磚的數(shù)字化建構(gòu)

袁烽，張立名/

磚的數(shù)字化建構(gòu)

袁烽，張立名/

磚的數(shù)字化建構(gòu)所表達(dá)的是如何將傳統(tǒng)材料磚進(jìn)行當(dāng)代應(yīng)用。其中核心驅(qū)動(dòng)力有兩點(diǎn)：數(shù)字化方法將對(duì)磚的傳統(tǒng)性的理解推向了新的美學(xué)目標(biāo)；數(shù)字化工具的發(fā)展使磚模塊本身走向更加復(fù)雜的模數(shù)與材料性能目標(biāo)。磚的數(shù)字化建構(gòu)是連接傳統(tǒng)與未來的橋梁。

磚，數(shù)字化建構(gòu)，低技建造，美學(xué)性能，性能美學(xué)，未來磚構(gòu)

1“綢墻”建成效果

2 絲綢肌理的轉(zhuǎn)譯過程圖解

1 磚的傳統(tǒng)性與文化性

“建筑開始于兩塊磚被仔細(xì)地?cái)[放在一起?！?/p>

——密斯·凡·德·羅

磚，以及與之對(duì)應(yīng)的建造方式——砌筑——的出現(xiàn)與發(fā)展，幾乎與建筑的出現(xiàn)與發(fā)展同步進(jìn)行。“整個(gè)建筑史發(fā)展到現(xiàn)在（許多建筑技術(shù)到現(xiàn)在有所突破）為止，建筑只有3種基本方式：一是先造出骨架和框架，然后再覆蓋上外表；另一種是把一塊塊建筑材料堆砌起來的砌筑式；而第三種則是將前兩種方法混合起來的混合式”[1]。而磚石的砌筑作為一種最為簡(jiǎn)單直接的與重力對(duì)抗的方法，自然而然地從人類早期就成為了最主要的建造方式。

磚與砌筑的發(fā)展伴隨著人類文明的發(fā)展而不斷地生長(zhǎng)與完善，至今已成為一個(gè)龐大的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)深受文化與地域的影響，表現(xiàn)出極強(qiáng)的傳統(tǒng)與文化特征：從磚的材料方面，西方一系列古代教堂建筑用石材制磚來表達(dá)一種對(duì)永恒的追求，而在東方，以粘土為主要材料的磚，以及磚本身在以木材為核心的建造體系內(nèi)的輔助地位，表現(xiàn)著“不求原物之長(zhǎng)存”、“安于新陳代謝之理，以自然生滅為定律”的觀念[2]；從磚的尺寸方面，古羅馬的長(zhǎng)磚，形體較為扁長(zhǎng)，這樣的形體有利于提高磚的抗壓能力，從而可以用來建造高大的建筑[3]，而在古代中國(guó)，為了加強(qiáng)墻的整體性而發(fā)展出了各種搭接形式，致使磚的長(zhǎng)寬高比例需要滿足某種比例來對(duì)不同的搭接形式具有廣泛的適應(yīng)性，到漢代的時(shí)候，磚的長(zhǎng)寬高比例已經(jīng)接近現(xiàn)代磚的常用比例4:2:1。從磚的砌筑方式方面，由于大空間尺度的教堂在古代西方建筑中的主導(dǎo)地位，磚石的砌筑方式一直在向更大的尺度與跨度方向努力，從而產(chǎn)生了一系列經(jīng)典的磚石砌筑的拱圈與穹頂，而在古代中國(guó)，磚的砌筑以更精美的墻身與更好的墻身整體性為目的，產(chǎn)生了在重要傳統(tǒng)建筑墻體中常見的“磨磚對(duì)縫”、“磨磚勾縫”等砌筑手法[4]，以及在普通民居中順丁結(jié)合的砌筑手法。地域與文化的差異對(duì)磚的發(fā)展自始至終都在產(chǎn)生著重要的影響，這種長(zhǎng)久的影響使得磚成為了一種文化符號(hào)，表現(xiàn)出強(qiáng)大的傳統(tǒng)與文化的屬性，這種文化的傳承體現(xiàn)了磚在建構(gòu)文化中不可取代的重要作用。

