非線性設(shè)計與建筑創(chuàng)新核心探索

薛穎，屈壯

（1.濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東濟寧 272000；2.濟寧市建筑設(shè)計研究院，山東濟寧 272000)

1 引言

近年來，隨著生活水平不斷提高，人們對自身的居住環(huán)境提出了更高的要求。為了滿足人們對居住環(huán)境的要求，設(shè)計人員在進行建筑創(chuàng)新設(shè)計的過程中融入了非線性設(shè)計元素，以改善建筑的外部特征，使建筑能夠從原本方正簡單的幾何形體中跳脫出來，更好地滿足現(xiàn)代人的審美需求。

2 非線性設(shè)計理念

非線性建筑作為連續(xù)流動狀的形體，源于對建筑性能及周邊環(huán)境因素的分析，建筑設(shè)計過程就是對各種影響建筑因素的研究，通過提練與綜合，將各種影響因子從概念發(fā)展到形象，成為建筑的最終形體，由于復(fù)雜的影響因素，建筑的形體必然是不規(guī)則的[1]。

對于建筑設(shè)計，非線性結(jié)構(gòu)是指不同于常規(guī)方正的建筑結(jié)構(gòu)的形式，以曲線、曲面、扭曲形體為代表，表現(xiàn)建筑的雕塑感和視覺張力。非線性建筑設(shè)計傾向于動感強烈、風(fēng)格多變的自由空間造型藝術(shù)領(lǐng)域，強調(diào)城市與建筑的整體性，建筑整體與局部同構(gòu)且相似。非線性結(jié)構(gòu)建筑的空間與形體表現(xiàn)具有復(fù)雜性，建筑表面體現(xiàn)出一定的自由與隨機性，但有著內(nèi)在的邏輯和理性，強調(diào)過程設(shè)計，重視環(huán)境、人、氣候、經(jīng)濟、文化各因素之間的相互作用。因此，傳統(tǒng)主與次的抽象幾何手法在非線性結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計中不再適用，二維平面圖紙也不再適用，對于該類建筑，從最初設(shè)計到施工整個過程，計算機成為主要工具與技術(shù)手段。

3 非線性設(shè)計的產(chǎn)生

建筑的形式和風(fēng)格與其所處時代背景密切相關(guān)，新發(fā)展環(huán)境下，伴隨著各種學(xué)科的交叉融合，建筑理論得到了創(chuàng)新發(fā)展，建筑設(shè)計也變得更加豐富。受新思想、新理論的指導(dǎo)，建筑設(shè)計人員在建筑設(shè)計實踐活動中創(chuàng)造出了許多新的建筑理論和建筑形式。以可持續(xù)發(fā)展理念為支撐，建筑設(shè)計人員開始在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中嘗試非線性設(shè)計，其本身打破了歐幾里得幾何學(xué)以及現(xiàn)代主義建筑均質(zhì)空間的限制，使建筑空間更加自由，風(fēng)格也更加多變。

非線性建筑改變了設(shè)計師單一的創(chuàng)作理念，打破了傳統(tǒng)建筑“四四方方”的規(guī)范形式，展現(xiàn)出了更多的曲線和曲面，體現(xiàn)出的建筑空間造型風(fēng)格更加豐富，使受眾對建筑的審美觀念發(fā)生轉(zhuǎn)變。曲面間的柔滑過渡是非線性建筑形體間的空間關(guān)系體現(xiàn)，能夠體現(xiàn)出十分強烈的流動感，帶給人一種耳目一新的審美體驗[2]。大膽與創(chuàng)新的建筑方案，不規(guī)則的建筑形體具有強烈而富有激情的視覺沖擊力，可以迎合人類社會的發(fā)展趨勢，符合當代人精神與心理需求。

4 非線性設(shè)計中建筑的表面特性

非線性建筑表面是指在非線性科學(xué)的影響下形成的非線性的建筑外觀，它具有動感和復(fù)雜的形態(tài)。非線性建筑的表面有2 種含義，即非線性建筑的表面和線性建筑中具有非線性特征表面的部分。

4.1 非線性建筑表面的形式表現(xiàn)

