數(shù)字時代的建構(gòu)策略
——非線性表皮的結(jié)構(gòu)化設(shè)計

袁朝暉，韋帛邑

1 引言

受限于建造工藝和認(rèn)知水平等因素，建筑誕生后的漫長時間內(nèi)，其形式和結(jié)構(gòu)往往是混沌不分的，“表皮”也多扮演裝飾角色。森佩爾（Gottfried Semper）于1851 年出版的《建筑四要素》（Die vier Elemente der Baukunst）一書中將原始住宅分作火塘、屋頂、圍護(hù)及土方，編織所得的圍欄或掛毯被視作表皮的原初形式[1]，自此在意識層面拉開了表皮獨立的序幕。工業(yè)革命掀起的技術(shù)浪潮很快席卷了建筑界，鋼、玻璃、鋼筋混凝土等新式建材重新定義了建筑的承重和圍護(hù)構(gòu)件，建筑和結(jié)構(gòu)的學(xué)科分化則像一針催化劑，從建造角度將表皮獨立和自治運(yùn)動推向了高潮。20 世紀(jì)，隨著混沌、分形等科學(xué)概念被發(fā)現(xiàn)，人類對自然規(guī)律的認(rèn)識不再滿足于簡化的近似解，眾多的非線性現(xiàn)象喚醒了人們意識深處的自然情懷，哲學(xué)家吉爾·德勒茲（Gilles Deleuze）提出的褶子、游牧等理論被視作非線性建筑“圣經(jīng)”[2]；計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力為求解復(fù)雜性科學(xué)問題提供了技術(shù)支持，現(xiàn)如今，建筑對計算機(jī)的運(yùn)用也由簡單的輔助制圖逐漸演變?yōu)橹悄茉O(shè)計，建筑從思想和技術(shù)層面都正式步入了非線性時代。

建筑表皮的高獨立性使之形式不再處處受限，其非線性化作為數(shù)字技術(shù)蓬勃發(fā)展的時代特色，讓建筑師豐富的想象力有了用武之地；然而，因為部分設(shè)計者的盲目獵奇或濫用數(shù)字技術(shù)，枉顧形式和結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，打著數(shù)字化旗號而追求形式主義，因此造成的空間及資源浪費廣受詬病，致使非線性建筑作品良莠不齊。

為應(yīng)對上述問題，以結(jié)構(gòu)理性為核心的建構(gòu)主義回歸大眾視野，該理念的先驅(qū)可追溯至克勞德·佩羅（Claude Perrault）、維奧萊-勒迪克（Viollet-leduc）等人，彼時的“建構(gòu)”為了緩解建筑和結(jié)構(gòu)分化而提出，此時則是為了彌合形式和結(jié)構(gòu)差異而存在。建構(gòu)主義在規(guī)整幾何的建筑作品早已驗證其科學(xué)性，如奧古斯特·佩雷（Auguste Perret）的富蘭克林大街25 號公寓、奧山信一（Okuyama Shinichi）和竹內(nèi)徹 （Takeuchi Toru）合作的東工大綠丘6 號館等；如今的先鋒建筑團(tuán)隊亦證明其在非線性建筑上同樣適用，如伊東豐雄的臺中歌劇院、FOA 的橫濱客運(yùn)碼頭等，通過主動結(jié)合建筑表皮形式和結(jié)構(gòu)特性，賦予非線性表皮以結(jié)構(gòu)意義和豐富內(nèi)涵。

2 表皮、非線性、非線性結(jié)構(gòu)表皮

2.1 表皮發(fā)展

回溯建筑發(fā)展史，表皮形式特點和構(gòu)造手法歷經(jīng)多次變更，衍生了各式各樣的風(fēng)格流派，其影響因素也是多元的，諸如工藝技術(shù)、地理人文、審美派別等[3]，如表1 所示。

