數(shù)字化設(shè)計與建造技術(shù)在景觀中的應(yīng)用研究*

The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture

金云峰 楊玉鵬

JIN Yunfeng, YANG Yupeng

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數(shù)字化設(shè)計與建造技術(shù)在景觀中的應(yīng)用研究*

The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture

金云峰 楊玉鵬

JIN Yunfeng, YANG Yupeng

摘 要在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，設(shè)計領(lǐng)域中數(shù)字化及建造技術(shù)的應(yīng)用從僅關(guān)注數(shù)字概念設(shè)計發(fā)展到更加關(guān)注“從虛擬設(shè)計到實體建造”的完整過程。結(jié)合同濟大學(xué)數(shù)字建造技術(shù)的相關(guān)研究成果，探究了形態(tài)自生成技術(shù)、人機交互技術(shù)、環(huán)境性能分析技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)（CNC）以及傳統(tǒng)材料多維表達技術(shù)等數(shù)字化設(shè)計與建造技術(shù)在景觀實踐中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞風(fēng)景園林；數(shù)字景觀；數(shù)字設(shè)計；數(shù)字建造；技術(shù)方法

金云峰, 楊玉鵬. 數(shù)字化設(shè)計與建造技術(shù)在景觀中的應(yīng)用研究[J]. 西部人居環(huán)境學(xué)刊, 2016, 31(01): 95-100.

* 高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室自主與開放課題（2015KY06）；同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司重點項目研發(fā)基金

Abstract:With the rapid development of information technology, application of digital and fabrication technology in design develops from only focusing on the digital concept design to paying more attention to the "integrity of the process from virtual design to building entity". Based on the result of Tongji University digital fabrication technology research, this study explores the application of digital design and fabrication technology such as Autogenic Forms technology, Human-computer Interaction technology, Analysis of Environmental Performance technology, Computer Numerical Control Technology (CNC) and Traditional Materials Multi-dimensionality Expression technology in the practice of Landscape Architecture.

Keywords:Landscape Architecture; Digital Landscape Architecture; Digital Design; Digital Fabrication; Technical Method

1 從數(shù)字設(shè)計到數(shù)字建造

受到20世紀60年代以來的相對論、語言學(xué)、混沌理論、新幾何學(xué)、系統(tǒng)論、涌現(xiàn)理論影響，數(shù)字技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用由早期的計算機輔助建筑圖紙繪制逐漸向計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design）轉(zhuǎn)變。有關(guān)景觀的數(shù)字技術(shù)研究開始興起，研究初期主要關(guān)注宏觀景觀系統(tǒng)的數(shù)字化分析與模擬，研究角度側(cè)重于規(guī)劃設(shè)計過程的前期分析[1-3]；隨著GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）、參數(shù)化設(shè)計，運算生成設(shè)計，BIM （Building Information Model，建筑信息模型）等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展[4]，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在景觀中的應(yīng)用[5-7]，但研究多停留在概念設(shè)計階段，較少涉及數(shù)字化設(shè)計的實現(xiàn)手段。

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)一切實體性、物質(zhì)性的現(xiàn)象與代碼（Code）之間進行編碼、壓縮、傳輸、轉(zhuǎn)換的可能[8]。設(shè)計領(lǐng)域的數(shù)字化技術(shù)也開始從僅關(guān)注數(shù)字概念設(shè)計到更加關(guān)注“從計算機輔助虛擬設(shè)計到計算機輔助實體建造CAM（Computer Aided Manufacturing）”的完整過程[9]。借助三維打印機、數(shù)控機器人等輔助建造設(shè)備，設(shè)計師可以在短時間之內(nèi)完成更為復(fù)雜精準的空間建造，其真實的空間尺度以及快速的建造過程使得設(shè)計的推敲變得更為方便與直觀，從而大大提高設(shè)計的效率與質(zhì)量。因此，文章①以同濟大學(xué)數(shù)字設(shè)計與建造的相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)②，通過探究不同數(shù)字設(shè)計與建造技術(shù)在景觀中的應(yīng)用，為數(shù)字化技術(shù)與景觀設(shè)計實踐的有效結(jié)合提供有益思考。

2 同濟數(shù)字設(shè)計與建造技術(shù)

