一、基于复杂形式的非线性形态设计思维
设计思维不再是单向性发展，而是多项复杂因素的综合作用的结果。在湖南省画院改造项目中，笔者设计的非线性形态的楼梯就是对于原有对象各项限定性因素综合研究的结果。基本限定性因素大致分为以下三类:
第一类，原有结构的限定因素。原有楼梯是由栏杆、扶手、楼梯段3部分结构组成，加上楼梯段底部原有设计的推进造型，整个立面部分形成了4条结构线。这4条结构线离地距离分别为1100毫米、900毫米、200毫米以及100毫米。在计算机中输入这些参数值，就会随着楼梯的基本结构旋转生成一组连续的曲线。
第二类，形式感的因素。原有楼梯是传统的形式，铁艺栏杆木扶手弱化了弧形楼梯本身的曲线美感，梯级底部外露显得琐碎，无法体现画院的空间气质。3层的中庭楼梯是各层横向空间唯一的垂直连接，是空间的视觉焦点。画院是艺术氛围浓厚的地方，什么样的空间形态能引起人们的精神共鸣呢？楼梯的形态不仅要求造型的美感，同时要具有艺术空间的精神气质。从原有结构生成的计算机图形中感受到线条之间相互缠绕形成流动的韵律，可以使人联想到草书。唐代书法家怀素的“狂草”（图2）用笔使转如环，奔放流畅，结构简洁，与楼梯主体线条形成的律动十分吻合。这种类似草书的形态既有艺术感又具有现代气质，能够展现画院的精髓。我们通过研究草书的基本用笔结构，发现怀素的笔法在一气呵成的强劲线条中有很多小幅度的变化，如粗细、转折、停顿等形式。根据这些形式设定线条的变化，并使其在合理的结构尺寸范围内进行。最终的形态为3个曲面、6条曲线相互交织、彼此呼应。曲面之间、线条之间随楼梯主体旋转的同时，各自产生变化，有一些位置采取架空的形式形成书法的留白效果。
第三类，材料结构的限定因素。楼梯主体结构用型钢做骨架，各曲面的交叉变化部分用扁钢分段做定型。由于曲面形态的多重变化产生错位、偏离、架空等几种形式，在设计的时候要考虑各部分位置钢结构最大的承受力，确定结构尺寸的变化范围。在计算机中输入这些参数，设计的形态就会产生细微的变化。这些变化都在基本材料结构范围内进行，对于最终的建造形成有力的保障。以上3个部分的限定因素在设计思维过程中同时作用，它是基于外在复杂形态与内在复杂逻辑的综合体现。设计概念、现场各项限定因素和形态结构体系始终保持一体化的考虑。这样设计出来的形态应该更加符合自然世界原本鲜活又复杂的有机结构。[1]这种设计思维不仅充满着创新的变化，而且也更为全面。
二、基于参数化数字技术的非线性设计方法
非线性形态的设计应用得益于当今数字技术的迅猛发展，人们可以通过数字技术感知虚拟现实，体验人类前所未有的空间形式。数字技术介入到设计思维的阶段，设计师凭借计算机技术建构虚拟室内空间，在“可见”的空间形式下，对形态、材料和建造的研究更为深入，它可以实现在虚拟空间中的“真实的搭建”，对于设计细节的掌握更为精准。传统的室内空间设计是设计师以自己的艺术修养和对于场地的分析作为经验，首先在头脑中形成方案的雏形，然后在CAD施工图的阶段再介入材料与结构的内容。这是一种自上而下的设计方法。这样的方法产生的设计结果如果要进行变更需要重新设计建模，设计修改的过程很复杂，在整个设计过程中对于人脑的依赖程度很高。参数化数字技术是设计师把相关条件输入软件平台建立信息模型，再根据信息数据制作施工图和数据表提供给施工方。设计思维是多角度的，随着对各项限定性因素的深入研究调整参数，依靠计算机自动生成设计形态，甚至提供多种形态方案给设计师进行选择。它是一种自下而上的设计方法，设计的修改可以快速地进行，随着参数的调整产生多变的、不可预测的结果。设计的过程是计算机和人脑的共同协作。一方面，计算机提供各种形态由设计师从中优选；另一方面，在形态的生成阶段，设计师也可以根据自己的审美经验选择计算机阶段性的成果。室内非线性形态设计的数字软件平台目前主要有Rhino（犀牛）、Grasshopper（草蜢）、Rhino-Script（犀牛编辑脚本程序）等等。基于这些软件的数字设计方法，将设计的非线性形态所有的细节都以数据的形式记录下来，为将来的加工制造提供方便。