由概念草圖到物理模型的非標準建筑形態設計探索*

孫 澄 韓昀松

由概念草圖到物理模型的非標準建筑形態設計探索*

孫 澄 韓昀松

公眾審美日趨多元，非標準建筑形態日漸增多。文章旨在探索非標準建筑形態由設計草圖到數字模型再到物理模型的工作過程，為相關研究與工程實踐提供參考。首先闡釋了非標準建筑形態創作背景，歸納已有研究成果；再結合設計條件，提出非標準建筑形態設計概念；然后根據設計概念，應用Revit建立數字模型，展開非標準建筑形態曲面劃分；最后應用激光切割設備完成非標準建筑形態曲面數控建造，建構物理模型。實踐結果表明：非標準建筑形態曲面網格劃分形式對曲面平滑程度有顯著影響，參數化建模與數控加工技術的應用有效提升了非標準建筑形態設計效率和建造精度。因此，設計者應在非標準建筑形態設計與建造過程中引入參數化建模和數控加工技術，并通過調整曲面劃分網格優化非標準建筑形態的平滑度。

非標準建筑形態；案例實踐；數控建造；曲面優化

0 引 言

建筑形態不僅是建筑空間與外部環境的交互界面，還是建筑審美與文脈傳承的物化體現。從文藝復興、巴洛克風格、新古典主義建筑到20世紀蓬勃發展的現代主義建筑，再到21世紀迅速興起的數字建筑，建筑形態無不受到公眾審美意識的影響和驅動。可見，建筑形態是建筑風格變化最直觀的表達。近年來，德勒茲哲學思想的傳播和復雜性科學的發展促發了公眾審美意識的多元化衍生。全球化與可持續發展也不斷引導公眾關注環境、關注自然。自然環境中的復雜幾何形態之美日漸受到公眾歡迎。傳統的方盒子、國際式建筑已難以充分調動起公眾的審美興致，而效法自然形態，具備自然曲面特征的非標準建筑形態（non-standard building form）日漸受到關注，而且近年來的大型公共建筑項目競賽結果已印證了這一推論。可見，公眾審美意識的演化正推動著建筑師突破笛卡爾坐標系的限制，展開更加靈活、自由的非標準建筑形態創作。

圖1 M Turrin 生成的非標準建筑形態[3]Fig.1 the non-standard building form generated by M Turrin

圖2 聯合設計工坊生成的非標準建筑形態Fig.2 the non-standard building form generated in the workshop

同時，建筑數字化設計與數控建造技術的發展為設計者展開非標準建筑形態設計與建造提供了技術支持。近年來，Rhinoceros、Autodesk Revit等建模工具有效提升了建筑師在非標準建筑形態設計過程中的建模能力和復合信息管理水平。在公眾審美意識和數字技術的共同推動下，非標準建筑形態作為數字化語境下的建筑形態設計語匯被愈發廣泛地應用于大跨體育建筑、觀演建筑和博覽建筑設計項目中，對其的研究與實踐日漸增多。

1 非標準建筑形態研究現狀

非標準建筑形態是數字技術應用于建筑設計領域的時代產物，它泛指借助數字技術突破標準建筑界面正交關系，包含自由曲面和不規則形態界面的一類建筑形態。近年來，國內外學者對非標準建筑形態設計展開了廣泛研究。N. Leach受自然界中生物復雜幾何形態啟發，闡釋了數字視野下的建筑形態演化趨向特征，探討了材料的性能和在過程思維影響下的非標準建筑形態設計[1]。I. Vizotto探索了大跨度屋面非標準形態殼面生成的設計方法[2]。M. Turrin以結構性能和日照得熱為形態生成驅動力，展開了大跨度非標準屋面形態設計，結果表明，引入參數化建模技術能夠明顯改善非標準建筑形態設計效率[3]（圖1）。Hyperbody研究組應用參數化建模技術與建筑性能模擬工具，分別從環境性能引導建筑形態生成和圍護結構單元數字化定制兩方面展開了非標準建筑形態研究，并與哈爾濱工業大學建筑學院展開了基于風環境模擬數據的非標準建筑形態生成設計研究[4]（圖2）。J. Jeong-Tak建立了適用于設計前期的非標準形態建筑圍護結構傳熱量和日照得熱量預測模型[5]。G. Caruso 基于非標準形態曲率變化自由的特點，提出了日照得熱考慮下的非標準建筑形態找形方法[6]。M. Donofrio探索了非標準建筑形態拓撲優化找形方法[7]。