“數(shù)字模擬設(shè)計”是同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院學(xué)科重點發(fā)展方向之一，自2012年起，學(xué)院基于自身數(shù)字化平臺進行一系列數(shù)字化設(shè)計與建造研究。通過建設(shè)數(shù)字設(shè)計研究中心，引進與開發(fā)彩色三維打印機、激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)、五軸CNC數(shù)控機床、激光切割機以及高精度Kuka機械臂組成的機器人等先進的數(shù)控加工設(shè)備[2]，為數(shù)字化設(shè)計與建造研究創(chuàng)造了良好的硬件條件。同時，在與國內(nèi)外學(xué)校合作教學(xué)過程中，學(xué)院開展了數(shù)字設(shè)計與建造的研習(xí)班與工作營等學(xué)術(shù)活動。在教學(xué)與研究過程中注重對學(xué)生真實建造過程中邏輯性思維以及數(shù)字化建構(gòu)意識的培養(yǎng)，強調(diào)將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于從環(huán)境分析到虛擬信息轉(zhuǎn)譯進而到數(shù)控機器構(gòu)建的整個實踐過程。

有關(guān)景觀的數(shù)字設(shè)計與建造中，依據(jù)“綜合運用，有效實踐”的教學(xué)思想[10]，將仿生學(xué)、互動性數(shù)字設(shè)計、適應(yīng)性環(huán)境科學(xué)、機械設(shè)計與制造以及材料學(xué)等跨專業(yè)的學(xué)科知識創(chuàng)造性地融入到數(shù)字化設(shè)計與建造過程中，初步形成了基于形態(tài)自生成技術(shù)、人機交互技術(shù)、環(huán)境性能分析技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)（CNC）以及傳統(tǒng)材料多維表達技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計與建造方法。

2.1 基于形態(tài)自生成技術(shù)的數(shù)字建造

仿生學(xué)屬于生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的邊緣學(xué)科。一些關(guān)于植物和動物在幾百萬年進化過程中形成的應(yīng)對外界復(fù)雜條件的“自我組織”、“自我生長”功能，實際上是超越了人類自身在此方面的技術(shù)設(shè)計方案。而基于形態(tài)自生成技術(shù)的數(shù)字化建構(gòu)，正是通過分析生物過程和結(jié)構(gòu)規(guī)律，以此為設(shè)計原型通過數(shù)字技術(shù)進行模擬與建構(gòu)[11]。

“天棚與景觀”空間裝置作為“數(shù)字花園”這一教學(xué)實驗?zāi)Ｐ偷囊徊糠?，在上海當代藝術(shù)館中構(gòu)建與展出。其通過對自然界中蜘蛛網(wǎng)以及其他膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)成邏輯進行研究，進而探索在極小曲面邏輯中重新分配肥皂泡和蜘蛛網(wǎng)所表現(xiàn)出的效能來進行景觀建造的可能性[12]（圖1）。在確定織物材料與白色塑料材料的前提下，通過數(shù)字化建模與構(gòu)建營造出其頂部天棚結(jié)構(gòu)以及底部石筍景觀（圖2）。

圖1　“天棚與景觀”構(gòu)件分析與邏輯推演過程Fig.1 “ceiling and landscape” component analysis and logical deduction process

圖2　“天棚與景觀”建成實景Fig.2 “ceiling and landscape”

圖3　蠶絲單元構(gòu)建Fig.3 silk unit construction

“蠶絲混凝土”亭則通過對蠶繭微觀空間結(jié)構(gòu)構(gòu)成規(guī)律以及宏觀表皮生成特點的模仿，使用液態(tài)加熱的塑料材料在Kuka機械臂的協(xié)助下，自主構(gòu)建蠶絲單元（圖3），最終構(gòu)建了一個以人體為尺度蠶繭拱形結(jié)構(gòu)（圖4）。

圖4　“蠶絲混凝土”建成實景Fig.4 real built of “silk concrete”

2.2 基于人機交互技術(shù)的數(shù)字建造

數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展正在突破傳統(tǒng)的靜態(tài)景觀設(shè)計與建造的限制，通過對景觀環(huán)境的分析以及使用者行為的研究，可以實現(xiàn)人與景觀空間的互動。基于人機交互技術(shù)的數(shù)字建造，首先確定互動系統(tǒng)的主體控制器（初級控制器以Arduino硬件平臺為主），進而選定傳感器（Sensors）和效應(yīng)器（Effectors），通過傳感器將外界物理條件按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號以便控制器控制輸出，進而實現(xiàn)互動功能。