2 磚的數(shù)字化建構(gòu)——從傳統(tǒng)性到當(dāng)代性的轉(zhuǎn)譯

磚的建構(gòu)文化屬性，在當(dāng)代建筑實(shí)踐中依然受到很多建筑師的青睞，但對(duì)于其傳統(tǒng)性在當(dāng)代建筑中該如何呈現(xiàn)這一問題，當(dāng)代的建筑師依然存在著不少迷茫。這種迷茫來自于磚與磚建筑由于長(zhǎng)久的發(fā)展已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的系統(tǒng)，在這樣一個(gè)系統(tǒng)中找到一個(gè)從傳統(tǒng)性到當(dāng)代性進(jìn)行轉(zhuǎn)譯的突破點(diǎn)并非一件容易的事，若無法有一個(gè)深刻或全面的把握，這種轉(zhuǎn)譯就極容易變成或是流于形式的模仿與重復(fù)，或是缺乏人文關(guān)懷的摧枯拉朽的再造，無法給出令人信服的答案。[5]

解決這個(gè)問題的出路到底在哪里？縱觀建筑風(fēng)格與思潮的發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)的一點(diǎn)是：風(fēng)格與思潮的改變只是表象，其背后的設(shè)計(jì)方法和工具的變革才是影響建筑范式變革的決定性因素。譬如文藝復(fù)興背后的透視學(xué)，巴洛克建筑背后的切石法，還有現(xiàn)代主義背后克林·羅的“透明性”概念性驅(qū)動(dòng)下的軸測(cè)畫法。就這一點(diǎn)上來說，磚的發(fā)展也并不例外。[6]

基于這一點(diǎn)，磚的數(shù)字化建構(gòu)所期望的就是一種基于新的設(shè)計(jì)方法與工具的從傳統(tǒng)性到當(dāng)代性的轉(zhuǎn)譯。數(shù)字化手段帶來的是設(shè)計(jì)思想與工具的革新，在新的思想與工具的驅(qū)動(dòng)下，使得建構(gòu)邏輯向多維度和高復(fù)雜性進(jìn)化，完成源于根本的形式轉(zhuǎn)移。

2.1 美學(xué)性能的轉(zhuǎn)譯

當(dāng)代的建筑實(shí)踐中，磚的應(yīng)用一度被新的建構(gòu)方式拋棄，這是在不斷有新的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)出現(xiàn)的背景下的必然結(jié)果。隨著磚擺脫了作為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而存在的種種限制，磚可以從材料性能的角度去發(fā)展其特質(zhì)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，其美學(xué)性能可以得到全新的表現(xiàn)。在磚的砌筑中，主要表現(xiàn)在不同砌筑邏輯所形成的不同表面肌理，傳統(tǒng)的砌筑邏輯主要為“順”與“丁”的組合方式，雖然在長(zhǎng)期的發(fā)展過程中總結(jié)出了三順一丁、五順一丁、梅花丁等經(jīng)典組合方式，但究其本質(zhì)，磚與磚之間只有平行與垂直兩種關(guān)系。在上海AU SPACE廠房改造和蘭溪亭項(xiàng)目中，“綢墻”和“水墻”的設(shè)計(jì)代表了我們基于數(shù)字化方法和工具，建立超越平行與垂直的邏輯系統(tǒng)，在磚的美學(xué)性能方面新的嘗試。

上海AU SPACE廠房改造項(xiàng)目位于上?！拔寰S空間”創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園區(qū)，該園區(qū)前身是建于1940年代的上海華豐第一棉紡織廠。面對(duì)這個(gè)曾經(jīng)出產(chǎn)大量棉紡織品的工業(yè)場(chǎng)地，我們對(duì)建筑的形象改造做出的設(shè)計(jì)決策是：使用最樸實(shí)而具有工業(yè)色彩的材料——混凝土空心磚來實(shí)現(xiàn)像織物一般的柔順感，這種意象首先表達(dá)了我們對(duì)場(chǎng)所歷史的回應(yīng)，再者希望突破傳統(tǒng)磚墻橫平豎直、棱角分明的表現(xiàn)效果。因此對(duì)絲綢質(zhì)感的表現(xiàn)，成為了思考的出發(fā)點(diǎn)。

