非线性建筑中参数化应用与优化

【摘要】非线性建筑摆脱了欧几里得几何坐标系的建筑空间，传统的设计软件没法快速对曲面进行优化设计，因此参数化软件应运而生，通过参数化软件将设计师头脑中的逻辑快速写成可视化的程序，对曲面进行平板化优化设计，对建筑体型及构件形式进行优化设计，减少施工难度，提高建筑的技术指标。

【关键词】非线性建筑；参数化技术；优化设计

1研究背景

近些年来，随着我国经济和技术水平的提高，人们对美的理解也随之提高，在现代大师柯布西耶线性建筑的基础上，越来越多的人开始对曲面的建筑形式进行研究，逐渐形成了非线性的建筑空间理论。至此，越来越多的建筑师加入到这一先锋的洪流中，但是曲面作为高阶的空间平面，传统的线性方法无法准确描述这一结构。尽管越来越多夺人眼球的非线性建筑作为城市地标建成并投入使用，但是由于我国对非线性建筑的研究较浅，其细部设计和建造方面尚需在设计层面上对其进行优化，而不是像流水线一般，方案做完交给施工方来解决。这样在后续的不断“传话”中难免造成“卖家秀”与“买家秀”的现象。以扎哈·哈迪德设计的广州歌剧院为例。该项目在设计过程中，由于扎哈事务所只负责了项目的初步设计阶段，并没有对建筑曲面部分细节进行可行性设计，后期的施工图设计则是由当地设计单位完成。但拥有较强非线性建筑设计经验的扎哈事务所，在施工图阶段没有给予足够的指导和帮助，加之当地设计单位尚未有能力独自进行优化设计。而正常的表皮优化处理需要跟设计师不断地思想碰撞，寻找一个效果与可建造的平衡点，才能完全地保持原有扎哈的设计形体。因此导致建筑立面的细分、室内管线与结构交接节点等细部设计处理不当。建造过程中就更难修正这些问题，再加上本身复杂的曲面形体选择石材作为表皮加工难度大，最终导致建成的广州歌剧院立面拼缝参差不齐。广州歌剧院的建成效果在一定程度上反映了国内非线性建筑存在的问题，作为造型独特的地标性建筑，“只可远观”成为人们诟病的对象。

2参数化辅助设计

数字化软件繁多，本文主要基于Rhinoceros+Grasshopper软件平台进行简要介绍。Grasshopper是一款在Rhinoceros环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，是目前设计类专业参数化设计方向的入门软件。与传统建模工具相比，GH的最大的特点是可以向计算机下达更加高级复杂的逻辑建模指令，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果。通过编写建模逻辑算法，机械性的重复操作可被计算机的循环运算取代。同时，设计师可以向设计模型植入更加丰富的生成逻辑。无论在建模速度还是在水平上，照传统工作模式相比，都有较大幅度的提升。

3非线性建筑中应用曲面优化设计

非线性建筑的体型在设计初期很可能是设计师的手绘稿，或者三维软件中感性的建模。在目前建模软件中，rhinoceros可以很好的使用Nurbus来精确的描述空间曲线，可是Nurbus曲线虽然精确，但是却不满足施工建设的要求，在大体量非线性建筑中无法大规模建造。因此，对Nurbus曲线的优化是建筑师与建筑能否落地之间的桥梁。对于Nurbus优化成可建造的曲线思路是将Nurbus曲线用大大小小的圆弧段来拟合成贴合原曲线的曲线。这个方法在传统工具中实现非常繁琐，而在Grasshopper中可以借助计算机来帮助我们实现遗传算法的计算，大大节省了时间。具体思路是这样的，我们将原曲线任意分成若干份，提取该线段的首尾点及中点，以这三个点进行连线，在新生成的弧线段中等分若干点，分别计算若干点与原Nurbus曲线的距离，并将这些距离累加，用遗传算法循环计算求得距离和最小值即最优化弧线段。这个思路同样适用于NUrbus曲面的平板化（见图1、图2），对曲面进行布点，四点建立平面，分别计算平面中点跟曲面的距离，并累计求和，用退化算法求最小，关联曲面布点间距求得最贴合原曲面的面板大小。

4非线性建筑中绿色节能优化设计

近年来，随着绿色建筑兴起的大趋势，世界上很多建筑设计采用参数化来进行绿色建筑方案优化设计，取得了不错的效果。例如，BIG事务所在哈萨克斯坦国家图书馆项目中，利用参数化设计平台+建筑物理环境模拟，根据热辐射量控制每块幕墙的开窗大小，保证了室内热辐射的均匀性，同时也形成了不错的艺术效果。连续而又流动的表皮又与“莫比乌斯”代表的无线循环的形体十分契合，达到了形态与功能和谐统一的效果（见图3）。MAD的中钢国际大厦则是以优化室内风环境为目的，结合建筑表面风压模拟结果，将不同的风压梯度对应形成了6种不同规格的立面开窗。这两者都是基于绿色性能的参数化建筑设计的代表项目，取得了令人瞩目的成就。但同时，目前还有许多绿色建筑设计方法仍旧停留在“经验主义”，即传统的外立面遮阳、覆土绿化、拔风中庭等手法，这将难以适应每个建筑的独特性和复杂情况，一定程度上造成了我国绿色建筑以主动技术为主导的尴尬局面。其次，绿色建筑以性能为追求，以往的绿色建筑软件更多作为评判参考，而不能实时参与到设计当中，这又会使得方案深化阶段存在“设计、计算、反馈、调整”循环反复、效率低下的问题。参数化则是建筑师解决这些问题的好帮手。

5结语

参数化其实并不是多么高深莫测，他只是一种设计工具，传达建筑师的思考逻辑。非线性建筑以它复杂多变的体型跟空间吸引着人们的眼球。可是建筑的意义不仅仅是为了好看，建筑的最主要功能是功能性，而美是感性的，而建筑是理性的构筑物，感性与理性之间的链接就是逻辑，而参数化就是建筑师逻辑的载体。所以，参数化就是链接理性与感性的桥梁，只有将建筑做到理性与感性的统一时，这个建筑才是一个完美的建筑。

参考文献

[1]郭芳.Geco在参数化建筑节能设计中的应用—以哈萨克斯坦阿斯塔纳国家图书馆窗洞设计为例[J].城市建筑，2013(6):222-222.

[2]蔡一鸣.融合参数化逻辑的绿色建筑设计研究[D].天津：天津大学建筑学院，2013.

[3]申杰.基于Grasshopper的绿色建筑技术分析方法应用研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[4]周雪峰，代静．当下建筑设计中的参数化设计［J］．室内设计，2009(4):15-17，23．

作者：祝明哲 庞弘 单位：武汉大学城市设计学院