李飚基于復雜性理論，系統討論了基于復雜系統的非標準建筑形態生成設計方法[8]。徐衛國結合L系統、維諾圖解、蟻群算法和分形理論，展開了非標準建筑形態生成設計研究，其團隊旨在將算法與建筑設計語匯融合，并將其應用于非標準建筑形態創作[9-10]。袁烽基于結構性能考慮，展開了非標準建筑形態生成設計研究[11]。孫澄宇探索了非標準建筑形態曲面表皮建造中的平面擬合方法[12]。綜上所述，已有研究從理論與實踐兩方面展開了非標準建筑形態設計研究，其研究內容覆蓋了建筑能耗、結構性能、物理環境品質等多個領域。

本文旨在結合某非標準建筑形態設計項目，展開從概念設計到數字模型再到數控建造物理模型的實踐過程。研究將首先闡釋非標準建筑形態概念設計過程，進一步在Autodesk Revit平臺中建構非標準建筑形態數字模型，結合審美需求與數控建造要求，調整非標準建筑形態，進行三維曲面網格化，優化建筑形態曲面網格平滑度，最后應用數控設備建構物理模型。

2 非標準建筑形態概念設計

研究將結合某虛擬項目，探索由概念設計到數字模型再到物理模型的非標準建筑形態設計過程。為充分發揮建筑形態設計自由度，該虛擬項目無特定功能要求，僅規定最終建筑形態為長18 m、寬12 m的非標準建筑形態，預期成果為1∶20的物理模型。研究將首先展開概念設計，隨后結合設計概念建立非標準建筑形態數字模型，并應用參數化建模技術對非標準建筑形態進行優化，最后應用數控加工方法建構非標準建筑形態物理模型。本節將闡釋實踐中非標準建筑形態的概念設計過程。

研究在概念設計中要求建筑形態具備自由曲線特征，從而在后續計算機建模與數控建造實踐中探索非標準建筑形態的構建過程。在概念設計過程中，研究提出“山脊起伏”和“漣漪擴散”兩項設計概念。“山脊起伏”概念受到中國傳統山水畫啟發，希望從畫作中提取山脈輪廓邊緣作為非標準建筑形態控制曲線（圖3）。“漣漪擴散”概念則受到水體漣漪形態啟發，希望以規律化的波形變化隱喻水體的漣漪形態。最終，研究選擇“漣漪擴散”設計概念進行深化發展。

研究以漣漪形態為切入點，力圖通過非標準建筑形態曲面來隱喻起伏波動的漣漪形態。在建筑形態剖面等距離設定若干起伏錨點（圖4），通過調整錨點高度營造漣漪由近及遠起伏波動的造型意向。研究采取等距方式設定錨點是基于以下三方面原因：首先，等距設定的錨點在形態曲面設計中更利于保證非標準建筑形態曲面的連續性和平滑性；其次，等距設定的錨點也便于梁柱等結構構件的均勻分布，有助于非標準建筑形態結構性能的改善；最后，等距分布的錨點便于設計者控制非標準形態曲面所圍護的建筑空間，有利于建筑空間的均勻分布。

圖3 “山脊起伏”概念示意Fig.3 the concept of “ridge fluctuation”

圖4 實踐中設定的錨點Fig.4 the anchor set in the practice

在預定錨點的起伏變化下，由近及遠逐漸散開的漣漪形態初步形成。研究在等距同心圓中截取與基地長寬比對應的矩形區域作為非標準建筑形態曲面邊界（圖5）。考慮到后續1：20的物理模型數控建造要求，研究截取了寬度為600 mm，長度為900 mm的非標準建筑形態曲面展開深化，建立數字模型，并展開數控建造，建立物理模型。