“機械花園”受到“涌現(xiàn)理論”的啟發(fā)，對簡單的個體金屬花朵進行設(shè)計，通過個體的組合營造整體花園的變化形態(tài)，最終產(chǎn)生可以與觀賞者互動的模擬自然界花開花落的景象（圖5）。在花朵個體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“機械花園”采用被動柔性結(jié)構(gòu)依附于主動機械的結(jié)構(gòu)的構(gòu)件組合方式，通過主動機械機構(gòu)的形態(tài)變化壓彎被動結(jié)構(gòu)構(gòu)件，進而帶動柔性金屬花瓣的形態(tài)變化，實現(xiàn)花朵的開合。“數(shù)字花園”為了實現(xiàn)花園與參觀者的互動，設(shè)計以Arduino控制器作為花園裝置的“大腦”，數(shù)字編采用了開源代碼的編寫方式，這樣設(shè)計的工具包在保證花園能夠與體驗者互動的同時，也能夠根據(jù)環(huán)境變化產(chǎn)生新的響應(yīng)方式，從而適應(yīng)觀賞者的多種行為方式，實現(xiàn)“數(shù)字花園”的自我學(xué)習(xí)與互動[13]。

圖5　“機械花園”與觀賞者互動實景Fig.5 “mechanical garden” and the viewer interaction

“力之動態(tài)”的空間構(gòu)筑則探索了使用者行為與構(gòu)筑物本身力學(xué)結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系之間進行互動的可能性。裝置運動的基礎(chǔ)是每一個構(gòu)件單元旁邊設(shè)置的感應(yīng)器，通過對互動行為的數(shù)字編程，感應(yīng)器接收到互動行為發(fā)生的信號時會產(chǎn)生不同的電流變化，進而加熱連接構(gòu)件的金屬彈簧，金屬彈簧遇熱產(chǎn)生長度變化進而實現(xiàn)裝置整體形變。在每根桿件內(nèi)部裝入LED燈具，當形變發(fā)生時電腦控制中心的Arduino控制器便能感知到每根桿件的壓力數(shù)據(jù)，從而控制構(gòu)建單元LED的亮度變化，進而實現(xiàn)整體裝置形態(tài)與亮度的互動變化[13]（圖6）。

圖6　“力之動態(tài)”與研究者互動實景Fig.6 “dynamic of force” interaction with the researchers

2.3 基于環(huán)境性能分析技術(shù)的數(shù)字建造

人體所能感受到的最直接的外部景觀性能指標來源于周邊環(huán)境的各項影響因子。基于環(huán)境性能分析技術(shù)進行的數(shù)字建造中將環(huán)境因素作為數(shù)字設(shè)計參數(shù)，將環(huán)境因素轉(zhuǎn)化成計算機語言，同時綜合考慮各種因素的影響程度，進而建立數(shù)字化景觀形體與環(huán)境因素之間的邏輯關(guān)系，從而形成以回應(yīng)周邊環(huán)境為設(shè)計目的的數(shù)字化建造。

“數(shù)字花朵”是對環(huán)境性能的空間景觀建構(gòu)探索。通過數(shù)學(xué)運算與幾何生成在多維空間的迭代中將數(shù)學(xué)的美融入到了花朵的形態(tài)中[3]。通過分析環(huán)境周邊遮陽、通風(fēng)等環(huán)境因素，設(shè)計將其作為影響因子進行數(shù)字化設(shè)計的轉(zhuǎn)譯，利用計算機建立數(shù)字花朵的空間美學(xué)特征與環(huán)境影響因子之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系（圖7）。通過對數(shù)字花朵的數(shù)字建模與實際建造，最終將數(shù)字美學(xué)、性能化形式、多維度空間、抽象的自然等多種理念呈現(xiàn)出來（圖8）。

圖7　“數(shù)字花朵”生成推演Fig.7 “digital flowers” generate deduction

圖8　“數(shù)字花朵”建成實景Fig.8 real built of “digital flowers”

