浅谈几何形态学在建筑设计中的应用

几何形态学在建筑设计中的应用摘要：随着数字技术的快速发展，数字化的生产方式与生产工具也在不断更新与升级。复杂曲面形态、建筑表皮设计中的镶嵌几何、建筑设计中的轴线等几何形态已越来越多地应用于建筑设计中。本文介绍了建筑设计中复杂曲面的建构方法，对典型的空间镶嵌单元进行了探讨。并在大量的建筑设计实例的基础上，以轴线的形态空间秩序特征以及城市的丈脉为切入点，详细地阐释了轴线在建筑设计中的具体方法。关键词：曲面形态镶嵌几何轴线建筑设计应用一、建筑设计中的复杂曲面建构建筑设计中的复杂曲面形态建构需要同时满足建筑师的设计意图以及结构和建造的多重要求，应用数字化设计工具对复杂曲面模型进行抽象。同时根据曲面特点的异同选择合理的建构方法将为进一步的曲面优化和建造奠定基础。1基于物理找形建构复杂曲面“找形”是指基于物理约束或通过实验手段建构复杂曲面的方法，这种方法最初由高迪的悬链模型而来，后经弗雷·奥托(FreiOtto)及海恩斯，艾斯勒(HeinzIsler)等人进一步拓展，发明了肥皂泡找形法、充气薄膜找形法和悬垂织物找形法等。其中，基于实验手段的“逆吊实验法和利用索膜结构为主体形成合理的曲面形态是应用最广泛的两类方法。通过找形逻辑建构的复杂曲面可以将结构的合理性与建筑的形态美学很好地结合起来，并使结构性能得到最大限度的利用和发挥。例如福斯特事务所(Foster+Partners)在啥萨克斯坦所设计的沙特尔可汗娱乐中心《KhanShatyrEntertainmentCentre)其主体锥形结构的曲面形态就是通过对一系列悬吊模型的观察分析，结合计算机模型的进一步发展而最终确定的。[1]2基于几何变换建构复杂曲面几何变换是指通过对直线、曲线及基本几何形状进行旋转、平移、缩放等变换或是几种变换方式的互相组合来建构复杂曲面的方法，由此可获得如旋转曲面、平移曲面、直纹曲面、可展开曲面等在建筑实践中被较多应用的曲面形态。[2]因其基于基本的直线或曲线元素而直接建构，所以便于计算机模型的创建和处理。同时，曲面的离散和建造实现也相对容易，节省材料及工程造价。圣地亚哥·卡拉特拉瓦(SantiagoCalatrava)设计的西班牙YSIOS酿酒厂(BodegasYSIOS)即是应用直纹曲面建构复杂形态的典型案例，利用一组连续变动的木质直纹母线生成变化的屋顶曲面。另外，格雷姆肖建筑事务所(GrimshawArchitects)设计的米兰加里波第展览馆(MilanGaribaldiExhibitionBuilding)也是基于基本的结构和几何概念，利用直线和曲线的平移缩放等组合变换建构复杂曲面形态的尝试与实践。3基于不规则形态建构复杂曲面利用不规则形态建构复杂曲面更多地是基于建筑师对设计概念的把握和对艺术形式的控制，往往不能通过解析表达也无法由基本的曲面组合得到。而是需要在草图或模型的基础上利用曲面拟合技术通过或逼近给定的离散点来得到复杂曲面。这种逻辑建构的复杂曲面形式更为自由，也更加接近建筑师的设计意图。但可能给在形式与结构之间寻找合适的平衡点带来一定的困难，需要花费高昂的代价或导致最终建筑的实现形态与设计初衷产生偏差。扎哈·哈迪德(ZahaHadid)的许多作品中都用到了不规则形态的曲面，如广州歌剧院(GuangzhouOperaHouse)，格拉斯哥交通博物馆(GlasgowRiversideMuseumofTranspo~)以及盖达尔·阿利耶夫文化中心(HeyharAliyevCentre)等。这些复杂曲面都是通过计算机辅助的优化分析，并借助先进的数控加工技术得以实现，采取不同方法建构出的复杂曲面具有各自不同的优势及特点，从不同的设计需求出发选用不同的约束逻辑来建构复杂曲面，可以使结构要求与美学需求更好地结合，并有利于设计意图的表达和复杂曲面形态的优化与最终实现。二、镶嵌几何在当代建筑设计中的应用运用几何学原理进行建筑表皮设计的现象比较普遍，其中应用最多的当属“镶嵌几何”(tessellation)。