易建性下的非線性建筑幾何建構(gòu)策略

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摘要：非線性建筑在追求環(huán)境營(yíng)造和綠色性能過(guò)程中產(chǎn)生的復(fù)雜形式往往會(huì)損害其易建性，造成設(shè)計(jì)的失控和資源的浪費(fèi)，由此引發(fā)了對(duì)設(shè)計(jì)與技術(shù)關(guān)系的重新審視。文章通過(guò)梳理易建性在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的概念內(nèi)涵與研究脈絡(luò)，分析論證了易建性是目標(biāo)、設(shè)計(jì)合理化是過(guò)程，二者在不同設(shè)計(jì)階段的結(jié)合可以推導(dǎo)出相應(yīng)的幾何建構(gòu)策略——幾何邏輯建構(gòu)、參數(shù)關(guān)聯(lián)建構(gòu)、幾何形態(tài)優(yōu)化、設(shè)計(jì)離散表達(dá)，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法層面的論述。

關(guān)鍵詞：易建性；非線性建筑；幾何學(xué)；合理化

引言

建筑設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將設(shè)計(jì)成果建造落地，這一過(guò)程隨著工業(yè)和信息技術(shù)的發(fā)展也在不斷升級(jí)，但建筑設(shè)計(jì)的可建造性一直也制約著復(fù)雜非線性形態(tài)建筑的設(shè)計(jì)方案。2001年MitchellW.J.通過(guò)對(duì)蓋里的方案從設(shè)計(jì)到建造流程的研究，提出了：“建筑師傾向于繪制他們能建造的，建造他們能繪制的[1]?！钡亲晕乃噺?fù)興以來(lái)，建筑師與建造者之間的裂痕越來(lái)越大[2]，紙上繪圖逐漸成為建筑師的全部任務(wù)。再到2018年GuyAustern提出建筑師可以通過(guò)使用合理化方法、借助數(shù)字建造技術(shù)來(lái)提高他們對(duì)設(shè)計(jì)成果的建造質(zhì)量的認(rèn)知與控制[3]?？梢钥闯?，設(shè)計(jì)與建造的關(guān)系正在日益緊密，本文從設(shè)計(jì)層面梳理易建性與非線性建筑的關(guān)聯(lián)，并提出合理化策略來(lái)提升建筑師對(duì)于復(fù)雜形態(tài)的掌控力。

1易建性的研究歷史

易建性（buildability）概念源自于設(shè)計(jì)與施工的分化脫離而導(dǎo)致建筑行業(yè)的低效性，而后逐漸成為共識(shí)，各個(gè)國(guó)家都制定了相應(yīng)的易建性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而針對(duì)不同地域環(huán)境和行業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)對(duì)指標(biāo)選取各有側(cè)重（表1）。目前來(lái)看，易建性的普遍性定義是在實(shí)現(xiàn)建筑項(xiàng)目總體目標(biāo)的前提下，設(shè)計(jì)成果對(duì)建筑后期建造的有利程度[4]。在研究中，將對(duì)易建性有顯著影響的設(shè)計(jì)階段分為設(shè)計(jì)前期與設(shè)計(jì)后期，并結(jié)合典型案例對(duì)建筑設(shè)計(jì)形態(tài)的生成和優(yōu)化策略進(jìn)行探討。

