一、基于復雜形式的非線性形態設計思維

設計思維不再是單向性發展，而是多項復雜因素的綜合作用的結果。在湖南省畫院改造項目中，筆者設計的非線性形態的樓梯就是對于原有對象各項限定性因素綜合研究的結果。基本限定性因素大致分為以下三類:

第一類，原有結構的限定因素。原有樓梯是由欄桿、扶手、樓梯段3部分結構組成，加上樓梯段底部原有設計的推進造型，整個立面部分形成了4條結構線。這4條結構線離地距離分別為1100毫米、900毫米、200毫米以及100毫米。在計算機中輸入這些參數值，就會隨著樓梯的基本結構旋轉生成一組連續的曲線。

第二類，形式感的因素。原有樓梯是傳統的形式，鐵藝欄桿木扶手弱化了弧形樓梯本身的曲線美感，梯級底部外露顯得瑣碎，無法體現畫院的空間氣質。3層的中庭樓梯是各層橫向空間唯一的垂直連接，是空間的視覺焦點。畫院是藝術氛圍濃厚的地方，什么樣的空間形態能引起人們的精神共鳴呢？樓梯的形態不僅要求造型的美感，同時要具有藝術空間的精神氣質。從原有結構生成的計算機圖形中感受到線條之間相互纏繞形成流動的韻律，可以使人聯想到草書。唐代書法家懷素的“狂草”（圖2）用筆使轉如環，奔放流暢，結構簡潔，與樓梯主體線條形成的律動十分吻合。這種類似草書的形態既有藝術感又具有現代氣質，能夠展現畫院的精髓。我們通過研究草書的基本用筆結構，發現懷素的筆法在一氣呵成的強勁線條中有很多小幅度的變化，如粗細、轉折、停頓等形式。根據這些形式設定線條的變化，并使其在合理的結構尺寸范圍內進行。最終的形態為3個曲面、6條曲線相互交織、彼此呼應。曲面之間、線條之間隨樓梯主體旋轉的同時，各自產生變化，有一些位置采取架空的形式形成書法的留白效果。

第三類，材料結構的限定因素。樓梯主體結構用型鋼做骨架，各曲面的交叉變化部分用扁鋼分段做定型。由于曲面形態的多重變化產生錯位、偏離、架空等幾種形式，在設計的時候要考慮各部分位置鋼結構最大的承受力，確定結構尺寸的變化范圍。在計算機中輸入這些參數，設計的形態就會產生細微的變化。這些變化都在基本材料結構范圍內進行，對于最終的建造形成有力的保障。以上3個部分的限定因素在設計思維過程中同時作用，它是基于外在復雜形態與內在復雜邏輯的綜合體現。設計概念、現場各項限定因素和形態結構體系始終保持一體化的考慮。這樣設計出來的形態應該更加符合自然世界原本鮮活又復雜的有機結構。[1]這種設計思維不僅充滿著創新的變化，而且也更為全面。

二、基于參數化數字技術的非線性設計方法

非線性形態的設計應用得益于當今數字技術的迅猛發展，人們可以通過數字技術感知虛擬現實，體驗人類前所未有的空間形式。數字技術介入到設計思維的階段，設計師憑借計算機技術建構虛擬室內空間，在“可見”的空間形式下，對形態、材料和建造的研究更為深入，它可以實現在虛擬空間中的“真實的搭建”，對于設計細節的掌握更為精準。傳統的室內空間設計是設計師以自己的藝術修養和對于場地的分析作為經驗，首先在頭腦中形成方案的雛形，然后在CAD施工圖的階段再介入材料與結構的內容。這是一種自上而下的設計方法。這樣的方法產生的設計結果如果要進行變更需要重新設計建模，設計修改的過程很復雜，在整個設計過程中對于人腦的依賴程度很高。參數化數字技術是設計師把相關條件輸入軟件平臺建立信息模型，再根據信息數據制作施工圖和數據表提供給施工方。設計思維是多角度的，隨著對各項限定性因素的深入研究調整參數，依靠計算機自動生成設計形態，甚至提供多種形態方案給設計師進行選擇。它是一種自下而上的設計方法，設計的修改可以快速地進行，隨著參數的調整產生多變的、不可預測的結果。設計的過程是計算機和人腦的共同協作。一方面，計算機提供各種形態由設計師從中優選；另一方面，在形態的生成階段，設計師也可以根據自己的審美經驗選擇計算機階段性的成果。室內非線性形態設計的數字軟件平臺目前主要有Rhino（犀牛）、Grasshopper（草蜢）、Rhino-Script（犀牛編輯腳本程序）等等。基于這些軟件的數字設計方法，將設計的非線性形態所有的細節都以數據的形式記錄下來，為將來的加工制造提供方便。例如湖南省畫院項目中樓梯欄桿的曲面形態空間定位就十分復雜，在以前的設計方法中，幾乎很難確立標準的位置。沒有精確的定位，施工會異常艱難，很多形式只能靠工人師傅自己在現場領會圖紙，依葫蘆畫瓢，最終導致很多形態與之前的設計意圖大相徑庭。形態在建造的過程中充滿不確定性，設計師很難對最終建造的作品有精確的控制，所以我們一般不敢輕易嘗試非線性形態設計。這種整體數字建模的手段稱為BIM（BuildingInformationModeling，空間建筑信息模型）[2]，所有信息數據可以直接從3D模型中導出，建立數據表，給每一個點進行編碼，確立空間位置和規格型號。通過計算機程序制作數據表格，這樣施工的每個細節都有詳盡的尺寸圖紙。再將數據表直接提供給施工方進行材料的切割、定位，保證施工的順利進行。這樣的設計方法使以往最復雜的CAD施工圖制圖階段變得簡單，各項數據的得到只是一種數字化的傳輸，不會產生很多人為的偏差。

