有機非線性建筑參數化設計方法研究*
——以夢露大廈為例

文/大連民族大學建筑學院 劉欣然 馮梓琪 薛文一 趙霄冉

0 引言

“有機”這個概念源于生物學，是指事物構成的各部分相互關聯，具有不可分割的統一性。隨著建筑技術的不斷發展和人們對于建筑形態的不同理解，曲面、不對稱、非線性的建筑逐漸進入大眾視野。這種建筑無論是在流線方面還是空間形式方面，均非偶然生成，而是在自然界中尋求靈感，將其抽象化處理、邏輯化整合后呈現一種結構表皮一體化的連續有機形態。與傳統的“盒子”形態不同，有機非線性建筑更像一個流動的整體，各組成部分相互交融使空間的對話感更強。隨著對國際建筑的審美疲勞，與以往任何一次建筑運動或是建筑風格、思潮的產生相同，非線性建筑的產生不僅受到科學技術及審美的影響，同時其哲學思想也為非線性建筑的產生提供依據。

1 國內有機非線性建筑設計研究現狀

相較國外，國內對于有機非線性研究起步較晚，但目前發展速度喜人。由于受相關研究者、技術以及資金方面的局限，某些設計僅停留在理念與模型階段。但最近參數化設計軟件的使用加大了方案的落地幾率，越來越多不同形態的建筑也在“破土而出”，無論是概念設計還是模型搭建軟件的間相互協調、輔助，均成為有機非線性建筑生成中不可或缺的一部分。施工方面由于參數化軟件的加入，將整體化的模型打碎成為獨立的構件再進行編號與重組，為施工提供極大便利。

2 典型案例實踐與驗證

2.1 加拿大夢露大廈

2.1.1 建筑概況

夢露大廈是由中國建筑師馬巖松及其團隊MAD建筑師事務所負責設計的位于加拿大安大略省密西沙加市的地標性建筑（見圖1）。夢露大廈的設計試圖反映并強調自然與人類的復雜性和合理性，希望建筑本身是一種自然的反映和強調。高塔形設計有力陳述了其重要性和標志性，使得基地區域再次成為城市的中心[1]。

圖1 夢露大廈外觀效果

2.1.2 建筑結構

作為超高層建筑，夢露大廈的結構屬于框架-筒體主體，外觀無論如何旋轉扭曲，均只是在表皮形態上操作，用建筑中間的核心筒結構作為主要的承重體系。這種方法不僅可保證結構的堅固,而且使外形的設計更加自由，外表皮每層扭曲的造型和荷載均由核心筒結構承載，同時核心筒內鋼柱間隙用來布置交通電梯井道和各種管井、樓梯間、衛生間等。

2.2 參數化設計邏輯與程序

參數又稱參變量，數學概念中是為解釋因變量與自變量關系而存在的變量形式，重在描述變量之間的關系或變量之間存在的運作形式，能控制變量之間的變化[2]。參數化設計分為2個部分：首先是基礎數據的取得，然后是參數化模型的生成。通過對取得數據的整合與嘗試，將其輸入提前設計好的建筑形態生成的邏輯框圖中，實時觀察各視圖中建筑的變化，保證建筑模型統一（見圖2）。

圖2 參數化設計流程

2.3 基于Rhino-Grasshopper的夢露大廈形態設計驗證

無論多復雜的建筑表皮，其最開始均以二維形式出現。所以建筑表皮的設計，最開始一般要從平面著手分析漸變表皮的基礎結構，然后設計結構形體[3]。通過對夢露大廈形態的分析與模型的生成掌握Rhino的操作，以參數化插件Grasshopper進行加成。與此同時，二者的相互協作使一成不變的建筑元素變為靈活多變的參數模型。了解Grasshopper中每個電池的特性（選擇類、數學運算類、狀況類、矢量類、線性工具、面工具、網格工具、變換類工具、展示類），首先在Rhino中找到結構的中心平面，再利用Grasshopper進行可視化編程，曲線工具中選擇橢圓工具賦值在平面上生成1個橢圓。平面生成完畢后，利用移動與向量指令(Series)確定方向與所需數量向上生成多個等距相同橢圓，將大量需要重復人為操作的步驟直接交由程序自動生成（見圖3）。

圖3 基礎平面形體生成

確定橢圓幾何中心點，使用旋轉工具形成旋轉形態（Geometry表示所需要旋轉的對象Angle旋轉角度Plan基于某平面進行旋轉），于其幾何中心點進行旋轉總計。從平面的角度實現模型整體拆分式的扭轉，形成1個表面平順的非線性三維模型。由于夢露大廈的旋轉角度為180°，因此使用平分工具（Range Domain區間Steps區間的分割次數），自此夢露大廈基線已經生成完畢（見圖4）。

圖4 扭曲外形生成

下一步是要根據基線生成樓板層，具體思路是利用偏移命令（Offset指令中的Distance接收口）將基線向外偏移出一定的尺寸，設定偏移距離生成平面，由于此時生成的僅是沒有厚度的平面，因此要將其向上擠出成為1個三維體塊，將線段平分再次向上擠出形成建筑玻璃幕墻結構，此過程結束后，樓板層與玻璃幕墻生成完畢，下一步同理偏移擠出生成樓板層外部基線形成陽臺的圍護結構。接下來為圍護結構添加細部扶手部分。首先將圍護結構底部基線向上移動，利用矩形工具(Rectangle)基于x、y平面進行生成扶手細部平面矩形，最后將生成的矩形進行形態偏移（Swp1）形成一個以圍護構件平面橢圓為基線的一個閉合形態。生成外部圍護結構的支撐結構，首先將外圍護結構進行等分并用射線工具（Pipe）將等分點生成線，同理生成玻璃幕支撐。自此整個模型的Grasshopper部分生成完畢（見圖5）。

圖5 模型細部點綴

3 結語

隨著后工業化時代來臨，新型建筑空間結構技術的成熟與新型建筑材料性能的提高，未來將會有更多的有機非線性建筑產生，這將是一個時代的必然產物。本項目經過1年的學習研究，從前期對有機非線性建筑的大量調查，到對典型案例夢露大廈，從基地環境，體態生成均進行詳細的分析，最后在基于Rhino的Grasshopper中進行了夢露大廈的結構與形態的復原生成。由此實踐操作認識到非線性建筑參數化設計的便利性，因此對項目的研究有更加深刻的理解。