2易建性設(shè)計(jì)原則與幾何合理化過(guò)程

2.1易建性設(shè)計(jì)原則

易建性評(píng)價(jià)的3S原則由新加坡BDAS在易建性實(shí)踐手冊(cè)中提出，由標(biāo)準(zhǔn)化（standardisation）、簡(jiǎn)易化（simplicity）、集成化（singleintegratedelements）三個(gè)基本原則構(gòu)成，也得到了國(guó)內(nèi)學(xué)界的認(rèn)可和延續(xù)，而這些原則主要針對(duì)設(shè)計(jì)完成后對(duì)成果的評(píng)價(jià)，有助于對(duì)設(shè)計(jì)方案的打分，也可被稱為絕對(duì)易建性。絕對(duì)易建性主要針對(duì)大量設(shè)計(jì)建設(shè)的、具有批量可重復(fù)性的建筑類型，例如住宅、工廠、學(xué)校和醫(yī)院等。相應(yīng)的，從設(shè)計(jì)階段入手探究提升易建性的設(shè)計(jì)策略和途徑，是整合了設(shè)計(jì)流程的優(yōu)化過(guò)程（圖1），其易建性概念也是相對(duì)于方案自身的不同階段。相對(duì)易建性更加適用于項(xiàng)目個(gè)體差異化程度更大的建筑類型，例如文化、體育、商業(yè)、辦公等，這些項(xiàng)目也往往涉及更為復(fù)雜的非線性形式，對(duì)于此類建筑的易建性優(yōu)化，需要設(shè)計(jì)師提煉復(fù)雜形式的少量基本數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)程對(duì)接，簡(jiǎn)化施工數(shù)據(jù)并刪除過(guò)程中的冗余信息，壓縮建造時(shí)間和生產(chǎn)成本。

2.2設(shè)計(jì)合理化

合理化（rationalization）是一個(gè)優(yōu)化過(guò)程，最終目標(biāo)是使設(shè)計(jì)成果可被現(xiàn)有的制造工具和手段良好地加工、生產(chǎn)出來(lái)。例如蓋里事務(wù)所將造型曲面都優(yōu)化為“紙曲面”，表皮構(gòu)件就可以采用簡(jiǎn)單的加工設(shè)備將金屬平板彎折而成[5]。伍重設(shè)計(jì)的悉尼歌劇院也可作為相對(duì)易建性優(yōu)化的經(jīng)典案例，從1956年設(shè)計(jì)到1973年建成，建筑師不得不放棄自己的自由形態(tài)表面，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有能力完成建造，建筑師和建造商和業(yè)主之間的關(guān)系也極為緊張，伍重最終也郁郁離開(kāi)。Arup公司最終用球面來(lái)代替原始曲面，并通過(guò)長(zhǎng)達(dá)7年的與各方協(xié)調(diào)和計(jì)算之下確定了建筑造型和施工方式（圖2）。所以，建筑師應(yīng)該成為設(shè)計(jì)到生產(chǎn)全流程團(tuán)隊(duì)中的成員，而不僅僅是建筑形式的提供者，建筑師需要掌握新的生產(chǎn)模式和工具。對(duì)于新生成模式與工具的掌握也需要兼顧其時(shí)代性，例如現(xiàn)階段已經(jīng)具備的數(shù)控機(jī)床、大型3D打印等設(shè)備可以完成建筑尺度特殊構(gòu)件的加工生產(chǎn)，但是還不能實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。建筑師并不能產(chǎn)生技術(shù)至上的理念并對(duì)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生過(guò)度預(yù)期，而應(yīng)恰當(dāng)?shù)貙⒓夹g(shù)與設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，易建性就可以作為一個(gè)具有當(dāng)下性的預(yù)警信號(hào)介入其中。因此，設(shè)計(jì)合理化過(guò)程與易建性在設(shè)計(jì)階段的結(jié)合成為了必然。

3非線性建筑幾何合理化建構(gòu)策略

3.1先合理化策略主導(dǎo)形式生成

先合理化過(guò)程是在設(shè)計(jì)開(kāi)始之前，使用邏輯推理搭建出一個(gè)幾何生成框架，并使用框架限制來(lái)使得設(shè)計(jì)成果的幾何造型被限定在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，處于該范圍內(nèi)的幾何體都具有良好的后期深化簡(jiǎn)易性與施工便捷性。通過(guò)引入新的設(shè)計(jì)方法，采用線段、圓弧和其他基礎(chǔ)物體也可以生成豐富的非線性建筑形態(tài)來(lái)，這樣的設(shè)計(jì)思維需要建筑師對(duì)幾何學(xué)的掌握并能將其熟練應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程中。

