非线性建筑

非线性建筑
非线性建筑是一种连续流动状的形体，这种形体作为结果来自于对建筑性
能及周边环境因素的分析，建筑的设计过程即是对各种影响建筑因素的研究，
并通过提练和综合，将各种影响因子从概念发展到形象，作为建筑的最终形体，由于影响的因素是复杂的，建筑的形体也必然是不规则的。

因而建筑的形体是
设计研究过程的结果，是分析发展的生成物，从而也最符合建筑的性能，并也
能最好地适应场地。

流动状的非线性形体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依靠于计算机辅助制造技术(CAM)。

借助于编程或已有软件，影响建筑的各种因子首先转化成计算机内在逻辑语言，而后可通过
计算机生成建筑形体，经过不断地修正与反馈，确立最终建筑形体。

而借助于
计算机数控机床(CNC机床)，非标准的建筑形体可以拆分成不规则的部件，由
计算机数控机床自动制造出来，并组装成型。

计算机强大的运算能力为非线性
建筑的产生与发展奠定了坚实的基础。

非线性思维对建筑的影响
一、概述
自20世纪中叶以来，随着计算机的发展，科学技术逐渐的改变着人们的生活，无论是高科技术的航空领域和通信领域，还是人们生活中所应用的工具，
信息技术已经改变了这个世界。

21世纪以来，中国也随着经济的迅速发展，逐
渐的进入了信息化时代。

为举办2008年的北京奥运会，所修建的鸟巢、水立方、CCTV等前卫的建筑更加开阔了人们的视野，没有人会知道建筑可以是这样的，
我们也许只知道数字信息化改变着科学技术的发展，例如航空、通信、汽车、
互联网等。

却很少有人知道数字信息化技术，改变着建筑的发展。

任何艺术的理论、形式、风格的产生，都与当时的时代背景息息相关，建
筑更不例外。

1920年产生的现代建筑体系在统治了世界近半个世纪后，历史进
入了一个多元共存的时代，各种学科的交叉融会，为建筑理论的发展与建筑设
计的创新提供了丰富的养分，建筑师们在各种新思想和新理论地指导下不断进
行着各种建筑实践的探索，各种各样的建筑理论与形式不断涌现。

在可持续发
展成为人类实践主题的当代，建筑师们都希望能够为建筑学的发展找到正确的
方向。

这样的建筑必定是运用最新的科学理论与建筑技术，符合当代人们精神
与心理需求，迎合人类社会的发展趋势并体现时代精神的特色。

20世纪中叶开
始诞生的非线性科学理论，作为崭新的科学理论，突破了线性科学对人类思维
的束缚，为人类探索自然，研究复杂问题提供了全新的视野与理论方法，因为
它更接近客观世界的发展规律与原貌。

随着以信息社会为背景的计算机技术的
发展与壮大，非线性理论必将为城市建设与建筑的可持续发展开辟有利于传统
的全新道路。

国内对非线性建筑的研究才刚起步，在为2010年世博会中国馆的竞标设计中，我们可以看到非线性建筑的身影，但那都限于形式。

在建筑的理念创作中，缺乏科学的理论依据。

国外许多建筑师已经开始吸收并运用相关理论于建筑理论与建筑实践中去，许多建筑流派的思想理论，包括后现代主义、解构主义、有机主义等，都受到
了非线性科学理论的影响。

这就是为什么国外的建筑师能够有鸟巢、水立方等
理念的构思，并且能够运用现代的科学技术实现它。

作为最前沿的非线性科学理论，正改变着人们的世界观与思维模式，在自
然科学与社会科学的各个领域发挥着越来越重要的作用。

非线性思维对建筑的
融合是必然趋势。

有人认为，现代建筑是工业社会的标志，而具用非线性特征
的建筑将作为信息社会的标志，引领21世纪世界建筑新潮流。

因此，该课题的研究跟通信技术一样具有前沿性和现实意义。

二、非线性数学概述
从线性到非线性
线性原是数学上线性函数的简称，是指因变量与自变量成比例地变化，或
者说变化过程中二者的比值不变的函数，线性概念就是从线性函数中抽象出来的，是线性函数特征的抽象化和泛化。

线性系统是指系统中的元素发生作用时
互不相干、相互独立元素间的作用可以相加、系统的总功能等于所有元素的各
自的作用之和的系统。

近代西方科学，就是以牛顿力学为基础的线性科学，线性化方法在一定条
件下，可以近似地甚至准确地反映客观事物，这种线性思维把世界描述成了一
个稳定、规则、有秩序的世界。

