易建性下的非线性建筑几何建构策略

摘要：非线性建筑在追求环境营造和绿色性能过程中产生的复杂形式往往会损害其易建性，造成设计的失控和资源的浪费，由此引发了对设计与技术关系的重新审视。文章通过梳理易建性在设计领域的概念内涵与研究脉络，分析论证了易建性是目标、设计合理化是过程，二者在不同设计阶段的结合可以推导出相应的几何建构策略——几何逻辑建构、参数关联建构、几何形态优化、设计离散表达，并结合实际案例进行了设计方法层面的论述。

关键词：易建性；非线性建筑；几何学；合理化

引言

建筑设计的目标是将设计成果建造落地，这一过程随着工业和信息技术的发展也在不断升级，但建筑设计的可建造性一直也制约着复杂非线性形态建筑的设计方案。2001年MitchellW.J.通过对盖里的方案从设计到建造流程的研究，提出了：“建筑师倾向于绘制他们能建造的，建造他们能绘制的[1]。”但是自文艺复兴以来，建筑师与建造者之间的裂痕越来越大[2]，纸上绘图逐渐成为建筑师的全部任务。再到2018年GuyAustern提出建筑师可以通过使用合理化方法、借助数字建造技术来提高他们对设计成果的建造质量的认知与控制[3]。可以看出，设计与建造的关系正在日益紧密，本文从设计层面梳理易建性与非线性建筑的关联，并提出合理化策略来提升建筑师对于复杂形态的掌控力。

1易建性的研究历史

易建性（buildability）概念源自于设计与施工的分化脱离而导致建筑行业的低效性，而后逐渐成为共识，各个国家都制定了相应的易建性评价标准，而针对不同地域环境和行业发展状态对指标选取各有侧重（表1）。目前来看，易建性的普遍性定义是在实现建筑项目总体目标的前提下，设计成果对建筑后期建造的有利程度[4]。在研究中，将对易建性有显著影响的设计阶段分为设计前期与设计后期，并结合典型案例对建筑设计形态的生成和优化策略进行探讨。

2易建性设计原则与几何合理化过程

2.1易建性设计原则

易建性评价的3S原则由新加坡BDAS在易建性实践手册中提出，由标准化（standardisation）、简易化（simplicity）、集成化（singleintegratedelements）三个基本原则构成，也得到了国内学界的认可和延续，而这些原则主要针对设计完成后对成果的评价，有助于对设计方案的打分，也可被称为绝对易建性。绝对易建性主要针对大量设计建设的、具有批量可重复性的建筑类型，例如住宅、工厂、学校和医院等。相应的，从设计阶段入手探究提升易建性的设计策略和途径，是整合了设计流程的优化过程（图1），其易建性概念也是相对于方案自身的不同阶段。相对易建性更加适用于项目个体差异化程度更大的建筑类型，例如文化、体育、商业、办公等，这些项目也往往涉及更为复杂的非线性形式，对于此类建筑的易建性优化，需要设计师提炼复杂形式的少量基本数据进行过程对接，简化施工数据并删除过程中的冗余信息，压缩建造时间和生产成本。

2.2设计合理化

合理化（rationalization）是一个优化过程，最终目标是使设计成果可被现有的制造工具和手段良好地加工、生产出来。例如盖里事务所将造型曲面都优化为“纸曲面”，表皮构件就可以采用简单的加工设备将金属平板弯折而成[5]。伍重设计的悉尼歌剧院也可作为相对易建性优化的经典案例，从1956年设计到1973年建成，建筑师不得不放弃自己的自由形态表面，因为当时没有能力完成建造，建筑师和建造商和业主之间的关系也极为紧张，伍重最终也郁郁离开。Arup公司最终用球面来代替原始曲面，并通过长达7年的与各方协调和计算之下确定了建筑造型和施工方式（图2）。所以，建筑师应该成为设计到生产全流程团队中的成员，而不仅仅是建筑形式的提供者，建筑师需要掌握新的生产模式和工具。对于新生成模式与工具的掌握也需要兼顾其时代性，例如现阶段已经具备的数控机床、大型3D打印等设备可以完成建筑尺度特殊构件的加工生产，但是还不能实现建筑行业的大规模应用。建筑师并不能产生技术至上的理念并对技术的发展产生过度预期，而应恰当地将技术与设计结合起来，易建性就可以作为一个具有当下性的预警信号介入其中。因此，设计合理化过程与易建性在设计阶段的结合成为了必然。

3非线性建筑几何合理化建构策略

3.1先合理化策略主导形式生成

先合理化过程是在设计开始之前，使用逻辑推理搭建出一个几何生成框架，并使用框架限制来使得设计成果的几何造型被限定在一个区间内，处于该范围内的几何体都具有良好的后期深化简易性与施工便捷性。通过引入新的设计方法，采用线段、圆弧和其他基础物体也可以生成丰富的非线性建筑形态来，这样的设计思维需要建筑师对几何学的掌握并能将其熟练应用于设计过程中。

