易建性下的非線性建筑幾何建構策略

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摘要：非線性建筑在追求環境營造和綠色性能過程中產生的復雜形式往往會損害其易建性，造成設計的失控和資源的浪費，由此引發了對設計與技術關系的重新審視。文章通過梳理易建性在設計領域的概念內涵與研究脈絡，分析論證了易建性是目標、設計合理化是過程，二者在不同設計階段的結合可以推導出相應的幾何建構策略——幾何邏輯建構、參數關聯建構、幾何形態優化、設計離散表達，并結合實際案例進行了設計方法層面的論述。

關鍵詞：易建性；非線性建筑；幾何學；合理化

引言

建筑設計的目標是將設計成果建造落地，這一過程隨著工業和信息技術的發展也在不斷升級，但建筑設計的可建造性一直也制約著復雜非線性形態建筑的設計方案。2001年MitchellW.J.通過對蓋里的方案從設計到建造流程的研究，提出了：“建筑師傾向于繪制他們能建造的，建造他們能繪制的[1]。”但是自文藝復興以來，建筑師與建造者之間的裂痕越來越大[2]，紙上繪圖逐漸成為建筑師的全部任務。再到2018年GuyAustern提出建筑師可以通過使用合理化方法、借助數字建造技術來提高他們對設計成果的建造質量的認知與控制[3]。可以看出，設計與建造的關系正在日益緊密，本文從設計層面梳理易建性與非線性建筑的關聯，并提出合理化策略來提升建筑師對于復雜形態的掌控力。

1易建性的研究歷史

易建性（buildability）概念源自于設計與施工的分化脫離而導致建筑行業的低效性，而后逐漸成為共識，各個國家都制定了相應的易建性評價標準，而針對不同地域環境和行業發展狀態對指標選取各有側重（表1）。目前來看，易建性的普遍性定義是在實現建筑項目總體目標的前提下，設計成果對建筑后期建造的有利程度[4]。在研究中，將對易建性有顯著影響的設計階段分為設計前期與設計后期，并結合典型案例對建筑設計形態的生成和優化策略進行探討。

2易建性設計原則與幾何合理化過程

2.1易建性設計原則

易建性評價的3S原則由新加坡BDAS在易建性實踐手冊中提出，由標準化（standardisation）、簡易化（simplicity）、集成化（singleintegratedelements）三個基本原則構成，也得到了國內學界的認可和延續，而這些原則主要針對設計完成后對成果的評價，有助于對設計方案的打分，也可被稱為絕對易建性。絕對易建性主要針對大量設計建設的、具有批量可重復性的建筑類型，例如住宅、工廠、學校和醫院等。相應的，從設計階段入手探究提升易建性的設計策略和途徑，是整合了設計流程的優化過程（圖1），其易建性概念也是相對于方案自身的不同階段。相對易建性更加適用于項目個體差異化程度更大的建筑類型，例如文化、體育、商業、辦公等，這些項目也往往涉及更為復雜的非線性形式，對于此類建筑的易建性優化，需要設計師提煉復雜形式的少量基本數據進行過程對接，簡化施工數據并刪除過程中的冗余信息，壓縮建造時間和生產成本。

2.2設計合理化

合理化（rationalization）是一個優化過程，最終目標是使設計成果可被現有的制造工具和手段良好地加工、生產出來。例如蓋里事務所將造型曲面都優化為“紙曲面”，表皮構件就可以采用簡單的加工設備將金屬平板彎折而成[5]。伍重設計的悉尼歌劇院也可作為相對易建性優化的經典案例，從1956年設計到1973年建成，建筑師不得不放棄自己的自由形態表面，因為當時沒有能力完成建造，建筑師和建造商和業主之間的關系也極為緊張，伍重最終也郁郁離開。Arup公司最終用球面來代替原始曲面，并通過長達7年的與各方協調和計算之下確定了建筑造型和施工方式（圖2）。所以，建筑師應該成為設計到生產全流程團隊中的成員，而不僅僅是建筑形式的提供者，建筑師需要掌握新的生產模式和工具。對于新生成模式與工具的掌握也需要兼顧其時代性，例如現階段已經具備的數控機床、大型3D打印等設備可以完成建筑尺度特殊構件的加工生產，但是還不能實現建筑行業的大規模應用。建筑師并不能產生技術至上的理念并對技術的發展產生過度預期，而應恰當地將技術與設計結合起來，易建性就可以作為一個具有當下性的預警信號介入其中。因此，設計合理化過程與易建性在設計階段的結合成為了必然。

3非線性建筑幾何合理化建構策略

3.1先合理化策略主導形式生成

先合理化過程是在設計開始之前，使用邏輯推理搭建出一個幾何生成框架，并使用框架限制來使得設計成果的幾何造型被限定在一個區間內，處于該范圍內的幾何體都具有良好的后期深化簡易性與施工便捷性。通過引入新的設計方法，采用線段、圓弧和其他基礎物體也可以生成豐富的非線性建筑形態來，這樣的設計思維需要建筑師對幾何學的掌握并能將其熟練應用于設計過程中。