就像我们熟悉的城市，现代建筑的结构体系等。

伽里略曾经说过："如果自然是一本书的话，数学就是构成这本书的语言。

"
20世纪下半叶，许多自然科学家在各自得领域发现大量不同行式的非线性
现象或问题，例如风中摆动的旗帜、复杂不定的天气变化等，这些迫切需要科
学上得出答案。

非线性科学正是因而产生的。

非线性科学理论作为科学的一个分支，如同量子力学和相对论一样，将我
们引入了全新的思想。

非线性科学的诞生，宣布了牛顿经典决定论的局限性。

自然科学和社会科学中几乎所有已知系统，都是非线性的，线性只是一种近似。

三.建筑发展背后的数学关系
建筑学是自然科学的一部分，但由于建筑学的特殊性，具有不同的性质如
艺术性、科技性、社会性等等。

纵观整个建筑史，从原始的宗教建筑到欧洲"古典时代"建筑，到欧洲中世纪建筑到古典主义建筑复兴，到现代主义及后现代主义。

整个建筑的风格无不反映当时的社会意识形态，无论从古典建筑的构图原
理到现代建筑的技术美学还是从现代建筑的技术美学到当代建筑的审美变异。

技术的发展依附在社会意识形态的背后。

建筑技术理论的发展没有摆脱线性数
学模型下的理论体系。

如笛卡儿的三维体系、欧几米得原理、解析几何、超静
定力力学等。

这些都是以线性牛顿力学为基础发展而来的。

非线性数学模型改变了这一切，使建筑赋予了新的生命力。

如果线性说"建筑是凝固的乐章"，那么非线性说"建筑是流动的音符。

建筑师的设计将不再拘束于任何固定的框框，而是以自然生物，生命构成
和自然现象等为灵感触摸，创造出更灵活的、更富有的有机性和更符合当代审
美需求的生存空间。

它体现了全新的美学价值。

四、明星建筑师的非线性思维
1.明星建筑师背后的结构师
从现代主义开始之今，结构师一直都是建筑师成功背后的重要人物，但两
者的关系总是一前一后。

塞西尔.贝尔蒙德成就了不少明星建筑师的梦想如库哈斯、伊东丰雄等，成为了明星建筑师们心中的明星。

他的结构思想开启了现代
主义新的领域，成为推动21世纪建筑的结构师。

贝尔蒙德出生于斯里兰卡,后来成为Arup事务所的欧洲分所主席，他是一
个热衷于以音乐,数字,和数学为重要元素研究形式的生成,以及艺术和科学的交替的工程师.他创立了自己的研究小组有建筑师、结构师、数学家、哲学家、游戏开发工程师等。

主要的项目：与库哈斯合作的波尔多住宅、波多音乐厅、西
雅图图书馆、CCTV大楼等与伊东丰雄合作的仙台媒体中心、蛇形画廊、福冈岛
城中心核心设施等，其他的还包括(利伯斯金德、MVRDV小组、西扎、斯特林等)。