“復(fù)合生態(tài)屋”則是通過室外生態(tài)建筑的營建，探討環(huán)境因素影響下通過數(shù)字化方法進行環(huán)境性能設(shè)計的可行性[14]。其西立面的表皮設(shè)計就是一個用環(huán)境性能驅(qū)動的算法生成設(shè)計的典型應(yīng)用。使用環(huán)境性能分析的軟件對西立面的風(fēng)壓進行分析，得到各個位置的風(fēng)壓數(shù)據(jù)表，在表皮的細分之后對于每個節(jié)點的風(fēng)壓進行參數(shù)化的轉(zhuǎn)譯，最后優(yōu)化得到三種模制的菱形單元景觀構(gòu)件（圖9-10）。

圖9　“復(fù)合生態(tài)屋”構(gòu)件單元變化Fig.9 changes of “compound ecological house” component unit

圖10　“復(fù)合生態(tài)屋”西立面Fig.10 “compound ecological house” west facade

2.4 基于數(shù)控加工技術(shù)（CNC）的數(shù)字建造

數(shù)控加工技術(shù)（Computer Numerical Control, CNC）最早在機械設(shè)計與制造領(lǐng)域出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用，其核心工作原理為賦予傳統(tǒng)加工機床一個大腦，使機床變得越來越“聰明”[15]，而數(shù)控加工技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計相結(jié)合則能夠為參數(shù)化建構(gòu)過程中“建造”階段提供平臺?；跀?shù)控加工技術(shù)的數(shù)字化建構(gòu)在設(shè)計之初就以數(shù)控加工的思路作為切入點，通過斷面（Sectioning）、嵌片（Tessellating）、折疊（Folding）、等高成形（Contouring）、發(fā)泡（Forming）等多種方法，在相應(yīng)數(shù)控設(shè)備上實現(xiàn)建造成型。

“集群建造”是一個使用機器人協(xié)同技術(shù)彎折金屬管并組裝成的3m高的室外景觀展亭（圖11）。320根鋁管通過集群算法生成不同的空間結(jié)構(gòu)，使用兩臺KUKA機器人和RoboTeam創(chuàng)建每根鋁管的非重復(fù)結(jié)構(gòu)單元（圖12）。機器人通過KuKaPRC在Rhino/ grasshopper環(huán)境下進行編程，參數(shù)標識系統(tǒng)準確的確定每根鋁管在設(shè)計整體中的位置，這種智能化協(xié)同建造保證了整個復(fù)雜結(jié)構(gòu)能在短時間內(nèi)實現(xiàn)。

圖11　“集群建造”建成實景Fig.11 real built of the “cluster building”

圖12　“集群建造”鋁管單元機器人加工Fig.12 “cluster building” aluminum tube processing unit

“數(shù)字彎折”則是一組采用數(shù)控加工技術(shù)建造的曲面景觀坐具。設(shè)計以空間弧線為原型，通過空間向量的調(diào)整形成三維圓弧，三維圓弧按照一定的規(guī)則形成空間單元，進而對空間進行拓撲組合，以滿足不同的城市環(huán)境空間需求，從而探討在特定環(huán)境中人與景觀環(huán)境的關(guān)系。在數(shù)字建造中，空間單元采用Bi-Arc的方法在數(shù)控彎管機上彎折鋼管生成空間曲線（圖13），通過相對簡潔的對空間自由曲線的模擬，各節(jié)點銜接進行自然平滑過度，形成一定的幾何美感（圖14）。同時，相比隨意的自由曲線，圓弧曲線的生產(chǎn)制造更加方便，可以適應(yīng)工業(yè)化社會的批量生產(chǎn)。

圖13　“數(shù)字彎折”圓弧單元彎折流程Fig.13 “digital bending” unit circular arc bending process

圖14　“數(shù)字彎折”建成實景Fig.14 real built of the “digital bending”

通過數(shù)字設(shè)計的創(chuàng)新，數(shù)字化建造技術(shù)已經(jīng)在材料科技上迅速提升了傳統(tǒng)材料進行異形建構(gòu)的可能性?！皺C器人木構(gòu)曲廊”探討了數(shù)字化預(yù)制技術(shù)以及機械臂輔助構(gòu)筑物精確空間建造的方法。設(shè)計以木材作為建構(gòu)材料，通過數(shù)字化的預(yù)制以及機械臂的精準組裝來探索復(fù)雜的幾何木結(jié)構(gòu)形式（圖15-16）。