3.1.1幾何邏輯建構形態是建筑的表征，而幾何學是形態的發生方式。建筑師可以運用幾何邏輯來進行概念方案的形體生成，好的幾何體系例如使用傳統曲面的設計就可以引導出易于建造的方案。傳統曲面是由截面線在空間中掃掠而成的幾何體，由于在曲面的任意一點總能找到一個相同截面，所以曲面是幾何體中相對容易建造的類型。傳統曲面可以根據掃掠動作進行分類（圖3），設計方案的幾何邏輯基于傳統曲面族來進行建構，并通過自由劃分、并置組合等手法可以生成豐富的曲面造型。由NormanFoster設計的位于哥本哈根動物園的大象館便是采用先合理化策略來主導設計伊始的形式選擇。從功能需求來看，建筑應提供兩個內部無柱的大空間為大象活動、休憩所用，在這樣的設計條件下，兩個圓形玻璃穹頂自然成為方案的首要選擇，建筑師在此基礎上將兩部分主體結構采用內聚、擠壓的設計以強化平面布局的向心性，使得建筑成為有機整體。變形后的平面為不規則形態，建筑師利用幾何邏輯找到了易建性較強的形態生成方式：在半徑不同的圓環上不斷調整切平面的角度找到了契合平面形式的最佳形體（圖4）。這種切割找形的方式使得屋蓋桿件有同一個完形來源，再建立對稱軸可進一步減少桿件的類型。

3.1.2參數關聯建構傳統曲面和幾何元素的豐富性往往有限，在設計中建筑師往往需要權衡形態的豐富性和后期設計修改成本，而參數化技術可以將幾何邏輯形成計算機語言，針對后期可能的額外信息輸入，保持了良好的可變更性，加快了設計推敲和形體優化的流程，使得在設計階段追求更加良好易建性的方案成為可能。滑鐵盧國際車站建筑方案的基地被現存城市布局擠壓、彎曲，形成了極不規則的長條形態。建筑師希望通過一種桁架結構體系來適應多變的基地邊界，通過參數模型的建構將桁架三鉸拱的短邊設計為標準單元，且鉸接節點固定，通過不斷調整內切圓的圓心與半徑來改變大拱的跨度（圖5），使得建筑構件可以通過工業化的方式進行生產、裝配。

3.2后合理化策略主導形態優化

后合理化可以讓設計師在前期相對忽視幾何形態對建筑易建性的影響，專注于概念方案的表達，然后進行后期的形態優化。當然，這并不意味著設計前期完全脫離理性，而是有針對性地將理性分析重點放在功能布局、環境性能等方面。

3.2.1幾何形態優化幾何學與建筑設計的聯系由來已久，幾何學的引入為設計催生出大量的技術手段，其中優化技術是提高幾何造型易建性的重點。曲面幾何優化是根據方案造型微分幾何分析得到的特征值進行優化方式選取。其中最重要的幾個參數是曲面的高斯曲率和平均曲率，高斯曲率為零的曲面可以無損展開成為平面，平均曲率為定值的曲面可以快速細分為平板單元，二者為曲面幾何形態優化提供了方向。在高鐵站概念設計方案中，造型通過三片類似的長條形曲面構成，每個曲面都由曲線直接平直放樣而成，所以保證了造型曲面為直紋曲面，為下層結構層的設計提供了便利。但是曲面在轉折處的曲率變化導致了該處雙曲面部分較大，不利于屋蓋面板的深化設計和后續施工建造。隨即對原始造型進行切分處理，劃分為10個子曲面，其中9個為可展開曲面。唯一的雙曲面相較于原始的雙曲部分面積縮減了78%，大大減少了雙曲面板的數量，并且少量的雙曲部分也可以使用三角形平面嵌板完成施工。通過環境貼圖分析可以看出，優化前后的造型基本沒有差異，良好地保持了設計特征（圖6）。

3.2.2設計離散表達完美的曲面僅存在于數學中，而一磚一瓦的離散性成果才是建筑設計最終真正得到的。有時盲目追求曲面的連續性、光滑性是將建筑看作小尺度工業產品，這反而會損害建筑在細部近人尺度的豐富感。當幾何體付諸建造，“精確”就從數學定義轉化為工程定義中的“公差”，良好的幾何離散化方法可以彌補幾何體的缺陷，同時也可以讓設計概念在細部尺度進一步體現。以蚌埠體育中心為例，造型曲面為兩片扭轉的雙曲面，高斯曲率為正且平均曲率會隨著屋頂的起伏而變化，無法簡單優化成可展開曲面或平面嵌板，而體育場屋蓋的主要功能為遮蔽和形象展示，并沒有封閉空間的要求，也就沒有墻體與屋蓋的交接問題，這就為其曲面的離散化表達提供了前提條件。通過將表皮單元的一段束縛在曲面點上，另一端可以沿著曲面切線方向延伸并保持了單元的平面化，并通過單元的延伸、層疊來保證排水的有效性。最終建筑造型在遠處仍然保持了原始曲面的整體感，同時離散化的單元增添了近人尺度的觀看層次（圖7）。

結語

建筑易建性的提升離不開設計者對于方案幾何造型的把控，易建性也不應停留于評價層面，而是應當主動介入設計過程，形成優化流程。通過合理化過程與設計過程的耦合，概括得到四個策略，即幾何邏輯建構、參數關聯建構、幾何形態優化、設計離散表達，以回應非線性建筑從概念生成到成果表達的設計全過程。目前已經有許多優秀的案例在設計中探索和嘗試新的設計方法，對于這些方法，仍需系統化的探索來形成完整的設計體系，進而為建筑師提供高效、自由的設計輔助工具。

作者：李佳陽 單位：哈爾濱工業大學建筑學院