非线性的当下建筑空间形态设计研究

朱村辉

摘要：非线性科学竞破了牛顿线性理论的复杂性科学，非线性空间并非是无规律的线性空间，它是一种连续流动状的形体。非线性建筑空间设计受到拓扑学、褶子思想、模糊理论、混沌学、非标准数学分析等学科的启发。非线性建筑颠覆了欧几里得几何学和近代主义建筑学的旧俗，展开了一个动态的时间与空间共存的流动世界。

关键词：非线性；空间形态；拓扑学；建筑空间

一、线性与非线性的概述

线性是相对非线性而言的，是一对互为矛盾的概念；非线性是对线性的否定，线性是非线性的典型特例，但是在一定的条件下可以相互转化。对于二者区别从四个角度进行阐述，才能比较完整的理解它们相互关系。首先，从数学理论方面分析，线性是指量与量之间按照比例呈一次函数关系，表现出来的轨迹是直线；非线性不按照比例关系也不呈一次函数，其表现出来的轨迹是曲线。其次，从物理学方面分析，线性在物理变量间的位移轨迹是呈匀速直线的，变量间的变化率也是恒量规律；非线性的物理变量是不规则的、自由的曲线、动态的流体空间。再次，从建筑学方面分析，线性空间是欧几里得几何空间的“叠加”与“重复”；非线性空间是当下前卫建筑空间的“续异性”和“突变性”。

二、非线性在建筑空间的目的和意义

非线性建筑产生于上个世纪60年代，是复杂性现象学科与建筑学科初探的碰撞。许多建筑师对非线性没有概念，感觉是一种虚无缥缈的非线性形态建筑，因此，非线性形态建筑为出发点的建筑空间设计的例子几乎是凤毛麟角。由于受到拓扑学、褶子思想、分形学、模糊理论、非标准数学分析、混沌学等学科的影响；同时受到德勒兹“去中心学说”哲学思想的影响。非线性建筑形态的鹊起打破了经典现代主义均值空间，改变了建筑师在创作过程中单一的设计理念，创造了具有时代感、前卫建筑空间设计风格。

当今，信息技术、经济、科学技术等诸多领域的迅速崛起，为非线性建筑空间的发展创造了一个新的世界观，为建筑师的探索提供的更高的平台。但是，非线性与建筑设计毕竟是边缘性、复杂性和综合性的学科，难免会带来许多问题。为了解决诸多问题，因此，需要对建筑系统演化过程本质认知和揣摩需要有更深度的探究。如何更好的解决非线性在当下建筑空间形态中运用研究等相关问题？所以需要对相关哲学理论、几何学、物理学、环境生态学、建筑结构学等学科体系进行深入的研究。并且结合自身典型案例进行实践，理性和客观地为非线性建筑空间形态设计做出一套正确的方法和策略；提供具有实际意义的理论引领和指导；对清晰的了解当下前卫建筑形态知识，掌握建筑的主流设计有着主要的意义。

三、研究的方法

（一）文献参考与案例剖析法

文献参考法是根据研究目的，展开调研和阅读大量的文献获取相关数据资料，从而正确地、全面地对论点进行论证的一种研究方法。本文主要是通过读取非线性学科、边缘性学科和复杂性学科相关文献资料，把非线性和建筑空间形态相结合做出本质性和系统化、深层次的理论研究。通过案例剖析对当代建筑形态在结构、艺术效果、材料分析进行更客观的认识非线性在建筑空间形态的表现。

（二）归纳总结法

归纳总结法也是本文研究主要方法之一。由于非线性现象本身就具有特殊性和复杂性的特征，所以在研究过程中需要具有高度的归纳总结。非线性建筑空间这种复杂性和特殊性导致了在不同时期不同地点所表现的复杂性程度是不一样的，所以必须要对该类进行阶段性的归纳梳理。这样才能把建筑空间系统内部特性关系进行明晰的归类认识，有了清晰的认识才能对非线性在建筑空间研究做出客观性的评价。

（三）跨学科研究法

跨学科研究法，也称“交叉研究法”。运用物理学、几何学、拓扑学、混沌学等学科的理论、方法和成果从整体上对非线性在建筑空间进行综合研究。科学运动规律表明，学科与学科之间存在着即分化又综合的辩证关系。

