數(shù)字化建筑的挑戰(zhàn)與發(fā)展

胡冗冗 李岳巖 許 潔

1 當(dāng)前數(shù)字化建筑的界定

在這個信息化的時代，信息的數(shù)字化也越來越被各行各業(yè)視為行業(yè)進步的關(guān)鍵，計算機軟件和硬件的推陳出新，使越來越多更為復(fù)雜、多元的信息能夠被轉(zhuǎn)化成為計算機語言并且在數(shù)字化平臺上對其進行處理。同樣，在建筑設(shè)計的領(lǐng)域中，數(shù)字化技術(shù)的進步也激發(fā)了建筑設(shè)計師更為豐富的設(shè)計靈感，使他們可以將超現(xiàn)實的思維充分展現(xiàn)出來。

不論什么形式的數(shù)字化平臺，其角色終是一種信息的“載體”，其功能都是將信息以“人—機—模型”這樣的流程傳遞的。但是區(qū)別于以往“基于感覺的設(shè)計”，數(shù)字化設(shè)計應(yīng)當(dāng)是“基于依據(jù)的設(shè)計”，它能夠吸收現(xiàn)實中更為復(fù)雜的數(shù)字化信息，并提供程序編寫、模擬、參數(shù)操控等平臺，使設(shè)計師能夠?qū)π畔⒔o予一定的處理方式，使其經(jīng)過篩選、整合、計算以及驗證并最終獲得“建筑信息模型”(BIM，Building Information Model)。而傳統(tǒng)的 CAAD(Computer-Aided Architectural Design)的設(shè)計平臺，例如 AutoCAD或者 Sketchup，由于它們對原始數(shù)據(jù)的吸收和處理能力十分有限，并且對這些數(shù)據(jù)的邏輯處理也相對簡單，所以多數(shù)時候只能作為一種繪圖工具存在，那么通過它們獲得的建筑模型只是“物理數(shù)據(jù)模型”。

讓我們來舉個例子解釋一下“物理數(shù)據(jù)模型”過程與“建筑信息模型”過程的區(qū)別。假設(shè)我們需要做一個“樹”狀的支撐結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)設(shè)計過程中，我們會根據(jù)我們腦中對“樹”的印象，在建模工具里面用類似“繪畫”的方式來建立一個“像”樹的模型。這個過程中，這顆“樹”是在人腦中已經(jīng)形成的，我們只是用數(shù)字化的手段將它“畫”出來了而已，那么這個過程中，計算機只承載了“數(shù)據(jù)”而不是“信息”，故這便是“物理數(shù)據(jù)模型”。而“建筑信息模型”的建立應(yīng)該是以下這樣一個過程:

1)研究“樹”的生長模式，即一種在數(shù)學(xué)中被稱為“自我復(fù)制”的模式;

2)找到這種“自我復(fù)制”模式的數(shù)學(xué)模型——“L形系統(tǒng)”;

3)將這種“L形系統(tǒng)”的模型所對應(yīng)的計算機語言輸入電腦;

4)通過對建筑結(jié)構(gòu)、功能等方面的分析，在計算機中設(shè)置各項參數(shù)來篩選可行的“L形系統(tǒng)”公式模型，并選擇迭代次數(shù)使其符合力學(xué)支撐和空間使用的要求。

圖1是傳統(tǒng)的“物理數(shù)據(jù)模型”，圖 2是按照L形系統(tǒng)算式F=F[+F][/＆F]F[-F][+F][?F]經(jīng)過三次迭代生成的“建筑信息模型”，并且這個模型還可以無限次迭代以進行擴大。

2 數(shù)字化建筑所面臨的挑戰(zhàn)

雖然當(dāng)前國內(nèi)的數(shù)字化建筑設(shè)計不論是對數(shù)字化設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)，還是對信息進行數(shù)字化方式的研究，熱情都是空前高漲的，國內(nèi)每年有許多大小規(guī)模的數(shù)字化設(shè)計競賽，許多建筑設(shè)計公司也都逐步開始將數(shù)字化手段引入設(shè)計過程。然而，現(xiàn)實中的情況卻是被實施建造的建筑方案屈指可數(shù)。到底是什么原因?qū)е铝诉@種局面的出現(xiàn)，讓我們從設(shè)計過程中的幾個步驟來分析一下也許能了解到問題所在。

我們先來看看數(shù)字化建筑設(shè)計的基本過程:

