装配式|重新定义外立面——非线性建筑表皮设计方法！

有关建筑表皮的定义

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从语言生成上说，在古代中国的建筑术语里没有建筑表皮这个词汇，建筑表皮这个词是直接从英语单词“Building skin”，直译过来的，建筑表皮的原始概念与生物学相关，强调建筑的保护性，在生物学意义中，建筑可以比作成一个外围护结构是皮，结构是骨，空间是灵魂的生物体。另一种建筑表皮解释是来源于表皮的定义，表皮具有界面的属性，这种观点是一个系统与另一个系统的连接部（实体或者虚体）都可以称之为界面，或者表皮（陈龙，2003）。

在表皮的定义范围中，建筑表皮的概念更接近于“建筑的具象表皮”的理解，因为建筑设计实践活动中最直接的设计过程指向的首先是建筑表皮物理特性，强调建筑表皮的物理微观细节和建筑材料的呈现方式，在这种意义上“建筑的具象表皮”建立在以物质形态呈现的建筑发展的各种风格流派之上，它可以作为依附于空间的建筑的内外立面或称为非平面界面的空间分隔物，担当建筑结构和建筑功能的任务。

当今一些建筑师对建筑表皮的理解也具有多样性，有一些重视的是建筑的生物学意义中的作用，认为建筑表皮如同建筑的维护结构体，其功能应同动物的皮肤功能一样，可以起到保护、调节室内温度，交换空气，适应外界环境改变的作用。还有一种观点是从建筑表皮的抽象概念发展而来的，认为建筑表皮并非简单的具有一定分离意识的维护体系，这只是建筑表皮认识上的阶段性思维，并非建筑表皮的全部，建筑表皮是一种相对模糊的概念，不论在空间位置上，厚度上甚至其介质上，都应该用具有发展的眼光来看待它。它是一种看似模糊实则清晰的表皮意思（冯路，2004）。

“非线性”一词的引入

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在《大英百科全书》中，线性与非线性是按照系统来定义：“线性系统是指系统对于某种力的响应是严格成比例的，不会出现像混沌行为那样的力的巨大放大，非线性系统的行为模式则是变化多端，根本不可能用精致数学分析进行描述。直到巨型计算机变得成为可控制的时候，人们对非线性系统的本性才有了一点点探索，对司空见惯的混沌有了一些了解。”

非线性科学是研究大千世界复杂奇妙的非线性现象，从中归纳其共性、建立从确定性论到概率论之间桥梁的一门学科。而其对人类发展影响的另一重要方面是其对人类抽象思维发展的影响，非线性思维方式已经成为人类最重要的科学思维方式，非线性科学的产生标志着人类的认识由线性现象领域进入非线性现象领域，是人类认识和科技发展的一次由量到质的重大飞跃。

非线性建筑表皮

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非线性建筑表皮是指在非线性科学影响下，形成的非线性的建筑表皮,它具有动感和复杂的形态。非线性建筑表皮具体的说包含两种，即非线性建筑的表皮和线性建筑中具有非线性特征的表皮部分。

1960年代以来，生产力和科学技术飞速发展，产生新兴的科学——复杂性科学。它与各个学科都紧密结合，并被引入到建筑设计中，特别是非线性科学与建筑的结合更加紧密，出现了一批把非线性建筑理论运用到建筑设计中的建筑师，比如，蓝天组，埃森曼、盖里、扎哈·哈迪德、库哈斯、李伯斯金和屈米等等。

非线性建筑表皮的设计方法

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一.混沌理论作为非线性建筑表皮设计的基础

混沌理论是非线性理论的重要组成部分，混沌理论的特点之一就是对其无法做出长期准确的判断。依据混沌理论，建筑师的创作应该以自然本身的规律和人类自身对外部世界的感受来进行。混沌现象存在人类生活的各个角落，漂浮在天空的云彩，起伏不断的山峦，川流不息的河水等等。整个宇宙都是混沌的，万事万物都有关联性。混沌理论指导我们细心的观察事物，透过现象看到本质。

1.以自然形式为原型的设计方法

原型类比

浮游之岛——马岩松

浮游之岛——马岩松

浮游之岛顶视图——马岩松

马岩松的设计方案——浮游之岛，其建筑表皮正好顺应植物的叶片的自由形态，好像是一排巨大的树叶覆盖在传统的城市建筑之上，他通过尝试以这种新的城市组织原则对“机器美学”和“垂直城市”立场的质疑。

