大跨建筑非线性结构形态生成研究

摘要

20世纪90年代后，我们面临着来自于日新月异的数字技术、日趋复杂的空间概念与日渐更迭的建筑设计范式的共同挑战。数字化技术的深入应用使大跨建筑形象异彩纷呈的同时，也在促进着结构形态越来越丰富的发展，并反过来为建筑形象的创新提供更大的支持。虽不乏优秀实例，但也出现了不良现象，如不惜违背基本结构原则而盲目追求夸张炫目的建筑形象。因此，面对非线性大跨建筑创作需求和结构形态设计脱节的现实矛盾，针对数字化技术下非线性结构形态的设计理论与生成策略的研究显得十分必要和迫切。本文从结构形态学的理论源头出发，引入复杂性科学及方法，搭建本课题研究基础，并提出大跨建筑非线性结构形态理论框架及设计策略，以期指导以高效、生态与美观相融合为目标的数字化大跨建筑理论研究与创作实践。
　　本研究主要内容包括：⑴从结构形态学出发，揭示结构“形”与“态”之间的非线性关系，提出混沌外显的结构形式实则是内在逻辑最大程度深化呈现的基本论点。进而，分别将结构“形”与“态”的概念扩展为几何、材料、构型及结构性能、空间性能、美学性能六个要素，并依次讨论各个要素对大跨建筑非线性结构形态创新的积极作用。⑵将复杂性科学与大跨建筑设计进行深度关联，构建大跨建筑非线性结构形态的理论框架，并提出大跨建筑非线性结构形态生成的三个策略。首先，通过对复杂性科学的深层解析建立复杂系统与非线性结构形态系统的本质关联。接下来，在康德三个哲学问题的启发下，对大跨建筑设计思维、设计技术与设计伦理三个层面进行深层关联。其中，第一个层面是运用复杂性思维建立结构形式、建筑性能与环境之间自下而上的层次性以及非线性结构形态系统要素的整合关系，同时揭示出“人的意识的参与”是建筑非线性的真正来源；第二个层面从虚拟与现实的转译及建筑设计、加工、建造的无缝连接两条线索，讨论建筑设计手段的数字化协同，揭示数字化技术是建筑非线性的技术根源；第三个层面是对设计伦理的反思，提出人类对于大跨建筑设计至善至美的追求，从目标上导向大跨建筑创作。进而，结合复杂系统生命中的生长、进化和维生三个阶段，提出大跨建筑非线性结构形态系统的涌现生成、遗传进化和适应维生三个生成途径。⑶以大跨建筑非线性结构形态系统的生长、进化及维生三个阶段的理论与方法为导向，展开对大跨建筑非线性结构形态生成策略的讨论。首先，结合系统涌现论及方法，提出非线性结构形态生成的单元繁衍策略，得出非线性结构形态涌现的生成条件与生成机制，并围绕结构原型的空间延伸与网格原型的几何异规进行图解式分析。进而，结合系统进化论及方法，提出非线性结构形态生成的材料拓扑策略，并按照结构优化介入的不同阶段出发，从结构高度优化、结构实体拓扑及结构仿生拟态三个层次讨论结构优化技术对建筑形态创新的指导性意义。最后，结合系统维生论与方法，提出非线性结构形态的参数逆吊策略，以挖掘环境因素对结构形态的塑形潜力为目的，通过对经典物理逆吊法的重新演绎，建构建筑与环境因素与结构形态之间的参数化模型（BSGLM模型），并通过环境适应性调控生成丰富多样的非线性结构形态。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的背景及来源

1.2 研究的目的和意义

1.3 相关研究概况

1.4 研究内容与方法

第2章 大跨建筑非线性结构形态的特质解析

2.1 大跨建筑及其结构形态的特质解析

2.2 “形”与“态”关系的演变

2.3 “形”的扩展

2.4 “态”的扩展

2.5 本章小结

第3章 基于复杂性科学的非线性结构形态理论建构

3.1 复杂性科学与大跨建筑设计的关联建构

3.2 复杂性科学启发下非线性结构形态设计框架建构

3.3 非线性结构形态系统的三种生成途径

3.4 本章小结

第4章 基于涌现生成的单元繁衍

4.1 结构单元繁衍的原理

4.2 结构原型的空间生长

4.3 网格原型的几何异规

4.4 本章小结

第5章 基于遗传进化的材料拓扑

5.1 结构的高度优化

5.2 结构的实体拓扑

5.3 结构的仿生拟态

5.4 本章小结

第6章 基于适应维生的参数逆吊

6.1 逆吊找形法的原理提取

6.2 参数逆吊法实验建构

6.3 环境适应调控

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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