從具象到具象 數(shù)字建筑中的材料試驗(yàn)

許偉舜

參數(shù)化設(shè)計(jì)：抽象還是具象？

對(duì)于當(dāng)代建筑師來說，使用計(jì)算機(jī)建立三維模型已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)手段，而電子模型中引入各類算法來進(jìn)行的參數(shù)化（parametric）建模和模擬演算（simulation）也已經(jīng)并不新鮮，成為前衛(wèi)設(shè)計(jì)師們探索新形式和設(shè)計(jì)邏輯的好方法。在這些設(shè)計(jì)中，人們常常從自然界尋找靈感，在天然的幾何圖案中尋找特征，使得這些天然形態(tài)能夠被數(shù)學(xué)分析和理解；設(shè)計(jì)師再將這些解釋運(yùn)用于設(shè)計(jì)當(dāng)中，試圖通過運(yùn)用這些邏輯和幾何關(guān)系得到建筑形態(tài)。對(duì)中國民眾來說最著名的例子也許是國家游泳中心（即水立方）的建筑外墻：它利用了沃羅諾伊（Voronoi）網(wǎng)格這種幾何形態(tài)。這種網(wǎng)格常常在納米晶體和皮層細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)；由于這種網(wǎng)格能夠通過數(shù)學(xué)邏輯描述其幾何中心和邊界的關(guān)系，它最早被應(yīng)用在城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)當(dāng)中，作為控制區(qū)域劃分的方式。在19世紀(jì)的倫敦，當(dāng)一次霍亂爆發(fā)時(shí)，一位英國醫(yī)生將這種網(wǎng)格用來劃分發(fā)病區(qū)域，通過統(tǒng)計(jì)病人數(shù)量，最終確定了傳染源。這個(gè)成功的案例使設(shè)計(jì)師注意到了這種網(wǎng)格系統(tǒng)的有效性，它進(jìn)而作為一種二維圖案被應(yīng)用在建筑外墻面等設(shè)計(jì)中。

然而很多時(shí)候，這一類參數(shù)化設(shè)計(jì)盡管有幾何算法作為基礎(chǔ)，卻并不能保證這些算法在恰當(dāng)?shù)膱龊媳粦?yīng)用；到頭來，許多為了加強(qiáng)建筑空間的邏輯性進(jìn)行的演算，卻變成了純粹創(chuàng)造表面形態(tài)的工具。近幾年來，建筑設(shè)計(jì)對(duì)沃羅諾伊網(wǎng)格的濫用已經(jīng)遭致許多批評(píng)。當(dāng)許多設(shè)計(jì)師將之用來作為設(shè)計(jì)建筑外表皮的結(jié)構(gòu)依據(jù)時(shí)，常常忽略垂直豎立的沃羅諾伊網(wǎng)格本身并不提供當(dāng)代建筑幕墻系統(tǒng)常常需要的自我支撐的結(jié)構(gòu)能力。在很多對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)持保守看法的建筑師看來，這一類設(shè)計(jì)往往代表了一個(gè)“從抽象到具象”，即抽象概念和具象建筑缺乏對(duì)接的過程：建筑師試圖通過抽象的邏輯或數(shù)學(xué)關(guān)系來推導(dǎo)出具象的建筑，卻忽略了現(xiàn)實(shí)中的場地、材料等實(shí)際限制，結(jié)果成品設(shè)計(jì)不但在施工中造價(jià)高昂，浪費(fèi)材料，更容易讓建筑變成純粹追求形態(tài)的雕塑行為。

為了擺脫這種看似環(huán)環(huán)相扣，實(shí)則簡化邏輯、脫離復(fù)雜現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)，許多前沿建筑師開始轉(zhuǎn)向“從具象到具象”的探索實(shí)踐，也就是在應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬演算的同時(shí)，以實(shí)際而具象的建造規(guī)則作為演算出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)建筑，通過現(xiàn)實(shí)中的條件和限制避免抽象空洞的邏輯討論。在這方面的探索中，對(duì)建筑材料的創(chuàng)新應(yīng)用吸引了許多力圖解決這一問題的設(shè)計(jì)師。他們?cè)噲D將尋找新的建筑形態(tài)的工作和材料的物理特性連接起來，將材料本身的復(fù)雜性質(zhì)作為模擬演算和實(shí)驗(yàn)的第一步，讓材料代替計(jì)算機(jī)模型說話，從而讓新的建筑形態(tài)具有容易塑造、構(gòu)建方便、緊密連接自然等特點(diǎn)。