表皮作為設(shè)計者與觀者最直接的交流媒介，亦是傳遞設(shè)計理念的重要載體，其形式特點幾經(jīng)變革，以往的表皮設(shè)計因受建造技術(shù)制約而淪為結(jié)構(gòu)附庸，在技術(shù)全面解放的當(dāng)代，卻又在部分設(shè)計者表演式的創(chuàng)作中走向了空洞、浮夸的極端，如何更好地平衡形式與結(jié)構(gòu)就變成了亟待解決的問題。

2.2 非線性的崛起與困境

計算機(jī)的崛起催生了數(shù)字時代并迅速席卷了各領(lǐng)域，在建筑上的運(yùn)用也由輔助制圖擴(kuò)展至智能設(shè)計，憑借計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字和圖形處理能力，設(shè)計和建造方式變得新穎且多元，非線性建筑的普及既是建筑在數(shù)字化背景下的時代特色，也是對建筑形式的探索和補(bǔ)充，但此番革新也伴隨了諸多疑難，筆者將其總結(jié)為圖 1。

2.3 建筑和結(jié)構(gòu)的分離與結(jié)合

建筑與結(jié)構(gòu)作為建筑項目中的兩大主體，二者關(guān)系反映到建筑思想及作品上表現(xiàn)為“……融合——脫離——融合……”的歷史循環(huán)，該過程呈螺旋上升狀，如圖 2 所示。

循環(huán)往復(fù)的發(fā)展軌跡因技術(shù)提速而在縱向時間上被壓縮了，建筑形式與結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系也趨于動態(tài)平衡，由非此即彼的極端傾向轉(zhuǎn)化為曖昧的中間態(tài)。

2.4 非線性結(jié)構(gòu)表皮

人們習(xí)慣將梁柱、斜撐等構(gòu)件當(dāng)做支撐建筑的“結(jié)構(gòu)”，且因受力學(xué)制約而被視為純粹的技術(shù)性內(nèi)容，以受力及材料性能為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計限定了結(jié)構(gòu)形態(tài)與確定“型式”的對應(yīng)關(guān)系，使結(jié)構(gòu)與形態(tài)創(chuàng)新相絕緣，淪為了追求性能最優(yōu)解的技術(shù)產(chǎn)物[4]；日漸商品化的建筑，其形式時常受利益驅(qū)使或大眾審美左右，盲目追求形式所引發(fā)的美學(xué)亂象使表皮缺乏與其相符的內(nèi)涵，華麗面具背后只是乏味的結(jié)構(gòu)堆砌。

結(jié)構(gòu)性表皮指結(jié)構(gòu)因素對建筑表皮形態(tài)起關(guān)鍵作用，且表皮除傳遞視覺信息和圍護(hù)外還具備支撐功能，承擔(dān)了建筑全部或大部分荷載[5]。結(jié)構(gòu)性表皮通過主動結(jié)合建筑形式及其結(jié)構(gòu)來巧妙、統(tǒng)一應(yīng)對了二者困境，是表皮結(jié)構(gòu)性能由被動呈現(xiàn)向轉(zhuǎn)為主動的積極嘗試，非線性結(jié)構(gòu)表皮繼而擴(kuò)大了其概念范疇，指使外形呈非線性特征的表皮繼承上述結(jié)構(gòu)功能，扮演了建筑表皮及主要結(jié)構(gòu)體的雙重角色。因兼任表皮而異化形態(tài)的結(jié)構(gòu)擺脫了支撐限定，得以和外界進(jìn)行更豐富的交流。