镶嵌几何历来与建筑的关系非常密切——无论是古罗马的马赛克壁画还是传统伊斯兰教建筑的几何纹样装饰，都显示出极高的镶嵌技巧；而中国古代建筑窗格中的镶嵌图案也让D．S．Dey等人着迷，写出了诸如《中国窗格的基本原理》这样的专著。当代建筑中运用镶嵌几何的实例不胜枚举，然而目前国内学者从建筑设计的角度所进行的研究还非常少见。在单一正多边形镶嵌中，(6，6，6)型即正六边形镶嵌经常让人想到蜂巢、细胞组织等大自然的造物。由于它富于有机表现力，在受力方面也具有优势，一直以来在建筑中有很多应用。近期的案例是天津中钢国际广场中标方案的表皮设计，它采用了具有疏密变化的正六边形镶嵌．320m的超高层建筑平面边长约50m，同样以中央核心筒与表皮作为承重结构，内部形成进深12m的无柱大空间。建筑师通过改变正六边形窗口的大小形成整体上的韵律感，在严谨的几何性中加入了柔和的光晕效果．开窗的变化也兼顾到建筑在不同朝向的采光与遮阳的要求，具有一定的节能作用。此方案能在国际设计竞赛中胜出很大程度上要归功于它的表皮设计。与单一正多边形镶嵌相比，组合镶嵌的类型较多，更容易获得丰富的表现效果。法国建筑师J．努维尔设计的多哈高层写字楼的遮阳幕墙使用了组合镶嵌，它可以看作是对(4，8，8)型正多边形镶嵌的变形，与(4，8，8)不同的是正八边形并非以边相接而是以顶点相接，再加上八边形之间的正方形与等腰三角形构成了平面镶嵌。设计者对镶嵌的图形单元进行了两种处理：首先提取出蝶形元件，使基本构形从3种变为1种(图6)；然后用4种尺度的蝶形元件分4层进行叠加，元件长度之比为1：2：4：8，元件数量之比为64：16：4：1。这层幕墙最终用4种类型的元件形成了丰富的图案层次，在提供遮阳的同时，为建筑披上了绚丽的外衣。建筑师通过运用镶嵌几何，以当代的方式回应了伊斯兰教建筑的纹样装饰传统。三、轴线在建筑设计中的应用1塑造空间层次构成轴线的要素通过适当安排可以强调变化的韵律，形成节奏感，以产生序列感，建立空间层次。它对空间的使用和识别具有重要的意义。空问要素之间可以通过连通、穿插、渗透以及相互交融，使空间感受更为丰富，人的感知在轴线组织的空间层次的变化中也体验到了建筑的秩序。空间层次塑造法主要有3种方法：1．1形态构成要素纵向断开与分离安徽合肥蜀山烈士纪念碑设计中，作者对构成轴线的要素——纪念碑碑体进行纵向的断开和分离处理，很好地塑造了纪念性空间的序列，对纪念碑建筑传统的“叙事诗”式的平面布置进行“颠覆”式的转换，别有一番意境。1．2形态构成要素横向断开与分离轴线垂直向度上的构成要素在空间上的断开。例如：西安交通大学教学主楼、巴黎歌剧院国际设计竞赛中，设计者就采用了轴线构成要素的横向“断开”的处理方法。从巴士底广场中的七月柱引出的一条轴线把基地分割为两个部分：左边为辅助部分，采用强烈的自由形态；右边是主体部分，采取严格对称形式以延续原有的城市肌理以及尺度，肯定了原有的轴线[3]。作者在保持原有街道的轮廓以及传统城市的边界特征的同时，与原有的建筑保持了清晰的对位关系，对重整该地段的环境起到了积极的作用。1．3形态构成要素与轴线的相对旋转轴线的构成要素与其所形成的轴线并非成正交关系，构成要素和轴线各自都保持自身的状态，然后使轴非正交地引入到构成要素中，也可塑造出具有丰富层次感和鲜明体验性的作品。如清华大学的第六教学楼，根据学生行为的便捷性特点和地形特征，作者确定了一条轴线序列空间与整个校区成45度。一方面维持了学生原有的行为心理约定，另一方面为整个教学楼群体带来活力。2组织环境秩序丹下健三曾说过：“精彩的不是一座建筑，而是凭借建筑与建筑之间奇妙配置形成的整体环境。加拿大建筑师埃里克森也曾概言：“建筑设计是目的和环境这两个条件共同作用的结果，设计要求由内而外推出它的形式；而环境因素则由外而内地对它进行塑造。”轴线有助于建立建筑与环境之间的完整统一的外部空间秩序。2．1城市环境层面“城市是宏观的建筑群，表现出一定形态的城市具有自己的内在秩序、组织结构和布置方式。”