非線性建筑表面越來越受到建筑師的重視，基于當代非線性理論在建筑領(lǐng)域的深入應(yīng)用，非線性建筑表面的形態(tài)呈現(xiàn)出多樣化的特征，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）混沌的非線性表現(xiàn)。非線性建筑表面的設(shè)計方法以混沌理論作為非線性建筑表面設(shè)計的基礎(chǔ)，混沌理論主導(dǎo)透過現(xiàn)象看到本質(zhì)[3]。中國古代的非線性思維體現(xiàn)在“道”是中國傳統(tǒng)哲學(xué)的核心，是宇宙的本源和總體，是萬物生長變化的基礎(chǔ)。“道生一，一生二，二生三，三生萬物?！暗馈睂θf物的創(chuàng)造，是一個由少到多、由簡到繁的系統(tǒng)過程，描述了混沌系統(tǒng)的演化過程和分形產(chǎn)生的動力學(xué)機制?！皼_氣以為和”這句話中的“沖”是指沖突和交融，是指系統(tǒng)中矛盾的各方相互碰撞，形成新的統(tǒng)一?！暗馈痹谶壿嬚Z言中也很難把握和闡明。“道可道，非常道”強調(diào)“道”的“恍惚”特征。用“象罔”這個詞來描述有無組合的混沌狀態(tài)，既模糊又閃爍，揭示了系統(tǒng)的非線性本質(zhì)。

在混沌理論的影響下，建筑表面的形式和以往有較大的不同，以自然形式為原型的設(shè)計方法有：原型類比，例如，例馬巖松《浮游之島》設(shè)計方案；具象模仿，例如，例弗蘭克·蓋里的《魚舞餐廳》設(shè)計。除此以外，還有以曲線為基礎(chǔ)要素的設(shè)計方法，折疊成型的設(shè)計手法等。

2）對幾何形律的邏輯性表現(xiàn)。建筑表面設(shè)計中，對幾何學(xué)理論應(yīng)用有了深入的嘗試，主要從表面形式的分形拓展、拓撲變形、計算機輔助表現(xiàn)3 個層面進行嘗試。

3）在信息社會背景下，建筑表面呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的表面突變形態(tài)，表面也充當著信息化和媒體化的載體，建筑表面中融入了信息。在滿足遮風(fēng)避雨等基本功能的基礎(chǔ)上，還有利用高科技達到技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合，展示建筑本身的特殊性及傳播城市媒體的功能。

4.2 非線性建筑表面的技術(shù)表現(xiàn)

1）材料的選擇和使用影響非線性建筑表面的生成，是非常關(guān)鍵的內(nèi)容。設(shè)計人員會在建筑中使用厚重、堅固的石材，堅硬、穩(wěn)定的鋼鐵，綠色、柔軟的植物等，通過表面材料的選擇，凸顯性質(zhì)、詮釋自身設(shè)計理念，從這個角度分析，表面應(yīng)用及表現(xiàn)性是現(xiàn)代建筑非線性設(shè)計中的一項重要內(nèi)容。

2）結(jié)構(gòu)技術(shù)研究支撐非線性建筑表面生成。通過結(jié)構(gòu)技術(shù)的表現(xiàn)，也就是表面形態(tài)，分離暴露結(jié)構(gòu)構(gòu)件，反映結(jié)構(gòu)形態(tài)。建筑傳達的是藝術(shù)性，結(jié)構(gòu)性表面的表現(xiàn)超越了力學(xué)本身的含義，帶來了象征意義[4]。合理的結(jié)構(gòu)就像建筑的骨架，是建筑物成功的關(guān)鍵和保證。結(jié)構(gòu)類型的多樣性帶來了建筑功能的解放，而建筑精神和意義的表達不斷突破多方面的限制。

3）從環(huán)境生態(tài)學(xué)角度研究非線性建筑表面。做設(shè)計方案時主動利用自然環(huán)境，不僅能在生態(tài)節(jié)能方面積極改進，還能創(chuàng)造出非常經(jīng)典的建筑作品。倫敦市政廳就是典型的利用環(huán)境生態(tài)進行創(chuàng)作的非線性作品。建筑師福斯特將建筑整體設(shè)計呈變形球體，向南傾斜3°，樓板將自動成為每個樓層的遮陽板。建筑內(nèi)部空間的自然通風(fēng)可以減少空調(diào)的能耗；北側(cè)河邊道路不會被建筑物遮擋，既綠色環(huán)保，又優(yōu)美動人。

5 非線性設(shè)計與建筑創(chuàng)新

5.1 非線性建筑設(shè)計思路

1）詳細的建筑方案分析調(diào)研。詳細分析場地、環(huán)境，氣候、交通、功能和使用要求，結(jié)構(gòu)合理性，經(jīng)濟條件等數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵性的矛盾與因素，進行圖解表達，形成設(shè)計依據(jù)和出發(fā)點。