表1 表皮發(fā)展（繪制：韋帛邑，根據(jù)《建筑表皮設(shè)計文獻(xiàn)綜述》整理）

建筑和結(jié)構(gòu)從業(yè)者的關(guān)系被鮑姆·貝格爾（Baum Berger）大致分為：建筑師或工程師的獨白、彼此對話、自言[6]，非線性結(jié)構(gòu)表皮要求設(shè)計者具備極高的專業(yè)素養(yǎng)和全面的知識儲備，故常為后兩種關(guān)系。“自言”指設(shè)計者具備建筑及結(jié)構(gòu)兩種教育背景，如塞西爾·巴爾蒙德（Cecil Balmond）、圣地亞哥·卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava），前者致力于在設(shè)計中探索新式結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)形態(tài)創(chuàng)新，著作有《異規(guī)》（Informal）、《Element》等；后者以結(jié)構(gòu)邏輯出發(fā)展現(xiàn)新式形態(tài)美學(xué)，代表作有世貿(mào)中心中轉(zhuǎn)站、雅典奧運(yùn)主場館等?！氨舜藢υ挕敝附ㄖ熀徒Y(jié)構(gòu)工程師通過協(xié)作、博弈以不斷迭代并優(yōu)化設(shè)計方案，形態(tài)和結(jié)構(gòu)彼此約束并互為佐證，確保建筑作品兼具形態(tài)美學(xué)和結(jié)構(gòu)邏輯，如伊東豐雄（Ito Toyo）和巴爾蒙德合作設(shè)計的臺中歌劇院（圖 3），以極小曲面為理念構(gòu)建了多片連續(xù)鋼筋混凝土曲墻，打造了類生命體的“聲音涵洞”；東京表參道Tod's 大樓（圖 4）亦由伊東豐雄及其結(jié)構(gòu)團(tuán)隊共同商定，各向交錯的樹狀鋼筋混凝土外框兼任建筑表皮和結(jié)構(gòu)體，局部及整體所展現(xiàn)的自相似性和重復(fù)特征可用“分形”理論進(jìn)行闡述。

1 非線性的動因與局限性（繪制：韋帛邑）

建筑表皮結(jié)構(gòu)化具備諸多優(yōu)勢，一是使內(nèi)部功能布局更加靈活自由；二是賦予建筑形式以力學(xué)內(nèi)涵；三是其技術(shù)特點要求建筑師和結(jié)構(gòu)工程師協(xié)同合作，以“結(jié)構(gòu)前置”來調(diào)動工程師的設(shè)計熱情，通過及時反饋來不斷修正、優(yōu)化設(shè)計方案。

3 非線性結(jié)構(gòu)表皮的相關(guān)技術(shù)

建筑形態(tài)非線性化是不可逆的時代趨勢，如何協(xié)調(diào)形式與結(jié)構(gòu)變得尤為重要，從小型藝術(shù)裝置到大型城市共建，諸多實例已論證了非線性建構(gòu)的可行性。曾供職于扎哈·哈迪德事務(wù)所的馬克·福尼斯（Marc Fornes），由其領(lǐng)導(dǎo)的THEVERYMANY工作室憑借自主研發(fā)的“結(jié)構(gòu)條帶”技術(shù)，根據(jù)如建材曲率、寬厚等多因素博弈來選擇最佳擬合方案，建造了超薄、高性能的雙曲面自支撐結(jié)構(gòu)，如哈薩克斯坦阿斯塔納世博會的Minima/Maxima 裝置（圖 5）；雷姆·庫哈斯（Rem Koolhaas）設(shè)計的CCTV 總部大樓（圖 6）的表皮由斜向鋼構(gòu)網(wǎng)架及填充其間的明框玻璃組成，裸露在外且疏密不均的菱形網(wǎng)格作為結(jié)構(gòu)直觀反映了建筑非線性的受力情況，又作為表皮呈現(xiàn)出編織美感[7]。非線性結(jié)構(gòu)表皮通過主動結(jié)合建筑形式與結(jié)構(gòu)功能以追求二者的動態(tài)平衡，為開辟設(shè)計新領(lǐng)域提供了突破點。

3.1 基于力學(xué)原理的找形方法

非線性結(jié)構(gòu)表皮的傳力體系由規(guī)整的笛卡爾變成了復(fù)雜的非線性，無法用經(jīng)典幾何工具得到力流分析結(jié)果，需要在建筑找形階段就將結(jié)構(gòu)作為重要因素，甚至是設(shè)計基點。