纖維織造：讓建筑設(shè)計(jì)自己

在這種探索中，德國建筑師阿基姆·曼格斯（Achim Menges）無疑是先行者之一。早在2006年，他和學(xué)生們已經(jīng)通過對(duì)薄木片沿著木紋熱脹冷縮特性的研究，發(fā)展出了一系列復(fù)雜曲面形成的裝置空間，這些裝置空間魚鱗狀的表面會(huì)根據(jù)溫度和濕度改變形態(tài)，應(yīng)用在建筑表皮上，則可以期待建筑外墻能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)環(huán)境情況。在木質(zhì)材料上取得成功后，為了更加可控的效果和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮?shù)考慮，曼格斯將自己的研究方向轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)絲狀纖維的探索。這些不同材料的纖維具有質(zhì)量輕、承受拉力強(qiáng)的特點(diǎn)，并且，絲狀纖維受力的方向總是沿著絲線行進(jìn)的方向，這樣的結(jié)構(gòu)在受力上十分高效。在2012年與斯圖加特大學(xué)的合作中，曼格斯從龍蝦鉗子外殼的微米結(jié)構(gòu)中找到靈感，使用了玻璃纖維和碳化纖維兩種材料，在臨時(shí)鋼骨架上純采用機(jī)器人技術(shù)編織出了一座半透明的亭子。亭子完成之后，鋼骨架被移出，輕便的亭子被整體移動(dòng)到場地上固定。雖然這座亭子看起來材料均一，事實(shí)上，纖維的厚度、層數(shù)、編織方向、相互交叉的次數(shù)等都以龍蝦的鉗子作為雛形經(jīng)過仔細(xì)研究，才得以保持最終成品在受力結(jié)構(gòu)上的整體性。

為了最大程度地研究輕質(zhì)纖維在建筑上的可能性，并且完善通過建筑材料進(jìn)行新型設(shè)計(jì)的方法，曼格斯與研究生們?cè)?013年將這種材料帶到了哈佛大學(xué)的設(shè)計(jì)課程中。在那里，學(xué)生們用手工模型的形式開始探索之前的數(shù)控機(jī)器人建造中沒有被觸及到的問題。在其中一個(gè)設(shè)計(jì)小組里，研究生汪雋和賴尊恒兩人致力于解決材料成型過程帶來的挑戰(zhàn)：當(dāng)數(shù)控機(jī)器人在鋼骨架上操作時(shí)，由于纖維是慢慢累積織成的，整體結(jié)構(gòu)事實(shí)上隨著時(shí)間的推移有微小形變；這些形變?cè)诠羌茏銐驈?qiáng)壯時(shí)可以忽略，但它們?cè)谑止げ僮鲿r(shí)被放大了。對(duì)于精確控制的數(shù)控建構(gòu)而言，這意味著誤差，但對(duì)他們的研究小組而言，重要的不是消除這些形變，而是利用和控制形變的過程，使得建筑來設(shè)計(jì)自身，找到最適合自己的受力形態(tài)。為了達(dá)到這種目的，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將原來建造過程中靜止的鋼筋骨架替換成可以沿著一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)的板材，這樣一來，在編織纖維的過程中建筑將根據(jù)材料受力隨時(shí)微調(diào)自身形態(tài)——建筑師不再追求確定的最終建筑形式，轉(zhuǎn)而控制建造過程讓建筑自發(fā)對(duì)材料和構(gòu)造過程進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)和形態(tài)的優(yōu)化。為了在設(shè)計(jì)時(shí)最大限度模擬實(shí)際建造過程，研究小組的二人采用了盡量大尺度的模型，而沒有相應(yīng)放大可動(dòng)骨架的厚度，這樣使得建筑微調(diào)形態(tài)的過程盡量表現(xiàn)完全。隨后模型整體被用樹脂硬化，以取出可動(dòng)的骨架并觀察建筑定型后與場地的關(guān)系。由于材料本身的物理性質(zhì)往往在計(jì)算上超過目前的軟件所及，這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在曼格斯看來能夠很好地對(duì)參數(shù)化建筑模型進(jìn)行測試和調(diào)整：要想模擬材料的行為，沒有什么比這種材料本身更好的計(jì)算工具了。