[3]单一建筑作为构成城市的“细胞”对城市内在秩序的保持应有直接的影响。城市层面主要是指体现城市整体性特征的环境层面。城市层面环境是与城市整体的环境特征有关的建筑外部环境[3]。轴线在城市层面的应用就是吸取城市环境秩序，轴线在宏观城市环境的应用方法表现为以城市脉络及城市肌理出发，使个体建筑形态反映出城市秩序，例如城市的网格秩序、景观轴线、交通轴线等，体现建筑生成的有机与有序。韦克新纳视觉艺术中心便是采用了多轴并置的轴线类型来组织建筑群体。它以外部环境中的两套网络秩序为出发。一套是传统的哥伦布城市网络，一套是大学校园网络，两套网络叠置。艾森曼将两种网格相互叠加，使城市街道系统与大学校园网格、校园古典中轴线汇集在一起，形成两种网格系统：主轴网与城市肌理一致。辅助轴网与校园肌理一致，两轴网相交成12．25度。2．2地段环境层面地段环境是特定建设项目周边具有相对整体性的建筑外部环境。地段环境是建筑的外部空间。建筑轴线基准在地段环境中的形成可依赖于一些引发线、对位线、基准线，控制建筑图形的生成与演化。地段环境中可以引发轴线的因素主要有基地周围道路中线、相邻建筑的主轴线或其入口广场轴线、地段附近景观要素或标志物的对景线、视线、自然地形的呼应线，如河流、山的脊脉和沟谷、等高线、绿带、基地的主要出入口，以及最佳日照方向、主导风向、磁北线等。从地段环境中发现隐藏的秩序，由此展开深入设计。如日本建筑师安藤忠雄设计的直岛美术馆，用地不规则，地形散乱，周围条件复杂，它的轴线系统的生成是依照磁北线以及基地旁边的小沟和附近原有的建筑而定。建筑的布局轮廓在它所在公园的平面关系上显示出轴线系统的存在。当环境秩序不明朗，通过环境脉络难以形成有整体空间秩序的图形时，最有效的方式就是插入秩序性强的轴线图形，使建筑群产生明晰的结构关系，强调建筑空间的逻辑结构，并且使轴线以外的部分活跃起来。2．3场地环境层面场地层面主要体现场地整体性特征，是与场地整体相关的建筑外部环境。场地层面主要是指场地内建筑实体、空间、道路、绿化等要素及其相互作用所组成的整体[3]。场地环境的特征要素包括地形地貌、相邻建筑、街道广场、视野、风景要素，诸如树木、灌丛、岩石和流水等，这些要素在场地的结构中各有其位置，所构成的整体确定了场地的特征和面貌，也塑造了场地的场所性格。建筑轴线可以从场地环境中吸取其脉络精神成立自身的基准，形成自己的秩序和结构；而场地环境也因建筑轴线的出现而获得了新的形态意义。日本横滨桐荫女子中学建在地形不规则的山地上。设计顺应山势，构成了一条沿山脊顶部伸展的轴线，建筑聚集在轴线两侧。平面采用不对称的形式，入口选择在山坡下，人们自然地从楼内步行到轴线上的各个建筑空间，从而省去了从山坡下爬到山坡上的心理疲劳。垂直的两条轴线上分别布置了半圆形的食堂和体育馆、各种教室，即使是从形态构图来看，群体也显得十分平衡和自然[4]3整合城市文脉建筑轴线设计应从城市的文脉出发，重视新老建筑的延续，建筑形式的语言应植根于周围环境中，引起对历史传统的联想，同周围的环境发生共鸣；使建筑形式符号的运用丰富建筑语汇，使环境具有多样性。由于建筑形态和传统环境形态与人们的历史意识和生活习俗有不同程度的关联，合理运用这些因素将有助于加强人们对时间的记忆。具体到建筑轴线设计上，操作方法有以下：通过基地调研，努力发掘基地所在区域范围内存在的地位较为突出的历史标志性因素，这些因素对整个区域都会产生重要的影响，成为区域秩序的影响点。例如，古代西方城市中的凯旋门、方尖碑、钟塔、教堂以及东方城市中的钟鼓楼、寺塔，现代城市中重要的公共建筑、历史遗迹等。通过轴线来建立要素与要素之间联系的关系，形成一种关系简洁、秩序鲜明的场地精神，体现设计者对区域形态积极建构的参与精神。例如，齐康先生设计的阿城金上京博物馆设计，由于基地西南方向不远处有一座金太祖的陵墓，以此为依据设计最终确定了两套轴线基准：一套是东西向的，组织主要建筑群，其依据是金朝制度中主朝向向东的传统，这可以看