3.1.1 物理模型法

物理模型法是指借助小比例的三維物理模型，通過限定荷載重量和邊界條件，可在不需精確結(jié)構(gòu)計算的情況下模擬建筑尺度的結(jié)構(gòu)性能特征。

安東尼奧·高迪（Antonio Gaudi）所設(shè)計的古埃爾教堂，通過在1:10 的鏈條模型上掛滿負(fù)荷布袋來模擬墻柱交接，繪制并翻轉(zhuǎn)鏈條因負(fù)重所呈現(xiàn)的彎曲狀即得到穹頂結(jié)構(gòu)圖，反映了門、頂?shù)膽益湽敖嵌?；海因茨·伊斯勒（Heinz Isler）在織物表面涂滿液態(tài)石膏并懸垂晾干，待石膏硬化后再反過來即可得到擬定殼體，對模型測繪點位坐標(biāo)并等比放大即可指導(dǎo)足尺的混凝土殼體施工；弗雷·奧托（Frei Otto）將封閉邊界的線框浸入肥皂液中，肥皂泡在張力作用下通過延展使各向受力均等且最小，此時皂液膜表面積是等體積下的最小值，即此三維空間所對應(yīng)的“極小曲面”。

物理模型法在前數(shù)字時代就已指導(dǎo)了大量優(yōu)秀的建構(gòu)作品，如今在計算機(jī)輔助下更是便于對其力學(xué)原理進(jìn)行科學(xué)模擬，依舊是建筑找形的有力工具。

2 建筑與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性的發(fā)展（繪制：韋帛邑，文字根據(jù)《建構(gòu)的歷程——建筑與結(jié)構(gòu)的分歧與融合》整理）

3 臺中歌劇院鋼筋混凝土曲墻（圖片來源：參考文獻(xiàn)[16]）

4 東京表參道Tod's大樓配筋圖（圖片來源：參考文獻(xiàn)[17]）

3.1.2 有限元法與漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

有限元法指將連續(xù)求解域劃分為一組計算單元，在各單元內(nèi)通過近似函數(shù)來分片表示求解域上的未知函數(shù)，將連續(xù)、無限的問題離散并有限化，并通過提高離散程度來接近真實結(jié)果。有限元法雖然計算精度高、適用性強(qiáng)，但由于數(shù)值抽象、復(fù)雜的特點而不便對建筑進(jìn)行直接找形，而多用于設(shè)計中后期的結(jié)構(gòu)論證。

由謝億民及其團(tuán)隊研發(fā)的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（Evolutionary Structural Optimisation, ESO）是基于有限元法的拓?fù)鋬?yōu)化算法，通過優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)與形式的拓?fù)潢P(guān)系，使有限元法不僅可以分析結(jié)構(gòu)，還能從結(jié)構(gòu)體系中消除低效材料而逐漸得到最優(yōu)形態(tài)，改良后的雙向漸進(jìn)優(yōu)化法（BESO）以“用進(jìn)廢退”為綱領(lǐng)，根據(jù)材料受力合理調(diào)配材料在低效區(qū)和高效區(qū)的分布，通過刪除或增加使優(yōu)化更加可靠、快捷，該團(tuán)隊與馬克·貝瑞（Mark Burry）用此方法協(xié)作模擬了圣家族大教堂受難門的找形[8]。

5 Minima/Maxima（圖片來源：https://www.gooood.cn/minima-maxima-by-marc-fornes-theverymany.htm）

通過整合漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法和有限元分析工具，得以將結(jié)構(gòu)難題簡化為形式操作，降低了建筑師對其的使用門檻。

