非線性與參數化設計在喀什體育中心項目體育場的應用

黃　欣

(廣東省城鄉規劃設計研究院,廣東 廣州　510000)

1　非線性與參數化設計

非線性建筑是一種連續流動狀的形體，與傳統的線性設計體塊關系不同的是，非線性建筑常常是一整個形體的空間關系。這種形體來源于對周邊環境因素及建筑性能的分析，建筑的設計過程就是對建筑各個影響因素的動態研究[1]。將各個影響因素由概念發展為具體，由于影響的因素比較復雜，所以最后形成的形體也是不規則的。

現代軟件的發展特別是航空設計軟件的民用化使得非線性設計在全世界流行起來，早期的蓋里的畢爾巴赫古根海姆博物館讓世人對這類建筑的雕塑美感感到震驚，這棟建筑應用了當時波音公司最先進的航空設計軟件CATIA。隨著軟件的發展，現在非線性軟件如瑪雅、犀牛等軟件在建筑設計當中流行起來。這類流體般的建筑不僅在形體的生成上依賴于計算機軟件技術，并且在形體的建造上也依靠計算機輔助制造技術。通過參數化設計，將不規則的流體形體以相對邏輯的方式在計算機中切割形體，賦予建筑細部。通過不斷的修正，最終生成建筑形體。而借助于計算機數控機床，非標準的建筑形體可以拆分為不規則的部件，由計算機數控機床自動制造出來，并組裝成型。

相對建筑設計常用的Sketchup軟件(基于Polygon)，犀牛軟件是一款基于NURBS為主三維建模軟件，是功能極其強大的三維建模軟件，是具有特殊實用價值的高級建模軟件。Grasshopper(簡稱GH)是一款在Rhino環境下運行的采用程序算法生成模型的插件，是目前設計類專業參數化設計方向的入門軟件。不同于Rhino Script,Grasshopper不需要太多任何的程序語言的知識就可以通過一些簡單的流程方法得到需要的模型，設計師僅僅需要了解各個模塊(俗稱電池)的關系即可通過連接模塊就可以組合生成復雜的空間模型。

2　非線性與參數化設計的應用

喀什體育中心總用地面積約360畝，建設有體育場、訓練場、體育館及游泳館。其中的體育場建筑面積約2.8萬m2，最高處建筑高度約34 m，容納約1.5萬名觀眾，在這個建筑的建筑設計上運用了非線性設計手法，從方案的概念開始一直應用犀牛軟件(Rhino 4.0)建模，Grasshopper編程，通過無數次的調整，最終形成了現在的體育場形體。

將體育場基本的功能流線關系處理好后，將體育場平面導入犀牛軟件，并在犀牛中拾取基本的外輪廓線條。設計基本的屋面輪廓，通過雙軌掃掠生成最初的屋面形態，形成體育場屋面的最早形體，屋面形態較為簡單，弧線的柔美度一般。

經過平面柱網及建筑功能的不斷深化，初步形成四個片區的三維弧面，通過設計深化四個片區交接的剖面，控制排水方向及足夠的使用高度，通過多軌掃描生成基本的弧面。多次深化的建筑控制軸線通過投影曲線命令在基本弧面上生成三維線條，將三維線條放樣生成更加精確柔美的曲面(見圖1)。在觀眾大廳及觀眾休息廳一側中加入鯊魚腮的概念，形成有地域特色的空間(見圖2)。方案初期的鯊魚腮較為簡易，沒有考慮實施性及實際效果。通過風動試驗發現這種方式有利于屋面的受風作用力的平衡，根據風動試驗的結果，每個建筑控制軸間的鯊魚腮由一組加多為兩組，并在兩個坐席中間的屋面也加入鯊魚腮概念的天窗，以利于分解屋面的風壓(見圖3)。

隨著方案的確定，屋面曲面造型逐步穩定下來。施工圖設計的開展對鯊魚腮的深化的準確性提出了要求。這時候，我們將通過結合犀牛的程序算法插件Grasshopper來計算細化這些洞口。最初的數學概念比較簡單，直接將整體曲線平均劃分為n份即可，假設有n個柱網，即有n×2個曲面洞口(即鯊魚腮)，但是隨著施工圖的深化，西側看臺長度接近200 m，結構劃分為三個區，設置有結構伸縮縫，使得平均分配無法成立，東側看臺沒有受到伸縮縫的影響，故可以直接平均劃分。通過檢查可以發現，初級模型平均劃分的洞口精度不夠，并且與每一品桁架無法精確的交接。

這時需要將每一品桁架輸入到Grasshopper當中并將弧形洞口的上端及下端數據同時輸入，計算得出交叉點。最終生成精確的控制洞口的四個點(見圖4)，并且四個點都在弧面上。每個鯊魚腮洞口的精準定位，為施工圖的深化打下了堅實的基礎。

鯊魚腮的材料選擇為PTFE建筑膜材(孔隙率為30%)，PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。這種膜材有較好的焊接性能，有優良的抗紫外線、抗老化性能和阻燃性能。PTFE建筑膜材適應鋼結構的變化，不同于大多數固體建筑材料,柔軟的PTFE可被拉伸成各種動態的弧線形狀。喀什地區風沙大，在使用期限內,PTFE只需做極少量的清潔工作，雨水或風會把塵土沖洗掉。選用孔隙率為30%的PTFE在考慮透光率的同時，也有利于整個屋面系統的風壓的平衡。

3　結語

在本項目體育場的設計中運用一定非線性設計及參數化建模相對來說還是一個比較淺顯的嘗試。除輕型鋼結構屋面采用參數化建模外，其他都是較為傳統的推拉建模方式，施工圖的深化也是傳統的平立剖直接推敲的設計方法。

參數化設計的炫目外觀常常招致“形式大于功能”的批評，然而卻并不是參數化設計的初衷。參數化設計是一種設計邏輯，與形式沒有必然的聯系，更不以嘩眾取寵的造型為目的。非線性與參數化設計同樣以環境、人的行為方式、功能為基本出發點，分析這幾個基本點后邏輯化，并反映到建筑物當中。

但是，不能否認的是參數化設計的過度自由同樣也使得建筑設計者容易受到軟件的牽制，使得設計者本身受到夸張炫目的圖像的吸引，忽視人的尺度、周邊環境、投資及材料的構造方式等。非線性及參數化給了我們更豐富的想象空間，作為一種思考及設計方式，作為設計者的一種工具，需要在設計者的職業素養的前提下恰如其分的得到應用。

參考文獻：