建造驅(qū)動(dòng)的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)變及其趨勢(shì)

陳中高

吉國(guó)華

一、引言

在建筑學(xué)不同的歷史階段中，設(shè)計(jì)與建造的關(guān)系并非一成不變。從中世紀(jì)的設(shè)計(jì)與建造融為一體[1]，到文藝復(fù)興因建筑學(xué)產(chǎn)生而驅(qū)使的設(shè)計(jì)與建造逐漸分離，再到20 世紀(jì)承建商出現(xiàn)使得設(shè)計(jì)與建造漸行漸遠(yuǎn)，最后到21 世紀(jì)初基于數(shù)控加工的設(shè)計(jì)與建造數(shù)字對(duì)接[2]，兩者彼此依賴與制約，無(wú)疑共同扮演了建筑推動(dòng)者的角色。

近年來(lái)，隨著數(shù)字技術(shù)與建筑學(xué)科融合的深入，設(shè)計(jì)與建造之間呈現(xiàn)出獨(dú)特而復(fù)雜的關(guān)系：一方面在社會(huì)、環(huán)境、技術(shù)等多維條件的影響下，建筑形態(tài)不可避免地變得愈加復(fù)雜，也進(jìn)而要求設(shè)計(jì)過(guò)程能夠?qū)ζ浣ㄔ熳鞒龌貞?yīng)；另一方面因偏離傳統(tǒng)的建筑學(xué)策略，面對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)模型與現(xiàn)有建造技術(shù)之間的巨大鴻溝，建筑師缺乏相應(yīng)的手段來(lái)預(yù)知建造介入設(shè)計(jì)的有效性。正是在這一困境下，一種建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)思維正逐漸成形：不再將建造僅視作設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的線性過(guò)程，而是聚焦于建造邏輯如何轉(zhuǎn)化為具體的、可操作的設(shè)計(jì)對(duì)象和方法，從而以一種更為積極的方式介入最終的建筑呈現(xiàn)。本文試圖從建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程出發(fā)，根據(jù)建造介入的階段不同，通過(guò)技術(shù)實(shí)例來(lái)闡釋相應(yīng)的操作過(guò)程，重點(diǎn)解析建造介入引起的設(shè)計(jì)特征的轉(zhuǎn)變，并探究該轉(zhuǎn)變對(duì)于建筑學(xué)科的啟示。

二、建筑數(shù)字范式轉(zhuǎn)換下的設(shè)計(jì)與建造

與第一次數(shù)字轉(zhuǎn)型不同，在約于2010年起的第二次數(shù)字轉(zhuǎn)型中，建筑形態(tài)不再只是以幾何為設(shè)計(jì)起點(diǎn)，而是建筑作為復(fù)雜系統(tǒng)與環(huán)境、功能、建造的耦合產(chǎn)物。[3]得益于數(shù)字技術(shù)，建筑系統(tǒng)能夠被構(gòu)建成某一特定目標(biāo)的數(shù)據(jù)化模型，而使得建筑形態(tài)作為該模型的計(jì)算結(jié)果，擁有生成復(fù)雜秩序和形式的能力。正如馬里奧·卡波（Carpo M.）所說(shuō)：“在1990 年代，我們只是使用全新的數(shù)字機(jī)器去執(zhí)行已知的科學(xué)規(guī)律，卻并未能充分利用這一全新的計(jì)算平臺(tái)。相反，如今我們開始學(xué)會(huì)讓機(jī)器自主解決問(wèn)題，即便我們并不知道過(guò)程與結(jié)果如何?！盵4]在這一背景下，建筑形態(tài)在朝著更系統(tǒng)而科學(xué)的方向發(fā)展的同時(shí)，無(wú)疑也愈加傾向于高度的自由化生成，而由此建立起建筑數(shù)字生成的一種新范式（圖1）。

毫無(wú)疑問(wèn)，上述新范式下的建筑形態(tài)呈現(xiàn)出愈加復(fù)雜的幾何特征，這不僅意味著其建造要求新的工具和技術(shù)，也意味著亟需新的回應(yīng)建造的設(shè)計(jì)方法?；谠撔枨?，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜形態(tài)的建造挑戰(zhàn)，則成為當(dāng)前建筑學(xué)不可回避的全新議題。[5]更重要的是，它促使設(shè)計(jì)與建造整合關(guān)注的重點(diǎn)從數(shù)字對(duì)接轉(zhuǎn)向具有建造意識(shí)（Fabrication Aware）的邏輯建構(gòu)，并以此作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到建造的一體化流程。