3.1.3 解析法

解析法是指基于解析方程而提出的力學(xué)找形方法，根據(jù)原理主要分為以下3 種[9]：

力密度法（Force Density Method, FDM）主要用于膜或索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形，由林克維茨（Linkwitz）和斯科克（Schek）提出，首先將預(yù)設(shè)索網(wǎng)及相似結(jié)構(gòu)拆分為多條索段及節(jié)點，邊界和中間節(jié)點分別對應(yīng)約束點和索段通過點，通過給節(jié)點間索段設(shè)定力密度數(shù)值并求解對應(yīng)節(jié)點的平衡方程，得到各節(jié)點的空間坐標(biāo)后連接即可，另可通過調(diào)整索段力密度、替換邊界約束條件、修改連接規(guī)則和序列等方式變更索網(wǎng)形式[10]。

動力松弛法（Dynamic Relaxation Method, DRM）由戴（Day）和奧特（Otter）針對潮汐現(xiàn)象提出，后由巴恩斯（Barnes）發(fā)展并運(yùn)用到索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用動力學(xué)理論將靜力問題動態(tài)化，用于求解非線性系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。首先將結(jié)構(gòu)離散為網(wǎng)格并選取采樣點，給采樣點設(shè)定初始的不平衡力，跟蹤其振動過程并記錄最終由于阻尼效應(yīng)而耗盡能量所得的平衡態(tài)，可得到確定拓?fù)潢P(guān)系和邊界條件的平衡曲面[10]。

6 CCTV總部大樓（攝影：韋帛邑）

推力線網(wǎng)絡(luò)分析法（Thrust Network Analysis, TNA）由菲利普·布洛克（Philippe Block）及其團(tuán)隊研發(fā)，是以圖解靜力學(xué)為理論基礎(chǔ)的拱殼結(jié)構(gòu)找形方法[11]。圖解靜力學(xué)（graphic statics）理論誕生于19 世紀(jì)中后期，其形力關(guān)系有別于一般的數(shù)值表達(dá)，而是在“形圖解”與“力圖解”間建立交互：形圖解代表荷載及力的幾何形狀，表示網(wǎng)絡(luò)中水平推力的流動方向；力圖解表示結(jié)構(gòu)中內(nèi)外力的整體或局部平衡態(tài)，線段長度表示其數(shù)值。圖解靜力學(xué)整合了建筑師和結(jié)構(gòu)工程師迥異的圖形和數(shù)值思維，讓復(fù)雜嚴(yán)密的力學(xué)計算在建筑師眼中變得通俗易懂[12]。推力線網(wǎng)絡(luò)分析法先將三維拱殼結(jié)構(gòu)投影至二維平面，并在垂直方向?qū)ΧS網(wǎng)格添加荷載使其三維化，通過調(diào)整形圖解來創(chuàng)建邊界條件，或改變力圖解來調(diào)整拱殼的內(nèi)力分布，實現(xiàn)互動找形和動態(tài)優(yōu)化。計算機(jī)三維虛擬模型使圖解靜力學(xué)的雙向交互機(jī)制效能最大化，使建筑師得以綜合調(diào)控形和力，明確且直接地獲取優(yōu)化形式，而不是模糊、低效地重復(fù)迭代[11]。

3.2 基于學(xué)科交叉的找形方法

3.2.1 仿生學(xué)

7 自由形態(tài)網(wǎng)殼（圖片來源：參考文獻(xiàn)[13]）

8 國家植物博物館（圖片來源：https://www.archdaily.c n/ cn/937826/qing-hua-jian-zhu-she-ji-yuan-guo-jia-zhi-wu-bo- wu-guan-fang-an-gong-bu-shui-rong-hua-zhan-kai/5e982b4a b3576547dd0007ec-thad-and-sutherland-hussey-harris-design-the-national-botanical-museum-in-kunming-china-image）

9 印度磚拱學(xué)校圖書館（圖片來源：http://www.360doc.com/content/19/0406/09/62487510_826740897.shtml）

