非線性設計與建筑創新核心探索

薛穎，屈壯

（1.濟寧職業技術學院，山東濟寧 272000；2.濟寧市建筑設計研究院，山東濟寧 272000)

1 引言

近年來，隨著生活水平不斷提高，人們對自身的居住環境提出了更高的要求。為了滿足人們對居住環境的要求，設計人員在進行建筑創新設計的過程中融入了非線性設計元素，以改善建筑的外部特征，使建筑能夠從原本方正簡單的幾何形體中跳脫出來，更好地滿足現代人的審美需求。

2 非線性設計理念

非線性建筑作為連續流動狀的形體，源于對建筑性能及周邊環境因素的分析，建筑設計過程就是對各種影響建筑因素的研究，通過提練與綜合，將各種影響因子從概念發展到形象，成為建筑的最終形體，由于復雜的影響因素，建筑的形體必然是不規則的[1]。

對于建筑設計，非線性結構是指不同于常規方正的建筑結構的形式，以曲線、曲面、扭曲形體為代表，表現建筑的雕塑感和視覺張力。非線性建筑設計傾向于動感強烈、風格多變的自由空間造型藝術領域，強調城市與建筑的整體性，建筑整體與局部同構且相似。非線性結構建筑的空間與形體表現具有復雜性，建筑表面體現出一定的自由與隨機性，但有著內在的邏輯和理性，強調過程設計，重視環境、人、氣候、經濟、文化各因素之間的相互作用。因此，傳統主與次的抽象幾何手法在非線性結構建筑設計中不再適用，二維平面圖紙也不再適用，對于該類建筑，從最初設計到施工整個過程，計算機成為主要工具與技術手段。

3 非線性設計的產生

建筑的形式和風格與其所處時代背景密切相關，新發展環境下，伴隨著各種學科的交叉融合，建筑理論得到了創新發展，建筑設計也變得更加豐富。受新思想、新理論的指導，建筑設計人員在建筑設計實踐活動中創造出了許多新的建筑理論和建筑形式。以可持續發展理念為支撐，建筑設計人員開始在建筑結構設計中嘗試非線性設計，其本身打破了歐幾里得幾何學以及現代主義建筑均質空間的限制，使建筑空間更加自由，風格也更加多變。

非線性建筑改變了設計師單一的創作理念，打破了傳統建筑“四四方方”的規范形式，展現出了更多的曲線和曲面，體現出的建筑空間造型風格更加豐富，使受眾對建筑的審美觀念發生轉變。曲面間的柔滑過渡是非線性建筑形體間的空間關系體現，能夠體現出十分強烈的流動感，帶給人一種耳目一新的審美體驗[2]。大膽與創新的建筑方案，不規則的建筑形體具有強烈而富有激情的視覺沖擊力，可以迎合人類社會的發展趨勢，符合當代人精神與心理需求。

4 非線性設計中建筑的表面特性

非線性建筑表面是指在非線性科學的影響下形成的非線性的建筑外觀，它具有動感和復雜的形態。非線性建筑的表面有2 種含義，即非線性建筑的表面和線性建筑中具有非線性特征表面的部分。

4.1 非線性建筑表面的形式表現

非線性建筑表面越來越受到建筑師的重視，基于當代非線性理論在建筑領域的深入應用，非線性建筑表面的形態呈現出多樣化的特征，主要表現在以下方面：

1）混沌的非線性表現。非線性建筑表面的設計方法以混沌理論作為非線性建筑表面設計的基礎，混沌理論主導透過現象看到本質[3]。中國古代的非線性思維體現在“道”是中國傳統哲學的核心，是宇宙的本源和總體，是萬物生長變化的基礎?！暗郎?，一生二，二生三，三生萬物?！暗馈睂θf物的創造，是一個由少到多、由簡到繁的系統過程，描述了混沌系統的演化過程和分形產生的動力學機制。“沖氣以為和”這句話中的“沖”是指沖突和交融，是指系統中矛盾的各方相互碰撞，形成新的統一?！暗馈痹谶壿嬚Z言中也很難把握和闡明?！暗揽傻?，非常道”強調“道”的“恍惚”特征。用“象罔”這個詞來描述有無組合的混沌狀態，既模糊又閃爍，揭示了系統的非線性本質。

在混沌理論的影響下，建筑表面的形式和以往有較大的不同，以自然形式為原型的設計方法有：原型類比，例如，例馬巖松《浮游之島》設計方案；具象模仿，例如，例弗蘭克·蓋里的《魚舞餐廳》設計。除此以外，還有以曲線為基礎要素的設計方法，折疊成型的設計手法等。

2）對幾何形律的邏輯性表現。建筑表面設計中，對幾何學理論應用有了深入的嘗試，主要從表面形式的分形拓展、拓撲變形、計算機輔助表現3 個層面進行嘗試。

3）在信息社會背景下，建筑表面呈現出不穩定的表面突變形態，表面也充當著信息化和媒體化的載體，建筑表面中融入了信息。在滿足遮風避雨等基本功能的基礎上，還有利用高科技達到技術與藝術的完美結合，展示建筑本身的特殊性及傳播城市媒體的功能。