如今，建造驅(qū)動(dòng)的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)已受到學(xué)界的共同關(guān)注，旨在強(qiáng)調(diào)數(shù)字化語(yǔ)境中設(shè)計(jì)本身回應(yīng)建造的潛能。2005 年，懷特海德（Whitehead H.）定義了先合理化和后合理化兩種模式，對(duì)建造介入設(shè)計(jì)的不同途徑進(jìn)行了區(qū)分。[6]2012 年，費(fèi)舍爾（Fischer T.）提出協(xié)同合理化的第三種模式[7]，以彌補(bǔ)先合理化和后合理化的局限性。2010 年，奧克斯曼（Oxman R.）則將建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)分為原型、材料、結(jié)構(gòu)3 類，并將其視作方案誕生和實(shí)現(xiàn)的積極因子。[8]借助日漸成熟的數(shù)字技術(shù)，建造驅(qū)動(dòng)的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)方法正得到不斷拓展與更新，成為設(shè)計(jì)與建造一體化的重要手段。[9]一方面，它通過(guò)建筑幾何、結(jié)構(gòu)、材料的互相關(guān)聯(lián)和高度融合，有效擴(kuò)大了建筑從設(shè)計(jì)到建造的創(chuàng)作路徑與實(shí)現(xiàn)手段；另一方面，它充分顯示了建造之于設(shè)計(jì)所充當(dāng)?shù)南薅ㄅc創(chuàng)造的雙重角色，能為不同材料、建造手段和施工條件的建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)更多可能性。

三、建造驅(qū)動(dòng)的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)變

針對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)各階段的不同需求，相應(yīng)的建造介入存在不同的設(shè)計(jì)特征。2013 年，計(jì)算機(jī)學(xué)家羅伯特·艾什（Aish R.）明確提出建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的3 個(gè)關(guān)鍵階 段[10]（圖2）：（1）邏輯生成階段：輸入抽象算法生成幾何模型來(lái)作為方案雛形；（2）模擬評(píng)估階段：依照設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)方案進(jìn)行性能（環(huán)境、功能、結(jié)構(gòu)等）方面的評(píng)估；（3）建造優(yōu)化階段：基于建造約束優(yōu)化設(shè)計(jì)模型以便于最終建造。下文將從這3 個(gè)階段出發(fā)，通過(guò)實(shí)例分析來(lái)揭示建造驅(qū)動(dòng)的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)變。

1.邏輯生成階段：從抽象算法到建造預(yù)制

邏輯生成是建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的起始階段，在計(jì)算機(jī)中輸入抽象的幾何算法，即可將輸出模型作為建筑形體的雛形，以此奠定下一步深化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。然而，由于輸入的抽象算法并未考慮任何物質(zhì)信息，因此往往集中于生成不可建造的復(fù)雜形態(tài)，這也是數(shù)字建筑受到爭(zhēng)議的原因之一。作為回應(yīng)，如今通過(guò)準(zhǔn)確把握所采用的幾何算法，建筑設(shè)計(jì)一開始即可建立起物質(zhì)邏輯和最終形式之間的一致性，以減少后期建造過(guò)程的物質(zhì)操作。

巴黎第五大學(xué)梅斯尼爾（ Mesnil R.）研發(fā)了一種名為“木偶網(wǎng)格”（Marionette Mesh）的幾何算法，旨在探索基于平面嵌板的雙曲面生成可能性（圖3）。[11]研究預(yù)先設(shè)定雙曲面到射影平面的投影和立面高程曲線，然后借助二維射影變換的不變性質(zhì)，自動(dòng)生成平面四邊形網(wǎng)格的雙曲面形態(tài)。在整個(gè)算法中，網(wǎng)格單元及節(jié)點(diǎn)都屬于線性關(guān)系，因而運(yùn)算時(shí)間較短，生成包含10000 個(gè)單元的雙曲面只需3ms。該實(shí)驗(yàn)的重要意義在于采用建筑師所熟悉的正交幾何體系，從設(shè)計(jì)初期綜合考慮幾何算法和形體建造的可行性，促使生成的復(fù)雜形態(tài)更具建造意義。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院恩里克（Enrique L.）為了提高雙曲面混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸和組裝的便捷性，開發(fā)出一種面向快速裝配的預(yù)制混凝土堆疊技術(shù)（圖4）。[12]該技術(shù)可同時(shí)滿足單元垂直堆疊和橫向連成曲面的需求，它先以曲線作為生成曲面的邊緣，定義出整個(gè)雙曲面的厚度及曲率，再以相鄰單元的上下堆疊面，進(jìn)一步確定生成曲面的橫向角度，由此構(gòu)建出最終的雙曲面空間形態(tài)。相鄰混凝土單元的直接堆疊，不僅大大減少了澆制過(guò)程中所需的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)也便于運(yùn)輸。這一技術(shù)能夠讓人充分認(rèn)識(shí)到，從起決定性的方案前期，通過(guò)幾何算法融合后期裝配施工的可能性及巨大潛力。