舊材料與新應(yīng)用

曼格斯并不是唯一在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究的知名設(shè)計(jì)師。扎哈·哈迪德事務(wù)所的合伙人，一向?qū)ⅰ皡?shù)化符號(hào)學(xué)”等理論語言掛在嘴邊進(jìn)行新穎形式創(chuàng)作的帕特里克·舒馬赫（Patrik Schumacher），也開始轉(zhuǎn)向類似的“從具象到具象”的設(shè)計(jì)方法，而織物纖維同樣在他的專注范圍內(nèi)。他在英國的AA建筑學(xué)院和哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院組織的研究團(tuán)隊(duì)將大量精力投入到對(duì)張拉結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)這兩種古老形式的重新開發(fā)中，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦H承受自重的情況下能夠高效地利用材料，非常適合大跨度的空間建設(shè)。在裝置藝術(shù)家馬克·弗內(nèi)（Marc Fornes）的組織下，材料測試更講究與電子模型的實(shí)時(shí)結(jié)合，各種材料性質(zhì)被第一時(shí)間數(shù)字化，幫助設(shè)計(jì)師在電腦模型中找到準(zhǔn)確的形體。由于數(shù)控機(jī)床等技術(shù)的普及，傳統(tǒng)材料可以創(chuàng)作出前人未及的形態(tài)，這就激發(fā)了研究人員使用新的材料測試對(duì)之前未涉及的找型方法進(jìn)行探索。在對(duì)一個(gè)復(fù)雜穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)測試中，設(shè)計(jì)小組的成員想要用可彎曲的輕質(zhì)木材表現(xiàn)一組屋頂承受自重情況下力的傳遞方式，進(jìn)而從這些圖案中尋找美感。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)軟件并不能輕松地找到最優(yōu)化的力傳遞路徑，因此，設(shè)計(jì)小組決定在小尺度的物理模型上用合適粗細(xì)的浸濕棉線來尋找答案。通過懸掛，浸濕的棉線團(tuán)簇開始自我組織，大致排出了力通過的最短路徑。為了使棉線反應(yīng)不同的木材材質(zhì)，研究小組還在水中加入控制劑量的粘合劑，以使棉線在定型前達(dá)到不同的硬度。這些數(shù)據(jù)隨后被匯總分類，輸入研究小組自行開發(fā)的代碼中進(jìn)行計(jì)算，以確定什么樣的參數(shù)組合產(chǎn)生的電腦模型最接近實(shí)際情況。在這個(gè)研究中，物理材料的測試避免了研究小組在參數(shù)化模型上花費(fèi)大量時(shí)間猜測和寫入并不需要的木材性質(zhì)，而只需要通過編制電腦模型中幾何形體的曲率和假設(shè)材料間的相互作用力就完成了對(duì)模型的簡化。

在業(yè)界，這些研究成果已經(jīng)開始了試點(diǎn)應(yīng)用，并且正在快速推廣，促使一部分中小型設(shè)計(jì)事務(wù)所向半研究的商業(yè)模式轉(zhuǎn)變，以搶先占據(jù)市場。DO|SU建筑事務(wù)所是注意到這種發(fā)展機(jī)會(huì)的公司之一。坐落于美國西海岸的這家事務(wù)所試圖利用當(dāng)?shù)爻渥愕年柟庾龀霾灰粯拥牟牧蠎?yīng)用：他們利用不同配比的合金形成雙層貼片，這些合金在不同的溫度下漲縮的比例不同，并且在80華氏度（約合攝氏27度）上下時(shí)兩層合金材料漲縮差異很大。因此，環(huán)境溫度在攝氏27度周圍變化時(shí)，雙層貼片就會(huì)向合金伸長較短的那一面彎曲。由于這種溫度在美國西海岸通過陽光照射就能輕易達(dá)到，DO|SU試圖制成能自動(dòng)根據(jù)環(huán)境調(diào)節(jié)通風(fēng)開口大小的金屬墻面，并將之應(yīng)用在建筑和裝置藝術(shù)上。DO|SU的材料工程師正致力于將這種變化做成可控的參數(shù)化模型進(jìn)行大規(guī)模數(shù)控生產(chǎn)。2011年底開始，DO|SU在位于洛杉磯的材料和應(yīng)用中心展出了他們?cè)O(shè)計(jì)的名為BLOOM的亭子，亭子的表面即可根據(jù)陽光被動(dòng)調(diào)節(jié)形態(tài)。

材料的創(chuàng)新應(yīng)用并不是十分前沿的話題，但是當(dāng)參數(shù)化模型為未來設(shè)計(jì)的形式提供參考，而數(shù)字建構(gòu)為它們的實(shí)現(xiàn)提供可能時(shí)，材料應(yīng)用便由于它與復(fù)雜現(xiàn)實(shí)間不可分割的聯(lián)系，顯示出它在未來建筑設(shè)計(jì)中獨(dú)特的一面。有理由相信，隨著數(shù)字建構(gòu)的普及，前所未有的建筑形態(tài)不斷涌現(xiàn)時(shí)，材料測試和應(yīng)用將成為保證建筑不成為純?cè)煨退囆g(shù)的重要依據(jù)。