非线性设计与建筑创新核心探索

薛颖，屈壮

（1.济宁职业技术学院，山东济宁 272000；2.济宁市建筑设计研究院，山东济宁 272000)

1 引言

近年来，随着生活水平不断提高，人们对自身的居住环境提出了更高的要求。为了满足人们对居住环境的要求，设计人员在进行建筑创新设计的过程中融入了非线性设计元素，以改善建筑的外部特征，使建筑能够从原本方正简单的几何形体中跳脱出来，更好地满足现代人的审美需求。

2 非线性设计理念

非线性建筑作为连续流动状的形体，源于对建筑性能及周边环境因素的分析，建筑设计过程就是对各种影响建筑因素的研究，通过提练与综合，将各种影响因子从概念发展到形象，成为建筑的最终形体，由于复杂的影响因素，建筑的形体必然是不规则的[1]。

对于建筑设计，非线性结构是指不同于常规方正的建筑结构的形式，以曲线、曲面、扭曲形体为代表，表现建筑的雕塑感和视觉张力。非线性建筑设计倾向于动感强烈、风格多变的自由空间造型艺术领域，强调城市与建筑的整体性，建筑整体与局部同构且相似。非线性结构建筑的空间与形体表现具有复杂性，建筑表面体现出一定的自由与随机性，但有着内在的逻辑和理性，强调过程设计，重视环境、人、气候、经济、文化各因素之间的相互作用。因此，传统主与次的抽象几何手法在非线性结构建筑设计中不再适用，二维平面图纸也不再适用，对于该类建筑，从最初设计到施工整个过程，计算机成为主要工具与技术手段。

3 非线性设计的产生

建筑的形式和风格与其所处时代背景密切相关，新发展环境下，伴随着各种学科的交叉融合，建筑理论得到了创新发展，建筑设计也变得更加丰富。受新思想、新理论的指导，建筑设计人员在建筑设计实践活动中创造出了许多新的建筑理论和建筑形式。以可持续发展理念为支撑，建筑设计人员开始在建筑结构设计中尝试非线性设计，其本身打破了欧几里得几何学以及现代主义建筑均质空间的限制，使建筑空间更加自由，风格也更加多变。

非线性建筑改变了设计师单一的创作理念，打破了传统建筑“四四方方”的规范形式，展现出了更多的曲线和曲面，体现出的建筑空间造型风格更加丰富，使受众对建筑的审美观念发生转变。曲面间的柔滑过渡是非线性建筑形体间的空间关系体现，能够体现出十分强烈的流动感，带给人一种耳目一新的审美体验[2]。大胆与创新的建筑方案，不规则的建筑形体具有强烈而富有激情的视觉冲击力，可以迎合人类社会的发展趋势，符合当代人精神与心理需求。

4 非线性设计中建筑的表面特性

非线性建筑表面是指在非线性科学的影响下形成的非线性的建筑外观，它具有动感和复杂的形态。非线性建筑的表面有2 种含义，即非线性建筑的表面和线性建筑中具有非线性特征表面的部分。

4.1 非线性建筑表面的形式表现

非线性建筑表面越来越受到建筑师的重视，基于当代非线性理论在建筑领域的深入应用，非线性建筑表面的形态呈现出多样化的特征，主要表现在以下方面：

1）混沌的非线性表现。非线性建筑表面的设计方法以混沌理论作为非线性建筑表面设计的基础，混沌理论主导透过现象看到本质[3]。中国古代的非线性思维体现在“道”是中国传统哲学的核心，是宇宙的本源和总体，是万物生长变化的基础。“道生一，一生二，二生三，三生万物。“道”对万物的创造，是一个由少到多、由简到繁的系统过程，描述了混沌系统的演化过程和分形产生的动力学机制。“冲气以为和”这句话中的“冲”是指冲突和交融，是指系统中矛盾的各方相互碰撞，形成新的统一。“道”在逻辑语言中也很难把握和阐明。“道可道，非常道”强调“道”的“恍惚”特征。用“象罔”这个词来描述有无组合的混沌状态，既模糊又闪烁，揭示了系统的非线性本质。

在混沌理论的影响下，建筑表面的形式和以往有较大的不同，以自然形式为原型的设计方法有：原型类比，例如，例马岩松《浮游之岛》设计方案；具象模仿，例如，例弗兰克·盖里的《鱼舞餐厅》设计。除此以外，还有以曲线为基础要素的设计方法，折叠成型的设计手法等。

2）对几何形律的逻辑性表现。建筑表面设计中，对几何学理论应用有了深入的尝试，主要从表面形式的分形拓展、拓扑变形、计算机辅助表现3 个层面进行尝试。

3）在信息社会背景下，建筑表面呈现出不稳定的表面突变形态，表面也充当着信息化和媒体化的载体，建筑表面中融入了信息。在满足遮风避雨等基本功能的基础上，还有利用高科技达到技术与艺术的完美结合，展示建筑本身的特殊性及传播城市媒体的功能。