具象模仿

鱼舞餐厅——弗兰克·盖里

鱼舞餐厅——弗兰克·盖里

弗兰克·盖里的设计思路让人捉摸不透，可以用“既在情理之中，又在意料之外”来形容他，比如，他在日本神户设计的鱼舞餐厅，位于神户的一个高速公路旁边。建筑包括餐馆外的鲤鱼雕像，从严格的意义上说那算不上一座建筑，只是在广场上平地跃起一条高 19.8 米高的巨型鲤鱼，按着非线性定义来说这也是具有非线性特征的建筑表皮，它成为神户市的一个标志。这条鱼有完美的形式和神奇的动态感，在餐馆里就餐，隔着蓝色的玻璃观察窗外的这条大鱼，就好像在海底世界一样。

2.以曲线为基础要素的设计方法

美是一种混沌状态，大自然就是因混沌而美丽，这种美感是跟非线性有关的。曲线作为非线性的一个重要形式，曲线的形态是自然界普遍形态的概括，曲线天生就被人们所喜爱，曲线具有柔和性，自然性，复杂性和动力性，这在一定的程度上为契合了建筑表皮形式的多样性，在建筑表皮中运用大量的曲线也是理所应当的事情。（Cristina Bechtler，1999）

动态的形式

对建筑动态形式的追求自古有之，建筑具有动态的形式，由建筑表皮体现出来，非线性建筑表皮依据混沌理论，具有动态的曲线形式。近些年来出现了一大批关注建筑复杂性和动态形式的建筑师，他们建筑表皮的共同点就是由现代主义的机械表皮向非线性表皮的转变。这种转变的过程包括由平面向纵深、由封闭向开放、由清晰向模糊。突出表现了一种更加强烈和具有时代感的流动性。

意大利RE高铁站——卡拉特拉瓦

意大利RE高铁站——卡拉特拉瓦

意大利RE高铁站——卡拉特拉瓦

意大利RE高铁站由卡拉特拉瓦设计，一共19个模块，每个模块由25个钢原件组成，每个原件间距1米。该建筑的线性体系已经不复存在，而非线性体成为主角，面与面的分隔变得模糊，已经融为了一体，墙面直接延续到屋顶，贯穿南北，重14000吨钢材，长483，蜿蜒的曲线不仅是对传统结构形式的重新定位，界面消解使形体更加流动，富有动感。这种设计方法是对柯布西耶“新建筑”标准中“平面、体量、表皮”的挑战，也是对密斯建筑理念的革命。

连续自由的曲面形式

宝马世界——蓝天组

宝马世界室内效果——蓝天组

宝马世界夜景——蓝天组

蓝天组 2007 年设计的宝马世界是一座新车交付中心、技术和设计工作室、画廊、青少年中心和酒吧等功能为一体的综合建筑，采用一片巨大的玻璃体将各个功能涵盖在内，就像一片云彩，由双螺旋体支撑，体现了对异质元素的包容，自螺旋体向上，分为两层：一层向上升起，一层向下伸出，下部顶棚随意变化，双螺旋锥体向上升起的动势强化屋顶的悬浮感，建筑更加柔和而轻盈。

3.折叠成型的设计手法

法国著名的哲学家吉尔·德勒兹是著名的创造概念的大师装配式研发，非线性建筑受到他的思想影响。1986 年，德勒兹出版了《褶子:雷布尼兹和巴洛克》一书。德勒兹在书中提出了一个褶子的世界，在这个世界中时间和空间是随着物质的折叠 (Folding)、展开和再折叠而生成。他提出弯曲是褶子形成的理想基本元素，可被视为“纯粹的关于线或者点的事件。”

BBC Music Box 方案效果

BBC Music Box 方案效果

BBC Music Box 方案效果

BBC Music Box设计方案，建筑的界面连为一体，并且和楼地面同样联在一起，空间已经改变了常规形式，形成一个完整统一的空间体系。建筑表皮采用一大一小对称的折叠形式，下部连为一体，表皮形成内外空间的界面，打破了立面和平面的界限。

二.几何规律的逻辑性表现

无论当代建筑非线性表皮形式如何发展，但是其形成的表述仍然离不开几何学的支持。虽然今天的几何学无论在方法还是在范畴上都与以往传统的几何学有很大的改变，但是几何作为建筑表皮设计中的基本要素之一，同样对今天的非线性建筑表皮的设计有深远的影响。这些几何学在设计中的运用已经改变了传统建筑表皮的设计观念。