1)從前期調(diào)研當(dāng)中獲得各方面信息，例如地形，功能，地域文化等等;

2)將所獲得的信息進行科學(xué)的數(shù)字化處理;

3)在數(shù)字化平臺上，結(jié)合結(jié)構(gòu)、形式以及業(yè)主的期望，選擇合理、完整的數(shù)字語言系統(tǒng)，對信息進行篩選、運算并驗證獲得“建筑信息模型”。

了解了這些設(shè)計步驟，再分析一些數(shù)字化建筑的方案，不難找出可能是一些環(huán)節(jié)出了問題:

1)所提取的信息不夠全面，或者信息的數(shù)字化方式不夠科學(xué)，抑或沒有完整可靠的驗證系統(tǒng)，這些都會導(dǎo)致信息不能夠被正確運用到設(shè)計中或者導(dǎo)致設(shè)計成果無法正確回饋原有的地形、功能等信息依據(jù);

2)在數(shù)字化設(shè)計過程中沒有加入合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使最終的建筑信息模型缺乏經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)，也就難以建造實施;

3)很多建筑方案對建筑建造的精度要求過高，故無法適用于普通的建造技術(shù)和方式。這樣的不利狀況促使我們應(yīng)該主動找出問題的癥結(jié)，試試能不能給數(shù)字建筑的發(fā)展發(fā)掘一些新的機遇。

3 數(shù)字化建筑的發(fā)展機遇

3.1 信息的合理提取與處理

作為建筑設(shè)計師，我們對數(shù)字化平臺通常只停留在“會操作”的階段，并且如果當(dāng)這些軟件作為繪圖工具的時候，我們并不需要它們幫我們處理和計算信息，只需要它們能夠記錄并在模型中反映數(shù)據(jù)，那么“會操作”其實是足夠輔助我們的建筑設(shè)計過程的。但是，對于數(shù)字化設(shè)計的過程，對數(shù)字化軟件僅僅止于“會操作”階段，則會導(dǎo)致一些情況。第一種情況，從信息提取的方面來說，當(dāng)設(shè)計者不夠了解軟件平臺的時候，就不了解什么形式的信息是能夠被軟件有效接收并合理運算的，在這種情況下，前期調(diào)研過程中的信息收集則會缺乏一定的目的性和系統(tǒng)性，所以當(dāng)要將這些依據(jù)進行數(shù)字化的時候就會導(dǎo)致信息不全、冗繁或者無效。第二種情況，假設(shè)信息是準(zhǔn)確的，但是在不能夠深入理解數(shù)字化平臺中各模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運算過程的情況下，將信息輸入了錯誤的運算模塊中時，所獲得的結(jié)果自然是不準(zhǔn)確的。例如，在 Rhinoceros這個軟件的Grasshopper的操作平臺上，如果設(shè)計師在不理解平臺中每個模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，往往會將有序的數(shù)據(jù)連接在無序的數(shù)據(jù)接口上，或者在數(shù)據(jù)中存在大量重復(fù)項的時候就將數(shù)據(jù)輸入更為復(fù)雜的運算模塊當(dāng)中去，這樣往往會導(dǎo)致運算結(jié)果的錯誤和(或者)運算失敗。當(dāng)我們將平面上一系列的點相連接的時候，雖然看似結(jié)果是相同的，但是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不同的，這便會導(dǎo)致當(dāng)我們將這些數(shù)據(jù)輸入下一個運算模塊時，結(jié)果就會有所不同。第三種情況，如果設(shè)計者在一系列篩選、運算和驗證過程中，選擇了不相配套的處理方式，那么也會導(dǎo)致模型所承載的建筑信息錯誤。還是用點陣相連接的例子，如果在取點時采用了無序原則，假設(shè)在后續(xù)的運算過程應(yīng)該采用就近原則連接，如果采取了無序的連接方式，那么就會出現(xiàn)與正確操作完全不同的結(jié)果。以上兩種情況導(dǎo)致的不準(zhǔn)確結(jié)果一旦被運用到建筑方案當(dāng)中，都會導(dǎo)致設(shè)計成果無法回饋建筑用地的地形、日照、氣候、功能以及人文等因素，那么這樣的數(shù)字化建筑自然無法滿足各方面需求，也就沒有被實施的可能性。所以對數(shù)字化軟件進行更為深入的理解是相當(dāng)必要的。