在整個(gè)設(shè)計(jì)思考的過程中，數(shù)字化方法和工具

從兩個(gè)方面對(duì)我們的思路產(chǎn)生著重要影響：首先是思考的切入點(diǎn)，打破磚的傳統(tǒng)材料表現(xiàn)并非一件容易的事，其難點(diǎn)在于磚以及磚墻的意象在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過程中，已經(jīng)在人的心中根深蒂固。橫平豎直的邏輯體系代表了一種非此即彼的傳統(tǒng)思維，而數(shù)字化方法的顯著特征是非線性與連續(xù)性，“是”與“否”并非全部的答案，在“是”與“否”之間，還存在著很多的可能性。這種思考方式成為我們能在設(shè)計(jì)意圖上突破傳統(tǒng)磚墻意向桎梏的最重要的思想基礎(chǔ)。

另一方面，數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)的核心在于將一切設(shè)計(jì)元素轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌、整理與聯(lián)系，這使得絲綢與磚墻這兩個(gè)本毫無聯(lián)系的設(shè)計(jì)元素之間產(chǎn)生相互轉(zhuǎn)譯成為可能。我們提取絲綢質(zhì)感中的灰度及空心混凝土磚的旋轉(zhuǎn)角度作為轉(zhuǎn)譯的媒介，在灰度與角度之間建立數(shù)學(xué)聯(lián)系，從而完成這個(gè)轉(zhuǎn)譯過程，在磚墻上實(shí)現(xiàn)絲綢的效果[7]（圖1、2）。

在四川成都蘭溪亭項(xiàng)目中，我們?cè)噲D對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)江南園林做全新的演繹，這種演繹不只局限于常規(guī)的空間組織和建筑形體設(shè)計(jì)方面，我們希望在建筑的表皮中引入傳統(tǒng)江南園林中代表性的符號(hào)來實(shí)現(xiàn)別具一格的隱喻。因此，我們選擇了“水”這一靈動(dòng)、自然的元素作為磚墻表皮期望表達(dá)的意向。這一設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)促成了“水墻”這一設(shè)計(jì)的產(chǎn)生。首先，我們運(yùn)用算法捕捉水在時(shí)間維度上趨于靜止時(shí)的瞬間狀態(tài)，將其抽象為矢量路徑，運(yùn)用數(shù)字化手段在矢量圖形和磚的排列邏輯間建立幾何聯(lián)系，將矢量路徑對(duì)磚的排列進(jìn)行干擾，從而完成水紋到實(shí)體建筑語言的轉(zhuǎn)譯。最終，青磚這一在中國(guó)傳統(tǒng)建筑中普遍使用的建筑材料和極其常見的錯(cuò)縫砌筑法成為我們轉(zhuǎn)譯的媒介，特殊的空縫砌筑形式在厚重的墻體中實(shí)現(xiàn)了輕盈通透的流水視覺效果（圖3、4）。

2.2 性能美學(xué)的轉(zhuǎn)譯

將磚的文化屬性與功能屬性分離成為一種被普遍認(rèn)可的手法，這是否意味著磚的結(jié)構(gòu)功能已經(jīng)走向了終結(jié)，磚結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去了存在于當(dāng)代的意義，這并不盡然。在上海諾華制藥總部基地的項(xiàng)目中，我們對(duì)這一問題做出了回應(yīng)。在這一項(xiàng)目的外墻設(shè)計(jì)中，我們依然選擇磚作為主要材料，并在磚的砌筑邏輯的建立上延續(xù)了在“綢墻”和“水墻”中使用的基于數(shù)字化方法與工具的設(shè)計(jì)手法，利用變化的磚的空縫砌筑來達(dá)到柔順的漸變效果。不同的是，這一次磚不再作為單純的表現(xiàn)材料，而是通過位于3個(gè)不同層次的磚與磚之間基于幾何操作的連接設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)性能模擬和優(yōu)化，讓磚承擔(dān)了部分的結(jié)構(gòu)作用。

蛇形的外墻環(huán)繞在3棟服務(wù)用房外圍（圖5），使得這面外墻并沒有絕對(duì)的內(nèi)表面和外表面之分，這就導(dǎo)致之前用到的在內(nèi)表面建造結(jié)構(gòu)層來支撐墻體、結(jié)構(gòu)與磚墻分開處理的做法在這個(gè)項(xiàng)目中并不適用，因此在這個(gè)項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)功能必須由磚墻本身承擔(dān)。