10 無縫椅子（圖片來源：https://m.wang1314.com/doc/webapp/topic/975765.html）

11 抓握機(jī)器人

12 真空機(jī)器人 （11.12圖片來源：http://www.ttcad.com/news/sDp/6308.html）

13 6D機(jī)器人（圖片來源：http://www.eepw.com.cn/article/269482.htm）

物競天擇、適者生存是達(dá)爾文進(jìn)化論的核心觀點，仿生即分析生物系統(tǒng)歷經(jīng)篩選所保留的優(yōu)異性能并加以利用，除直接模擬生物功能外還包括臨摹其行為，如編織作為人類效仿鳥類筑巢而最早掌握的材料加工方式，指導(dǎo)人們生產(chǎn)了柵欄、掛毯等形力兼?zhèn)涞脑冀ㄖ砥?。清華大學(xué)的黃蔚欣教授及其團(tuán)隊以連續(xù)彈性桿件組建編織系統(tǒng)，利用其抗彎性構(gòu)建了自由形態(tài)網(wǎng)殼 （圖 7）[13]，桿件在擠壓、拉扯、反彈等作用下逐漸消除各點突變曲率，使彎矩系統(tǒng)受力及形態(tài)達(dá)到動態(tài)平衡[14]，桿件網(wǎng)殼還可用作混凝土殼體的施工模板。由清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院和薩澤蘭-弗塞規(guī)劃建筑事務(wù)所（Sutherland Hussey Harris）合作的中國國家植物博物館（圖 8），其“水絨花”的流動形態(tài)與場地山勢高度貼合，為保證室內(nèi)視線通暢、布展靈活和空間自由，屋頂采用了大跨度木質(zhì)網(wǎng)殼編織結(jié)構(gòu)，交錯的木架隱喻著葉脈或花瓣紋路，自由延伸并于特定位置轉(zhuǎn)化為束柱落地，兼具結(jié)構(gòu)理性和形式美感，相似實例有坂茂的蓬皮杜梅斯中心，袁烽的蘇州園博會主館。

3.2.2 地形學(xué)

建筑作為典型人造物，為削弱其巨型體量的壓迫感并使之融入環(huán)境，將之與周遭地形相結(jié)合的地景建筑是頗為有效的舉措，常見方式有消隱、人工地形、延展立面等[15]。磚拱學(xué)校圖書館（圖 9）是一個位于印度馬哈拉施特拉邦鄉(xiāng)下小學(xué)的圖書館加建項目，建筑以高效能的加泰羅尼亞磚拱為原型，用RhinoVAULT 插件模擬其受壓結(jié)構(gòu)并優(yōu)化找形，最終構(gòu)建了既像帳篷、又像土丘的非線性磚制拱殼，使其仿佛從基地中“長出來”一樣。磚制拱殼既是該圖書館的屋頂兼表皮，又充當(dāng)了大跨度無柱空間的結(jié)構(gòu)體，可上人的拱形屋頂拓展了人們的活動流線，在磚拱上下形成了集游樂和學(xué)習(xí)于一體的復(fù)合空間。自由曲面拱殼模糊了墻體及屋面等傳統(tǒng)建筑元素的界限，又通過與四周場地的柔順過渡與環(huán)境融為一體，強(qiáng)化了內(nèi)外空間的流動性和游牧特征，相似案例有西班牙的磚制拱亭Bricktopia。

3.3 數(shù)字化建造技術(shù)

非線性結(jié)構(gòu)表皮建造首先有賴于研發(fā)新材料或挖掘材料新特性，其次就是傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式難以滿足非線性建造標(biāo)準(zhǔn)和施工精度，常用的數(shù)字化建造技術(shù)主要分為以下幾類。

3.3.1 數(shù)控機(jī)床技術(shù)

計算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer Numerical Control），簡稱數(shù)控機(jī)床，以輸入圖紙的形狀及尺寸為依據(jù)，計算機(jī)按邏輯執(zhí)行程序控制系統(tǒng)的編碼，控制機(jī)床對零件進(jìn)行自動化加工及過程監(jiān)控。在建筑領(lǐng)域主要技術(shù)有CNC 激光切割、CNC 彎曲和多軸聯(lián)動機(jī)床等，可實現(xiàn)建筑板材的平面切割，管狀材料塑性變形及復(fù)雜空間曲面的高精度加工等。