3.2 結(jié)構(gòu)數(shù)字化

建筑設(shè)計的三要素是堅固、實用和美觀。既然是要素，就沒有理由拋棄其中的任何一個。多數(shù)時候，設(shè)計師總是在數(shù)字化設(shè)計中將較多形式依據(jù)作為參數(shù)對建筑進行設(shè)計，卻很少加入結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制建筑的生成，這種設(shè)計過程所造成的結(jié)果往往是建筑缺乏合理經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)。許多設(shè)計師認為，數(shù)字建筑設(shè)計應(yīng)該是擺脫傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)束縛的，更為跳脫的設(shè)計方式，然而在這種思維指導(dǎo)下獲得的建筑方案又時常因為結(jié)構(gòu)不滿足現(xiàn)實中承重的需求而難以被實施。那么，我們?yōu)槭裁床粡膭e的角度來重新思考，不論是數(shù)字化設(shè)計還是傳統(tǒng)設(shè)計，我們都是在對一維、二維、三維甚至四維的幾何形態(tài)進行或復(fù)雜或簡單的設(shè)計處理，那么任何的幾何形態(tài)不僅有著其潛在的結(jié)構(gòu)原理，同時也都是可以被作為一種強有力的設(shè)計元素來進行使用的。既然這樣，在進行數(shù)字建筑設(shè)計的時候，我們?yōu)槭裁床荒苁褂糜兄己媒Y(jié)構(gòu)性能的平面或空間幾何形態(tài)元素來進行數(shù)字化設(shè)計。當(dāng)我們對各種幾何形態(tài)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有了較為深入的研究之后，那么結(jié)構(gòu)不僅不會成為數(shù)字化設(shè)計的絆腳石，反而能為我們的設(shè)計另辟蹊徑。伊東豐雄先生設(shè)計蛇形畫廊的過程，便將方形疊加所形成的三角形作為設(shè)計元素，同時又利用了三角形的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，形成了豐富多變且結(jié)構(gòu)合理的建筑效果。

3.3 數(shù)字化也需要誤差

有時存在這樣的設(shè)計，一些數(shù)字化建筑既能滿足功能等客觀要求，又具有著合理的結(jié)構(gòu)體系，但是仍然難以實施，原因很可能是這樣的，大多數(shù)數(shù)字化設(shè)計的結(jié)果都是相對復(fù)雜的，當(dāng)其復(fù)雜程度升高的同時也就對精確性有一定的要求。然而，在實際的施工當(dāng)中是存在著各種偶然和必然的誤差的，這些誤差可能存在于鑄造、氣候、安裝等各個環(huán)節(jié)當(dāng)中，是沒有辦法完全克服的。所以一旦數(shù)字化設(shè)計方案的復(fù)雜度對其精確度的要求過高時，建筑的實施將會十分艱難，同時也會大大提高建筑的建造成本。例如廣州歌劇院的施工過程中，一些細節(jié)部分需要機械臂的施工操作，結(jié)構(gòu)的空間定位花去了大量的人力、物力、財力，但沒有多少項目能夠獲得這種規(guī)模的投資，所以這樣的建筑沒有大規(guī)模建造的可能性。那么首先我們可以降低其復(fù)雜性，但是數(shù)字化設(shè)計的優(yōu)勢本來就是能夠承載更為豐富復(fù)雜的“信息”，故其復(fù)雜性是很難降低的。

所以我們只能在設(shè)計數(shù)字化方案時，在一些數(shù)據(jù)上給予一定的誤差區(qū)間，而不是一個完全精確的數(shù)值，這樣，只要施工過程中的誤差在給定的區(qū)間內(nèi)，就不影響建筑的外觀與承重效果，同時也降低了施工難度，那么這樣數(shù)字建筑就有更多的機會被付諸實踐了。

4 結(jié)語

雖然我們處在數(shù)字化依據(jù)超前于設(shè)計理論的時代，但是建筑設(shè)計的精髓永遠是在設(shè)計師的腦中，所以我們應(yīng)該尋找到各種機遇使數(shù)字化平臺為我們所用，既讓我們的經(jīng)驗?zāi)軌蚶硇缘?、有效的控制?shù)字依據(jù)，又不讓數(shù)字化依據(jù)的冗繁束縛我們的設(shè)計理念。

[1] 王一平.建筑數(shù)字化論題之一:終結(jié)[J].四川建筑科學(xué)研究，2009(2):3-4.

[2] 張 冉.淺談數(shù)字建筑與空間解決[J].山西建筑，2009，35(2):44-45.