在傳統(tǒng)的磚建筑中，磚墻能有良好整體性的核心在于錯(cuò)縫搭接。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，磚墻的紋理已經(jīng)被設(shè)計(jì)好了，在不改變已完成的紋理的前提下，我們無法通過在縱向上增加錯(cuò)縫搭接來增強(qiáng)墻體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，解決方案需要在另外的維度上尋找。最終，我們的做法是磚墻內(nèi)部加入了一層三角形的空心砌塊（圖7），這一做法有兩方面的意義：首先，三角形砌塊的斜向拼縫和磚塊的水平拼縫之間并非平行關(guān)系，這樣就在墻身厚度的維度上創(chuàng)造了錯(cuò)縫搭接，從而增強(qiáng)墻體的結(jié)構(gòu)性能；另一點(diǎn)，磚墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要在磚的拼縫之間埋入鋼筋來增加墻體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，由于這面磚墻的設(shè)計(jì)的紋理是較為特殊的斜向紋理，若使用傳統(tǒng)的橫向埋設(shè)鋼筋方式，則鋼筋必定會(huì)在空縫砌筑留下的縫隙中露出來，這會(huì)對(duì)最終的效果產(chǎn)生無法容忍的影響。因此，鋼筋埋設(shè)的方向需要順著磚墻的紋理斜向埋設(shè)，而單純靠橫向鋪設(shè)的磚，無法與斜向埋設(shè)的鋼筋組合為一個(gè)整體，因此，將橫向鋪設(shè)的磚用砂漿固定在三角形空心砌塊的兩邊，借助三角形空心砌塊完成橫向磚與斜向鋼筋的連接，同時(shí)，通過幾何操作，中間層的三角形空心砌塊正好被兩邊的矩形磚擋?。▓D8），在絲毫沒有影響想要達(dá)到的設(shè)計(jì)效果的前提下，完成了墻體的結(jié)構(gòu)功能。之后，再通過數(shù)字化手段對(duì)中間層所用到的三角形空心砌塊的尺寸進(jìn)行擬合，最終，由于磚墻使用到的本就是尺寸統(tǒng)一的磚，再加上其砌筑方式本身高度的邏輯性，中間層的三角形空心砌塊被擬合為統(tǒng)一尺寸，大大降低了這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)成本。

設(shè)計(jì)完成后，我們運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)墻體的抗壓能力和穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬（圖9），結(jié)果也表明了中間層的三角形空心砌塊墻體展現(xiàn)出了十分良好的結(jié)構(gòu)性能，其與兩邊磚墻的完美契合關(guān)系也保證了這個(gè)設(shè)計(jì)的美學(xué)追求。數(shù)字化思想與手段的介入和恰到好處的幾何操作，我們將兩者融合起來，試圖在這一作品中對(duì)傳統(tǒng)磚墻的結(jié)構(gòu)性能解決手段進(jìn)行一個(gè)更多維度的詮釋與轉(zhuǎn)譯，表達(dá)我們對(duì)性能美學(xué)的理解與追求。

3“水墻”全景

4“水墻”局部放大圖

3 低技建造——磚的數(shù)字化建構(gòu)的本土實(shí)現(xiàn)

數(shù)字化建構(gòu)包括兩方面的意義：數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)字化建造，前者為虛擬世界中的邏輯建立與形態(tài)生成，后者為前者在現(xiàn)實(shí)建造中的實(shí)現(xiàn)。建筑作為一個(gè)實(shí)體，某種程度上來說，后者的重要性甚至大過前者。在理想狀態(tài)下，數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)字化建造之間應(yīng)該是順滑的無縫對(duì)接關(guān)系，3D打印設(shè)備、CNC機(jī)床和機(jī)械臂等高精度的數(shù)控加工設(shè)備可以直接讀取在數(shù)字化設(shè)計(jì)階段生成的數(shù)據(jù)信息，然后轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)作，從而完成對(duì)實(shí)體材料的加工。而在建筑領(lǐng)域，建筑本身尺度相比工業(yè)設(shè)計(jì)或機(jī)械制造領(lǐng)域的產(chǎn)品就較為巨大，在一個(gè)較大尺度的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)大批量高精度的數(shù)控建造本就是一個(gè)巨大的難題。再者，在中國(guó)，數(shù)控加工技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域的推廣程度遠(yuǎn)比數(shù)字化設(shè)計(jì)手段在建筑設(shè)計(jì)師中的普及程度要落后的多。短期內(nèi)，這都是無法回避的現(xiàn)實(shí)，因此，磚的數(shù)字化建構(gòu)需要一種具有本土適應(yīng)性的方法來實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)建筑施工現(xiàn)狀無法改變，那么從設(shè)計(jì)端出發(fā)，降低設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)門檻是唯一的出路。自古中國(guó)匠人之間就有“變?cè)臁币徽f，即依據(jù)建造的實(shí)際情況對(duì)“規(guī)矩”進(jìn)行一定的變通。譬如，宋代的《營(yíng)造法式》中雖然對(duì)模數(shù)制定了嚴(yán)密的規(guī)定，但工匠們基本不會(huì)在不同的地方做出尺寸完全相同的斗拱。這種方法同樣可以運(yùn)用在我們的實(shí)踐中。