3.1.1幾何邏輯建構(gòu)形態(tài)是建筑的表征，而幾何學(xué)是形態(tài)的發(fā)生方式。建筑師可以運(yùn)用幾何邏輯來(lái)進(jìn)行概念方案的形體生成，好的幾何體系例如使用傳統(tǒng)曲面的設(shè)計(jì)就可以引導(dǎo)出易于建造的方案。傳統(tǒng)曲面是由截面線在空間中掃掠而成的幾何體，由于在曲面的任意一點(diǎn)總能找到一個(gè)相同截面，所以曲面是幾何體中相對(duì)容易建造的類型。傳統(tǒng)曲面可以根據(jù)掃掠動(dòng)作進(jìn)行分類（圖3），設(shè)計(jì)方案的幾何邏輯基于傳統(tǒng)曲面族來(lái)進(jìn)行建構(gòu)，并通過(guò)自由劃分、并置組合等手法可以生成豐富的曲面造型。由NormanFoster設(shè)計(jì)的位于哥本哈根動(dòng)物園的大象館便是采用先合理化策略來(lái)主導(dǎo)設(shè)計(jì)伊始的形式選擇。從功能需求來(lái)看，建筑應(yīng)提供兩個(gè)內(nèi)部無(wú)柱的大空間為大象活動(dòng)、休憩所用，在這樣的設(shè)計(jì)條件下，兩個(gè)圓形玻璃穹頂自然成為方案的首要選擇，建筑師在此基礎(chǔ)上將兩部分主體結(jié)構(gòu)采用內(nèi)聚、擠壓的設(shè)計(jì)以強(qiáng)化平面布局的向心性，使得建筑成為有機(jī)整體。變形后的平面為不規(guī)則形態(tài)，建筑師利用幾何邏輯找到了易建性較強(qiáng)的形態(tài)生成方式：在半徑不同的圓環(huán)上不斷調(diào)整切平面的角度找到了契合平面形式的最佳形體（圖4）。這種切割找形的方式使得屋蓋桿件有同一個(gè)完形來(lái)源，再建立對(duì)稱軸可進(jìn)一步減少桿件的類型。

3.1.2參數(shù)關(guān)聯(lián)建構(gòu)傳統(tǒng)曲面和幾何元素的豐富性往往有限，在設(shè)計(jì)中建筑師往往需要權(quán)衡形態(tài)的豐富性和后期設(shè)計(jì)修改成本，而參數(shù)化技術(shù)可以將幾何邏輯形成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，針對(duì)后期可能的額外信息輸入，保持了良好的可變更性，加快了設(shè)計(jì)推敲和形體優(yōu)化的流程，使得在設(shè)計(jì)階段追求更加良好易建性的方案成為可能?；F盧國(guó)際車站建筑方案的基地被現(xiàn)存城市布局?jǐn)D壓、彎曲，形成了極不規(guī)則的長(zhǎng)條形態(tài)。建筑師希望通過(guò)一種桁架結(jié)構(gòu)體系來(lái)適應(yīng)多變的基地邊界，通過(guò)參數(shù)模型的建構(gòu)將桁架三鉸拱的短邊設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)單元，且鉸接節(jié)點(diǎn)固定，通過(guò)不斷調(diào)整內(nèi)切圓的圓心與半徑來(lái)改變大拱的跨度（圖5），使得建筑構(gòu)件可以通過(guò)工業(yè)化的方式進(jìn)行生產(chǎn)、裝配。

3.2后合理化策略主導(dǎo)形態(tài)優(yōu)化

后合理化可以讓設(shè)計(jì)師在前期相對(duì)忽視幾何形態(tài)對(duì)建筑易建性的影響，專注于概念方案的表達(dá)，然后進(jìn)行后期的形態(tài)優(yōu)化。當(dāng)然，這并不意味著設(shè)計(jì)前期完全脫離理性，而是有針對(duì)性地將理性分析重點(diǎn)放在功能布局、環(huán)境性能等方面。

