非规则几何体建筑设计的思索

摘 要：文章简要介绍了2010上海世博会俄联邦国家馆设计工作中如何解决塔楼制图定位问题的过程，并由此提出关于非规则几何体建筑设计与施工的诸多思索。

关键词：2010上海世博会；俄联邦国家馆；非规则

几何体建筑；制图定位

中图分类号：TU242.5

文献标识码：B

文章编号：1008-0422(2010)11-0072-04

1背景简介

世博会一直是各类新奇建筑的表演舞台，在其历史上，一个又一个建筑奇迹不断涌现。在2010上海世博会上，各国场馆建筑方案更是无奇不有。这自然给方案的施工图设计与施工带来了极大的难度，特别是众多非规则几何体建筑场馆，几乎就无法利用现有的传统施工图绘制方式表达。需要各专业设计人员与施工人员不断创新与实践新的方法。

2010上海世博会俄联邦国家馆建筑(图2、3、4、5)分为两大部分――中心主体建筑与周边1 2个非规则几何体塔楼。中心主体建筑为长50m、宽50m、高20m的立方体型，外立面覆以鳞片状的可动金属表皮，设计师希望通过这些可动的鳞片状金属表皮来体现俄罗斯人民的个性与自由。在中心主体建筑周边相连着12个非规则几何体塔楼，塔楼由白、金、红三种颜色构成，底部为白色塔楼主体，上部的透空纹理、红色底色形成富有俄罗斯各民族元素的图案，顶部金色金属网架体系。整体外形设计类似古代斯拉夫人的小村落，象征着生命之花、太阳以及世界树(斯拉夫人枝叶繁茂的橡树)的根。在建筑内部的平面布局设计上，中心立方体为主要展览空间，共分为二层。十二个塔楼则赋予入口、小展厅、办公室、休息问、餐厅、礼品店、卫生间、设备间等功能。

本文的思索来源于在2010上海世博会俄联邦国家馆施工图设计咨询工作中面临的非规则几何体塔楼制图定位难题。同时，当前非规则几何体建筑设计已经成为一种时尚潮流，因此对这类问题的探索就有十分重要的现实意义。

2制图定位轴线的传统作用及在非规则几何体建筑中的无奈

多年以来，建筑设计都是以图纸作为表现形式。制图，就是基于正投影的方法，在图纸上以二维的形式来表达三维的建筑特征(图6)。这些图纸是施工的依据，同时也形成了约定俗成的多工种配合方式，比如多专业对于定位轴线的依赖等。

定位轴线是确定主要结构或构件的位置及标志尺寸的基线，是定位、放线的重要依据。实际上，在设计单位生产实践中已经形成的工作模式和流程对于定位轴线的依赖要远远大于以上概念中对于定位轴线轻描淡写的定义(图7)。在设计图纸中，平、立、剖面的协调，详图的索引，多专业的配合流程都离不开定位轴线(图8)。此外，在施工过程中，定位轴线也起到重要作用，不管建筑形式多么复杂，都需要在基地中确定其准确位置(图9)。从基地的勘探、打桩、放线开始，定位轴线就已经起着重要的作用，而在随后的土建和设备安装工作中定位轴线更是扮演着不可或缺的角色。从对于建筑的重要性方面来说，定位轴线可以被认为是存在于建筑中的看不到的“筋脉”。

但是，随着非规则几何体建筑的出现，建筑师发现定位轴线很难在图纸绘制中起到其“筋脉”的作用。从以下实例可以看出，定位轴线的使用在非规则几何体建筑设计中面临难题，设计中的定位问题需要结合相应的三维方式才能解决。

3俄联邦国家馆塔楼定位

世博会俄联邦国家馆由中心的立方体和周边的十二个塔楼组成(图10)。十二个塔楼为非规则几何体。但是又分为两种结构类型：一种是护表皮为非规则几何体，而内部结构中柱子为上下垂直的形式，如：4号塔楼(图11)。这种形式看似复杂但是可以用传统的设计制图方式来解决；另一种类型是由内而外全部是非规则几何体结构，塔楼内柱子全部是倾斜的，每一层的平面形状都有变化，每一层的墙和柱都与轴线没有关系(图12)。本文讨论的主要是后一种类型塔楼的定位问题。

3.1定位轴线斜交与正交的选择

在平面为非规则几何形的建筑施工图绘制中，定位方式常常采用倾斜相交的纵横轴网，即1轴和A轴不是呈90度相交的形式，在本文中我们称其为斜交轴网(图13)。

接到设计任务并初步研究后，首先想到俄联邦国家馆这种非规则几何体建筑定位可能适合采用斜交轴网的形式定位。在进一步的定位设计中，我们发现用这种方法确定的定位轴线难以起到定位和多工种参照的作用，如：确定0标高墙面为参照来确定斜交轴网，但是标注中会发现只有0标高的墙面与轴线存在关系，其他标高墙面与轴线均无关，这样确定的轴线明显失去了轴线的定位意义(图14)。