4.2 非线性建筑表面的技术表现

1）材料的选择和使用影响非线性建筑表面的生成，是非常关键的内容。设计人员会在建筑中使用厚重、坚固的石材，坚硬、稳定的钢铁，绿色、柔软的植物等，通过表面材料的选择，凸显性质、诠释自身设计理念，从这个角度分析，表面应用及表现性是现代建筑非线性设计中的一项重要内容。

2）结构技术研究支撑非线性建筑表面生成。通过结构技术的表现，也就是表面形态，分离暴露结构构件，反映结构形态。建筑传达的是艺术性，结构性表面的表现超越了力学本身的含义，带来了象征意义[4]。合理的结构就像建筑的骨架，是建筑物成功的关键和保证。结构类型的多样性带来了建筑功能的解放，而建筑精神和意义的表达不断突破多方面的限制。

3）从环境生态学角度研究非线性建筑表面。做设计方案时主动利用自然环境，不仅能在生态节能方面积极改进，还能创造出非常经典的建筑作品。伦敦市政厅就是典型的利用环境生态进行创作的非线性作品。建筑师福斯特将建筑整体设计呈变形球体，向南倾斜3°，楼板将自动成为每个楼层的遮阳板。建筑内部空间的自然通风可以减少空调的能耗；北侧河边道路不会被建筑物遮挡，既绿色环保，又优美动人。

5 非线性设计与建筑创新

5.1 非线性建筑设计思路

1）详细的建筑方案分析调研。详细分析场地、环境，气候、交通、功能和使用要求，结构合理性，经济条件等数据，提取关键性的矛盾与因素，进行图解表达，形成设计依据和出发点。

2）借助计算机软件形成空间结构的雏形。在非线性建筑设计中，借助计算机软件，如3DMax、Photoshop 等，以直观的视觉获得想要的建筑空间形式。建筑形式的不同元素（梁、柱、墙等）。被抽象成3 个元素：点、线和面，这三要素的不同组织法则也产生了不同形式。借助计算机软件可将二元图形转化为三维结构模型，形成空间结构的雏形。

3）结合结构确定建筑形体。在非线性建筑设计基础上，不同的功能与不同的场地环境条件会导致不同的建筑形体，这就需要反复调整和比较，合理的建筑设计能够降低结构形式选择上的难度，合理的结构是使建筑方案得以实现的保障。

4）重视节点构造设计。节点结构最能体现建筑的特色气质和细节，是对建筑的修饰与雕琢，是建筑方案最终成功的关键。通常以三维模型的形式表现，辅以绘图动画。

5.2 非线性建筑与数字化设计

作为信息时代的产物，非线性建筑从设计到施工都高度依赖数字技术，这也是其重要特征。大量数字技术在建筑中的应用，使其成为一种开放、动态的信息媒介，体现出强烈的时代感[5]。

就目前而言，在现代建筑创新设计领域，许多优秀的设计软件已经得到了应用，如AutoCAD、3Dmax、BIM 等，借助这些先进的软件，设计人员能够更加精准地把握建筑中各个构件的信息，而软件也可以支持对复杂结构非线性设计的清晰呈现。从设计人员的角度，在推动建筑创新设计的过程中，应及时更新观念认识，运用更多的计算机软件来提升设计工作的效率和效果，同时，为后续工作的实施提供便利。在进行非线性设计过程中，三维模型属于十分必要的辅助工具，能够为设计与施工人员提供精准的数据信息，在确保三维模型准确可靠前提下，将其提供给施工单位作为施工参考。另外，三维模型还具备一些其他功能，如面积计算，非线性建筑本身的形体并不规范，一些处于斜墙面下的空间面积可能无法在平面图中直观反馈出来，运用计算机软件能够实现对模型的进一步优化和完善。

例如，弗兰克·盖里的方案设计，主要设计过程为：以实体模型和数据模型的推敲为主导，首先是手工模型制作，主要用于对建筑环境、功能和空间等因素进行分析；然后利用计算机软件将三维点信息整理成三维建筑表面信息；进一步优化筛选，通过三维数字化扫描，将人工模型转化为计算机中的三维点信息，从而制成实体模型。评估、修改、重新扫描和重新分析实体模型。如此循环往复，直至得出设计师满意的结果。

6 结语

新发展环境下，我国经济建设取得了较为显著的成果，带动了各行各业的发展，伴随着人们对建筑需求的增长，建筑设计人员在建筑设计中不仅需要考虑其基本功能需求，还必须加强建筑设计创新。提升建筑设计的灵活性，为建筑设计和创作提供了新思路，创造出了更符合环境与人性的建筑空间与形式，给人们带来新的世界观与建筑观，为人们提供相对新的建筑使用和审美体验，有助于推动建筑行业的创新发展。