基于数字模型的现代中式建筑设计方法研究
1 现代中式创作与参数化机遇带来的改变
以往现代中式建筑在设计过程中,建筑师仅凭借经验来创作,不确定性较强,效率和设计的逻辑性较弱,无法进行快速的多种设计比对。
现有的参数化建模软件(Revit、Grasshopper、Archi CAD等)可以模拟人的逻辑思维和古建构成规律关系,设定元素间的关系,以现有构造技术为基础,施行以自由的方式采用多元化构件参数,帮助建筑师将灵感创意转化为可实现的建筑作品。通过编辑、删除和重构的变化,更快更体系化创建新的中式韵味的建筑,进而减少设计周期。改变不同结构的相关参数可生成不同的模型,便于设计师直观高效率地创作。
2 基于中式空间层次设计逻辑关系的参数系统构思
2.1 基本参数设定
中国古建的平面布局简明而有规律性,建筑单体大多为柱网结构划分空间,所以基本参数可以从开间、柱径入手,便于整体把控建筑设计。
2.1.1 开间控制的意义
传统木构建筑以“间”为模数有两方面价值:一方面,对于单体建筑来说,如果确定基地的大小,再结合基地其他条件选择合适的开间,按照清朝工部《工程做法则例》木割体系就能推演出其余构件;另一方面,以开间作为参数控制的变量起始值,可以对建筑全局设计进行把控。
2.1.2 3个空间层次
现代新中式建筑的构成框架主要是基于中式构架型制,绝大多数参数化系统是基于西方建筑形制系统出发的,所以在构成建筑手法上对于中式建筑并不有利。对于参数平台的建筑构件的设计及组合则要采取相对科学的系统。现代中式建筑系统中主要系统归纳为外层次系统、内层次系统、过渡层次系统3个层次系统,即对应屋身空间划分为外空间、过渡空间、内空间。
中式传统建筑房屋空间由屋身结构约束决定。中式古建的屋身在正常情况下,檐口与基座外向面为空,这便是由外向内的第1个层次面;檐柱、额枋、雀替、斗栱的构架则收在里面,整体形成一个框架,在构图理论中属于“虚”,也即第2个层次面;至于门窗图案已经后退到第3层次面上,介于室内外交互的位置,这个面的开敞程度决定了室内外流通的程度。在参数平台的数字化建造,则是对中式建筑建构层次的再梳理,合理利用参数控制和形式,达到中式建筑逻辑精髓的再创造(见图1)。
2.1.3 传统建筑模数关系式
对于整体框架下现代中式建筑的探索,需要完整的理论设计体系支撑,并与参数系统中变量及其数学关系式驱动结合。《工程做法则例》确定的木割法数学关系表,其内容表示了传统中式建筑建造思维中由面阔进深向细部构成设计的思维,可以作为现在中式范式类型学的转化。我们可以通过传统做法的模数关系来作为现代中式建筑空间到形制构件的参照。
基于传统建筑原理建造的现代中式建筑既需满足原始面阔进深与建筑构件的模数关系,又要符合现代建造技巧的构件处理,并进行相对适应的变通(如简化和抽象以及去除)(见图2)。
3 层次模式系统框架设计
3.1 建筑空间体系设计
通过传统框架体系构思,可以将此作为现代中式设计的出发点,结合现代材料构造语言,用层次模式下的系统框架对现代中式建筑进行设计方法更新,帮助设计师在原始逻辑框架下,用参数化的方法更好地组合设计(见表1)。
3.2 构件工作平面确定
以古建构件划分,各类构件的位置是转化为现代中式建筑的参照蓝本,不同的构件是基于原型建筑设定的。在现代中式建筑的构成中,工作轴的划分是基于其所在的层次体系。工作平面则由工作轴延展,各体系构件可以对相应工作平面进行相同层级替换,以达到设计和筛选(见图3,4)。
4 基于层次模式的现代中式建筑设计
4.1 内层次构件工作平面构建
墙的系统是现代中式建筑的核心关键,它既承载了现代中式建筑主体内外的结构,也是空间划分的界限。根据空间的划分,用墙体的虚实对空间进行再构(见图5),从而完成初步的再设计。
现代中式建筑回归原始设计意识,原因是此类图案便于现代施工。中式建筑由于建筑整体的框架结构体系,门窗类的构件形成框架式幕墙构造。所以,在算法生成后的门窗设计更多是由墙决定的。