2）借助計算機軟件形成空間結(jié)構(gòu)的雛形。在非線性建筑設(shè)計中，借助計算機軟件，如3DMax、Photoshop 等，以直觀的視覺獲得想要的建筑空間形式。建筑形式的不同元素（梁、柱、墻等）。被抽象成3 個元素：點、線和面，這三要素的不同組織法則也產(chǎn)生了不同形式。借助計算機軟件可將二元圖形轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)模型，形成空間結(jié)構(gòu)的雛形。

3）結(jié)合結(jié)構(gòu)確定建筑形體。在非線性建筑設(shè)計基礎(chǔ)上，不同的功能與不同的場地環(huán)境條件會導(dǎo)致不同的建筑形體，這就需要反復(fù)調(diào)整和比較，合理的建筑設(shè)計能夠降低結(jié)構(gòu)形式選擇上的難度，合理的結(jié)構(gòu)是使建筑方案得以實現(xiàn)的保障。

4）重視節(jié)點構(gòu)造設(shè)計。節(jié)點結(jié)構(gòu)最能體現(xiàn)建筑的特色氣質(zhì)和細節(jié)，是對建筑的修飾與雕琢，是建筑方案最終成功的關(guān)鍵。通常以三維模型的形式表現(xiàn)，輔以繪圖動畫。

5.2 非線性建筑與數(shù)字化設(shè)計

作為信息時代的產(chǎn)物，非線性建筑從設(shè)計到施工都高度依賴數(shù)字技術(shù)，這也是其重要特征。大量數(shù)字技術(shù)在建筑中的應(yīng)用，使其成為一種開放、動態(tài)的信息媒介，體現(xiàn)出強烈的時代感[5]。

就目前而言，在現(xiàn)代建筑創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域，許多優(yōu)秀的設(shè)計軟件已經(jīng)得到了應(yīng)用，如AutoCAD、3Dmax、BIM 等，借助這些先進的軟件，設(shè)計人員能夠更加精準地把握建筑中各個構(gòu)件的信息，而軟件也可以支持對復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線性設(shè)計的清晰呈現(xiàn)。從設(shè)計人員的角度，在推動建筑創(chuàng)新設(shè)計的過程中，應(yīng)及時更新觀念認識，運用更多的計算機軟件來提升設(shè)計工作的效率和效果，同時，為后續(xù)工作的實施提供便利。在進行非線性設(shè)計過程中，三維模型屬于十分必要的輔助工具，能夠為設(shè)計與施工人員提供精準的數(shù)據(jù)信息，在確保三維模型準確可靠前提下，將其提供給施工單位作為施工參考。另外，三維模型還具備一些其他功能，如面積計算，非線性建筑本身的形體并不規(guī)范，一些處于斜墻面下的空間面積可能無法在平面圖中直觀反饋出來，運用計算機軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對模型的進一步優(yōu)化和完善。

例如，弗蘭克·蓋里的方案設(shè)計，主要設(shè)計過程為：以實體模型和數(shù)據(jù)模型的推敲為主導(dǎo)，首先是手工模型制作，主要用于對建筑環(huán)境、功能和空間等因素進行分析；然后利用計算機軟件將三維點信息整理成三維建筑表面信息；進一步優(yōu)化篩選，通過三維數(shù)字化掃描，將人工模型轉(zhuǎn)化為計算機中的三維點信息，從而制成實體模型。評估、修改、重新掃描和重新分析實體模型。如此循環(huán)往復(fù)，直至得出設(shè)計師滿意的結(jié)果。

6 結(jié)語

新發(fā)展環(huán)境下，我國經(jīng)濟建設(shè)取得了較為顯著的成果，帶動了各行各業(yè)的發(fā)展，伴隨著人們對建筑需求的增長，建筑設(shè)計人員在建筑設(shè)計中不僅需要考慮其基本功能需求，還必須加強建筑設(shè)計創(chuàng)新。提升建筑設(shè)計的靈活性，為建筑設(shè)計和創(chuàng)作提供了新思路，創(chuàng)造出了更符合環(huán)境與人性的建筑空間與形式，給人們帶來新的世界觀與建筑觀，為人們提供相對新的建筑使用和審美體驗，有助于推動建筑行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。