圖2：建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程

圖3：基于射影幾何的平面網(wǎng)格雙曲面生成

圖4：可堆疊與快速裝配的預(yù)制混凝土技術(shù)

基于以上分析，可以看到一種在設(shè)計(jì)前期面向建造的預(yù)制概念。事實(shí)上，早在19 世紀(jì)晚期，為了便于當(dāng)時(shí)工匠支模建造，建筑師安東尼· 高迪（Gaudi A.）就開創(chuàng)了由直線構(gòu)成的多樣化曲面建筑形式。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)模型和物理建造之間的不連貫，通過(guò)幾何算法的創(chuàng)造性運(yùn)用，建筑師能夠在方案階段即以實(shí)質(zhì)建造為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，并將其置于整體的建筑策略中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終將抽象的幾何算法推向建筑的物質(zhì)邏輯建構(gòu)。

2.模擬評(píng)估階段：從被動(dòng)形成到協(xié)同演化

長(zhǎng)期以來(lái)，建筑設(shè)計(jì)中普遍存在著模擬與分析滯后的現(xiàn)象，即在給定形體的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)目標(biāo)的評(píng)估，進(jìn)而往往導(dǎo)致最終的建筑形態(tài)偏離原始的創(chuàng)作意圖。與之相比，卡爾· 庫(kù)爾曼（Culmann K.）在1865 年出版的著作《圖解靜力學(xué)》中提出一種基于力的分解圖示，將結(jié)構(gòu)的力與結(jié)構(gòu)自身的幾何直接對(duì)應(yīng)，則是一種可以同時(shí)雙向處理的協(xié)同模式。在數(shù)字時(shí)代的今天，這種協(xié)同模式正得到延續(xù)并不斷擴(kuò)展，利用材料、構(gòu)造、結(jié)構(gòu)等建造要素與建筑幾何的相互作用，可以將這些要素作為設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行操作與衍生，從而催生出新的建筑形式語(yǔ)言。

德國(guó)斯圖加特大學(xué)門格斯（Menges A.）團(tuán)隊(duì)對(duì)材料的自主性行為進(jìn)行了一系列創(chuàng)新探索，包括響應(yīng)環(huán)境變化的木材、組成輕質(zhì)大跨結(jié)構(gòu)的碳纖維以及回應(yīng)氣候的3D 打印材料等。2018 年，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析沙、雪等粒子材料的系統(tǒng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其任一粒子都會(huì)為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而自主搜尋定位，由此建造了世界上首個(gè)粒子聚合形態(tài)的三維封閉空間（圖5）。[13]設(shè)計(jì)師在機(jī)械臂放置3D 打印粒子的基礎(chǔ)上，引入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)粒子的每一次放置，計(jì)算機(jī)都會(huì)單獨(dú)計(jì)算承載路徑并給出下一粒定位，而使得最終3000 多個(gè)粒子之間雖沒(méi)有任何固定節(jié)點(diǎn)，但仍可精確定義出穩(wěn)定的三維空間形態(tài)，同時(shí)每一個(gè)粒子都可被拆卸、重組和循環(huán)使用。顯然，在該設(shè)計(jì)中，材料不是傳統(tǒng)地被動(dòng)賦予在既定形式上，更不是與形式相互獨(dú)立，而是基于自身性能，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)形態(tài)的生成與發(fā)展。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院布洛克（Block P.）則基于圖解靜力學(xué)中形與力的圖解，提出了根據(jù)二維形圖解生成三維拱殼結(jié)構(gòu)的推力線網(wǎng)絡(luò)分析法（Thrust Network Analysis） ，并將其成功應(yīng)用到2016 年威尼斯雙年展的雙曲面薄殼中（圖6）。[14]該砌筑物中單元根據(jù)力流的走向進(jìn)行分布，并協(xié)同幾何鑲嵌算法對(duì)其展開力學(xué)找形，期間，單元的幾何形態(tài)一直是不確定的，直到三維空間結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，它精確的幾何參數(shù)才被賦予。該薄殼最終共由399 塊凸多邊形砌體單元組成，且單元之間毫無(wú)連接構(gòu)造，完全憑借自身產(chǎn)生的軸向壓力保持平衡。因此，利用幾何協(xié)同力學(xué)生成整體形態(tài)，不僅讓空間、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造三者達(dá)到了統(tǒng)一，也為建筑形式創(chuàng)新提供了具有信服力的設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖5：基于粒子系統(tǒng)的三維自主聚合形態(tài)

