非线性与参数化设计在喀什体育中心项目体育场的应用

黄　欣

(广东省城乡规划设计研究院,广东 广州　510000)

1　非线性与参数化设计

非线性建筑是一种连续流动状的形体，与传统的线性设计体块关系不同的是，非线性建筑常常是一整个形体的空间关系。这种形体来源于对周边环境因素及建筑性能的分析，建筑的设计过程就是对建筑各个影响因素的动态研究[1]。将各个影响因素由概念发展为具体，由于影响的因素比较复杂，所以最后形成的形体也是不规则的。

现代软件的发展特别是航空设计软件的民用化使得非线性设计在全世界流行起来，早期的盖里的毕尔巴赫古根海姆博物馆让世人对这类建筑的雕塑美感感到震惊，这栋建筑应用了当时波音公司最先进的航空设计软件CATIA。随着软件的发展，现在非线性软件如玛雅、犀牛等软件在建筑设计当中流行起来。这类流体般的建筑不仅在形体的生成上依赖于计算机软件技术，并且在形体的建造上也依靠计算机辅助制造技术。通过参数化设计，将不规则的流体形体以相对逻辑的方式在计算机中切割形体，赋予建筑细部。通过不断的修正，最终生成建筑形体。而借助于计算机数控机床，非标准的建筑形体可以拆分为不规则的部件，由计算机数控机床自动制造出来，并组装成型。

相对建筑设计常用的Sketchup软件(基于Polygon)，犀牛软件是一款基于NURBS为主三维建模软件，是功能极其强大的三维建模软件，是具有特殊实用价值的高级建模软件。Grasshopper(简称GH)是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，是目前设计类专业参数化设计方向的入门软件。不同于Rhino Script,Grasshopper不需要太多任何的程序语言的知识就可以通过一些简单的流程方法得到需要的模型，设计师仅仅需要了解各个模块(俗称电池)的关系即可通过连接模块就可以组合生成复杂的空间模型。

2　非线性与参数化设计的应用

喀什体育中心总用地面积约360亩，建设有体育场、训练场、体育馆及游泳馆。其中的体育场建筑面积约2.8万m2，最高处建筑高度约34 m，容纳约1.5万名观众，在这个建筑的建筑设计上运用了非线性设计手法，从方案的概念开始一直应用犀牛软件(Rhino 4.0)建模，Grasshopper编程，通过无数次的调整，最终形成了现在的体育场形体。

将体育场基本的功能流线关系处理好后，将体育场平面导入犀牛软件，并在犀牛中拾取基本的外轮廓线条。设计基本的屋面轮廓，通过双轨扫掠生成最初的屋面形态，形成体育场屋面的最早形体，屋面形态较为简单，弧线的柔美度一般。

经过平面柱网及建筑功能的不断深化，初步形成四个片区的三维弧面，通过设计深化四个片区交接的剖面，控制排水方向及足够的使用高度，通过多轨扫描生成基本的弧面。多次深化的建筑控制轴线通过投影曲线命令在基本弧面上生成三维线条，将三维线条放样生成更加精确柔美的曲面(见图1)。在观众大厅及观众休息厅一侧中加入鲨鱼腮的概念，形成有地域特色的空间(见图2)。方案初期的鲨鱼腮较为简易，没有考虑实施性及实际效果。通过风动试验发现这种方式有利于屋面的受风作用力的平衡，根据风动试验的结果，每个建筑控制轴间的鲨鱼腮由一组加多为两组，并在两个坐席中间的屋面也加入鲨鱼腮概念的天窗，以利于分解屋面的风压(见图3)。

随着方案的确定，屋面曲面造型逐步稳定下来。施工图设计的开展对鲨鱼腮的深化的准确性提出了要求。这时候，我们将通过结合犀牛的程序算法插件Grasshopper来计算细化这些洞口。最初的数学概念比较简单，直接将整体曲线平均划分为n份即可，假设有n个柱网，即有n×2个曲面洞口(即鲨鱼腮)，但是随着施工图的深化，西侧看台长度接近200 m，结构划分为三个区，设置有结构伸缩缝，使得平均分配无法成立，东侧看台没有受到伸缩缝的影响，故可以直接平均划分。通过检查可以发现，初级模型平均划分的洞口精度不够，并且与每一品桁架无法精确的交接。

这时需要将每一品桁架输入到Grasshopper当中并将弧形洞口的上端及下端数据同时输入，计算得出交叉点。最终生成精确的控制洞口的四个点(见图4)，并且四个点都在弧面上。每个鲨鱼腮洞口的精准定位，为施工图的深化打下了坚实的基础。

鲨鱼腮的材料选择为PTFE建筑膜材(孔隙率为30%)，PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。这种膜材有较好的焊接性能，有优良的抗紫外线、抗老化性能和阻燃性能。PTFE建筑膜材适应钢结构的变化，不同于大多数固体建筑材料,柔软的PTFE可被拉伸成各种动态的弧线形状。喀什地区风沙大，在使用期限内,PTFE只需做极少量的清洁工作，雨水或风会把尘土冲洗掉。选用孔隙率为30%的PTFE在考虑透光率的同时，也有利于整个屋面系统的风压的平衡。

3　结语

在本项目体育场的设计中运用一定非线性设计及参数化建模相对来说还是一个比较浅显的尝试。除轻型钢结构屋面采用参数化建模外，其他都是较为传统的推拉建模方式，施工图的深化也是传统的平立剖直接推敲的设计方法。

参数化设计的炫目外观常常招致“形式大于功能”的批评，然而却并不是参数化设计的初衷。参数化设计是一种设计逻辑，与形式没有必然的联系，更不以哗众取宠的造型为目的。非线性与参数化设计同样以环境、人的行为方式、功能为基本出发点，分析这几个基本点后逻辑化，并反映到建筑物当中。

但是，不能否认的是参数化设计的过度自由同样也使得建筑设计者容易受到软件的牵制，使得设计者本身受到夸张炫目的图像的吸引，忽视人的尺度、周边环境、投资及材料的构造方式等。非线性及参数化给了我们更丰富的想象空间，作为一种思考及设计方式，作为设计者的一种工具，需要在设计者的职业素养的前提下恰如其分的得到应用。

参考文献：