由概念草图到物理模型的非标准建筑形态设计探索*

孙 澄 韩昀松

由概念草图到物理模型的非标准建筑形态设计探索*

孙 澄 韩昀松

公众审美日趋多元，非标准建筑形态日渐增多。文章旨在探索非标准建筑形态由设计草图到数字模型再到物理模型的工作过程，为相关研究与工程实践提供参考。首先阐释了非标准建筑形态创作背景，归纳已有研究成果；再结合设计条件，提出非标准建筑形态设计概念；然后根据设计概念，应用Revit建立数字模型，展开非标准建筑形态曲面划分；最后应用激光切割设备完成非标准建筑形态曲面数控建造，建构物理模型。实践结果表明：非标准建筑形态曲面网格划分形式对曲面平滑程度有显著影响，参数化建模与数控加工技术的应用有效提升了非标准建筑形态设计效率和建造精度。因此，设计者应在非标准建筑形态设计与建造过程中引入参数化建模和数控加工技术，并通过调整曲面划分网格优化非标准建筑形态的平滑度。

非标准建筑形态；案例实践；数控建造；曲面优化

0 引 言

建筑形态不仅是建筑空间与外部环境的交互界面，还是建筑审美与文脉传承的物化体现。从文艺复兴、巴洛克风格、新古典主义建筑到20世纪蓬勃发展的现代主义建筑，再到21世纪迅速兴起的数字建筑，建筑形态无不受到公众审美意识的影响和驱动。可见，建筑形态是建筑风格变化最直观的表达。近年来，德勒兹哲学思想的传播和复杂性科学的发展促发了公众审美意识的多元化衍生。全球化与可持续发展也不断引导公众关注环境、关注自然。自然环境中的复杂几何形态之美日渐受到公众欢迎。传统的方盒子、国际式建筑已难以充分调动起公众的审美兴致，而效法自然形态，具备自然曲面特征的非标准建筑形态（non-standard building form）日渐受到关注，而且近年来的大型公共建筑项目竞赛结果已印证了这一推论。可见，公众审美意识的演化正推动着建筑师突破笛卡尔坐标系的限制，展开更加灵活、自由的非标准建筑形态创作。

图1 M Turrin 生成的非标准建筑形态[3]Fig.1 the non-standard building form generated by M Turrin

图2 联合设计工坊生成的非标准建筑形态Fig.2 the non-standard building form generated in the workshop

同时，建筑数字化设计与数控建造技术的发展为设计者展开非标准建筑形态设计与建造提供了技术支持。近年来，Rhinoceros、Autodesk Revit等建模工具有效提升了建筑师在非标准建筑形态设计过程中的建模能力和复合信息管理水平。在公众审美意识和数字技术的共同推动下，非标准建筑形态作为数字化语境下的建筑形态设计语汇被愈发广泛地应用于大跨体育建筑、观演建筑和博览建筑设计项目中，对其的研究与实践日渐增多。

1 非标准建筑形态研究现状

非标准建筑形态是数字技术应用于建筑设计领域的时代产物，它泛指借助数字技术突破标准建筑界面正交关系，包含自由曲面和不规则形态界面的一类建筑形态。近年来，国内外学者对非标准建筑形态设计展开了广泛研究。N. Leach受自然界中生物复杂几何形态启发，阐释了数字视野下的建筑形态演化趋向特征，探讨了材料的性能和在过程思维影响下的非标准建筑形态设计[1]。I. Vizotto探索了大跨度屋面非标准形态壳面生成的设计方法[2]。M. Turrin以结构性能和日照得热为形态生成驱动力，展开了大跨度非标准屋面形态设计，结果表明，引入参数化建模技术能够明显改善非标准建筑形态设计效率[3]（图1）。Hyperbody研究组应用参数化建模技术与建筑性能模拟工具，分别从环境性能引导建筑形态生成和围护结构单元数字化定制两方面展开了非标准建筑形态研究，并与哈尔滨工业大学建筑学院展开了基于风环境模拟数据的非标准建筑形态生成设计研究[4]（图2）。J. Jeong-Tak建立了适用于设计前期的非标准形态建筑围护结构传热量和日照得热量预测模型[5]。G. Caruso 基于非标准形态曲率变化自由的特点，提出了日照得热考虑下的非标准建筑形态找形方法[6]。M. Donofrio探索了非标准建筑形态拓扑优化找形方法[7]。