圖6：幾何形式協(xié)同力學(xué)性能演化的空間薄殼結(jié)構(gòu)

以上案例驗(yàn)證了建筑物質(zhì)對(duì)象與其自身形式之間的互動(dòng)反饋，表明了建筑的模擬評(píng)估不再局限于滯后的結(jié)果分析，而是試圖通過(guò)建筑形式與物質(zhì)目標(biāo)的協(xié)同演化，準(zhǔn)確、合理地實(shí)現(xiàn)“材料-結(jié)構(gòu)-形式”的高度吻合。這一認(rèn)識(shí)隱含著兩方面的思維轉(zhuǎn)變，一方面，建筑設(shè)計(jì)不再只關(guān)注于形式表達(dá)，即單純從美學(xué)角度作出判斷，而是同時(shí)要符合建筑的物質(zhì)化要求；另一方面，物質(zhì)性的目標(biāo)不必完全依賴于量化達(dá)到，也必須要回應(yīng)建筑的形式訴求，避免因過(guò)于關(guān)注數(shù)據(jù)結(jié)果而偏離設(shè)計(jì)意圖。

3.建造優(yōu)化階段：從數(shù)值計(jì)算到幾何主導(dǎo)

建造優(yōu)化是設(shè)計(jì)中的后合理化階段，往往依靠繁冗的數(shù)值計(jì)算來(lái)達(dá)到合理建造的目的。然而，隨著幾何復(fù)雜度提高，以數(shù)值優(yōu)化為主的傳統(tǒng)操作似乎不再足夠有效，建筑三維空間難以單純依賴于數(shù)值計(jì)算來(lái)取得設(shè)計(jì)與建造的高度一致性，進(jìn)而轉(zhuǎn)向于一種更直觀化、可視化的幾何主導(dǎo)方式，即通過(guò)諸如曲面重構(gòu)、幾何轉(zhuǎn)化、結(jié)構(gòu)圖解等幾何操作，在滿足材料尺寸、加工方式、力學(xué)效率等建造需求的基礎(chǔ)上來(lái)優(yōu)化和發(fā)展設(shè)計(jì)。

斯圖加特大學(xué)運(yùn)算化設(shè)計(jì)中心在2014年德國(guó)施瓦本格明德展覽館的建造過(guò)程中，通過(guò)曲面的平板化重構(gòu)，取得了復(fù)雜形體和建造成本兩者的平衡（圖7）。[15]基于曲面的幾何分析，設(shè)計(jì)師首先根據(jù)正負(fù)高斯曲率制定了嵌板單元的定位原則，然后采用多智能體算法整合了后期加工的諸多約束參數(shù)，包括材料最大尺寸、加工工具幅面等，再利用切平面相交（Tangent Plane Intersection）的幾何規(guī)則，最終獲取得到平面六邊形的嵌板單元，從而將自由曲面重構(gòu)成便于加工的平面網(wǎng)格曲面。建成展館共由243 塊樺木膠合板單元構(gòu)成，由于形狀都是平面六邊形，因此加工、運(yùn)輸和組裝十分便捷。

