非線性建筑中參數化應用與優化

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【摘要】非線性建筑擺脫了歐幾里得幾何坐標系的建筑空間，傳統的設計軟件沒法快速對曲面進行優化設計，因此參數化軟件應運而生，通過參數化軟件將設計師頭腦中的邏輯快速寫成可視化的程序，對曲面進行平板化優化設計，對建筑體型及構件形式進行優化設計，減少施工難度，提高建筑的技術指標。

【關鍵詞】非線性建筑；參數化技術；優化設計

1研究背景

近些年來，隨著我國經濟和技術水平的提高，人們對美的理解也隨之提高，在現代大師柯布西耶線性建筑的基礎上，越來越多的人開始對曲面的建筑形式進行研究，逐漸形成了非線性的建筑空間理論。至此，越來越多的建筑師加入到這一先鋒的洪流中，但是曲面作為高階的空間平面，傳統的線性方法無法準確描述這一結構。盡管越來越多奪人眼球的非線性建筑作為城市地標建成并投入使用，但是由于我國對非線性建筑的研究較淺，其細部設計和建造方面尚需在設計層面上對其進行優化，而不是像流水線一般，方案做完交給施工方來解決。這樣在后續的不斷“傳話”中難免造成“賣家秀”與“買家秀”的現象。以扎哈·哈迪德設計的廣州歌劇院為例。該項目在設計過程中，由于扎哈事務所只負責了項目的初步設計階段，并沒有對建筑曲面部分細節進行可行性設計，后期的施工圖設計則是由當地設計單位完成。但擁有較強非線性建筑設計經驗的扎哈事務所，在施工圖階段沒有給予足夠的指導和幫助，加之當地設計單位尚未有能力獨自進行優化設計。而正常的表皮優化處理需要跟設計師不斷地思想碰撞，尋找一個效果與可建造的平衡點，才能完全地保持原有扎哈的設計形體。因此導致建筑立面的細分、室內管線與結構交接節點等細部設計處理不當。建造過程中就更難修正這些問題，再加上本身復雜的曲面形體選擇石材作為表皮加工難度大，最終導致建成的廣州歌劇院立面拼縫參差不齊。廣州歌劇院的建成效果在一定程度上反映了國內非線性建筑存在的問題，作為造型獨特的地標性建筑，“只可遠觀”成為人們詬病的對象。

2參數化輔助設計

數字化軟件繁多，本文主要基于Rhinoceros+Grasshopper軟件平臺進行簡要介紹。Grasshopper是一款在Rhinoceros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。與傳統建模工具相比，GH的最大的特點是可以向計算機下達更加高級復雜的邏輯建模指令，使計算機根據擬定的算法自動生成模型結果。通過編寫建模邏輯算法，機械性的重復操作可被計算機的循環運算取代。同時，設計師可以向設計模型植入更加豐富的生成邏輯。無論在建模速度還是在水平上，照傳統工作模式相比，都有較大幅度的提升。

3非線性建筑中應用曲面優化設計

非線性建筑的體型在設計初期很可能是設計師的手繪稿，或者三維軟件中感性的建模。在目前建模軟件中，rhinoceros可以很好的使用Nurbus來精確的描述空間曲線，可是Nurbus曲線雖然精確，但是卻不滿足施工建設的要求，在大體量非線性建筑中無法大規模建造。因此，對Nurbus曲線的優化是建筑師與建筑能否落地之間的橋梁。對于Nurbus優化成可建造的曲線思路是將Nurbus曲線用大大小小的圓弧段來擬合成貼合原曲線的曲線。這個方法在傳統工具中實現非常繁瑣，而在Grasshopper中可以借助計算機來幫助我們實現遺傳算法的計算，大大節省了時間。具體思路是這樣的，我們將原曲線任意分成若干份，提取該線段的首尾點及中點，以這三個點進行連線，在新生成的弧線段中等分若干點，分別計算若干點與原Nurbus曲線的距離，并將這些距離累加，用遺傳算法循環計算求得距離和最小值即最優化弧線段。這個思路同樣適用于NUrbus曲面的平板化（見圖1、圖2），對曲面進行布點，四點建立平面，分別計算平面中點跟曲面的距離，并累計求和，用退化算法求最小，關聯曲面布點間距求得最貼合原曲面的面板大小。

4非線性建筑中綠色節能優化設計

近年來，隨著綠色建筑興起的大趨勢，世界上很多建筑設計采用參數化來進行綠色建筑方案優化設計，取得了不錯的效果。例如，BIG事務所在哈薩克斯坦國家圖書館項目中，利用參數化設計平臺+建筑物理環境模擬，根據熱輻射量控制每塊幕墻的開窗大小，保證了室內熱輻射的均勻性，同時也形成了不錯的藝術效果。連續而又流動的表皮又與“莫比烏斯”代表的無線循環的形體十分契合，達到了形態與功能和諧統一的效果（見圖3）。MAD的中鋼國際大廈則是以優化室內風環境為目的，結合建筑表面風壓模擬結果，將不同的風壓梯度對應形成了6種不同規格的立面開窗。這兩者都是基于綠色性能的參數化建筑設計的代表項目，取得了令人矚目的成就。但同時，目前還有許多綠色建筑設計方法仍舊停留在“經驗主義”，即傳統的外立面遮陽、覆土綠化、拔風中庭等手法，這將難以適應每個建筑的獨特性和復雜情況，一定程度上造成了我國綠色建筑以主動技術為主導的尷尬局面。其次，綠色建筑以性能為追求，以往的綠色建筑軟件更多作為評判參考，而不能實時參與到設計當中，這又會使得方案深化階段存在“設計、計算、反饋、調整”循環反復、效率低下的問題。參數化則是建筑師解決這些問題的好幫手。

5結語

參數化其實并不是多么高深莫測，他只是一種設計工具，傳達建筑師的思考邏輯。非線性建筑以它復雜多變的體型跟空間吸引著人們的眼球。可是建筑的意義不僅僅是為了好看，建筑的最主要功能是功能性，而美是感性的，而建筑是理性的構筑物，感性與理性之間的鏈接就是邏輯，而參數化就是建筑師邏輯的載體。所以，參數化就是鏈接理性與感性的橋梁，只有將建筑做到理性與感性的統一時，這個建筑才是一個完美的建筑。

參考文獻

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[3]申杰.基于Grasshopper的綠色建筑技術分析方法應用研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[4]周雪峰，代靜．當下建筑設計中的參數化設計［J］．室內設計，2009(4):15-17，23．

作者：祝明哲 龐弘 單位：武漢大學城市設計學院