1.表皮形式的分形拓展法

Carl Bovil 在其著作《建筑设计中的分形几何》 (Fractal Geom-etry in Architecture and Design)中谈到,分形几何应用于建筑中主要有两个方面。首先，分形改变了以“人是万物的尺度”这一传统观念的影响，使建筑设计更加注重建筑自身局部与整体，建筑与环境之间的体量对比。其次，分形几何原理特别是自相似分形与自仿射分形原理及其典型模型，是表达非线性的复杂性的重要方式。

分形几何具有一些特征，通俗上讲，一个系统由可以分为多个子系统，而子系统仍然由更下一级的系统组成，在这里，每个子系统都具有和上一级系统相同构成方式和结构逻辑，那这系统就具有分形几何的特征。

自相似性

自相似性是分形几何的一个重要的特性，分形体的不同层次在形状上相似，并且通过一定的方式形成一个更大的整体。

墨尔本联邦广场——彼得·戴维森

墨尔本联邦广场表皮细节——彼得·戴维森

当代建筑师不断的将这一理论运用到建筑设计之中，彼得·埃森曼是最早将分形理论主动运用到建筑设计中的建筑师，特别是在他的住宅设计中。而越来越多的建筑师逐渐在建筑表皮设计中运用分形几何的自相似性质，也具有较大的影响力。比如，彼得·戴维森设计的墨尔本联邦广场，在这个设计作品中建筑师运用了分形几何的三维化表达，建筑表皮形式的构成是基于一个具有二分之一比例关系的直角三角形转化而成的网络而形成。每 2 个这种相同比列的三角形组合成 3 种三角形和 1 种矩形，这样依次的反复，拼合，形成一个复杂的无穷的建图形肌理，就形成了这种自相似性的建筑表皮。

墨西哥利物浦百货公司——Rojkind Arquitectos事务所

出自Rojkind Arquitectos事务所之手的墨西哥利物浦百货公司，建筑表皮是浮动框的扩展，创造一个外部和内部空间的缓冲-渗入到立面作为外部世界的一个展示。深度近3米，材料是三层玻璃纤维、钢、铝和玻璃是分层的六角网格。设计线条流畅曲折，看上去仿佛充满未来感的转轮叶，灵活、流畅和充满动感。 网格创建一个动态的表面充满活力。

几何编织法

分形几何的影响下，编织具有了新的含义，编织的操作从二维进入到三维，一维的线组织二维的表面相互交叠缠绕使表皮有了一定的空间深度。这种编织的过程形成的空间维度增加了表皮的复杂性。当下许多建筑都采用受分形几何理论影响的编织的表皮处理方式。

Metropol Parasol

Metropol Parasol施工过程

位于西班牙古城塞维利亚的一座巨型木结构建筑Metropol Parasol，由波动动起伏的木板组合而成，建筑面积近5000平方米，高度为28.5米，堪称当今世界上规模最大的木结构建筑。尽管极具未来主义色彩的设计，建筑所使用的材料却十分简单，基座是混凝土柱，顶部是木制结构，超大面积顶棚采用独特的蜂窝状结构，看起来像腾空而起的蘑菇云。利用编织的手法，由最基本的四边形为基本单元，通过不断的拼合，重复，编织形成了整体的表皮肌理，这些由四边形编织而成的建筑表皮具有不同层次上分形几何的特点。

2.表皮形式的拓扑变形法

拓扑几何研究的是一种柔性的运动，这是和传统欧式几何最显著的不同，传统的欧式几何是在运动中保持自身形态的不变性，物体上的任意两点不管物体如何变化，它们的相对位置是不会发生改变的（陈志毅，2005）。而拓扑几何研究的是物体在保持自身性质的前提下，也就是没有发成质变的情况下，随着物体的运动变化，物体上两点的位置也会相应发生变化。

在数字化越来越受到重视的当今社会，拓扑学对研究非线性建筑表皮就有启发性的意义。建筑表皮的设计研究，从欧几里得的欧式几何式的形体到拓扑变形的形态差异，而今传统的欧式几何已经不再受到建筑师的青睐，他们抛弃了永恒均质的几何特征，开始追求非线性的不确定性和流动性。运用曲线形式表达拓扑变形的复杂的思维机制。拓扑学形成建筑表皮的变化和流动，拓扑变形的发展过程中，变形是重要的形式，利用各种条件进行虚拟变形，得到各个层面的体验。总之，拓扑思维改变了人们对二元概念的看法。拓扑思维指导下进行非线性建筑表皮设计，通过连续的形体改变。反映建筑师表达的目的，提供了有效的设计策略，即使是不规则的建筑表皮曲面，也能够切割成有限块，并拼合成为和指定的具有同样面积的表皮曲面。