圖7：基于六邊形平板化重構(gòu)的復(fù)雜建筑建造

圖8：大尺度雙曲面的幾何轉(zhuǎn)化與機(jī)械臂加工

丹麥科技大學(xué)機(jī)械臂研究小組針對(duì)復(fù)雜曲面制造尺度受限的問(wèn)題，探索了機(jī)械臂熱片切割雙曲面的幾何優(yōu)化（圖8）。[16]為此，在考慮切割材料本身阻力的基礎(chǔ)上，整個(gè)優(yōu)化經(jīng)歷了兩次曲線轉(zhuǎn)化：1）針對(duì)掃軌生成原始雙曲面的歐拉彈性線，采用連續(xù)的三階貝塞爾曲線進(jìn)行擬合；2）將貝塞爾曲線再一次轉(zhuǎn)化為平面樣條曲線，以符合機(jī)械臂加工路徑的要求。由此，兩臺(tái)六軸機(jī)械臂沿著優(yōu)化后的加工軌跡，成功實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯材料的雙曲面切割加工，這不但擴(kuò)展了曲面制造的幾何范圍，而且開發(fā)出大尺度雙曲面的模板加工和預(yù)制裝配技術(shù)，有效提高了復(fù)雜建筑曲面建造的完整性和精確性。

如今建筑與結(jié)構(gòu)之間的專業(yè)間隙正逐漸被彌合，即便在設(shè)計(jì)后期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也能被打包為算法交由設(shè)計(jì)平臺(tái)處理，進(jìn)而以直觀、動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖解將力學(xué)效率進(jìn)行幾何可視化處理。[17]如日本工程師佐佐木睦朗（Sasaki M.）通過(guò)薄殼結(jié)構(gòu)的敏感性分析，在實(shí)時(shí)顯示結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，精確實(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)構(gòu)思 （圖9）。[18]皇家墨爾本理工大學(xué)謝億民團(tuán)隊(duì)提出的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO），不但可刪除力學(xué)效率較低的單元，還能增加效率較高區(qū)域的單元，從而將結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)換為形態(tài)的直觀“進(jìn)化”（圖10）。[19]這些結(jié)構(gòu)幾何圖解的意義除了將結(jié)構(gòu)形態(tài)從純粹的數(shù)值計(jì)算中解放出來(lái)，更重要的是在力學(xué)效率與空間形態(tài)之間建立起實(shí)時(shí)交互的鏈接，以確保結(jié)構(gòu)內(nèi)在機(jī)制與建筑外在表達(dá)的高度一致，從而為建筑師的設(shè)計(jì)決策提供可靠依據(jù)。

由上述案例可知，幾何主導(dǎo)的建造優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)是將建筑幾何參數(shù)與優(yōu)化算法在計(jì)算機(jī)空間中進(jìn)行高度融合，在實(shí)時(shí)獲取優(yōu)化反饋的基礎(chǔ)上，以合理、高效的幾何途徑實(shí)現(xiàn)多樣化的建筑方案，而并非只是設(shè)計(jì)結(jié)束的后補(bǔ)數(shù)值驗(yàn)算。換言之，既要通過(guò)幾何形態(tài)的目標(biāo)優(yōu)化，來(lái)符合真實(shí)建造中的材料尺寸、加工裝配、結(jié)構(gòu)力學(xué)等要求，也要通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)的可視化呈現(xiàn)，幫助建筑師基于建造的種種限制選擇更好的形態(tài)。

四、建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)新趨勢(shì)

1.作為設(shè)計(jì)對(duì)象的建造工具

設(shè)計(jì)對(duì)象由于數(shù)控工具的引入而發(fā)生了擴(kuò)展。自2008 年威尼斯雙年展的機(jī)器人磚構(gòu)以來(lái)，數(shù)控加工在建筑學(xué)中顯示出強(qiáng)大的生命力，在某種程度上改變了建筑設(shè)計(jì)與建造長(zhǎng)期分離的狀態(tài)。[20]它將設(shè)計(jì)產(chǎn)生的建筑形體進(jìn)行數(shù)據(jù)化輸出，然后根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行加工，從而保障了設(shè)計(jì)與建造環(huán)節(jié)的無(wú)縫對(duì)接。為此，以機(jī)器人技術(shù)為代表的數(shù)控工具將材料、構(gòu)造、形式等建筑元素納入統(tǒng)籌考慮，并基于個(gè)性化的工藝與流程，重新定義了設(shè)計(jì)、建造與工具的工作關(guān)系。在該關(guān)系中，建造工具并不是傳統(tǒng)建筑流程中單向的輸入末端，而是由于對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程具有直接的反饋?zhàn)饔?，諸如前文所述的工具端定制、加工路徑規(guī)劃以及機(jī)器學(xué)習(xí)[21]等，使其本身就成為設(shè)計(jì)對(duì)象，這從根本上革新了傳統(tǒng)意義上建筑學(xué)的工作模式：建造工具不再是建筑生產(chǎn)的附庸和被動(dòng)選擇，它能將自身特性作為決定因素來(lái)推動(dòng)設(shè)計(jì)，以拓展建筑師從設(shè)計(jì)到建造各個(gè)環(huán)節(jié)的手段和方法。