3.3.2 快速原型技術(shù)及3D 打印

快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping）因成形材料和系統(tǒng)差異有多種類別，但基本特點皆為“分層制造，逐層疊加”，有別于對材料進(jìn)行“切削—組裝”的傳統(tǒng)操作，該技術(shù)是將材料進(jìn)行“自下而上”的累加。3D 打印技術(shù)作為快速原型的分支，利用光固化和紙層疊等技術(shù)對材料進(jìn)行空間堆砌，建筑打印材料實現(xiàn)了從PLA、ABS 等塑料到金屬、混凝土以及復(fù)合材料的擴(kuò)展。

多材料增材建造（multi-material additive manufacturing）作為3D 打印的拓展，使連續(xù)體的結(jié)構(gòu)與其余部分僅表現(xiàn)為材料密度差異并實現(xiàn)柔性漸變，扎哈團(tuán)隊采用有限元法分析椅子（圖 10）結(jié)構(gòu)并通過調(diào)配材料密度來優(yōu)化性能，借助Stratasys 的多色、多材打印技術(shù)讓椅子呈現(xiàn)出兼具性能和美學(xué)的無縫形態(tài)；該技術(shù)在建筑上弱化甚至消除了表皮與結(jié)構(gòu)界限，此種同質(zhì)化傾向又被稱為“可變屬性設(shè)計建造”（variable property design fabrication, VPD），使建筑形式與結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了空前交融[11]。2018 年6 月，華盛頓州立大學(xué)的某研究小組利用3D 打印技術(shù)一次性打印出了陶瓷和金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)，突破了單次打印過程僅可用一種材料的限制，為復(fù)合建材打印提供了突破點。

3.3.3 機(jī)器人建造

依托機(jī)器人提供的高精度、開放操作平臺，可整合虛擬數(shù)據(jù)和實體建造過程，通過編譯不同的工作流程使機(jī)器人執(zhí)行的作業(yè)類型更為多元[11]。

14 3D打印混凝土步行橋（圖片來源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1622461312765987918&wfr=spider&for=pc）

15 小庫科技強(qiáng)排設(shè)計（圖片來源：https://www.lieyunwang.com/archives/321284）

日本清水建設(shè)建筑公司推出的“鋼骨架噴涂耐火覆蓋材料的SSR-I 型機(jī)器人”是將機(jī)器人用于實際建造的首例，該公司近年研發(fā)的機(jī)器人類型已擴(kuò)展至自動焊接、安裝天花板等工種。澳大利亞公司Fastbrick Robotics 設(shè)計的3D 建筑機(jī)器人Hadrian X，憑借轉(zhuǎn)譯輸入的數(shù)據(jù)和3D 掃描技術(shù)可精確定位每一塊磚頭，確保施工精度并極大縮短建造周期，工作效率約為普通工人的4 倍，相似機(jī)器人還可通過改寫工作路徑以實現(xiàn)非線性空間結(jié)構(gòu)的砌筑，如袁烽團(tuán)隊設(shè)計的池舍。傳統(tǒng)3D 打印受限于打印機(jī)尺寸而常需分塊打印建筑構(gòu)件再拼合，以薩沙·約基奇（Sasha Jokic）和彼得·諾維科夫（Peter Novikov）為首的加泰羅尼亞建筑研究團(tuán)隊研發(fā)了可移動的3D打印機(jī)器人Minibuilders，它由地基機(jī)器人、抓握機(jī)器人（圖 11）和真空機(jī)器人（圖 12）組成，借助軌道及帶線傳感器精確定位打印對象，分別負(fù)責(zé)建筑輪廓成形、結(jié)構(gòu)打印和結(jié)構(gòu)加固；同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的6D 打印裝置結(jié)合了KUKA 機(jī)器人（圖 13）和3D 打印技術(shù)，通過6 軸機(jī)器人打印噴頭的張合來模擬蜘蛛吐絲并控制線材截面，設(shè)定打印路徑來構(gòu)建具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的空間曲線。2019 年中國數(shù)字建筑年會上，清華大學(xué)的徐衛(wèi)國教授介紹了其項目組研發(fā)的6軸機(jī)器人的多維混凝土曲面打印技術(shù)，打印建材更新為聚乙烯纖維、鋼纖維混凝土，憑借優(yōu)化混凝土配比、研發(fā)新式打印頭等舉措解決了長時間打印造成的局部結(jié)塊、強(qiáng)度不均、打印頭堵塞等問題，并通過多機(jī)械臂的協(xié)同打印來提高工作效率，實例如上海智慧灣科創(chuàng)園的3D 打印混凝土步行橋（圖 14）。

