非線性建筑從設(shè)計到施工難點及解決方案
——以平潭海島科學博物館項目為例

李國勇 （同濟大學建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海 200092）

0 前言

非線性源自于非線性科學，屬于復雜性科學(Complexity Science)的范疇，完全掙脫了經(jīng)典線性科學的束縛，使人類對自然和社會的認知角度走向了動態(tài)的、傾斜的、模糊的、不規(guī)則的科學領(lǐng)域。

在當今設(shè)計科技水平不斷進步的同時，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，富有動感韻律的建筑藝術(shù)作品。非線性建筑的先行者以及推動者——扎哈·哈迪德，她的設(shè)計語言“動態(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)計手法帶來的不僅是一種全新的空間體驗和建筑形式，也給現(xiàn)代主義建筑開辟出了一個全新的發(fā)展方向。這種類型的建筑更加注重對建筑復雜性的關(guān)注，以流動、自由、隨機、不規(guī)則、非標準的非線性，來反應(yīng)與控制建筑與場地的共生對話。

非線性建筑能夠形成強烈的視覺沖擊，因為在建筑形體的塑造中運用了大量的雙曲線、自由曲線、拋物線等復雜曲線，因此非線性建筑從設(shè)計到施工階段都存在著空間表達、結(jié)構(gòu)選型、平面定位、節(jié)點構(gòu)造等一系列的相關(guān)問題。

1 項目背景與概況

平潭綜合實驗區(qū)位于福建省東部沿海，東瀕臺灣海峽與臺灣隔海相望，是大陸距臺灣最近的海島縣。平潭地處臺灣海峽中北部，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，有海島科學博物館、科研樓、海島海岸保護實驗館、海島生態(tài)修復實驗館、水族館、學術(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。

平潭海島科學博物館，地上5層主要以展廳和藏品庫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)計各階段問題及解決方法

2.1 方案階段

問題：如果將當?shù)靥厣嘏c海洋、科研等主題聯(lián)系起來

解決方法：平潭當?shù)鼐哂袠酥拘缘牡胤教厣饕校汉u文化、科研船、海螺、石厝文化等，那么具體到我們的方案設(shè)計中應(yīng)該怎樣將這些地方元素融入到建筑設(shè)計中。

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”為意向進行主體博物館的設(shè)計，符合項目定位和背景，在設(shè)計的過程中采用抽象的設(shè)計手法，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，通過提取海螺形態(tài)的數(shù)學邏輯，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)計上，采用了螺旋樓梯，提取海螺形態(tài)的數(shù)學邏輯的同時呈上大下小進行設(shè)計，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造型相呼應(yīng)，并營造出一個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本進行展覽，讓人們的參觀更形象直接。同時隔一段平臺還可設(shè)置休憩區(qū)域，體現(xiàn)人性化的同時也可讓游客停下來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。將海螺的意向充分的體現(xiàn)在整體的建筑形象中。

在造型上取乘風破浪的科考船為意向，進行抽象化設(shè)計，形成具有震撼力的立面形態(tài)。底層采用了平潭海島當?shù)氐氖模仁鞘任幕捏w現(xiàn)，又增加了建筑的厚重感。

方達生一看臉都白了，他說：“小夢，我知道你是真心愛孩子，舍不得孩子，我們不會逼著你馬上離開他，會給你時間……”

2.2 擴初及施工圖階段

問題：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、幕墻的節(jié)點設(shè)計、屋頂?shù)姆浪⒃O(shè)備的管道等相關(guān)問題。

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

因此我們本次項目采用Rhino和BIM相結(jié)合的建模形式，通過軟件的輔助來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)導入BIM軟件中，將建筑模型通過平臺進行整合，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題。

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

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程中建筑對排水、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（玻璃纖維增強混凝土）內(nèi)層幕墻系統(tǒng)采用GRG(玻璃纖維加強石膏板),通過與專業(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通過三維模型軟件將復雜的建筑形體分為若干組獨立系統(tǒng)，使得復雜的形體和結(jié)構(gòu)構(gòu)件變得簡單明了。通過BIM平臺可以將最終的三維模型轉(zhuǎn)化為各種可以指導施工的二維圖紙，以及各種節(jié)點的細部構(gòu)造做法，而且可以整體關(guān)聯(lián)局部修改，相關(guān)圖紙也會隨之自動調(diào)整，節(jié)省了工作時間，提高工作效率。

3 施工階段

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

解決方法：模板需要按照圖紙尺寸進行放樣，所以現(xiàn)場的施工人員需要在計算機上把結(jié)構(gòu)板按照模板常用規(guī)格分成網(wǎng)格塊，通過在計算機里面測量構(gòu)件尺寸，根據(jù)測量的尺寸制作每個構(gòu)件所需的相應(yīng)模板，通過主次龍骨提前調(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)件的板底標高確定好每一根桿件的高度，通過斜撐、拉結(jié)加固，確保后續(xù)的施工以及養(yǎng)護階段沒有變形。

汲取南京青奧中心、長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心等已經(jīng)建成項目在施工控制過程中的一些優(yōu)點以及處理方法。

在項目的整個施工過程中，定期與設(shè)計人員以及業(yè)內(nèi)資深建筑師進行溝通，及時交流項目過程中遇到的各種問題，采用云平臺進行項目圖紙、模型的管理。綜合MR、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)，體現(xiàn)項目的智慧綠色建造過程。

4 結(jié)語

非線性建筑從發(fā)展初期到現(xiàn)階段的逐步成熟無不依賴科學技術(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。尖端科學技術(shù)越來越多的運用在具有時代感的建筑設(shè)計中，給人們視覺上帶來沖擊的同時，也觸動了我們對未來建筑發(fā)展方向的思考。希望可以通過建筑的表象形體來引發(fā)人們對其形成過程的深思，來提升人們對當今越來越多的非線性建筑的認識和理解。