非線性建筑中參數(shù)化應(yīng)用與優(yōu)化
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【摘要】非線性建筑擺脫了歐幾里得幾何坐標(biāo)系的建筑空間，傳統(tǒng)的設(shè)計軟件沒法快速對曲面進行優(yōu)化設(shè)計，因此參數(shù)化軟件應(yīng)運而生，通過參數(shù)化軟件將設(shè)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(yōu)化設(shè)計，對建筑體型及構(gòu)件形式進行優(yōu)化設(shè)計，減少施工難度，提高建筑的技術(shù)指標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】非線性建筑；參數(shù)化技術(shù)；優(yōu)化設(shè)計
1研究背景
近些年來，隨著我國經(jīng)濟和技術(shù)水平的提高，人們對美的理解也隨之提高，在現(xiàn)代大師柯布西耶線性建筑的基礎(chǔ)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(tǒng)的線性方法無法準(zhǔn)確描述這一結(jié)構(gòu)。盡管越來越多奪人眼球的非線性建筑作為城市地標(biāo)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(xì)部設(shè)計和建造方面尚需在設(shè)計層面上對其進行優(yōu)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(xù)的不斷“傳話”中難免造成“賣家秀”與“買家秀”的現(xiàn)象。以扎哈·哈迪德設(shè)計的廣州歌劇院為例。該項目在設(shè)計過程中，由于扎哈事務(wù)所只負(fù)責(zé)了項目的初步設(shè)計階段，并沒有對建筑曲面部分細(xì)節(jié)進行可行性設(shè)計，后期的施工圖設(shè)計則是由當(dāng)?shù)卦O(shè)計單位完成。但擁有較強非線性建筑設(shè)計經(jīng)驗的扎哈事務(wù)所，在施工圖階段沒有給予足夠的指導(dǎo)和幫助，加之當(dāng)?shù)卦O(shè)計單位尚未有能力獨自進行優(yōu)化設(shè)計。而正常的表皮優(yōu)化處理需要跟設(shè)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(shè)計形體。因此導(dǎo)致建筑立面的細(xì)分、室內(nèi)管線與結(jié)構(gòu)交接節(jié)點等細(xì)部設(shè)計處理不當(dāng)。建造過程中就更難修正這些問題，再加上本身復(fù)雜的曲面形體選擇石材作為表皮加工難度大，最終導(dǎo)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(nèi)非線性建筑存在的問題，作為造型獨特的地標(biāo)性建筑，“只可遠(yuǎn)觀”成為人們詬病的對象。
2參數(shù)化輔助設(shè)計
數(shù)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(huán)境下運行的采用程序算法生成模型的插件，是目前設(shè)計類專業(yè)參數(shù)化設(shè)計方向的入門軟件。與傳統(tǒng)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(fù)雜的邏輯建模指令，使計算機根據(jù)擬定的算法自動生成模型結(jié)果。通過編寫建模邏輯算法，機械性的重復(fù)操作可被計算機的循環(huán)運算取代。同時，設(shè)計師可以向設(shè)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(tǒng)工作模式相比，都有較大幅度的提升。
3非線性建筑中應(yīng)用曲面優(yōu)化設(shè)計
非線性建筑的體型在設(shè)計初期很可能是設(shè)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(shè)的要求，在大體量非線性建筑中無法大規(guī)模建造。因此，對Nurbus曲線的優(yōu)化是建筑師與建筑能否落地之間的橋梁。對于Nurbus優(yōu)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(tǒng)工具中實現(xiàn)非常繁瑣，而在Grasshopper中可以借助計算機來幫助我們實現(xiàn)遺傳算法的計算，大大節(jié)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(huán)計算求得距離和最小值即最優(yōu)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(guān)聯(lián)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(jié)能優(yōu)化設(shè)計
近年來，隨著綠色建筑興起的大趨勢，世界上很多建筑設(shè)計采用參數(shù)化來進行綠色建筑方案優(yōu)化設(shè)計，取得了不錯的效果。例如，BIG事務(wù)所在哈薩克斯坦國家圖書館項目中，利用參數(shù)化設(shè)計平臺+建筑物理環(huán)境模擬，根據(jù)熱輻射量控制每塊幕墻的開窗大小，保證了室內(nèi)熱輻射的均勻性，同時也形成了不錯的藝術(shù)效果。連續(xù)而又流動的表皮又與“莫比烏斯”代表的無線循環(huán)的形體十分契合，達到了形態(tài)與功能和諧統(tǒng)一的效果（見圖3）。MAD的中鋼國際大廈則是以優(yōu)化室內(nèi)風(fēng)環(huán)境為目的，結(jié)合建筑表面風(fēng)壓模擬結(jié)果，將不同的風(fēng)壓梯度對應(yīng)形成了6種不同規(guī)格的立面開窗。這兩者都是基于綠色性能的參數(shù)化建筑設(shè)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(shè)計方法仍舊停留在“經(jīng)驗主義”，即傳統(tǒng)的外立面遮陽、覆土綠化、拔風(fēng)中庭等手法，這將難以適應(yīng)每個建筑的獨特性和復(fù)雜情況，一定程度上造成了我國綠色建筑以主動技術(shù)為主導(dǎo)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(shè)計當(dāng)中，這又會使得方案深化階段存在“設(shè)計、計算、反饋、調(diào)整”循環(huán)反復(fù)、效率低下的問題。參數(shù)化則是建筑師解決這些問題的好幫手。
5結(jié)語
參數(shù)化其實并不是多么高深莫測，他只是一種設(shè)計工具，傳達建筑師的思考邏輯。非線性建筑以它復(fù)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(gòu)筑物，感性與理性之間的鏈接就是邏輯，而參數(shù)化就是建筑師邏輯的載體。所以，參數(shù)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(tǒng)一時，這個建筑才是一個完美的建筑。
參考文獻
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作者：祝明哲 龐弘 單位：武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院