在“綢墻”這一項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)中，空心混凝

土磚的旋轉(zhuǎn)角度是通過灰度連續(xù)變化的圖片來控制的，這樣的結(jié)果就是空心混凝土磚的旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)各不相同、連續(xù)的變化狀態(tài)。這樣的狀態(tài)使得在施工初期遭遇巨大的困難，每一塊磚的旋轉(zhuǎn)角度都不同，全部用手工砌筑完成的話，施工成本不可估量。因此我們必須返回設(shè)計(jì)階段，重新優(yōu)化磚旋轉(zhuǎn)角度的確定邏輯。減少旋轉(zhuǎn)角度是最直接的解決手段，但減少旋轉(zhuǎn)角度就意味著最終效果的妥協(xié)，這兩者之間必須找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。數(shù)字化設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)和邏輯的生形手段在尋找這個(gè)平衡點(diǎn)的過程中發(fā)揮了很大的優(yōu)勢(shì)，即時(shí)可見的特點(diǎn)也能夠使一系列的修改結(jié)果快速直觀地呈現(xiàn)給建筑師，便于篩選和判斷。

最終，我們將所有的旋轉(zhuǎn)角度擬合為12個(gè)角度來進(jìn)行實(shí)際建造（圖10），同時(shí)，為了方便施工工人操作，我們制作了6個(gè)模板，讓工人用來做12個(gè)角度的磚的定位（圖11）。在設(shè)計(jì)階段的效果把控和制作模板來保證定位的精確性，使得最終的建成效果滿足了預(yù)期，并且整個(gè)建造成本也被控制在了一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。

在蘭溪亭項(xiàng)目的“水墻”的建造中，由于有了之前“綢墻”的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段便直接對(duì)磚與磚之間的空縫尺寸進(jìn)行了擬合，最終擬合為5種錯(cuò)縫尺寸，并也同樣預(yù)先制作了5種模板，通過這5種模板數(shù)值的排列實(shí)現(xiàn)磚墻肌理的變化，從而達(dá)到預(yù)期的水紋效果（圖12）。

兩面磚墻的數(shù)字化建造的實(shí)現(xiàn)采用的都是相同的思路，最終的結(jié)果都是設(shè)計(jì)向技術(shù)水平不足的施工進(jìn)行一定的妥協(xié)，雖然這種妥協(xié)經(jīng)過嚴(yán)格的控制，達(dá)到了幾乎不影響最終建筑所呈現(xiàn)的效果的地步，但這只是一種面對(duì)特殊情況的應(yīng)急與變通的處理手法，從理想的數(shù)字化建構(gòu)的角度來說，這種手法難以讓人信服，因?yàn)樗チ死硐氲臄?shù)字化建構(gòu)所應(yīng)有的連續(xù)性、一體性和精確性。這種缺失的根本原因在于數(shù)控加工工具、工藝和技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用還不成熟。面對(duì)這種不成熟，妥協(xié)與變通可以是一時(shí)性的解決手段，但這遠(yuǎn)不是應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)?？上驳氖牵瑪?shù)字化建造領(lǐng)域的研究者們從未停止過研究的腳步。小尺度的3D打印技術(shù)、CNC機(jī)床加工、機(jī)器人建造等技術(shù)經(jīng)過這幾年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，逐漸開始擺脫小尺度的束縛，向正常尺度建筑的建造發(fā)起挑戰(zhàn)：斯圖加特大學(xué)的阿希姆·門杰斯（Achim Menges）教授基于對(duì)節(jié)肢動(dòng)物骨骼的研究，運(yùn)用機(jī)器人編織建造出了效果令人驚嘆的臨時(shí)展館作品；上海盈創(chuàng)裝飾設(shè)計(jì)工程有限公司所開發(fā)的3D房屋打印技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)內(nèi)3D打印出10棟200m2的建筑。數(shù)控加工技術(shù)的將會(huì)帶來工具的革新，而工具的革新才會(huì)成為推動(dòng)數(shù)字化建構(gòu)的核心力量。