Peter Cook设计的格拉茨艺术博物馆

奥地利格拉茨艺术博物馆就这样具有拓扑表皮形态的建筑，它风格激进，表皮形态与众不同：从拓扑变形的角度讲，设计者对这种仿生物形态的几何形体进行了拉伸，形成了一个个乖张的突出“喷嘴”。这些“喷嘴”状采光窗在浑圆的表皮上更加显得异常突出，这种“喷嘴”状采光窗正是在曲面的表皮进行局部的拓扑同胚拉伸而形成的，外突于光滑的表皮。

三.信息的多样化表现为设计目的

1.不稳定的表皮突变

我们可以这样描述突变，把它形容成拆一堵墙，拆的方式不同就会有不同的结果，如果从上往下拆，一块一块的拆，整个墙的稳定性是逐渐变化的过程。要是从墙的底部往上拆，这样总会有一个时刻，整个墙面就会瞬间失去稳定性而崩塌。这种结构的不稳定情况就是突变。

非线性思维指导下，建筑设计本身就充满着矛盾，却追求最优的结果。达到一种平衡是设计追求的目标。因此出现了突变论对应的产物错位手法。

生态吊舱——Howeler + Yoon Architecture and Squared Design Lab

生态吊舱——Howeler + Yoon Architecture and Squared Design Lab

生态吊舱由Howeler + Yoon Architecture和Squared Design Lab设计制造位于波士顿市中心，是一个临时的垂直藻类生物反应器。该吊舱将作为生物燃料来源和微型孵化器，它是一个开放并可重新配置的结构体系。生态吊舱依附在建筑表面形成建筑表皮，现场的机器人电枢可将藻类生长的模块进行重新配置，最大限度的提高藻类的生长。建筑表皮随着藻类生长条件的改变而不断变化，灵活性和可重构的设计理念，使建筑达到一种新的不稳定的平衡，这就是一种错位手法的体现，在矛盾中找到一种平衡。

2.表皮作为信息化的载体

数字时代到来了，在建筑表皮中植入数字信息，比如像自由流动的电流、柔软的数字化显示屏幕等等。各种视觉媒体，电脑网络成为人们接受和交流信息的主要媒介。我们观察事物的视觉习惯，都带有信息特征。信息符号通过建筑表皮传递给人们。所以许多建筑师更大胆的利用信息技术来设计建筑表皮，反映建筑的时代气息，反映媒体时代的特征。

风之塔表皮变换——伊东丰雄

伊东丰雄所选择了时尚的道路，把建筑当做服饰等流行艺术。主要研究的是用信息化的处理使得消费社会的变幻特征获得诗意的发展。从消费社会的生活和生产方式中吸取信息运用到建筑实践中。“风之塔”是他实践中的一个典型的作品，这个建筑非常简洁，建筑表皮形态为最基本的形体——圆柱。伊东丰雄对它的处理手法是：为了迎合消费社会大众的心理他把表皮设计成可以改变不同颜色的巨大“屏幕”，运用灯光技术在不同的时间显示不同的颜色，传递不同的信息。由于灯光效果可以自主调节，依据周围物理和自然环境的不同而发生改变，这样整个建筑表皮时而明亮时而昏暗，跳跃变化，成为具有流动感并且可以观看的音乐。

非线性建筑表皮越来越受到建筑师的重视，基于当代非线性理论在建筑领域应用的不断深入，非线性建筑表皮的形式表现呈现出多样化的特点。非线性科学的相关问题，成为今天普遍研究的主题，因此非线性科学观成为一种新的世界观，改变了当代建筑师既有的建筑思维，使建筑师以一种宏观与微观兼具的眼光来观察世界，以期对真实世界深入了解。非线性科学的思维模式与非线性建筑表皮的研究方法相结合，提供了一种全新的研究建筑表皮的视角。

相关文献：

Art and Architecture in Discussion 作者：Cristina Bechtler

信息时代建筑非线性三维形态研究 作者：陈志毅

表皮的历史视野 作者：冯路

表皮的阐释 作者：陈龙

当代非线性表皮设计研究 作者：何晓斌

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