3.2.1幾何形態(tài)優(yōu)化幾何學(xué)與建筑設(shè)計(jì)的聯(lián)系由來(lái)已久，幾何學(xué)的引入為設(shè)計(jì)催生出大量的技術(shù)手段，其中優(yōu)化技術(shù)是提高幾何造型易建性的重點(diǎn)。曲面幾何優(yōu)化是根據(jù)方案造型微分幾何分析得到的特征值進(jìn)行優(yōu)化方式選取。其中最重要的幾個(gè)參數(shù)是曲面的高斯曲率和平均曲率，高斯曲率為零的曲面可以無(wú)損展開(kāi)成為平面，平均曲率為定值的曲面可以快速細(xì)分為平板單元，二者為曲面幾何形態(tài)優(yōu)化提供了方向。在高鐵站概念設(shè)計(jì)方案中，造型通過(guò)三片類似的長(zhǎng)條形曲面構(gòu)成，每個(gè)曲面都由曲線直接平直放樣而成，所以保證了造型曲面為直紋曲面，為下層結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)提供了便利。但是曲面在轉(zhuǎn)折處的曲率變化導(dǎo)致了該處雙曲面部分較大，不利于屋蓋面板的深化設(shè)計(jì)和后續(xù)施工建造。隨即對(duì)原始造型進(jìn)行切分處理，劃分為10個(gè)子曲面，其中9個(gè)為可展開(kāi)曲面。唯一的雙曲面相較于原始的雙曲部分面積縮減了78%，大大減少了雙曲面板的數(shù)量，并且少量的雙曲部分也可以使用三角形平面嵌板完成施工。通過(guò)環(huán)境貼圖分析可以看出，優(yōu)化前后的造型基本沒(méi)有差異，良好地保持了設(shè)計(jì)特征（圖6）。

3.2.2設(shè)計(jì)離散表達(dá)完美的曲面僅存在于數(shù)學(xué)中，而一磚一瓦的離散性成果才是建筑設(shè)計(jì)最終真正得到的。有時(shí)盲目追求曲面的連續(xù)性、光滑性是將建筑看作小尺度工業(yè)產(chǎn)品，這反而會(huì)損害建筑在細(xì)部近人尺度的豐富感。當(dāng)幾何體付諸建造，“精確”就從數(shù)學(xué)定義轉(zhuǎn)化為工程定義中的“公差”，良好的幾何離散化方法可以彌補(bǔ)幾何體的缺陷，同時(shí)也可以讓設(shè)計(jì)概念在細(xì)部尺度進(jìn)一步體現(xiàn)。以蚌埠體育中心為例，造型曲面為兩片扭轉(zhuǎn)的雙曲面，高斯曲率為正且平均曲率會(huì)隨著屋頂?shù)钠鸱兓?，無(wú)法簡(jiǎn)單優(yōu)化成可展開(kāi)曲面或平面嵌板，而體育場(chǎng)屋蓋的主要功能為遮蔽和形象展示，并沒(méi)有封閉空間的要求，也就沒(méi)有墻體與屋蓋的交接問(wèn)題，這就為其曲面的離散化表達(dá)提供了前提條件。通過(guò)將表皮單元的一段束縛在曲面點(diǎn)上，另一端可以沿著曲面切線方向延伸并保持了單元的平面化，并通過(guò)單元的延伸、層疊來(lái)保證排水的有效性。最終建筑造型在遠(yuǎn)處仍然保持了原始曲面的整體感，同時(shí)離散化的單元增添了近人尺度的觀看層次（圖7）。

結(jié)語(yǔ)

建筑易建性的提升離不開(kāi)設(shè)計(jì)者對(duì)于方案幾何造型的把控，易建性也不應(yīng)停留于評(píng)價(jià)層面，而是應(yīng)當(dāng)主動(dòng)介入設(shè)計(jì)過(guò)程，形成優(yōu)化流程。通過(guò)合理化過(guò)程與設(shè)計(jì)過(guò)程的耦合，概括得到四個(gè)策略，即幾何邏輯建構(gòu)、參數(shù)關(guān)聯(lián)建構(gòu)、幾何形態(tài)優(yōu)化、設(shè)計(jì)離散表達(dá)，以回應(yīng)非線性建筑從概念生成到成果表達(dá)的設(shè)計(jì)全過(guò)程。目前已經(jīng)有許多優(yōu)秀的案例在設(shè)計(jì)中探索和嘗試新的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于這些方法，仍需系統(tǒng)化的探索來(lái)形成完整的設(shè)計(jì)體系，進(jìn)而為建筑師提供高效、自由的設(shè)計(jì)輔助工具。

作者：李佳陽(yáng) 單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院