门窗的设计问题大多是基于二维图案的编辑,如门窗的格栅二维图案(见图6)基本是基于这些形式语法出发进行再构。在建立一个新的中式门窗类别中,首先要根据意向确定洞口位置,根据建筑模数确定其大小。
对于现代中式建筑来说,建筑的构成方式逻辑相较于西方建筑构成思维有所区别,如中式建筑的门窗存在大量假门假窗和墙面装饰的镂空。在设计中,可以将其作为创造视域虚实的手法布置在墙面,作为内外空间的关联。具体手法有匡裁、仰止、透漏、下察、洞察、递进、分眼、斜刺、磨角、间夹、透视、闪差、留夹等。
建筑内层次的参数层级关系为窗花—窗洞—墙,在设置参数环节中,如开间为参数设为x,完整的嵌套墙面长度也为x,单窗洞宽度则控制在1/3x内,依次类推控制下一层级的数值大小。对于窗洞花等构件,根据控制变量公式做出相应的改变,达到全局参数化(见图7)。
4.2 外层次工作平面构建
原屋顶构件系统主要由建筑顶部构件和屋檐构件构成。中国屋顶特点在于出檐的长度、装饰构件多和屋面呈曲线,原因在于保护木构架的屋身以及追求较大的体量和更多的变化。
现代中式建筑的体量布置相对较为灵活。对应的屋顶的形式呈现为非矩形的平面,自然引起屋顶体形的丰富变化。《周礼·东官考工记》中就有“葺屋三分,瓦屋四分”(草屋顶高跨比为1∶3,瓦屋面高跨比为1∶4)。现代中式屋顶可保留原中式举折之法,但与之不同的是,传统中式建筑采取“举折屋舍分数第四”的屋面曲线方法,而现代中式为结合施工技术和构造做法,可在对应不同空间位置设立不同坡度的屋顶,从而形成类似举折的折现屋面结构,且主要由屋顶装饰系统和屋檐装饰系统组成。
4.2.1 屋顶的装饰系统
屋顶的装饰构件分为屋檐边线的装饰构件和屋面装饰构件,屋面装饰构件即瓦与瓦头,而屋檐边线装饰系统主要是“翘起”和“屋脊”。
传统中式建筑中屋脊主要分为正脊、戗脊、垂脊。在现代中式建筑中,建筑屋顶形式简化,繁则保留正脊、戗脊,垂脊简化为更为轻巧的“翘起”。
4.2.2 屋檐装饰系统
屋檐构件系统主要由屋檐顶部和屋檐下部构件系统组合而成。檐廊使屋身立面由多个层面构成,从而形成自内而外的“流通空间”,让室内外之间产生柔顺的过渡。在现代中式建筑中,绝大多数情况下可与围护结构一起设计,保证整体性。
4.3 过渡层次工作平面构建
过渡层次在内外层次之间,起到中式建筑由内至外的转接作用,如柱头辅助构件及阁楼扶手、栏杆、隔断。
我国建筑的柱头演变成2类构件:斗拱和雀替。西方古典建筑的柱头虽然曾经千变万化,但最终柱头还是柱头,并没有发生质的变化。在中式建筑后期,斗拱的结构作用被大大削弱。在现代中式建筑中可将其抽象简化,而作为屋檐柱周的雀替则予以保留作为横方向的承重。
阁楼扶手、栏杆、隔断等部位为美人靠等装饰性构件,美人靠整体由座椅、横条、竖条、靠背组合而成,可作为辅助性装饰简化或消隐。
4.4 建筑生成
建筑最终的生成是由建筑各层次之间的组合关联而成,建筑师可在参数系统根据自己的需求设置关联参数从而达到多种组合的效果,完成设计方式的飞跃(见图8)。
5 结语
借助这套设计逻辑体系,既可根据对应场地的框架尺度,也可进行算法模拟空间,并能形象地将各种可能的建筑类型罗列出来,方便设计师尽快选择最佳组合。在传统思维的指导下,运用理性的数学关系,创造新时代的现代中式设计语法,削弱了传统建造体系中“经验”的不确定性,把设计师思考的时间充分运用在创造真正的中式精神空间。
参数理论下的传统中式建筑都是由原逻辑建构的模型而生成的,大家往往会忽略参数化对于中式建筑的模拟和再创造。选择参照的范本,筛选结果,得出答案,从设计方法的角度来说,参数设计并不一定会脱离艺术创作的一般规律,正如贝多芬所说,选择比创造更重要。
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