5 上海諾華制藥總部基地全景

6 墻體內(nèi)斜向支撐結(jié)構(gòu)圖解

7 墻體分解圖解，左上到右下依次為：支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)層三角形空心砌塊，外層磚墻，整體組合

8 三角形空心砌塊與磚墻之間尺寸關(guān)系

9 結(jié)構(gòu)性能模擬

4 磚的數(shù)字化建構(gòu)的未來發(fā)展

其一，磚原型的多樣化開發(fā)。磚的規(guī)格如今已經(jīng)十分豐富，從標(biāo)準(zhǔn)磚規(guī)格到各種尺寸的空心磚規(guī)格，磚的原型依然是一個(gè)立方體，從磚誕生以來這一原型都未產(chǎn)生變化。誠(chéng)然，易于加工和砌筑是方塊磚能長(zhǎng)久占據(jù)主導(dǎo)地位的主要原因，但從建筑設(shè)計(jì)師的角度來說，是否易于加工和砌筑不是我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中需要考慮的全部?jī)?nèi)容。在數(shù)字技術(shù)的支持下，無論是在虛擬層面的設(shè)計(jì)操作，還是在現(xiàn)實(shí)層面的實(shí)體操作，突破立方體的原型限制，開發(fā)更多種形式的磚原型以滿足特殊的效果追求，這些都是可以在一個(gè)成本可控的范圍內(nèi)完成的。在諾華制藥服務(wù)用房的項(xiàng)目中，我們就使用了三角形的空心砌塊來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，這是設(shè)計(jì)師與材料供應(yīng)商密切交流與協(xié)作的結(jié)果。

其二，制磚材料與工藝開始向可持續(xù)性和性能化方向發(fā)展。從傳統(tǒng)的粘土磚，到如今混凝土、頁巖、陶瓷、海泥、天然砂、工業(yè)廢料、垃圾焚燒爐渣等眾多的制磚材料，制磚材料的發(fā)展正在給磚帶來本質(zhì)性的變化。首先，磚作為一種普遍使用的建材，其可持續(xù)性受到極大的關(guān)注，粘土磚的取締和眾多可再生材料磚的出現(xiàn)可以證明這一點(diǎn)。除了材料的發(fā)展，制磚工藝也在向低碳的方向發(fā)展，譬如如何減少制磚過程中高溫煅燒的程序以減少熱排放等。其次，由于制磚材料的多樣性和制磚工藝的提升，磚的性能得到了很大的拓展。在力學(xué)性能得到很大提升的同時(shí)，磚開始具備一些其他的特殊性能，如保溫隔熱、耐腐蝕性、透氣透水等。

其三，磚的機(jī)器人砌筑。在前文提到的“綢墻”和“水墻”兩個(gè)案例中，為了方便建造，我們不得不將連續(xù)變化的角度或尺寸擬合為幾個(gè)角度或尺寸，這是設(shè)計(jì)向施工條件的妥協(xié)。如果可以使用機(jī)器人代替人工來進(jìn)行砌筑，那么，機(jī)器人基于數(shù)據(jù)的精確操作可以使這種妥協(xié)變得不必要。近年來，使用機(jī)器人進(jìn)行磚的砌筑工作的相關(guān)研究已經(jīng)取得一定的成果。倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London）的哈立德·阿什雷（Khaled Elashry）和魯艾里·格林（Ruairi Glynn）在2014年“建筑、藝術(shù)與設(shè)計(jì)中的機(jī)器人制造（Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design）”國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了他們?cè)谑褂脵C(jī)器人進(jìn)行磚砌筑方面的研究成果。他們?cè)趨?shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)Grasshopper上編寫了將工業(yè)機(jī)器人KUKA與三維建模軟件Rhino連接起來的插件—Scorpion，從而實(shí)現(xiàn)了將虛擬模型的位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)控加工設(shè)備中這一關(guān)鍵程序。機(jī)器人在讀取到磚的位置數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人工作路徑優(yōu)化調(diào)整，機(jī)器人便能將磚塊精準(zhǔn)地放置到目標(biāo)位置（圖13）。磚的砌筑除了要將磚塊擺放到正確的位置，還需要在磚表面涂上適量的砂漿，由于砂漿并非有固定形態(tài)的固體，其操作難度遠(yuǎn)比磚塊要大得多。面對(duì)這一問題，哈立德·阿什雷和魯艾里·格林也給出了他們的解決方案。他們開發(fā)了一套自適應(yīng)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的核心在于一個(gè)加裝在機(jī)器人工具頭上的具有厚度感應(yīng)功能的相機(jī)，這個(gè)相機(jī)會(huì)在機(jī)器人對(duì)每一個(gè)磚塊完成第一次砂漿涂抹之后掃描砂漿的涂抹情況，將掃描結(jié)果通過編寫好的Processing程序呈現(xiàn)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云反饋到Grasshopper中，在Grasshopper中對(duì)涂抹結(jié)果進(jìn)行判斷并給機(jī)器人發(fā)出修正命令，機(jī)器人收到命令之后再對(duì)已經(jīng)涂抹的砂漿進(jìn)行調(diào)整（圖14）。他們對(duì)其開發(fā)的這一套機(jī)器人砌磚系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)展示，證明了這一套系統(tǒng)有良好的可行性[8]。由此可見，機(jī)器人砌磚是具有可操作性和可行性的，而且其在精確定位方面具有人工不可能達(dá)到的水平。隨著機(jī)器人在建筑建造領(lǐng)域不斷深入和廣泛的運(yùn)用，磚的機(jī)器人砌筑將對(duì)磚的建構(gòu)邏輯與方式產(chǎn)生革命性的影響，這也必定是未來磚的數(shù)字化建構(gòu)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語

