结构非线性设计与建筑创新

【摘要】本文以非线性建筑设计的背景为基础，着重分析了非线性建筑设计中建筑表皮的表现性和逻辑性，以实际为出发点对结构非线性设计与建筑创新进行了探讨。

【关键词】结构，非线性设计，建筑创新

中图分类号：O611文献标识码： A

一、前言

建筑是凝聚着人类文明前史与科学技术的智慧结晶，其自身也是个复杂的综合体，出大家关于建筑的功能不一样的了解，对结构非线性设计与建筑创新的认知也就不一样。

二、非线性建筑设计的背景

任何艺术的理论、形式、风格的产生，都与当时的时代背景息息相关，建筑更不例外。1920年产生的现代主义建筑体系在统治了世界近半个世纪后，历史进入了一个多元共存的时代，各种学科的交叉融合，为建筑理论地发展与建筑设计的创新提供了丰富的养分，建筑师们在各种新思想与新理论地指导下不断进行着各种建筑实践的探索，各种各样的建筑理论与建筑形式不断涌现。在可持续发展成为人类实践主题的当代，建筑师们都希望能够为建筑学的发展找到正确的方向。非线性建筑设计冲破了传统欧几里得几何学与现代主义建筑匀质空间的限制，走向动感强烈、风格多变的自由空间造型艺术的领域。这样的建筑必定是运用最新地科学理论与建筑技术，迎合人类社会的发展趋势并体现时代精神特色。

建筑作为一种塑造物质形体和空间的造型艺术，似乎先天的拥有“形式”的优先权。当代世界建筑在＂复杂性科学研究＂的影响下，建筑形态呈现平滑、折叠、混沌的趋势以及复杂性形态。2004年竣工的瑞士再保险公司总部大楼坐落在伦敦圣玛丽阿克斯大街，是座玻璃外观的尖顶摩天大厦，高180米，40层。面对狭窄的基地，建筑师没有追求强烈的视觉效果，而是试图找到”适合基地的最有效的结构”，生态节能，顺应环境成为建筑的出发点。为此福斯事务所组织了一个由建筑师、结构工程师、建筑物理工程师数学家、计算机编程员等各类专家特殊的设计顾问小组。他们借助于特定的计算机程序，通过严谨的数学公式生成各种几何形式，对其进行理性的评估、筛选。建筑最终经过电脑模拟和风洞试验，由空气动力学决定，形成了这种螺旋形的双曲面型体。

三、非线性建筑设计中建筑表皮的表现性和逻辑性

1、表现性

非线性建筑中，建筑表皮的表现性直白来说是材料的表现。从远古时期开始，材料的选择和运用就是建筑设计的不可或缺的组成部分，对于非线性建筑这种特殊的建筑，材料所形成的建筑表皮的表现，至关重要。“轻盈如薄膜的木地板，厚重的石块，柔软的植物，抛光的花岗岩，柔韧的皮革，生硬的钢铁，光滑的花心木，水晶般的玻璃，被阳光烤的得暖暖的沥青……所有这些都是建筑师的材料，是我们的材料。”表皮的应用会给非线性建筑的设计带来怎么样的诠释，是现代建筑师关注的焦点。

2、逻辑性

对于当代建筑师而言，以图案性的装饰重现建筑表皮显然是比较肤浅的。在进行建筑表皮的建构时，如何将表皮的装饰性统一在建造的逻辑之中是一个不容回避的问题。表皮的生成需要内在逻辑的支撑。建筑形式的生成需要逻辑，同样作为建筑中最能够被人们感受到的界面建筑表皮的生成也是如此。没有逻辑支撑的建筑表皮设计是没有深度的，所以逻辑也就是非线性建筑表皮设计的依据和理由，它指引着设计过程的推进。同时，逻辑性不仅体现在材料上，还体现在结构和建造上。