李飚基于复杂性理论，系统讨论了基于复杂系统的非标准建筑形态生成设计方法[8]。徐卫国结合L系统、维诺图解、蚁群算法和分形理论，展开了非标准建筑形态生成设计研究，其团队旨在将算法与建筑设计语汇融合，并将其应用于非标准建筑形态创作[9-10]。袁烽基于结构性能考虑，展开了非标准建筑形态生成设计研究[11]。孙澄宇探索了非标准建筑形态曲面表皮建造中的平面拟合方法[12]。综上所述，已有研究从理论与实践两方面展开了非标准建筑形态设计研究，其研究内容覆盖了建筑能耗、结构性能、物理环境品质等多个领域。

本文旨在结合某非标准建筑形态设计项目，展开从概念设计到数字模型再到数控建造物理模型的实践过程。研究将首先阐释非标准建筑形态概念设计过程，进一步在Autodesk Revit平台中建构非标准建筑形态数字模型，结合审美需求与数控建造要求，调整非标准建筑形态，进行三维曲面网格化，优化建筑形态曲面网格平滑度，最后应用数控设备建构物理模型。

2 非标准建筑形态概念设计

研究将结合某虚拟项目，探索由概念设计到数字模型再到物理模型的非标准建筑形态设计过程。为充分发挥建筑形态设计自由度，该虚拟项目无特定功能要求，仅规定最终建筑形态为长18 m、宽12 m的非标准建筑形态，预期成果为1∶20的物理模型。研究将首先展开概念设计，随后结合设计概念建立非标准建筑形态数字模型，并应用参数化建模技术对非标准建筑形态进行优化，最后应用数控加工方法建构非标准建筑形态物理模型。本节将阐释实践中非标准建筑形态的概念设计过程。

研究在概念设计中要求建筑形态具备自由曲线特征，从而在后续计算机建模与数控建造实践中探索非标准建筑形态的构建过程。在概念设计过程中，研究提出“山脊起伏”和“涟漪扩散”两项设计概念。“山脊起伏”概念受到中国传统山水画启发，希望从画作中提取山脉轮廓边缘作为非标准建筑形态控制曲线（图3）。“涟漪扩散”概念则受到水体涟漪形态启发，希望以规律化的波形变化隐喻水体的涟漪形态。最终，研究选择“涟漪扩散”设计概念进行深化发展。

研究以涟漪形态为切入点，力图通过非标准建筑形态曲面来隐喻起伏波动的涟漪形态。在建筑形态剖面等距离设定若干起伏锚点（图4），通过调整锚点高度营造涟漪由近及远起伏波动的造型意向。研究采取等距方式设定锚点是基于以下三方面原因：首先，等距设定的锚点在形态曲面设计中更利于保证非标准建筑形态曲面的连续性和平滑性；其次，等距设定的锚点也便于梁柱等结构构件的均匀分布，有助于非标准建筑形态结构性能的改善；最后，等距分布的锚点便于设计者控制非标准形态曲面所围护的建筑空间，有利于建筑空间的均匀分布。

图3 “山脊起伏”概念示意Fig.3 the concept of “ridge fluctuation”

图4 实践中设定的锚点Fig.4 the anchor set in the practice

在预定锚点的起伏变化下，由近及远逐渐散开的涟漪形态初步形成。研究在等距同心圆中截取与基地长宽比对应的矩形区域作为非标准建筑形态曲面边界（图5）。考虑到后续1：20的物理模型数控建造要求，研究截取了宽度为600 mm，长度为900 mm的非标准建筑形态曲面展开深化，建立数字模型，并展开数控建造，建立物理模型。

3 非标准建筑形态数字模型建构

研究应用Autodesk Revit工具建构非标准建筑形态数字模型。实际上，相比Autodesk Revit平台，Grasshopper和Rhinoceros工具因采用了NURBS曲面算法更适于非标准建筑形态曲面设计与建模[13]。研究选择Autodesk Revit工具作为实践中的非标准建筑形态数字模型建构工具，主要原因是相比同类软件工具，Autodesk Revit具备更强的建筑信息建模（building information modeling）能力。Revit平台凭借复杂的“族”设置，在建筑模型复合信息集成方面更具优势[14]。同时，基于Autodesk Revit平台的可视化编程工具Dynamo也日渐完善[15]，且Autodesk Revit平台中的体量建构功能也具备多样化的几何形态建模工具。因此，本文采用Autodesk Revit平台建构非标准建筑形态曲面。