3 非標準建筑形態數字模型建構

研究應用Autodesk Revit工具建構非標準建筑形態數字模型。實際上，相比Autodesk Revit平臺，Grasshopper和Rhinoceros工具因采用了NURBS曲面算法更適于非標準建筑形態曲面設計與建模[13]。研究選擇Autodesk Revit工具作為實踐中的非標準建筑形態數字模型建構工具，主要原因是相比同類軟件工具，Autodesk Revit具備更強的建筑信息建模（building information modeling）能力。Revit平臺憑借復雜的“族”設置，在建筑模型復合信息集成方面更具優勢[14]。同時，基于Autodesk Revit平臺的可視化編程工具Dynamo也日漸完善[15]，且Autodesk Revit平臺中的體量建構功能也具備多樣化的幾何形態建模工具。因此，本文采用Autodesk Revit平臺建構非標準建筑形態曲面。

結合概念設計成果，研究應用Autodesk Revit平臺，以體量建模方式建立了非標準建筑形態數字模型（圖6）。建模過程不僅建立了非標準建筑形態三維圖形，還建立了非標準建筑形態曲面參數的約束關系。實踐中，非標準建筑形態曲面的錨點起伏高度受高程參數控制，建筑師能夠通過調整建筑形態中的錨點高度參數改變非標準建筑形態的起伏程度（圖7），而無需重復建模。相比應用傳統人機交互建模方法進行的建筑形態調整，基于參數控制的形態調整在設計方案推敲過程中效率更高，且支持建筑師對非標準建筑形態進行精確調整。

完成非標準建筑形態曲面調整后，研究對建筑形態進行網格劃分，即將連續的建筑形態曲面分割為若干平面網格，從而實現由三維非標準形態曲面到二維平面網格的降維過程，以便應用數控切割設備進行非標準形態曲面物理模型建構。非標準建筑形態曲面網格化的關鍵問題在于如何以平板曲面保持非標準形態曲面的平滑性和連續性。網格劃分方式和網格控制線間距均對非標準建筑形態曲面的平滑性和連續性有顯著影響。

研究首先應用同心圓控制線和建筑形態寬度方向控制線將非標準建筑形態曲面劃分為四邊形面板；下一步，為提升非標準形態曲面網格的平滑性和連續性，再以對角線方式將前述步驟分割出的四邊形面板進一步劃分為2塊三角形面板（圖8），并對各面板進行編號。最后，研究將非標準建筑形態網格輸出為數控切割加工文件，展開數控切割制造，構建非標準建筑形態物理模型。

4 非標準建筑形態物理模型建構

研究基于Autodesk Revit模型輸出非標準建筑形態數控加工文件，應用激光切割機對薄木板進行數控切割，完成非標準建筑形態面板數控建造，并根據各非標準建筑形態面板的序號進行裝配。研究所選取的建構材料雖然不是金屬板等常規建筑材料，但是其加工與裝配過程與常規建材具有技術共性，也需要解決三維建筑形態曲面降維、非標準建筑形態單元序號編輯和裝配定位等技術問題，因而對相關非標準建筑形態設計實踐具有參考價值。

在非標準建筑形態結構方面，研究未采用梁柱體系支撐非標準建筑形態曲面，而是根據非標準建筑形態起伏趨勢，以拱結構為原型設計了非標準建筑形態支撐結構（圖9）。通過拱形結構的尺度變化來適應非標準建筑形態曲面的起伏趨勢，最終建構完成的非標準建筑形態曲面如圖10所示。

圖5 實踐中的非標準建筑形態概念設計Fig.5 the non-standard building form concept design in practice

圖6 實踐中建立的非標準建筑形態數字模型Fig.6 the non-standard building form digital model developed in practice