4 展望

將建筑設(shè)計理論轉(zhuǎn)譯為計算機(jī)可識別的程序語言，依據(jù)基本條件和限定因素便可快速得到大量的科學(xué)結(jié)果，設(shè)計師得以擺脫無休止的方案假設(shè)，只需對這些結(jié)果進(jìn)行選擇和調(diào)整即可，得以將工作重心轉(zhuǎn)為制定設(shè)計規(guī)則和成果優(yōu)化。此方法雖已在Grasshopper 等參數(shù)化設(shè)計平臺中較為常見，但筆者認(rèn)為，因設(shè)計規(guī)則仍由設(shè)計師全權(quán)制定，故伊始就較為主觀、片面，而計算機(jī)則更為客觀且擅長大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理，可通過快速窮舉可行設(shè)計方案來“查缺補(bǔ)漏”。

若能通過優(yōu)化硬件設(shè)施和運(yùn)行邏輯整合設(shè)計及建造平臺，為負(fù)責(zé)實際建造的機(jī)器人增添設(shè)計模塊，通過智能學(xué)習(xí)使其具備方案設(shè)計和自主優(yōu)化能力，將工作流程從“建筑師制定規(guī)則→機(jī)器執(zhí)行→篩選方案→繪制圖紙→機(jī)器施工”簡化為“機(jī)器設(shè)計→建筑師抉擇→機(jī)器施工”，精簡流程以減少人力與資源浪費；機(jī)器人兼任設(shè)計和建造單元，還避免了在傳遞非線性復(fù)雜形體圖形信息時可能存在的紕漏或誤差，力求建造成果高度還原設(shè)計方案。

如今的人工智能憑借深度學(xué)習(xí)算法，可從海量經(jīng)驗數(shù)據(jù)中提取具有規(guī)律的特征屬性，分析并總結(jié)其共性和關(guān)聯(lián)規(guī)則，由何宛余和楊小荻共同開發(fā)的小庫科技（圖 15）結(jié)合了大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，通過鍵入如建筑高度、容積率、用地面積等限定因素，可快速得到多個合理的場地和建筑設(shè)計方案。但因建筑設(shè)計理論龐雜、影響因子繁多，人文要素難以量化等原因，人工智能尚且難以獨立勝任設(shè)計工作而仍舊充任輔助工具，實現(xiàn)真正的人工智能設(shè)計還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

形式和結(jié)構(gòu)分化是建筑發(fā)展的客觀歷程，也是學(xué)科精細(xì)化和社會分工的歷史結(jié)果，數(shù)字時代大背景下的建筑形態(tài)呈非線性趨勢，卻因部分設(shè)計師盲目獵奇或濫用數(shù)字技術(shù)而加劇了形式與結(jié)構(gòu)脫離，并致使數(shù)字技術(shù)成為了形式主義幫兇。非線性結(jié)構(gòu)表皮以建構(gòu)思想為核心，倡導(dǎo)主動結(jié)合建筑形式及其結(jié)構(gòu)特性，為非線性建筑的形式及結(jié)構(gòu)賦予豐富內(nèi)涵，同時有利于彌合兩方從業(yè)者的思維差異，亦可促進(jìn)學(xué)科融合以解決復(fù)雜性問題?！?/p>