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
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。
1.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。
2.非线性建筑设计中建筑表皮的表现性和逻辑性
2.1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。
2.2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。
3.非线性结构语言表达
类似于人类语言，结构形态也有自己的语言，基于大量的文献及实例研究，深度结合复杂性系统的生成方法，归纳出单元繁衍、参数逆吊、结构拓扑3种非线性结构语言机制。
3.1基于涌现生成的单元繁衍
从涌现论出发，由下而上地将主体要素进行逐层整合，进而生成具有复杂性的整体系统，涌现生成的过程可类比非线性结构语言中的“单元繁衍”，即生成主体（其蕴含着特定的内部特征与不同的适应能力）在特定规则的限制下，并以其相互作用关系形成特定的涌现逻辑，最终生成具有环境适应性的结构系统。例如在德国的凯姆尼兹体育馆项目（ChemnitzStadium）中，巴尔蒙德运用拱结构的繁衍，实现了融于空气、天空、大地能量之间的漂浮的结构形态，既满足了基地边界的条件限制，又创造了具有高度审美意义的建筑形象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在这里，拱代表了一根梁，它具有很高的挠度和扭矩，为了防止它垮掉，需要另一个拱来支撑它，这样相互支持的拱不断增多，重叠的弧线从最初3个孤立的作用点生长开去，构成了一个互相依托的像云一样的钢架网络。
3.2基于适应维生的参数逆吊
笔者继承了经典物理逆吊法的思想，运用数字化设计平台，提出基于环境适应性的自由曲面结构参数逆吊找形方法，并运用Kangaroo工具建构参数逆吊法模型（BSGLM模型），可通过建筑设计参数（边界/border、锚固/support、网格/grid、荷载/load、材料/material）的调节而得出丰富多样且合理的自由曲面结构形态，最后根据建筑的空间环境、物理环境与美学环境来操作自由曲面生成的适应性调控。环境适应性调控即为根据对建筑所处基地环境及对建筑空间功能的分析来控制所生成的自由曲面形态。其中，边界条件（border）、锚固方式（support）和网格布置（grid）是可依据基地环境、建筑要求和建筑师的主观思维而改变的；而重力荷载和材料属性往往是由结构材料属性决定，反之，在对结构形态有特殊要求时，可逆向思维来推算寻找相适应的结构材料。在空间适应层面，建筑师可从对基地分析、建筑功能、建筑平面、体量组合等设计构思中抽象出曲面的边界条件，可为平面边界，也可根据地面高差变化而设定三维的边界。
3.3基于遗传进化的结构拓扑
遗传进化方法是解决复杂组织生长和演化的科学新方法，进化算法是基于生物进化的基本思想来设计、控制和优化人工系统的算法。结构工程领域已有对结构优化计算的大量研究，结构拓扑优化是解决非线性大跨建筑结构合理性的重要方法之一，一方面可对建筑师确定的建筑形态进行优化，另一方面可以直接介入到建筑生形的最初阶段。根据理论与大量实例研究，发现结构性能化处理在大型建筑工程的不同阶段介入所带来的效益是完全不同的。如在建筑初始方案确定后对其进行结构优化，可以将建筑师的浪漫构思合理化；而在建筑方案构思与初步方案之间介入结构拓扑设计，可以将建筑空间需求与结构拓扑形体进行综合设计，可对最终的建筑形态产生至关重要的影响；然而，通过结构拓扑优化的大量验证，可以梳理出一系列由拓扑优化生成的非线性结构形态，最优化的结构形态实则是最接近于自然的生物形态，如此从仿生理念出发抽象出适合大型建筑工程的原型，引导建筑方案的创新。
3.4实现新融合
“形式”的表达始终是建筑设计的归宿，任何建筑理念的诉求都将落实于表现“形式”的几何元素、材料元素和构型元素。与此同时，建筑受众者的审美诉求也将作用于建筑所表现出的视觉形式与触觉形式等。随着时代的变迁，结构技术与艺术总是相伴而生，结构技术的变化是建筑形态更迭发展的动力之一，形态的选择又促进了技术的变迁。如将结构合理性与视觉合理性综合考量，将二者效率全局把握，不仅需要敏锐准确的建筑师专业直觉，还需要强大的可视计算的数字技术支撑。每当我们可以将技术与艺术、建筑与结构相交融在一起时，就可以创造出充满魅力的建筑作品。无论技术发展到何其强大，人本身的智慧与情感对建筑与结构创作而言才是最为重要的，具有想象力和判断力的作品才具有美学鉴赏价值。
结论
在数字技术强大到无所不能的塑造自由形态时，传统结构体系瞬间瓦解，只要不计成本地运用这些技术便可以实现如雕塑般的建筑，出现了不惜违背最基本的结构原则而盲目追求夸张炫目的建筑形象的现象，这是技术先行、美学滞后的一种发展表象。大跨建筑是技术性要求最高的建筑类别之一，也是美学价值体现度最高的建筑类别之一，因此，大跨建筑是技术与艺术交融的设计对象，并从科学角度处理了数字技术时代技术与艺术的正确关系及作用机制，同时揭示出追求自然、生态、高效、精致、系统的大跨建筑设计理想。
基金项目：立项课题编号：YJ1830 立项课题名称：基于机器学习的建筑结构非线性行为预测方法研究
参考文献：
[1]沈世钊，武岳.结构形态学与现代空间结构[J].建筑结构学报，2014（4）：1-10.
[2]埃德加•莫兰.复杂性思想导论[M].陈一壮，译.上海：华东师范大学出版社，2008：111-113.
[3]黄欣荣.复杂性科学方法及其应用[M].重庆：重庆大学出版社，2012：10.
[4]佐佐木睦朗.自由曲面钢筋混凝土壳体结构设计[J].余中奇，译.时代建筑，2014（5）：52.
作者简介：
杨雨苔（1974.3—），女，汉族，广西梧州市人，任职于肇庆开放大学，研究方向：土木工程。单位：肇庆开放大学；广东省；肇庆市；邮编：526060
论文作者:杨雨苔
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/15
标签：建筑论文; 结构论文; 表皮论文; 形态论文; 建筑师论文; 建筑设计论文; 拓扑论文; 《基层建设》2018年第36期论文;