三、基于數控加工的非線性建造保障

由于當下加工制造行業陸續實現數字化，數控加工成為非線性形態設計建造的實施保障。數字設計——數控加工——數字建造[3]這三者之間由數字技術在中間扮演傳遞者的角色，數字加工技術介入室內空間形態的建造帶來了材料和建造形式的革新。筆者在某酒樓設計中采用數字加工技術與數字設計技術的對接，成功地建造了一組非線性形態的墻體，施工過程實施了較為精準的控制，保障了設計的完整表現。酒樓二層走道中心為一組小包廂，小包廂墻體不僅起隔斷的作用，同時也成為四周的中心景觀，墻體的形態設計十分重要。設計是以自然形態的樹皮作為概念。最終的結果是依據層高按照1000毫米每層的尺寸分為4層，4層的曲線曲率不同，形成垂直方向的重疊與交錯，各層又有不同高度變化的直線附著在曲面上，形成平面的律動，類似樹皮的復雜脈絡。為了突出現代感，表皮材料特意選擇了不銹鋼，與天然的樹皮形成反差。（圖6）在最初的形態中，各層的直線長短不一，隨著每層的曲線產生高低不同的變化。根據設計完成的數字模型導出基本加工數據后，對于使用材料和加工結構進行了精確的成本核算，發現完成此設計需要加工幾萬塊形態不同的直線條，施工難度和建造成本都很高。經過多次的設計調整，最終方案確定了表皮線條單元模塊的形式。用不銹鋼板折邊組合成一個5000毫米高、6000毫米寬的單元模塊，由6個不同單元模塊再進行不同的數列組合，形成豐富的表面變化。把每一個構件的詳細尺寸數據表（包括長度、曲度、定位點等）提供給材料廠家。廠家拿到數據表后根據材料的結構特性和合理利用率進行了二次深化。不銹鋼廠家根據自己最優化利用材料的情況微調了單元尺寸，設計的結果形態也隨之調整。這一過程充分發揮了數字技術的優勢，調整比較便捷。每一塊單元形都根據數據在數控機床上進行剪裁和折邊，最后定好編號。經過單元模塊的改善設計，把原本幾萬個不同形態的形體縮減到只有幾千個單元的形體。這些模塊材料運至現場，工人師傅再根據圖紙編號進行掛板，現場整體裝配也快捷和順利。在整個加工和施工的過程中，設計師和材料廠家采用相同的軟件程序，大家在一個“設計語境”中進行工作，減少了在信息傳遞過程中由于“語言”不同而產生的誤差。項目最終的效果還是達到了我們之前的設計預想，墻體表皮在三維的空間中形成豐富的光影和律動，成為空間中的視覺核心。項目從設計到制作經歷了數字設計、數控加工、現場裝配三個階段。設計對于最終材料的表達和控制都在于數字化的參數。這些參數通過數控加工設備準確還原了設計構想。這一過程能夠較為高效地實施建造，從而大大提高了設計、制作、裝配協同一體的能力。

結語

非線性形態設計的思維方法擴充了室內空間設計師的設計想象，提升了其創新能力。同時在具體項目的實施過程中，這樣的設計方法和加工制造方法又具有很好的建造協同效果。它不僅使設計師能夠更好地了解材料和建造，而且使加工商能更深入地了解設計意圖，極大地提升了整個室內制造行業的建造水平。筆者認為，在非線性形態從設計到建造的整個過程中，思維的表達更自由，設計的手段更高效，建造的結果更精確，因此它在室內空間中的應用具有很好的發展前景。

作者：易奕 單位：湖南師范大學美術學院