例如湖南省画院项目中楼梯栏杆的曲面形态空间定位就十分复杂，在以前的设计方法中，几乎很难确立标准的位置。没有精确的定位，施工会异常艰难，很多形式只能靠工人师傅自己在现场领会图纸，依葫芦画瓢，最终导致很多形态与之前的设计意图大相径庭。形态在建造的过程中充满不确定性，设计师很难对最终建造的作品有精确的控制，所以我们一般不敢轻易尝试非线性形态设计。这种整体数字建模的手段称为BIM（BuildingInformationModeling，空间建筑信息模型）[2]，所有信息数据可以直接从3D模型中导出，建立数据表，给每一个点进行编码，确立空间位置和规格型号。通过计算机程序制作数据表格，这样施工的每个细节都有详尽的尺寸图纸。再将数据表直接提供给施工方进行材料的切割、定位，保证施工的顺利进行。这样的设计方法使以往最复杂的CAD施工图制图阶段变得简单，各项数据的得到只是一种数字化的传输，不会产生很多人为的偏差。
三、基于数控加工的非线性建造保障
由于当下加工制造行业陆续实现数字化，数控加工成为非线性形态设计建造的实施保障。数字设计——数控加工——数字建造[3]这三者之间由数字技术在中间扮演传递者的角色，数字加工技术介入室内空间形态的建造带来了材料和建造形式的革新。笔者在某酒楼设计中采用数字加工技术与数字设计技术的对接，成功地建造了一组非线性形态的墙体，施工过程实施了较为精准的控制，保障了设计的完整表现。酒楼二层走道中心为一组小包厢，小包厢墙体不仅起隔断的作用，同时也成为四周的中心景观，墙体的形态设计十分重要。设计是以自然形态的树皮作为概念。最终的结果是依据层高按照1000毫米每层的尺寸分为4层，4层的曲线曲率不同，形成垂直方向的重叠与交错，各层又有不同高度变化的直线附着在曲面上，形成平面的律动，类似树皮的复杂脉络。为了突出现代感，表皮材料特意选择了不锈钢，与天然的树皮形成反差。（图6）在最初的形态中，各层的直线长短不一，随着每层的曲线产生高低不同的变化。根据设计完成的数字模型导出基本加工数据后，对于使用材料和加工结构进行了精确的成本核算，发现完成此设计需要加工几万块形态不同的直线条，施工难度和建造成本都很高。经过多次的设计调整，最终方案确定了表皮线条单元模块的形式。用不锈钢板折边组合成一个5000毫米高、6000毫米宽的单元模块，由6个不同单元模块再进行不同的数列组合，形成丰富的表面变化。把每一个构件的详细尺寸数据表（包括长度、曲度、定位点等）提供给材料厂家。厂家拿到数据表后根据材料的结构特性和合理利用率进行了二次深化。不锈钢厂家根据自己最优化利用材料的情况微调了单元尺寸，设计的结果形态也随之调整。这一过程充分发挥了数字技术的优势，调整比较便捷。每一块单元形都根据数据在数控机床上进行剪裁和折边，最后定好编号。经过单元模块的改善设计，把原本几万个不同形态的形体缩减到只有几千个单元的形体。这些模块材料运至现场，工人师傅再根据图纸编号进行挂板，现场整体装配也快捷和顺利。在整个加工和施工的过程中，设计师和材料厂家采用相同的软件程序，大家在一个“设计语境”中进行工作，减少了在信息传递过程中由于“语言”不同而产生的误差。项目最终的效果还是达到了我们之前的设计预想，墙体表皮在三维的空间中形成丰富的光影和律动，成为空间中的视觉核心。项目从设计到制作经历了数字设计、数控加工、现场装配三个阶段。设计对于最终材料的表达和控制都在于数字化的参数。这些参数通过数控加工设备准确还原了设计构想。这一过程能够较为高效地实施建造，从而大大提高了设计、制作、装配协同一体的能力。
结语
非线性形态设计的思维方法扩充了室内空间设计师的设计想象，提升了其创新能力。同时在具体项目的实施过程中，这样的设计方法和加工制造方法又具有很好的建造协同效果。它不仅使设计师能够更好地了解材料和建造，而且使加工商能更深入地了解设计意图，极大地提升了整个室内制造行业的建造水平。笔者认为，在非线性形态从设计到建造的整个过程中，思维的表达更自由，设计的手段更高效，建造的结果更精确，因此它在室内空间中的应用具有很好的发展前景。
作者：易奕 单位：湖南师范大学美术学院