结构非线性设计与建筑创新

结构非线性设计与建筑创新

王翔李政冯娇伟

河南应用技术职业学院

摘要：非线性科学是突破了牛顿线性理论的复杂性科学，非线性系统并非是无规律性的系统，线性空间实则是非线性空间的一个特例。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。非线性建筑设计常用的艺术表现手法有：流动曲面、折叠融合、倾斜叠加、旋转扭曲等。非线性建筑设计作为一种建筑语言与设计手法没有国界，建筑师完全有掌握的必要。本文论述非线性建筑设计的方法，谈了非线性建筑设计的途径。

关键词：非线性建筑设计

从建筑师的创作欲望来讲，建筑创新是永远的主题，相应地不断将会有复杂和奇特的结构出现。由于建筑的推陈出新所引发的复杂结构非线性设计大概也将不断地挑战结构工程师的神经，因此如何让工程师深入掌握结构非线性设计的精髓非常关键。这方面需要做的最基础的工作是尽快提高规范的技术水平，以使它能准确地反映结构非线性设计的内容。

一、非线性建筑设计

受非线性科学的影响，建筑师逐渐挣脱传统规则几何形体的束缚，走向非线性建筑设计的道路。非线性建筑创作试图打破经典现代主义均值空间、功能主义的枷锁，构建动感强烈、空间多变的复杂空间。非线性建筑已经声名鹤起，它改变了建筑师创作的单一理念，催生出了丰富多彩的建筑空间造型风格，改变了受众对周围建筑欣赏的传统审美观。传统的平衡、稳定、静态、和谐被激荡、扭曲、动态、破碎所取代，追求强烈的视觉冲击力成为非线性建筑的重要美学取向。非线性建筑设计的日渐盛行，让我们看到建筑空间从混沌到有序，再回归到混沌的艺术演化过程，非线性建筑设计预示着建筑学的未来，非线性建筑将在复杂性科学的引导下，成为下一个千年重要的建筑运动，不管这场运动的结果如何，都是对牛顿经典科学以及常规建筑形式的一次反叛。从建筑空间造型的角度来看，非线性建筑打破了传统的方盒子形式，展现出更多的曲线或曲面甚至于是形体的扭曲，建筑的雕塑感和视觉张力表现得淋漓尽致。非线性建筑表现出一种自由形体的流动感，这种流动性主要体现在建筑师对建筑内部空间的起承转合运动的处理过程中，空间的衔接过渡方面尽量把横平竖直的形体交接和生硬的棱角突起通过圆滑的形式处理，边界概念与立面概念被弱化和消解。非线性建筑形体之间的空间关系主要体现在曲面之间的柔顺过渡，表现出强烈的流动感，让人产生耳目一新的视觉审美感受。

二、非线性建筑设计的方法

1、流动曲面。流动手法的非线性建筑从造型上看给人强烈的运动感，运用了大量的曲线和自由曲面建构，空间运动感极强，这是传统的方盒子建筑完全不具有的，形态各异，异彩纷呈，不但如此，很多建筑师还加入了象征主义与隐喻主义的视觉符号，增加了建筑的文化深度和民族地域特征。

2、折叠融合。通过折叠的手段使建筑的平面与立面不再像现代主义建筑的绝对水平与垂直，传统的墙面、地面、天花不再独立出现，而是你中有我、我中有你，相互折叠与融合，混为一体。建筑空间的内部与外部被消解，重力对于体量与人流运动的阻力被弱化。

3、倾斜叠加。倾斜式的非线性建筑打破了笛卡尔横平竖直的直角坐标系，遵循欧几里得几何学的现代主义建筑美学不复存在，秩序、和谐、均衡被冲突、游离、破坏所取代，多维度互相叠加的几何形体大量涌现，建筑表现出强烈的运动感与破碎感。

4、旋转扭曲。旋转的非线性手法，往往得首先通过建筑师的反复思考和手绘，提炼出一个用于旋转的基本形，这个基本形可以进行数列式的推移，在空间上进行展开和适度的扭曲变形，现在流行的辅助手段是进行参数化建模，辅之以数控机床打制模型，反复推敲，进行设计。所以旋转手法的当务之急是首先确定建筑的基本平面，确定好之后就沿着垂直方向一个有意味的曲线进行旋转运动，生成一个流动而科学的形态。