四、非线性建筑设计发展阶段

数字化技术在建筑空间的运用，为非线性的扭曲面、不确定性、多变性等诸多难以处理的问题都得到了解决。非线性建筑发展大致分为三个阶段：1非线性建筑设计在没有计算机辅助之前。建筑师在绘图上面都是采用手绘和手工模型，在建造过程中建筑师需要到现场监工，而且工期时间很长，预算成本出入较大。因此，非线性建筑在当时建造的数量极少。2.探索阶段。计算机辅助设计的创始者是弗兰克·盖里（FrankOwenGehry），在他的作品中大量的运用流线性曲面，对于施工方面有着极大的难度，面对这样的困局，冥思苦想终于探索出利用高新科技与艺术相结合的道路，将飞机设计软件CATIA运用于建筑设计模型制作中，强大的曲面建模和数控技术让弗兰克·盖里为建筑设计开启了新的篇章。3.全面应用阶段。计算机软件技术运算强大，不仅对非线性形态的形体进行生成，而且在形态建造上有很强的制造技术。参数化编程设计技术、圖像的分析和数控技术，使建筑形态变得更加线性化，多样化，复杂化。例如北京银河SOHO的设计，整个建造形体都是使用流线型曲面，得益于NURBS造型技术，在修改曲面形状只需要调整参数来控制造型设计效果。

五、非线性建筑空间形态设计的探索途径

非线性理论对建筑空间形态设计影响是多方面，有弗兰克·盖里、艾森曼、哈德林等为代表的解构主义。无论是物化了的建筑空间形式还是与复杂多变概念上的建筑空间形式，它都与几何学、混沌学、新型材料学、环境生态学、分形理论、建筑结构学等学科领域有着重要的内在关系。

（一）前沿学科研究角度探索

由于科技的进步，建筑事业得到发展甚快，各种形式、各种风格相继涌出，非线性建筑形态发展也变得更加奇异，归根结底离不开几何学（Geometry）、拓扑学（Topology）、混沌学（Chaos）对建筑的影响。几何学是研究空间关系的数学分支，是研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性和不变量，也是当前全球建筑学范畴探讨最多之一的前沿数学运用。根据几何学的基本原理，物体适当缩放尺寸它的几何形态结构不会因此改变。许多建筑师通过这原理与建筑设计相结合，随之产生出欧几里得几何学的非线性建筑形态设计。拓扑学为建筑行业提出了具有逻辑性的空间思维方式。拓扑性的不变量和不变性质是建筑学空间逻辑变化的基本方式，它的本质是不讨论两个图形是否全等性质，但讨论拓扑等价性质。比如：圆与椭圆、正方形与三角形、直线与曲线从拓扑学角度分析它们是等价图形。混沌学，是研究混沌运动的一门新型学科。科学表明，它是由确定性内因获得随机性的运动状态，不受外因随机性的影响。它具有突变性、分维性、标度性、普适性的特征。混沌学对建筑的影响还有另一方面，混沌学家常说：“混沌是打扮成无序的有序”，因此，它是一种复杂的高级有序。混沌学从复杂中发现简单，又从简单中找到复杂。混沌学理论研究给当下设计师对空间形态研究得到主要启发。

（二）建筑结构角度探索

从力学的角度看，建筑的结构是支撑整个建筑物承受荷载的作用，它遵守牛顿的力学原理。在牛顿理解，直线受力比曲线受力简练是符合科学原理的。但是在非线性学家看来，曲线结构才是正确的、柔美的。正是由于非线性学家的这些思想，创造出大量的非线性建筑结构，如英国女建筑师扎哈·哈迪德设计的长沙市梅溪湖国际文化艺术中心。

（三）美学角度探索

通过对建筑审美系统的分析，理解為建筑审美是建立在建筑美学价值基础上的，而建筑美学价值又体现在对非线性建筑形态的表现。主要表现在以下两个方面：

1.建筑美学对建筑空间形态的科学性因为建筑的最主要功能是使用价值，所以要满足科学性的范畴。建筑本身就是一门艺术，区别与其它的艺术门类，就是因为它具有科学属性。建筑同样具有与其它艺术的“通性”，那就是有与其它艺术共同具有的审美属性。如沃尔夫·狄·普瑞克斯（WolfD. Prix）设计的宝马世界，运用高科技与建筑美学相结合，以扭曲的钢架构造展现形态美，诠释了宝马品牌的飞机螺旋桨品牌形象。

2.建筑美学对建筑空间形态的多元性由于文化、气候、生活方式以及审美的差异，造成了建筑空间形态设计的多元性。不同的角度对建筑形态的审美价值有不同的看法，审美价值多元性使得建筑审美没有一个评判的标准。不过各界人士根据自己对建筑的审美标准找到对应的满足。

六、非线性下建筑空间形态的表达

（一）非线性下建筑空间形态的表达手法

1.无序与有序的手法

非线性对建筑空间形态需要辩证的看待。在分析建筑形态表达的时候首先就是对空间“无序设计的有序设计”，从逻辑学角度说无序是不可能达到真正意义上的审美效果的。因此，实际上非线性的建筑空间形态设计体现出来的应该是无序中有序的平衡。这种无序中有序的空间表达是当代建筑空间形态设计中以一种母题式出现的，恰恰利用这特殊的表达形式增强了建筑形态艺术效果。例如北京鸟巢，在设计中将无序的内涵在空间秩序的有序中表现出来。空间形态设计的革新与哲学相关联，这种设计突破了赤裸裸的有序逻辑，取而代之的是无序空间结构表现有序空间，这种双重的空间表现让非线性空间得到一种可以识别的有序的诠释方法。