因而，轴网在任何其他标高的平面图中只能用来作为标注关键点的相对位置。那么斜交轴网的优势变得并不明显了，正交轴网似乎是这种情况下的更好选择，同时正交轴网还存在着：放线准确，与关键点的相对位置容易标定的优点(图15)。

3.2非规则几何体建筑表达的几种尝试方式

另外，世博会俄联邦国家馆的建筑不仅平面为非规则几何形式，其立面和空间也是非规则几何体形式，二维的轴网难以完成空间定位的任务，需要具有一种三维的空间定位网络，以弥补二维轴网在非规则几何体定位中的不足。

首先考虑的是由X、Y轴继续向Z轴方向发展而确立一种三维的轴网。按照我们制图标准确定的×轴线方向为圆圈中的阿拉伯数字1、2、3……，Y轴方向为圆圈中的英文字母A、B、C……，那么能否采用一种沿Z轴方向的圆圈中的罗马字符I、II、III……或中文中的甲、乙、丙……来表达空间的位置(图16)。但是，从理论上可行的设想一旦落实便出现了诸多困难，主要是我们希望引入的三维概念通过二维图纸难以清晰表达，常用的正等轴测的方式在这里也存在着制图和识图的不便，因此仅适合作为示意表达而并不适合作为一种系统的空间制图表达方式。

在表达三维地形的图纸绘制中常用等高线的表达方法，这种方法近期也常用于形状复杂的建筑设计表达(图17)。但是在本项目中，由于建筑形体较为独特，不仅有凸出的部分还有凹进的部分，而且有的部分下小上大，使得等高线方式的表达会显得更加复杂，不适合此项目的设计(图18)。

经过以上多种方式的尝试和对比，发现在非规则几何体建筑的表达上，采用标注关键点三维坐标的数字形式是一种可以采用的方式，因为这种方式比任何其他形式更直观清晰。

3.3定位轴线与关键点坐标同时保留

设计中确定了建筑形体用三维坐标来表达，但是定位轴线不可能被完全取代，因为施工图设计中多工种协作以及施工中的定位均离不开定位轴线的作用，于是设计中同时保留了两套定位系统：正交轴网系统和三维坐标系统。其中三维坐标的原点设置是以轴网的1轴和A轴

交点在O平面的投影点作为起点o(O，0，0)点。以此确定两套系统的相对关系(图19)。

4三维定位表达的特点及启示

随着计算机应用越来越广泛，计算机辅助设计及计算机辅助加工制造的日趋成熟，建筑师有条件进行十分复杂的建筑形体的设计，进而推动具有表现力的异形设计作品成为时尚。然而，这却给施工及多工种配合方面带来了新的课题。本文以世博会俄联邦国家馆的工程为案例，从非规则几何体建筑空间定位的角度，提出诸多对于复杂异形建筑设计方面的思索。

对于方案创作者来说，作为一个成熟的建筑师必须明白：除了模仿前卫的造型及形式之上的哲学理念之外，还必须研究建构的方式与材料的运用。建筑并不完全等同于雕塑，那种把弯折扭曲的建筑形式作为自己的创作个性本无可厚非，但是如果缺乏对于材料、造价、工期及建构方式的考虑，这样的建筑就是违反建构客观规律的。

对于设计及施工单位多工种之间的协作工作者来说，以往已经形成的配合模式需要针对复杂的建筑造型而相应改变――这不仅包含设计院内部条件图的提交和修改等，还包含设计院与施工单位及材料供应单位应建立一种新型的关系。在以往平面为主的协作模式中，轴线的产生是由于以往墙体大多是垂直的。在墙体都不是垂直的情况下，就需要探索更加适合的表达方式。我们认为：三维形体的建筑项目需要有三维的绘制方式，以三维电子模型的方式提交条件图应该成为一种选择一在三维中进行多工种的配合可以更加直观，并能够避免诸多误解与矛盾的产生。但是，这个转换受到软件开发与推广、工作配合习惯等多方面的限制，是一项十分复杂的升级工作。

对于建筑规范的制定和编制单位来说，急需要根据当今复杂异形建筑方案的产生来制定相应的可行的制图规范。在面临世博会俄联邦国家馆的定位问题时，我们曾经力图从制图规范中寻找解决方法，但是现行的建筑制图规范依然是相对二维平面图来说的，较少涉及三维的建筑绘画方式。随着建筑形体的日益复杂，空间形体的图纸绘制颠覆了原有的三视图的表达，需要编制新的规范或对原有标准进行补充。

5结语

从本文对世博会俄联邦国家馆建筑设计中非规则几何体建筑的空间表示方法的回顾中，可以看出：当建筑设计还不是特别复杂的时候，以二维表达三维的形式尚可以应付一般的要求。但是随着计算机的普及，建筑设计师有愿望并已经开始创造出更加复杂的形体，这给施工图纸绘制及施工过程都带来了巨大的挑战，对建筑设计与施工提出了更高的要求，需要引起设计师的积极思索和应对。