三、非线性建筑设计的途径

1、前沿几何学研究角度探索非线性建筑设计。建筑学发展非常迅猛，但是不管非线性建筑形态发展得如何的奇异，根本一点还是离不开对几何学的研究，分形几何学是当下全球建筑设计领域讨论最多的前沿数学应用。自然界的很多事物都存在自相似的层次结构，适当放大或者缩小这些几何形体的尺寸，其结构不会改变，这就是分形几何学的基本原理，部分前卫建筑师把这个原理运用到建筑设计中，生产出传统欧几里得几何学难以企及的非线性建筑空间形态。拓扑学（Topology）也是近来建筑学界大量探讨的几何学应用于建筑设计的学术课题。基于拓扑学理论，部分前卫建筑师把建筑形体进行了渐变、弯曲、折叠、柔化等手法的变形，收到了极好的视觉效果。在拓扑学看来，球体与立方体、三角形与方形、圆与椭圆、直线与曲线是属性一样的，是等价的，这颠覆了传统几何学的概念，让空间形体的延展与扭曲带来了丰富多变的形态，但是其性质不变，甚至于量也是不变的，这为建筑师的非线性空间造型打开了全新的思路。

2、非线性建筑结构研究的角度。从力学的角度看，建筑的结构设计完全是用来支撑建筑自重和风雪环境袭击的，它要遵循牛顿的力学原理，在牛顿看来，直线受力是最简洁而科学的。但是在非线性科学的引导下，建筑师们认为，那些看似复杂的曲线结构才是合理的、优美的。承受荷载的力学结构主要由建筑材料和结构方式二因素决定的。传统的钢筋混凝土结构，加上电梯技术的高速发展，让地球上的摩天大楼应运而生。但是传统的钢筋混凝土横平竖直结构居多，在拥有建筑师和结构师双重身份，他把力学结构、数学分析结合在一起进行建筑创作，且擅长把桥梁结构和建筑结构进行完美融合，创造出了一批享誉世界的杰出作品。

3、新型材料研究的角度探讨非线性。建筑设计材料技术的发展无疑是建筑业发展的基石，从铸铁到钢筋混凝土，每一次材料技术的推进，都无不引起建筑业革命性的变化。然而历史推进至21世纪，新型建筑材料也不断产生，如尼龙、玻璃纤维、晶体及各种新型复合材料已经试探性地运用于建造之中。纳米碳纤维（NanometerCarbonFiber）被化学家证明为世界最硬的材料，用纳米碳管编成的如纸片一般薄的织物，其强度可以抵抗住子弹的攻击，其刚度胜过铸铁5倍。建筑师PeterTesta用这种材料编织了40层的摩天大楼。新型航空膜材料聚氟乙烯（EthyleneTetraFluoroEthylene,ETFE）也被用于大型公共建筑设计中。该材料抗拉伸能力极强，绝缘性能高，在高、低温环境下恒稳，阻燃性较强，耐化学腐蚀。

4、环境生态学的角度研究非线性建筑设计。建筑师主动利用当地的天气环境来做设计方案，可以使建筑在生态节能方面有所改进，还能创造出非常奇特的建筑作品。建筑师福斯特（NormanFoster）设计的伦敦市政厅，就是典型的利用环境生态的角度创作的非线性作品，建筑整体呈变形球体，向南倾斜3°，楼板自动成为每一楼层的遮阳板，还加强了建筑内部空间的自然通风，降低了空调的能耗，北侧河边的行人还能接受到太阳光，而不会被建筑物所遮挡，既绿色环保，又优美动人。

非线性建筑设计让我们的城市出现了很多奇异多姿的建筑艺术作品，为人类的生活平添了些浪漫气质。但是我们也要清醒地认识到，我们在大力探索非线性建筑设计的同时，也不能简单地否定线性建筑设计的存在，而应该根据现实的地理环境、文化氛围、经济条件理性地选择设计手法，以便创作出更多合理优秀的建筑设计作品。

参考文献：

[1]吕西林,吴小涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论和应用[M],上海:同济大学出版社,2015.

[2]王元清.浅谈钢筋混凝土非线性分析研究进展[J].水利水电技术进展,2014，(10).

[3]罗志国.钢筋混凝土结构非线性有限元分析的计算模型研究及程序开发[D].南昌:南昌大学,2014.