2.平滑混合与柔和的手法。

平滑混合和柔和是曲线结构对优化建筑形态设计的一种表达形式。运用拓扑平滑塑造空间，各异质要素之间与空间界面相互融合，消解了空间与空间之间的界面。这一理论来自于德勒兹的哲学思想，提出的“光滑空间”，它是一种自由的、无拘束的，无等级边界的空间思想。例如，扎哈主持修建的阿利耶夫文化中心（HeydarAliyevCentre），它是一个综合性建筑，包括有博物馆、图书馆、会议中心等。扎哈的灵感来自于伊斯兰本地的历史文化与艺术花纹相结合，设计出一种非线性建筑，与有机曲面形成内部平滑的整体空间，外部高耸平滑与柔和的大曲面形态，完全消解了“墙面”“地面”“顶面”，模糊了建筑空间的维度。

3.变形的手法

在这里的“变形”与我们日常生活所理解的变形概念是不同的，日常所理解的变形概念是指从一种形状变成另一种形状，类似于从长方体变成圆柱体或是圆锥体的概念。这变形的结果虽然与本文所论述的变形一样，但是变形的原理和过程迥然不同，本文设计涉及到的“变形”，是指一种哲学思想，是一种德勒兹理论中的变形，也是观念上抽象的变形概念。变形的建筑空间结构形成的非线性是当代前卫建筑设计师追求的设计主题之一。变形建筑空间在力的作用下直接发生了几何关系和物理关系，增加了新的表象特征；如横面、纵面、侧面弯曲变形和扭曲变形之间的相互耦合，导出了空间的大转变弹性变形。一些建筑师运用“变形”的手法，改变原有传统的欧几里德几何“方盒子”建筑形态，抹去了建筑原型锋利的菱角，使整个建筑形态有圆滑的弧线和柔化的边沿，使“顶”、“地”和“墙”形成了无缝隙的完美建筑形态。体块与体块之间把内部的中庭空间与外界空间相连接相互融合，这样的设计其实是将内空间与外部环境结合成一个有机整机。例如，对莫比乌斯环进行拓扑变形，形成立体的阿拉伯数字“8”，形成一个扭曲的起伏的线性空间。利用这个原理运用到建筑空间设计中，这样塑造出一个多维的流动、连续、无限的空间，莫比乌斯环的魔性在于它是无尽循环的路线，假如一只蚂蚁沿着面走，永远也走不到尽头。

（二）非线性下建筑空间形态的表现形式

1.流动曲面

非线性建筑形态从造型上看给人一种强烈的动势，它与双曲线，抛物线，自由曲线，螺旋曲线密不可分。在建筑中自由曲面建构，打破了传统的方盒子建筑模式，建筑空间呈现一种更为丰富多样的形态。如SOHO建筑形态，整个建筑群采用流动曲线包裹，完全体现出非线性建筑空间形态流动曲面。银川美术馆以流动的褶皱肌理曲面还原千年地貌的变化，流畅、优雅的曲面实现建筑空间形态有机的、自然的、非线性的大自然面貌，展现出非线性的艺术魅力。

2.折叠融合

“折叠”实际上是一种整体空间发生了“不可思议”的形态变化，表达形式也有着独特性。通过“折叠”的手段在空间上出现了一种奇特的折叠观感，让人感到对“折叠”构造产生好奇，打破了现代主义建筑的绝对水平与垂直。在内部形态与外部形态之间不再是独立的出现，而是相互融合，相互折叠混为一体。在“折叠”融合的作用下重力对于体量似乎也被消解，空间与空间之间的隔阂也被消化了；例如瑞士卢米诺别墅设计利用自由折叠方式“六面体定式”实现了折叠结构感和空间感的建筑空间形态。如同毕加索的绘画一样，将建筑的基本形体碎化成互相连接的块面。这样的空间设计，无法辨别地面与墙面之间、立面与顶面之间存在明确的界限；在室内同样看到的是建筑面块的不同空间和景象，但是这种空间形态保持着一种连续性。

七、结语

本文通过对非线性在建筑空间形态设计分析可以得出，非线性对当下的建筑设计影响甚大。随着数字化信息的到来，更多的建筑形态趋向于多元性、模糊性、动态性的非线性形态发展。在新时代的背景下，新的科学理念和世界观打破了传统的“方盒子”建筑模式，给建筑注入了新的生命力。非线性建筑空间是历史的产物，相比传统间建筑空间的线性思维，非线性建筑空间设计是全新的，甚至是颠覆性的，它融合了几何学、物理学、哲学理论等其它复杂性学科为理论依据，给人们以本质上新的认识和新的思考视角。

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