浅谈几何形态学在建筑设计中的应用

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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(ZahaH

6、adid)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

7、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

8、、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