基于非線性科學的建筑設計

解 麒 華

(廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005)

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基于非線性科學的建筑設計

解 麒 華

(廈門大學建筑與土木工程學院，福建 廈門 361005)

介紹了建筑非線性的定義，從突變、混沌、分形等角度，闡述了非線性建筑的重要形式語言，提出了新幾何學、非線性結構、環(huán)境生態(tài)學等幾種設計非線性建筑的新途徑，以豐富建筑的外觀形態(tài)。

建筑設計，非線性科學，環(huán)境生態(tài)學，新幾何學

1 建筑非線性概述

非線性科學使人類從全新視角認識自然和社會。超越了牛頓原理和線性科學，而屬于隨機的、模糊的復雜科學領域。

非線性建筑，概括地說，就是在其設計過程、方法、結果等方面符合非線性特征的建筑形式。非線性建筑在狀態(tài)上具有開放、動態(tài)、模糊、非平衡特征，在結構上具有去中心、層次、相關特征。受涌現、混沌、模糊、耗散等復雜性、非線性科學理論影響，非線性建筑得出一種自由曲面建筑形態(tài)，它從自身性能要求和周圍環(huán)境影響出發(fā)，試圖構建一種新的美學、科學和哲學框架，從而適應了非標準、不規(guī)則的因素。

2 非線性建筑的建筑表達

非線性建筑在形式語言上呼應了復雜理論、自組織理論、混沌理論、非線性動力學等，曲面非線性是其在建筑形象上的首要特征。突變、自組織和分形是非線性建筑的重要形式語言。

2.1 突變

從突變論出發(fā)，極度優(yōu)化的建筑設計也預示著對缺陷的極度敏感，而易于產生致命的損傷和災害。運動是絕對的，刻意追求靜止穩(wěn)定態(tài)會引發(fā)根本的矛盾。

以高層建筑為例，允許其在風力等荷載作用下產生一定的位移反而是合理的，能夠有效預防突發(fā)的傾覆。

建筑設計也是如此，過度追求形體均衡和功能嚴密，就會造成建筑對其環(huán)境因素的極度敏感。非線性建筑則在根本上解決了這個問題。非線性思維下的設計本身就充滿矛盾，建筑設計處于持續(xù)的運動中，并不追求極度的勻稱。這樣，就能夠在運動中找到更和諧的平衡。由扎哈·哈迪德建筑師事務所設計的黎明之塔就是變與不變和諧統(tǒng)一的典范之作，圖1是黎明之塔的設計過程中的形體演變。

2.2 混沌

決定論認為，初始條件一定時，事物的發(fā)展是可以預見的。而混沌否定了這一想法，它是產生自確定性的非線性動力學系統(tǒng)，表面卻似無規(guī)則的類隨機現象。

仙臺媒體中心就很好地體現了混沌的思想，它由十三根海草型的管柱支撐起六層地板，形成空間主體。設計師伊東豐雄基于人與空間的開放性與互動性思考，設計了這種不確定的空間。空間主體不設隔墻，給使用者充分的空間和自由的感覺。整棟建筑于混沌中充滿了和諧和柔和，如圖2所示。

2.3 分形

混沌具有確定與非秩序的矛盾屬性，而分形，則可以認為是秩序的保留，是非線性和混沌中隱藏的確定性。自然界中，非確定的物質常常在其功能、結構等方面存在自相似性，這就是分形。