结合概念设计成果，研究应用Autodesk Revit平台，以体量建模方式建立了非标准建筑形态数字模型（图6）。建模过程不仅建立了非标准建筑形态三维图形，还建立了非标准建筑形态曲面参数的约束关系。实践中，非标准建筑形态曲面的锚点起伏高度受高程参数控制，建筑师能够通过调整建筑形态中的锚点高度参数改变非标准建筑形态的起伏程度（图7），而无需重复建模。相比应用传统人机交互建模方法进行的建筑形态调整，基于参数控制的形态调整在设计方案推敲过程中效率更高，且支持建筑师对非标准建筑形态进行精确调整。

完成非标准建筑形态曲面调整后，研究对建筑形态进行网格划分，即将连续的建筑形态曲面分割为若干平面网格，从而实现由三维非标准形态曲面到二维平面网格的降维过程，以便应用数控切割设备进行非标准形态曲面物理模型建构。非标准建筑形态曲面网格化的关键问题在于如何以平板曲面保持非标准形态曲面的平滑性和连续性。网格划分方式和网格控制线间距均对非标准建筑形态曲面的平滑性和连续性有显著影响。

研究首先应用同心圆控制线和建筑形态宽度方向控制线将非标准建筑形态曲面划分为四边形面板；下一步，为提升非标准形态曲面网格的平滑性和连续性，再以对角线方式将前述步骤分割出的四边形面板进一步划分为2块三角形面板（图8），并对各面板进行编号。最后，研究将非标准建筑形态网格输出为数控切割加工文件，展开数控切割制造，构建非标准建筑形态物理模型。

4 非标准建筑形态物理模型建构

研究基于Autodesk Revit模型输出非标准建筑形态数控加工文件，应用激光切割机对薄木板进行数控切割，完成非标准建筑形态面板数控建造，并根据各非标准建筑形态面板的序号进行装配。研究所选取的建构材料虽然不是金属板等常规建筑材料，但是其加工与装配过程与常规建材具有技术共性，也需要解决三维建筑形态曲面降维、非标准建筑形态单元序号编辑和装配定位等技术问题，因而对相关非标准建筑形态设计实践具有参考价值。

在非标准建筑形态结构方面，研究未采用梁柱体系支撑非标准建筑形态曲面，而是根据非标准建筑形态起伏趋势，以拱结构为原型设计了非标准建筑形态支撑结构（图9）。通过拱形结构的尺度变化来适应非标准建筑形态曲面的起伏趋势，最终建构完成的非标准建筑形态曲面如图10所示。

图5 实践中的非标准建筑形态概念设计Fig.5 the non-standard building form concept design in practice

图6 实践中建立的非标准建筑形态数字模型Fig.6 the non-standard building form digital model developed in practice

图7 参数调整与建筑形态起伏控制Fig.7 the edit of parameters and the building form control

图8 实践中非标准建筑形态曲面的网格化过程Fig.8 the meshing process of non-standard building form in practice

图9 非标准建筑形态支撑结构物理模型Fig.9 the non-standard building form structure physical model

图10 装配后的非标准建筑形态物理模型Fig.10 the fixed non-standard building form physical model

5 结 论

本文提出,公众审美意识的多元化衍生和建筑形态建模工具的信息化发展推动了非标准建筑形态的设计研究与实践，归纳了非标准建筑形态设计与实践研究现状。进而，研究展开了由概念草图到数字模型再到物理模型的非标准建筑形态设计实践。

实践表明：建筑师通过建立非标准建筑形态参量间的参数约束关系，能够精确调整非标准建筑形态，相比传统人机交互建模方式，参数化建模方法效率更高。因此，在非标准建筑形态设计过程中，设计者应积极采用参数化建模方法与技术来提高非标准建筑形态的设计效率与精度。同时，数字模型的曲面网格化分隔也表明非标准建筑形态曲面的平滑度和连续性受到曲面划分网格的形式和尺度的影响。因此，在非标准建筑形态数控加工前，设计者应谨慎选择网格形式和尺度。最后，数控加工过程也说明，在非标准建筑形态数字模型建构中应考虑材料厚度的影响。研究在Autodesk Revit模型中所建构的数字模型未考虑材料厚度，造成数控加工生成的非标准建筑形态面板在装配过程中无法做到完全无缝拼接，导致物理模型存在缝隙，这说明在非标准建筑形态数控加工过程中需要综合考虑几何、材料和构造方式的影响，也从侧面反映出建筑复合信息集成对于非标准建筑形态设计的重要作用和意义。

本文所展示的非标准建筑形态数控建造过程将为其他非标准建筑形态设计与建造工作提供参考，在概念设计、数字模型建立和曲面网格划分方面尤其具有参考价值。限于时间和资源，研究仅建构了1∶20的非标准建筑形态物理模型，且所采用的建构材料较为理想化，与实际建造过程还有一定差距。在后续研究中，将进一步拓展相关内容，并展开常规材料下的数控建造实践。

[1] LEACH N. Digital morphogenesis[J]. Architectural Design, 2009, 79(01): 32-37.