圖7 參數調整與建筑形態起伏控制Fig.7 the edit of parameters and the building form control

圖8 實踐中非標準建筑形態曲面的網格化過程Fig.8 the meshing process of non-standard building form in practice

圖9 非標準建筑形態支撐結構物理模型Fig.9 the non-standard building form structure physical model

圖10 裝配后的非標準建筑形態物理模型Fig.10 the fixed non-standard building form physical model

5 結 論

本文提出,公眾審美意識的多元化衍生和建筑形態建模工具的信息化發展推動了非標準建筑形態的設計研究與實踐，歸納了非標準建筑形態設計與實踐研究現狀。進而，研究展開了由概念草圖到數字模型再到物理模型的非標準建筑形態設計實踐。

實踐表明：建筑師通過建立非標準建筑形態參量間的參數約束關系，能夠精確調整非標準建筑形態，相比傳統人機交互建模方式，參數化建模方法效率更高。因此，在非標準建筑形態設計過程中，設計者應積極采用參數化建模方法與技術來提高非標準建筑形態的設計效率與精度。同時，數字模型的曲面網格化分隔也表明非標準建筑形態曲面的平滑度和連續性受到曲面劃分網格的形式和尺度的影響。因此，在非標準建筑形態數控加工前，設計者應謹慎選擇網格形式和尺度。最后，數控加工過程也說明，在非標準建筑形態數字模型建構中應考慮材料厚度的影響。研究在Autodesk Revit模型中所建構的數字模型未考慮材料厚度，造成數控加工生成的非標準建筑形態面板在裝配過程中無法做到完全無縫拼接，導致物理模型存在縫隙，這說明在非標準建筑形態數控加工過程中需要綜合考慮幾何、材料和構造方式的影響，也從側面反映出建筑復合信息集成對于非標準建筑形態設計的重要作用和意義。

本文所展示的非標準建筑形態數控建造過程將為其他非標準建筑形態設計與建造工作提供參考，在概念設計、數字模型建立和曲面網格劃分方面尤其具有參考價值。限于時間和資源，研究僅建構了1∶20的非標準建筑形態物理模型，且所采用的建構材料較為理想化，與實際建造過程還有一定差距。在后續研究中，將進一步拓展相關內容，并展開常規材料下的數控建造實踐。

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圖片來源：

圖1：Turrin M, Buelow P, Kilian A, et al. Performative Skins for Passive Climatic Comfort[J]. Automation in Construction, 2012, 22(04): 36-50.

圖2、圖4-10：作者繪制

圖3：作者拍攝繪制

Exploration on Non-Standard Building Form Design from Conceptual Sketch to Physical Model

SUN Cheng, HAN Yunsong

With the diversified development of populace’s aesthetic, non-standard building form gradually gains popularity. The paper aims to explore the working process of nonstandard building form from design sketches to digital model and physical model, which provides reference for related studies and engineering practices. The paper first demonstrates the creation background of non-standard building form, and reviews the related works. Then, the paper proposes the design concept of the non-standard building form based on the design conditions. Furthermore, the study adopts digital model built in Revit to divide non-standard building form surface and completed physical modeling using laser machine cutting. The practice results show that the non-standard building form surface mesh have prominent effect on the smoothing level of form surface, and parametric modeling could efficiently promote the design efficiency and construction precision of non-standard building form. Hence, the designers should use parametric modeling and numerical control processing techniques in nonstandard building form design, and improve the smoothness of the non-standard building form through editing the mesh division.

Non-standard Building Form; Case Study; Numerical Control Construction; Surface Optimization

TU201.4

B

2095-6304（2016）06-0019-04

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160604

2016-08-21

（編輯：袁李姝）

* 黑龍江省杰出青年科學基金資助項目（2016JC008）

孫 澄： 哈爾濱工業大學建筑學院，教授，suncheng@hit.edu.cn

韓昀松：哈爾濱工業大學建筑學院，講師

孫澄, 韓昀松. 由概念草圖到物理模型的非標準建筑形態設計探索[J]. 西部人居環境學刊, 2016, 31(06): 19-22.