(1).对结构理念的思考
赛西尔曾经说过：跨越世界上各个建筑学派，建筑朝着曲线形变化的趋势
发展。

每年年末的展览会上,都是关于这方面的。

这是种遗憾，我没有必要让自己远离笛卡尔的趋势，这是因为无论是曲线的外立面还是直线的外立面，都要
嵌入支柱和节奏。

而赞同曲线的许多建筑师所提议的解决方案，仍应用笛卡尔
的结构方法。

人们仅用笛卡尔规则来解决问题，并把它做为了唯一途径。

如果
建筑不是线形外观，而是采用一种新的形式语言，那么相应的也不能运用传统
的解决方案。

在库哈斯的波尔住宅的设计中,巴尔蒙德就说：被困在笛卡尔体系的牢笼里,我想破笼而出。

(2).结构思想：对音乐的遐想
"建筑是凝固的音乐"--这是建筑师们的信条人们从音乐的乐谱中，找到了
上帝所给于的真理，节奏、韵律等。

并把这种对音乐的美感，运用到了视觉上。

被广泛的应用到了建筑的立面处理上。

赛西尔.贝尔蒙德--同样从音乐中获得灵感，但不是从音乐的乐谱中，而是从乐器发出声音的原理中。

古老的琴弦原理：一次的振动形成粒子群，事物构
成的基本只有振动，通过弦的振动产生了音乐。

如果弦是静止的也就没有了音乐。

因此，他把均匀的结构受力，改变成了具有比例的结构受力。

完成了整个
建筑结构的乐章。

(3).实例分析
在与库哈斯合作的舒西尔图书馆、阿迦迪尔议会堂、西雅图书馆设计中。

赛西尔说：在这些作品中，我们将结构作为了一个片段来创作。

按照传统的对
结构的假设，结构的各种要素都是被均匀分布的。

而片段则意味着结构的某个
特定的瞬间，将这种片段的结构作为触媒作用于建筑的瞬间。

在伊东丰雄合作的蛇形画廊设计中。

赛西尔形容到：所有结构上的线、所
有的运动，都是一些迄今为止曾有过的东西。

在那个空间中确实是发生了什么，因为人们在某种程度上意识到了，就像在撞击台球的一瞬间，人们感觉到了它
的运动。

这就是我所说的充满动感的超越期待的东西。

在这个项目中，赛西尔
以旋转的正方形的算法为基础提出了结构的解决方案。

赛西尔.贝尔蒙德创造出了一种新的语言形式，超越了笛卡尔体系下的建筑形式及超静定力力学。

在建筑和结构领域开辟了新的道路，提出了几何学的流
动性概念及动态的力学状态。

这种非线性的结构思想更使结构与空间相统一，
使建筑趋向了自然性。

在自然界中，任何物体都要克服重力而存在，植物的生长、洞穴的形成、碎石的堆砌等等，但它们静止的这种状态是我们熟悉的力学
原理吗?
2.与自然相融合的建筑师
如果说：与自然对话的建筑师是安藤忠雄的话,那么与自然相融合的建筑师就是伊东丰雄。

(1).对空间的思考
与赛西尔的相识，从根本上改变了伊东的建筑思想。

仙台媒体中心的出现，使人们对建筑有了新的理解，被人们称之为超越现代主义的新建筑。

伊东曾经
对贝尔蒙德说：我一直将几何学想象成正方形及四角锥体等安定静止的状态，
而对你来说"几何学更具动感是从运动中产生的。

一旦开始运动，就会产生不安定，然后这种不安定就一气呵成地使空间的紧张感达到高潮，这种一次又一次
地产生紧张的过程，会使空间令人感到兴奋。

流动性的空间来自于不安定瞬间
的延续。

伊东从日本传统舞蹈"能"的表演过程中，获得建筑的灵感。

"能"是一种日
本传统的表演艺术形式，它的舞台只是非常抽象的三块5.4平方大小的方形平面，表演者从一处桥一样的场所登场。

"能"的表演者的动作都非常缓慢，就像
电影中的慢镜头，非常慢、非常的抽象，但都是连贯的表演者的舞蹈、抽象的
空间演化成流动性的空间。

具有东方哲学思想的伊东想从自然环境中，寻找到
空间的场所性。

比如一个树下的空间、洞穴的空间….等等。

与赛西尔思想的碰撞，使伊东明白了自然界中空间的场所性来自于物体本身的内在秩序，而这种
秩序区别于我们一直所生活的三维空间，它是来至于多维空间。

这种空间必须
通过物体本身内在秩序的变化，才能产生。

而这种变化来自于自然生长的非线
性属性。

(2).实例分析：仙台媒体中心
伊东丰雄的成名作，靠结构本身的秩序变化获得了伊东所期望的自然性场所，被称为超越现代主义的建筑。

不仅是结构和空间的思考方法，建筑设计的
思考过程也应该是非线性的。

针对这个项目伊东还写了一本书《建筑的非线性
设计。

从他的作品，我们可以理解到他关于自然和建筑关系的哲学思考和实现，"永远流动"的概念是他对于他作品的一个阐述，事实的确如此，建筑在很多时候，被人们赋予冰冷的概念，但是伊东认为，"从开始规划的那一刻开始，建筑物就处于使用当中了。

还可以这样理解，只要建筑物本身还在被使用，那么相
反的，它就从未完工。

伊东说到他喜欢任何混沌含糊的东西，世界上混沌的事
物无处不在，因此当仙台媒体中心的这个项目被竞标时，作为一个全新的项目，没有清晰约束地展开的时候，伊东觉得自己当时非常幸运，觉得自己的想法会
大有用武之地了。

后来，"流动性"这个词语成为仙台媒体中心工作的指导方针，为了渗透这个流动概念，他总是喜欢拿自然界的流动和信息的流通作比较，就
城市而言，"信息流"的概念是基本的，仙台的建筑已经将鞠躬和窥视的身型姿
态进化到了极致。

所以，在仙台媒体中心这个建筑里，伊东所做的事情，是把
自然，建筑，和带有时代特征的互联网概念融合在这个流动的从未完工的建筑
里面了，希望懂的人能懂，喜欢的人能喜欢，最后结果看起来确实不错，被世
界建筑业界广泛认同了他的理念。

其实这个理念并不新，天人合一?跨界?似乎
可以说有几千年了，但是真正能够理解，并且能够较好实现的人却不多，尤其
在本时代的成功，需要加上时代的特征和思考，伊东该是业界的姣姣者了。

