jī)下達(dá)更加高級(jí)復(fù)雜的邏輯建模指令，使計(jì)算機(jī)根據(jù)擬定的算法自動(dòng)生成模型結(jié)果。通過編寫建模邏輯算法，機(jī)械性的重復(fù)操作可被計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算取代。同時(shí)，設(shè)計(jì)師可以向設(shè)計(jì)模型植入更加豐富的生成邏輯。無論在建模速度還是在水平上，照傳統(tǒng)工作模式相比，都有較大幅度的提升。

3 非線性建筑中應(yīng)用曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)

非線性建筑的體型在設(shè)計(jì)初期很可能是設(shè)計(jì)師的手繪稿，或者三維軟件中感性的建模。在目前建模軟件中，rhinoceros可以很好的使用Nurbus來精確的描述空間曲線，可是Nurbus曲線雖然精確，但是卻不滿足施工建設(shè)的要求，在大體量非線性建筑中無法大規(guī)模建造。因此，對(duì)Nurbus曲線的優(yōu)化是建筑師與建筑能否落地之間的橋梁。對(duì)于Nurbus優(yōu)化成可建造的曲線思路是將Nurbus曲線用大大小小的圓弧段來擬合成貼合原曲線的曲線。這個(gè)方法在傳統(tǒng)工具中實(shí)現(xiàn)非常繁瑣，而在Grasshopper中可以借助計(jì)算機(jī)來幫助我們實(shí)現(xiàn)遺傳算法的計(jì)算，大大節(jié)省了時(shí)間。具體思路是這樣的，我們將原曲線任意分成若干份，提取該線段的首尾點(diǎn)及中點(diǎn)，以這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行連線，在新生成的弧線段中等分若干點(diǎn)，分別計(jì)算若干點(diǎn)與原Nurbus曲線的距離，并將這些距離累加，用遺傳算法循環(huán)計(jì)算求得距離和最小值即最優(yōu)化弧線段。

這個(gè)思路同樣適用于NUrbus曲面的平板化（見圖1、圖2），對(duì)曲面進(jìn)行布點(diǎn)，四點(diǎn)建立平面，分別計(jì)算平面中點(diǎn)跟曲面的距離，并累計(jì)求和，用退化算法求最小，關(guān)聯(lián)曲面布點(diǎn)間距求得最貼合原曲面的面板大小。

圖1 曲線圓弧擬合示意圖

圖2 曲面優(yōu)化

4 非線性建筑中綠色節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，隨著綠色建筑興起的大趨勢(shì)，世界上很多建筑設(shè)計(jì)采用參數(shù)化來進(jìn)行綠色建筑方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了不錯(cuò)的效果。例如，BIG 事務(wù)所在哈薩克斯坦國家圖書館項(xiàng)目中，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái) + 建筑物理環(huán)境模擬，根據(jù)熱輻射量控制每塊幕墻的開窗大小，保證了室內(nèi)熱輻射的均勻性，同時(shí)也形成了不錯(cuò)的藝術(shù)效果。連續(xù)而又流動(dòng)的表皮又與“莫比烏斯”代表的無線循環(huán)的形體十分契合，達(dá)到了形態(tài)與功能和諧統(tǒng)一的效果（見圖3）。MAD 的中鋼國際大廈則是以優(yōu)化室內(nèi)風(fēng)環(huán)境為目的，結(jié)合建筑表面風(fēng)壓模擬結(jié)果，將不同的風(fēng)壓梯度對(duì)應(yīng)形成了 6 種不同規(guī)格的立面開窗。這兩者都是基于綠色性能的參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)的代表項(xiàng)目，取得了令人矚目的成就。但同時(shí)，目前還有許多綠色建筑設(shè)計(jì)方法仍舊停留在“經(jīng)驗(yàn)主義”，即傳統(tǒng)的外立面遮陽、覆土綠化、拔風(fēng)中庭等手法，這將難以適應(yīng)每個(gè)建筑的獨(dú)特性和復(fù)雜情況，一定程度上造成了我國綠色建筑以主動(dòng)技術(shù)為主導(dǎo)的尷尬局面。其次，綠色建筑以性能為追求，以往的綠色建筑軟件更多作為評(píng)判參考，而不能實(shí)時(shí)參與到設(shè)計(jì)當(dāng)中，這又會(huì)使得方案深化階段存在“設(shè)計(jì)、計(jì)算、反饋、調(diào)整”循環(huán)反復(fù)、效率低下的問題。參數(shù)化則是建筑師解決這些問題的好幫手。

圖3 日照參數(shù)開窗

5 結(jié)語

參數(shù)化其實(shí)并不是多么高深莫測(cè)，他只是一種設(shè)計(jì)工具，傳達(dá)建筑師的思考邏輯。非線性建筑以它復(fù)雜多變的體型跟空間吸引著人們的眼球?？墒墙ㄖ囊饬x不僅僅是為了好看，建筑的最主要功能是功能性，而美是感性的，而建筑是理性的構(gòu)筑物，感性與理性之間的鏈接就是邏輯，而參數(shù)化就是建筑師邏輯的載體。所以，參數(shù)化就是鏈接理性與感性的橋梁，只有將建筑做到理性與感性的統(tǒng)一時(shí)，這個(gè)建筑才是一個(gè)完美的建筑。