4.2 非線性建筑表面的技術表現

1）材料的選擇和使用影響非線性建筑表面的生成，是非常關鍵的內容。設計人員會在建筑中使用厚重、堅固的石材，堅硬、穩定的鋼鐵，綠色、柔軟的植物等，通過表面材料的選擇，凸顯性質、詮釋自身設計理念，從這個角度分析，表面應用及表現性是現代建筑非線性設計中的一項重要內容。

2）結構技術研究支撐非線性建筑表面生成。通過結構技術的表現，也就是表面形態，分離暴露結構構件，反映結構形態。建筑傳達的是藝術性，結構性表面的表現超越了力學本身的含義，帶來了象征意義[4]。合理的結構就像建筑的骨架，是建筑物成功的關鍵和保證。結構類型的多樣性帶來了建筑功能的解放，而建筑精神和意義的表達不斷突破多方面的限制。

3）從環境生態學角度研究非線性建筑表面。做設計方案時主動利用自然環境，不僅能在生態節能方面積極改進，還能創造出非常經典的建筑作品。倫敦市政廳就是典型的利用環境生態進行創作的非線性作品。建筑師福斯特將建筑整體設計呈變形球體，向南傾斜3°，樓板將自動成為每個樓層的遮陽板。建筑內部空間的自然通風可以減少空調的能耗；北側河邊道路不會被建筑物遮擋，既綠色環保，又優美動人。

5 非線性設計與建筑創新

5.1 非線性建筑設計思路

1）詳細的建筑方案分析調研。詳細分析場地、環境，氣候、交通、功能和使用要求，結構合理性，經濟條件等數據，提取關鍵性的矛盾與因素，進行圖解表達，形成設計依據和出發點。

2）借助計算機軟件形成空間結構的雛形。在非線性建筑設計中，借助計算機軟件，如3DMax、Photoshop 等，以直觀的視覺獲得想要的建筑空間形式。建筑形式的不同元素（梁、柱、墻等）。被抽象成3 個元素：點、線和面，這三要素的不同組織法則也產生了不同形式。借助計算機軟件可將二元圖形轉化為三維結構模型，形成空間結構的雛形。

3）結合結構確定建筑形體。在非線性建筑設計基礎上，不同的功能與不同的場地環境條件會導致不同的建筑形體，這就需要反復調整和比較，合理的建筑設計能夠降低結構形式選擇上的難度，合理的結構是使建筑方案得以實現的保障。

4）重視節點構造設計。節點結構最能體現建筑的特色氣質和細節，是對建筑的修飾與雕琢，是建筑方案最終成功的關鍵。通常以三維模型的形式表現，輔以繪圖動畫。

5.2 非線性建筑與數字化設計

作為信息時代的產物，非線性建筑從設計到施工都高度依賴數字技術，這也是其重要特征。大量數字技術在建筑中的應用，使其成為一種開放、動態的信息媒介，體現出強烈的時代感[5]。

就目前而言，在現代建筑創新設計領域，許多優秀的設計軟件已經得到了應用，如AutoCAD、3Dmax、BIM 等，借助這些先進的軟件，設計人員能夠更加精準地把握建筑中各個構件的信息，而軟件也可以支持對復雜結構非線性設計的清晰呈現。從設計人員的角度，在推動建筑創新設計的過程中，應及時更新觀念認識，運用更多的計算機軟件來提升設計工作的效率和效果，同時，為后續工作的實施提供便利。在進行非線性設計過程中，三維模型屬于十分必要的輔助工具，能夠為設計與施工人員提供精準的數據信息，在確保三維模型準確可靠前提下，將其提供給施工單位作為施工參考。另外，三維模型還具備一些其他功能，如面積計算，非線性建筑本身的形體并不規范，一些處于斜墻面下的空間面積可能無法在平面圖中直觀反饋出來，運用計算機軟件能夠實現對模型的進一步優化和完善。

例如，弗蘭克·蓋里的方案設計，主要設計過程為：以實體模型和數據模型的推敲為主導，首先是手工模型制作，主要用于對建筑環境、功能和空間等因素進行分析；然后利用計算機軟件將三維點信息整理成三維建筑表面信息；進一步優化篩選，通過三維數字化掃描，將人工模型轉化為計算機中的三維點信息，從而制成實體模型。評估、修改、重新掃描和重新分析實體模型。如此循環往復，直至得出設計師滿意的結果。

6 結語

新發展環境下，我國經濟建設取得了較為顯著的成果，帶動了各行各業的發展，伴隨著人們對建筑需求的增長，建筑設計人員在建筑設計中不僅需要考慮其基本功能需求，還必須加強建筑設計創新。提升建筑設計的靈活性，為建筑設計和創作提供了新思路，創造出了更符合環境與人性的建筑空間與形式，給人們帶來新的世界觀與建筑觀，為人們提供相對新的建筑使用和審美體驗，有助于推動建筑行業的創新發展。