3.空间的探索者
(1).对空间的思考
库哈斯年轻时的经历，对他今后作为一名建筑师产生了深远的影响。

库哈
斯1944年出生于鹿特丹，早年有过记者和电影剧本编辑和导演的身份。

早期作为记者的库哈斯，培养了自己对社会变化的敏感观察力，一直寻找着这种变化
的多种可能性。

早期作为剧本编辑和导演的库哈斯，深受当时超现实主义的影响，保持着自己前卫的思想。

库哈斯敏锐地眼光注视着建筑空间对人行为的影响，以及人行为的多种方式。

他总是挑战着人们固有的思维方式。

库哈斯从早
期的电影剪辑制作中，获得对建筑空间创作的灵感。

在他的作品中，特别反对
现代主义建筑均质的空间体验。

总是寻找着不同的功能空间对人的行为方式的
改变。

(2).实例分析：西雅图图书馆
西雅图图书馆的形式一度曾十分流行。

该作品的创作来源于库哈斯对图书
馆及其一系列相关概念的反思。

库哈斯认为，建造这样一座图书馆有着特定的
时空条件：
(1)网络使得传统的以收藏图书为主的图书馆模式发生了变化，交流无限制，那么图书馆的所有空间也应有交流的特质；
(2)灵活布置的要求使得图书馆必须打破传统的单一大空间；
(3)图书挂肩负的社会责任使得建筑上反映为多功能、多内涵的社会中心；
(4)兼顾到各种信息获取方式的平等，那么就要化解书本的影响；
(5)基地的有限性决定了图书馆的各层次竖直布置。

最终，库哈斯确定了"5个平台模式"，各自服务于自己专门的组群。

(图九)这五个平台分别是：办公、书籍及相关资料、交互交流区、商业区、公园地带。

这五个平台从上倒下依次排布，最终形成一个综合体。

平台之间的空间就像交
易区，"不同的平台交互界面被组织起来，这些空间或用于工作，或用于交流，或用于阅读"，有一种特别的空间交融的感觉。

建筑形体随着平台面积和位置的变化形成新奇的多角结构，有新现代主义的某些特征。

室内交互交流区中有一
个赖特设计的古根海姆博物馆一样的大楼梯，这种楼梯形成的破碎空间也是库
哈斯常用的手法之一。

通过对塞西尔.贝尔蒙德,伊东丰雄,库哈斯的思想和作品分析：1.他们都从其他的领域获得建筑的灵感。

2.他们的思想都体现了流动性、动态、不均质、
瞬间性等概念。

3.他们对建筑的理解都超出了笛卡尔体系下的空间思考。

五.非线性思维与计算机的起源及其对建筑的影响
非线性思维很早以前就存在了，它主要存在于音乐家、艺术家、及少数哲
学家的思想里，有于当时社会及宗教的影响，并没有露出水面。

后来工业时代
的到来，把现代科学的经典理论推到了顶峰，人们对经典理论深信不疑，现代
主义建筑开始盛行，非线性思维被沉入到海底。

直到20世纪初，量子力学、相对论的提出，改变了人们的思维。

二进制的数学代码改变了原有的线性数学模型，于是计算机诞生了。

由于计算机的非线性数学模型，开辟了对现有自然客
观世界的模拟。

于是许多的领域开始发生了根本性的改变…
技术的支持
数字化的技术在建筑的运用，使非线性的扭曲面等很多难以计算和分析的
问题都得以解决，空间也不必受形体的约束；虚拟现实技术的发展，为建筑师
的想像力的自由扩展提供了支持的平台。

另一方面，新材料的出现，使建筑师
可以随心所欲地设计任何形式的形状和空间。

计算机技术
计算机强大的运算能力为非线性建筑的产生于发展奠定了坚实的基础。

非
线性形体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依
靠于计算机辅助制造技术(CAM)。

而借助于计算机数控机床(CNC),非标准的建筑形体可以拆分成不规则的部件，由计算机数控机床自动制造出来，并组装成型。

计算机技术的突飞猛进正在建筑设计、制造和建造领域中掀起又一场革命。

计算机使建筑形式空前解放。

借助于当前的计算机图形分析技术，虚拟技
术和数字化控制制造技术，建筑师摆脱了二维绘图工具和线形思维方法，设计
和建造出更多的动态、复杂的建筑形式。

在赫尔佐格和德梅龙设计的鸟巢中，
用建筑结构编织成"鸟巢"的体育馆，这种不规则的结构形式，全部工艺流程都
需要计算机参与，得益于NURBS造型技术。

六.总结
非线性建筑设计是信息时代的产物，它从设计到施工都高度依赖与信息数
字技术和大量的信息技术在建筑中的运用。

使得非线性建筑成为一个开放的、
动态的信息媒介，体现了时代感。

建筑的非线性设计方法，给我们带来了新的
世界观和建筑观。

为建筑的创作提供了有益的探索，创造出是适应环境和人性
的建筑空间和形式。

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