圖15　“機器人木構(gòu)曲廊”建構(gòu)流程示意Fig.15 “robot wooden curved corridors” construction process

圖16　“機器人木構(gòu)曲廊”建成實景Fig.16 real built of the “robot wooden curved corridors”

2.5 基于傳統(tǒng)材料多維表達技術(shù)的數(shù)字建造

材料的物理屬性是三維的，而通過疊加、堆壘等方法可以使平常被看作是平面的板材達到結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定，形成一種全新的多維材料。基于傳統(tǒng)材料多維表達技術(shù)的數(shù)字建造就是將“磚”、“木”、“竹”等傳統(tǒng)材料換成“預(yù)制材料系統(tǒng)”，并將“功能”與“性能”融入其中，通過設(shè)計一個數(shù)字工具包系統(tǒng)來預(yù)測材料的表現(xiàn)和組織方式，從而形成一種新的建構(gòu)設(shè)計方法。

“竹編景墻”是以竹片作材料構(gòu)建的空間多維構(gòu)筑物，通過研究傳統(tǒng)技藝中的編織手法，進行數(shù)字編程與演繹，獲得一個個變化的預(yù)制材料單體，最終通過材料單體的組合形成一個完整的竹制構(gòu)筑物（圖17）。而“機器人陶土打印”則通過對聲學(xué)性能的模擬進行數(shù)字化幾何生形，利用陶土自身易于塑造的材料特性，進而應(yīng)用機器人陶土打印的技術(shù)模擬傳統(tǒng)陶罐工藝，最終打印建構(gòu)出近4m高的具有連續(xù)變化空腔的聲學(xué)立柱（圖18）。

圖17　“竹編景墻”建成實景Fig.17 real built of the “bamboo weaving scene wall”

圖18　“機器人陶土打印”建造過程Fig.18 “robot clay print” building process

3 結(jié) 語

在信息化迅猛發(fā)展的今天，數(shù)字化技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用早已超出了數(shù)字化工具輔助繪圖的初級階段。隨著參數(shù)化設(shè)計、數(shù)字分析與生成技術(shù)、BIM技術(shù)在設(shè)計中的普及，數(shù)字化技術(shù)中蘊含的復(fù)雜性化、關(guān)聯(lián)化的設(shè)計思路與思維邏輯已經(jīng)開始深入人心。而隨著先進的數(shù)控建造設(shè)備的研發(fā)以及跨學(xué)科技術(shù)知識的應(yīng)用，這種數(shù)字化的思維方式必將推動設(shè)計思路由僅關(guān)注數(shù)字設(shè)計向同時關(guān)注數(shù)字設(shè)計與建造的完整建構(gòu)過程發(fā)展。

景觀的數(shù)字設(shè)計與建造，通過對環(huán)境信息的分析與解讀，將形態(tài)自生成技術(shù)、人機交互技術(shù)、環(huán)境性能分析技術(shù)、數(shù)控加工（CNC）以及傳統(tǒng)材料多維表達技術(shù)等應(yīng)用到整個建構(gòu)過程中，從而形成回應(yīng)周邊環(huán)境的全新景觀形式。數(shù)字建造技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索階段。本文所闡釋的景觀中數(shù)字設(shè)計與建造方法是在對同濟大學(xué)已有的數(shù)字化建造實踐認識基礎(chǔ)上提出的，構(gòu)建對象大多集中于環(huán)境小品與構(gòu)筑物，對于整體景觀環(huán)境的數(shù)字化設(shè)計與建造技術(shù)方法有待進一步探究。

注釋：

① 本文曾在中國第二屆數(shù)字景觀國際論壇做交流。

② 本文案例主要選自“同濟大學(xué)高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室”和“同濟大學(xué)國家級建筑規(guī)劃景觀實驗教學(xué)中心”。

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圖片來源：

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圖3-4、11、1-17：作者拍攝

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（編輯：申鈺文）

收稿日期：2015-08-05

作者簡介金云峰： 同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，jinyf79@163.com楊玉鵬： 同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，碩士研究生

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160116

文 章 編 號2095-6304(2016)01-0095-06

文獻標識碼B

中圖分類號TU986