四、结构非线性设计与建筑创新

1、方案设计方法

（一）、建立第一版模型

先确立设计概念，绘制出关键的辅助线和确立模型用的主要线条，利用辅助线和主要的结构线条生成模型，根据反复调整，反复推敲，确立初步模型体块。

（二）、根据第一版模型绘制出各层平面图

当体块模型满足初步判断效果的前提下，按照功能要求排布出相应的平面图。如有模型不能满足功能要求的情况出现时，调整模型以满足平面功能。

（三）、根据平面重新推敲模型

根据绘制好的平面，重新调整模型，确保满足功能的前提下做到美观。反复调整平面与模型，直到达到最终满意的效果。

2、施工图设计过程：

传统建筑设计过程：建筑专业绘制好平、立、剖面图结构、设备、电气专业幕墙、精装修等深化设计建筑、结构、设备、电气专业。

根据结构专业计算结果，将梁、板、柱按实际尺寸搭建三维模型。体会真实空间关系及细节构造。

复杂空间，通过三维模型检查梁、板、柱交接是否正常，结构构件尺寸是否符合建筑空间要求。通过三维模型构件比例关系，控制特殊构件的尺寸。设备、电气专业通过模型检查管线高度是否合理；沿外墙设置的设备，空间是否满足安装要求。精装修设计通过三维模型清楚了解空间形态，精确设计。

由外至内设计期间幕墙厂家提前配合，通过构造节点做法，确定主体结构与幕墙之间安装空间尺寸。大跨幕墙体系需钢结构专业进行龙骨尺寸计算。整个体型控制室由外向内控制，使外立面个转角处幕墙分格缝能精准对缝，保证外立面效果。通过模型各个角度的剖切，取得准确平、立面二维数据。

3、设计成果：

（一）、平面图表达方式的不同

传统建筑的平面图为距楼地面1200mm高处的水平剖切的俯视图，目的在于体现门窗洞口的位置及尺寸。非线性建筑因护结构非垂直地面，不同高度处的外轮廓均不同。故平面图选择楼板标高处剖切图。目的是反映实际的楼板结构的外轮廓形状及位置。因外门窗洞口错落复杂，门窗洞口位置及尺寸不在平面图中表达，通过立面展开图表示。此表达方式的目的在于准确的指导施工。

（二）、立面展开图

立面图仅为东、南、西、北四个方向的投影，不足以表达幕墙分格、门窗洞口的真实尺寸。以绘制正立面展开图的方式表达以上信息。在立面图中标注各个转角点的标高，以三维方式确定转角点的位置。在立面图中将每一个转角点进行编号。作为立面展开图的识别标识。以立面图中转角点编号为标识，分别绘制各个方向立面展开详图。在此详图中明确幕墙分格尺寸、龙骨布置方式及定位、外门窗洞口编号、尺寸及定位。

（三）、轴测图：

特殊部位二维详图无法表示清楚时，可在三维模型中截取节点轴测图作为施工辅助参考图，更直观表达空间关系。

（四）、维模型作为施工图成果：

设计过程中作为辅助工具的三维模型可提供精确的数据信息，所以，该三维模型可作为最后成果，提供给施工单位，作为施工参考。同时可提供给幕墙厂家作为深化设计条件。幕墙厂家在施工图过程中便可进行深化设计，在施工图设计过程中及时反馈将优化调整意见。以进一步完善施工图成果。

5、三维模型的其他作用：

（一）、面积计算

非线性建筑由于形体非常规体型，可能会出现斜墙面下面的空间面积无法在平面上直观反馈出来。所以需要在模型中提取净高2.2m，1.2m所在高度的轮廓线。计算相对应平面的面积。

（二）、节能计算

在斯维尔节能计算软件中搭建出模型的大致体块模型。在犀牛软件中利用搭好的精细模型，算出体形系数，窗墙比，以及门窗尺寸及个数等等，反馈的节能计算表中。根据犀牛软件中计算出的数据，完善节能计算软件中的模型，进行节能计算。

4、软件应用：

目前，传统建筑设计主要应用软件：AutoCAD常用三维模型软件主要有：Sketchup犀牛软件（Rhino）3Dmax等非线性建筑设计软件：AutoCAD+Sketchup或犀牛软件（Rhino）未来：BIM设计软件的将大面积推广。BIM软件可建立精准的三维模型，且可赋予准确的数据信息。在一定程度上可由一个软件代替现有二维、三维两个软件。据了解，如极为复杂的非线性形体，BIM软件的三维功能也无法支持，将仍需要专业的三维软件作为辅助。

五、结束语

由于人类社会的进步，人类文明的前进，建筑所承载的功能任务日益丰厚沉重，由于现代化科技和建筑艺术的进步，许多新的建筑设计理论在实践中也在不断发生，这就要求我们不断去探索结构非线性设计与建筑创新的关系。

参考文献

[1]虞春隆.数字技术在建筑设计中的运用[J].华中建筑.2011(09)

[2]杨少林，杨少萍，高庆.当建筑遭遇数字化[J].山西建筑.2010