[2] VIZOTTO I. Computational generation of free-form shells in architectural design and civil engineering[J]. Automation in Construction, 2010, 19(08): 1087-1105.

[3] TURRIN M, BUELOW P, KILIAN A, et al. Performative Skins for Passive Climatic Comfort[J]. Automation in Construction, 2012, 22(04): 36-50.

[4] 孙澄, 韩昀松, 姜宏国. 数字语境下建筑与环境互动设计探究[J]. 新建筑, 2013(04): 32-35.

[5] JEONG-TAK J, JAE-WEO J. Thermal characteristic prediction models for a free-form building in various climate zones[J]. Energy, 2013, 50(02): 468-476.

[6] CARUSO G, FANTOZZI F, LECCESE F. Optimal theoretical building form to minimize direct solar irradiation[J]. Solar Energy, 2013, 97(11): 128-137.

[7] DONOFRIO M. Topology optimization and advanced manufacturing as a means for the design of sustainable building components[J]. Procedia Engineering. 2016, 145: 638-645.

[8] 李飚. 基于复杂系统的建筑设计计算机生成方法研究[D]. 南京: 东南大学, 2008: 79-90.

[9] 王风涛. 基于高级几何学复杂建筑形体的生成及建造研究[D]. 北京：清华大学, 2014: 94-122.

[10] 林秋达. 基于分形理论的建筑形态生成[D]. 北京: 清华大学, 2014: 102-121.

[11] 袁烽. 数字化结构性能生形研究[J]. 西部人居环境学刊, 2014, 29(06): 6-12.

[12] 孙澄宇, 吕俊超. 掌控曲面表皮建造中的平面拟合[J]. 城市建筑, 2011(09): 39-41.

[13] SHI X, YANG W J. Performancedriven architectural design and optimization technique from a perspective of architects[J]. Automation in Construction, 2013, 32(07): 125-135.

[14] 陆蕾. 基于Revit Architecture“族的方法”的自由建筑形态参数化建模初探[J].建筑与文化, 2011(03): 102-103.

[15] RAHMANI ASL M, ZARRINMEHR S, BERGIN M, et al. BPOpt: A framework for BIM-based performance optimization[J]. Energy and Buildings, 2015, 108(12): 401-412.

图片来源：

图1：Turrin M, Buelow P, Kilian A, et al. Performative Skins for Passive Climatic Comfort[J]. Automation in Construction, 2012, 22(04): 36-50.

图2、图4-10：作者绘制

图3：作者拍摄绘制

Exploration on Non-Standard Building Form Design from Conceptual Sketch to Physical Model

SUN Cheng, HAN Yunsong

With the diversified development of populace’s aesthetic, non-standard building form gradually gains popularity. The paper aims to explore the working process of nonstandard building form from design sketches to digital model and physical model, which provides reference for related studies and engineering practices. The paper first demonstrates the creation background of non-standard building form, and reviews the related works. Then, the paper proposes the design concept of the non-standard building form based on the design conditions. Furthermore, the study adopts digital model built in Revit to divide non-standard building form surface and completed physical modeling using laser machine cutting. The practice results show that the non-standard building form surface mesh have prominent effect on the smoothing level of form surface, and parametric modeling could efficiently promote the design efficiency and construction precision of non-standard building form. Hence, the designers should use parametric modeling and numerical control processing techniques in nonstandard building form design, and improve the smoothness of the non-standard building form through editing the mesh division.

Non-standard Building Form; Case Study; Numerical Control Construction; Surface Optimization

TU201.4

B

2095-6304（2016）06-0019-04

10.13791/j.cnki.hsfwest.20160604

2016-08-21

（编辑：袁李姝）

* 黑龙江省杰出青年科学基金资助项目（2016JC008）

孙 澄： 哈尔滨工业大学建筑学院，教授，suncheng@hit.edu.cn

韩昀松：哈尔滨工业大学建筑学院，讲师

孙澄, 韩昀松. 由概念草图到物理模型的非标准建筑形态设计探索[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(06): 19-22.