磚的建構(gòu)文化屬性是其如今存在于建筑領(lǐng)域的重要原因之一，磚的數(shù)字化建構(gòu)方法將磚的傳統(tǒng)性延續(xù)至當(dāng)代乃至未來，并找到符合時(shí)代特征的表現(xiàn)手段。我們已經(jīng)用實(shí)踐證明這種手段能夠使磚這樣的傳統(tǒng)材料表達(dá)出強(qiáng)烈的當(dāng)代性，而這種手段還并未得到充分的開發(fā)。數(shù)字化思想還可以進(jìn)一步深入到對(duì)磚的抽象理解中，對(duì)其提出新的詮釋；數(shù)字化工具還有極大的挖掘與研究空間，設(shè)計(jì)方法、建造工具的革新必將為磚的數(shù)字建構(gòu)的帶來更多的可能性與可行性。

10 外墻單元與建造輔助模板

11 使用模板輔助施工

12 磚墻紋理模數(shù)變化圖解

13 使用機(jī)器人進(jìn)行磚的砌筑

14 砂漿厚度掃描與分析

[1] 施楚賢. 砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003：16.

[2] 梁思成. 中國(guó)古代建筑史[M]. 北京：生活·讀書·新知三聯(lián)書店，2011：17.

[3]卡雷斯·瓦洪拉特，鄧敬. 對(duì)建構(gòu)學(xué)的思考——在技藝的呈現(xiàn)與缺席之間[J]. 時(shí)代建筑，2009(5)：132-139.

[4] 中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所. 中國(guó)古代建筑技術(shù)史[M]. 北京：科學(xué)出版社，1985：433.

[5] 袁烽，林磊. 中國(guó)傳統(tǒng)地方材料的當(dāng)代演繹[J]. 城市建筑，2008(6)：12-16.

[6] 袁烽. 數(shù)字化建造——新方法論驅(qū)動(dòng)下的范式轉(zhuǎn)化[J]. 時(shí)代建筑，2012(2)：74-79.

[7] 袁烽. 綢墻——柔軟的建構(gòu)實(shí)踐[J]. 時(shí)代建筑，2011(2)：106-113.

[8] Khaled Elashry, Ruairi Glynn．An Approach to Automated Construction UsingAdaptive Programing[C]．//Wes McGee , Monica Ponce de Leon. Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014．Switzerland: Springer International Publishing, 2014：51-66.

Digital Tectonics of Brick

Philip F. YUAN, ZHANG Liming

Digital tectonics of brick is a design methodology approaches to the contemporary application of traditional material. The key driven forces based on two points : the digital methodology is leading to a new aesthetics based on the materiality of brick; with the development of digital tools, the module of brick becomes more complex and better performance of material. Digital tectonics of brick is bridging the tradition and future.

brick, digital tectonics, low-tech fabrication, aesthetic performance, performance aesthetics, future brick tectonics

同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2014-06-21