這種分形是對復雜性更深層次秩序性的重要表達，這種自相似、自仿射的手法也是非線性建筑的重要形式。眾多建筑師采用分形幾何的理念成就了許多建筑的經典之作，如圖3所示。

2.4 非線性建筑設計的表現方法

非線性建筑設計的表現方法主要有：流動曲面、折疊融合、傾斜疊加和旋轉扭曲，如圖4所示。

流動手法通過運用曲線和曲面構造建筑的空間，給予傳統(tǒng)“盒子”建筑難以呈現的強烈運動感。

折疊手法打破了傳統(tǒng)建筑立面與平面的絕對垂直關系，使之融為一體，將建筑構建成內部與外部空間相融合，空間與人流相適應的形態(tài)。

傾斜手法的運用是用多緯度的幾何體替代了傳統(tǒng)笛卡爾坐標系的橫平豎直，賦予建筑破碎感。

旋轉手法基于基本型的旋轉生成沿母線的流動形態(tài)，構成新的多維建筑形態(tài)。

3 設計非線性建筑的新途徑

3.1 新幾何學

非線性建筑以形態(tài)為最顯著特征，其發(fā)展離不開對分形、拓撲等幾何學(如圖5所示)的研究。

分形幾何的本質在于自相似，是非線性建筑空間的重要來源，可以產生傳統(tǒng)幾何難以企及的構型。從拓撲學出發(fā)，將空間進行扭曲延展也是非線性建筑設計的重要思想，可以產生極好的形態(tài)效果。

3.2 非線性結構

直線受力是牛頓力學中最科學的結構形式。但在非線性科學角度，曲線結構的優(yōu)美和合理性是無法取代的。

西班牙建筑師Calatrava是建筑結構美學大師，善于將建筑和結構兩個層面相結合，來指導建筑設計，進行創(chuàng)作。這種結構美學與建筑形態(tài)美學相結合的方法能夠把力學、數學、美學完美結合在一起。基于這種思想，他創(chuàng)作的一批建筑作品享譽世界，如巴倫西亞科學城中這種把橋梁結構和建筑結構相結合的形式。

3.3 環(huán)境生態(tài)學

建筑總是存在于一定的環(huán)境中的，而且必須具有對環(huán)境的適應性。地域環(huán)境對建筑形式的選擇、結構的確定和空間的優(yōu)化都具有顯著的影響。如果建筑師能夠主動的利用環(huán)境，比如光線、風向、地勢、降雨降雪，將會創(chuàng)作出令人眼前一亮的作品，而且將會有利于建筑節(jié)能目標的實現。

比較典型的例子來自于倫敦市政廳(見圖6)，它來自于建筑師Norman Foster之手。整個市政廳建筑呈變形后的球形體，整體向南傾斜3°的設計使得每一層樓板自動成為下一層空間的遮陽板，而且這種錯位的設計還自然而然的加強了市政廳內部的自然

通風，從而降低了人工通風能耗，增強了節(jié)能能力。這種傾斜設計也保留了對建筑環(huán)境的敬畏。建筑北側沿河的人仍然可以接受到日光而不被建筑遮擋。另外，市政廳曲線靈動的形態(tài)也更好的實現了與周圍環(huán)境的融合。

4 結語

非線性建筑以非線性思維為設計基礎，常常在突變、混沌中體現出復雜性，又會以分形和拓撲的方式體現出更深層次的秩序性。

非線性建筑可以創(chuàng)造出不同于傳統(tǒng)歐幾里得幾何建筑的優(yōu)異形態(tài)。通過前沿幾何學、非線性建筑結構、環(huán)境生態(tài)學的研究，能夠形成新的非線性建筑設計思路。

依托于飛速發(fā)展的數字技術，非線性建筑設計為城市空間提供了浪漫和靈動的氣質，取得了飛速的發(fā)展。但必須指出的是，在進行非線性建筑和線性建筑的選擇時，需要根據現實的區(qū)域環(huán)境、經濟條件和人文歷史進行深入細致的探討對比分析。

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Architectural design based on non-linear science

Xie Qihua

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,AmoyUniversity,Xiamen361005,China)

The paper introduces the definition of the non-linear buildings, illustrates the important language for the non-linear building, and points out the new channels for some non-linear buildings from the new geometry, non-linear structure, and environmental ecology, so as to enrich the outlook of the buildings.

architectural design, non-linear science, environmental ecology, new geometry

1009-6825(2017)10-0025-02

2017-01-23

解麒華(1995- )，女，在讀本科生

TU201

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