3.1.1几何逻辑建构形态是建筑的表征，而几何学是形态的发生方式。建筑师可以运用几何逻辑来进行概念方案的形体生成，好的几何体系例如使用传统曲面的设计就可以引导出易于建造的方案。传统曲面是由截面线在空间中扫掠而成的几何体，由于在曲面的任意一点总能找到一个相同截面，所以曲面是几何体中相对容易建造的类型。传统曲面可以根据扫掠动作进行分类（图3），设计方案的几何逻辑基于传统曲面族来进行建构，并通过自由划分、并置组合等手法可以生成丰富的曲面造型。由NormanFoster设计的位于哥本哈根动物园的大象馆便是采用先合理化策略来主导设计伊始的形式选择。从功能需求来看，建筑应提供两个内部无柱的大空间为大象活动、休憩所用，在这样的设计条件下，两个圆形玻璃穹顶自然成为方案的首要选择，建筑师在此基础上将两部分主体结构采用内聚、挤压的设计以强化平面布局的向心性，使得建筑成为有机整体。变形后的平面为不规则形态，建筑师利用几何逻辑找到了易建性较强的形态生成方式：在半径不同的圆环上不断调整切平面的角度找到了契合平面形式的最佳形体（图4）。这种切割找形的方式使得屋盖杆件有同一个完形来源，再建立对称轴可进一步减少杆件的类型。

3.1.2参数关联建构传统曲面和几何元素的丰富性往往有限，在设计中建筑师往往需要权衡形态的丰富性和后期设计修改成本，而参数化技术可以将几何逻辑形成计算机语言，针对后期可能的额外信息输入，保持了良好的可变更性，加快了设计推敲和形体优化的流程，使得在设计阶段追求更加良好易建性的方案成为可能。滑铁卢国际车站建筑方案的基地被现存城市布局挤压、弯曲，形成了极不规则的长条形态。建筑师希望通过一种桁架结构体系来适应多变的基地边界，通过参数模型的建构将桁架三铰拱的短边设计为标准单元，且铰接节点固定，通过不断调整内切圆的圆心与半径来改变大拱的跨度（图5），使得建筑构件可以通过工业化的方式进行生产、装配。

3.2后合理化策略主导形态优化

后合理化可以让设计师在前期相对忽视几何形态对建筑易建性的影响，专注于概念方案的表达，然后进行后期的形态优化。当然，这并不意味着设计前期完全脱离理性，而是有针对性地将理性分析重点放在功能布局、环境性能等方面。

3.2.1几何形态优化几何学与建筑设计的联系由来已久，几何学的引入为设计催生出大量的技术手段，其中优化技术是提高几何造型易建性的重点。曲面几何优化是根据方案造型微分几何分析得到的特征值进行优化方式选取。其中最重要的几个参数是曲面的高斯曲率和平均曲率，高斯曲率为零的曲面可以无损展开成为平面，平均曲率为定值的曲面可以快速细分为平板单元，二者为曲面几何形态优化提供了方向。在高铁站概念设计方案中，造型通过三片类似的长条形曲面构成，每个曲面都由曲线直接平直放样而成，所以保证了造型曲面为直纹曲面，为下层结构层的设计提供了便利。但是曲面在转折处的曲率变化导致了该处双曲面部分较大，不利于屋盖面板的深化设计和后续施工建造。随即对原始造型进行切分处理，划分为10个子曲面，其中9个为可展开曲面。唯一的双曲面相较于原始的双曲部分面积缩减了78%，大大减少了双曲面板的数量，并且少量的双曲部分也可以使用三角形平面嵌板完成施工。通过环境贴图分析可以看出，优化前后的造型基本没有差异，良好地保持了设计特征（图6）。

3.2.2设计离散表达完美的曲面仅存在于数学中，而一砖一瓦的离散性成果才是建筑设计最终真正得到的。有时盲目追求曲面的连续性、光滑性是将建筑看作小尺度工业产品，这反而会损害建筑在细部近人尺度的丰富感。当几何体付诸建造，“精确”就从数学定义转化为工程定义中的“公差”，良好的几何离散化方法可以弥补几何体的缺陷，同时也可以让设计概念在细部尺度进一步体现。以蚌埠体育中心为例，造型曲面为两片扭转的双曲面，高斯曲率为正且平均曲率会随着屋顶的起伏而变化，无法简单优化成可展开曲面或平面嵌板，而体育场屋盖的主要功能为遮蔽和形象展示，并没有封闭空间的要求，也就没有墙体与屋盖的交接问题，这就为其曲面的离散化表达提供了前提条件。通过将表皮单元的一段束缚在曲面点上，另一端可以沿着曲面切线方向延伸并保持了单元的平面化，并通过单元的延伸、层叠来保证排水的有效性。最终建筑造型在远处仍然保持了原始曲面的整体感，同时离散化的单元增添了近人尺度的观看层次（图7）。

结语

建筑易建性的提升离不开设计者对于方案几何造型的把控，易建性也不应停留于评价层面，而是应当主动介入设计过程，形成优化流程。通过合理化过程与设计过程的耦合，概括得到四个策略，即几何逻辑建构、参数关联建构、几何形态优化、设计离散表达，以回应非线性建筑从概念生成到成果表达的设计全过程。目前已经有许多优秀的案例在设计中探索和尝试新的设计方法，对于这些方法，仍需系统化的探索来形成完整的设计体系，进而为建筑师提供高效、自由的设计辅助工具。

作者：李佳阳 单位：哈尔滨工业大学建筑学院