2.幾何的建構(gòu)

設(shè)計(jì)方法更加需要從其他學(xué)科進(jìn)行借鑒，其中，幾何學(xué)是建造驅(qū)動(dòng)下數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)的內(nèi)在訴求之一。從2006 年奧克斯曼提出數(shù)字化設(shè)計(jì)取決于有無(wú)幾何邏輯的輸出[22]，到2013 年彼得斯（Peters B.）明確定義智能幾何學(xué)（Smart Geometry）這一設(shè)計(jì)思維[23]，再到2015 年波特曼（Pottmann H.）指出幾何合理化（Geometric Rationalization）是復(fù)雜建筑從設(shè)計(jì)到建造的關(guān)鍵[24]，在這過(guò)程中，幾何學(xué)尤其是非歐幾何的重要性愈加凸顯，充當(dāng)著約束和創(chuàng)造的雙重角色。一方面，實(shí)質(zhì)建造的約束參數(shù)以可視化的幾何方式表達(dá)，控制著建 筑形式的生成；另一方面，科學(xué)的幾何規(guī)則使得復(fù)雜建筑的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)成為可能，是解決其建造問(wèn)題的有效手段。因此，經(jīng)過(guò)數(shù)世紀(jì)的疏離[25]，建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)彰顯了一種全新的建筑幾何觀念，即作為物質(zhì)生產(chǎn)的建筑活動(dòng)，不再執(zhí)著于單純的幾何美學(xué)，而是指向一種以實(shí)質(zhì)建造為驅(qū)動(dòng)的幾何建構(gòu)，從而更具實(shí)踐可能性的積極意義。

圖9：基于結(jié)構(gòu)敏感性優(yōu)化的豐島美術(shù)館

圖10：基于漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的卡塔爾會(huì)議中心

3.數(shù)字孿生：設(shè)計(jì)與建造的閉環(huán)系統(tǒng)

從設(shè)計(jì)與建造的關(guān)系來(lái)看，基于數(shù)字技術(shù)的兩者整合在邁向更高層級(jí)的交融。2011 年，美國(guó)密歇根大學(xué)格里弗斯（Grieves M.W.）首次提出“數(shù)字孿生”（Digital Twin）這一概念[26]，它是指在信息化平臺(tái)內(nèi)精確建立和模擬一個(gè)物理實(shí)體、流程或系統(tǒng)，用于數(shù)字世界和物理實(shí)體動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地雙向控制與反饋。借助新的傳感技術(shù)和計(jì)算方法，設(shè)計(jì)與建造也正逐漸實(shí)現(xiàn)兩者的“數(shù)字孿生”，比如自適應(yīng)加工[27]、實(shí)時(shí)視覺(jué)反饋[21]等。值得指出的是，“數(shù)字孿生”的建筑學(xué)應(yīng)用，除了提升建造的生產(chǎn)效率，還將建造回歸設(shè)計(jì)這一基本命題?？v觀設(shè)計(jì)與建造的數(shù)字整合歷程，從早期基于參數(shù)輸出的數(shù)字對(duì)接，到建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字設(shè)計(jì)，再到如今實(shí)現(xiàn)物理反饋的數(shù)字孿生，逐步建構(gòu)了設(shè)計(jì)與建造的閉環(huán)系統(tǒng)（圖11）。該系統(tǒng)通過(guò)將建造過(guò)程中的各種反饋精準(zhǔn)地傳遞到設(shè)計(jì)端，可以讓很多原來(lái)必須依賴于物理實(shí)體而無(wú)法完成的操作，能夠?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，支撐建筑師探索新的途徑來(lái)進(jìn)行建筑創(chuàng)新。

五、展望

綜上所述，新的數(shù)字技術(shù)帶來(lái)了設(shè)計(jì)與建造的革新，并對(duì)建筑學(xué)產(chǎn)生了史無(wú)前例的推動(dòng)作用。然而，技術(shù)本身并不能自動(dòng)成為建筑學(xué)的內(nèi)容，需要經(jīng)由思維的轉(zhuǎn)化才能實(shí)現(xiàn)，不可否認(rèn)的是這一過(guò)程仍有待完成。面對(duì)當(dāng)代正在涌現(xiàn)的復(fù)雜形態(tài)，建筑師大都認(rèn)為，似乎單純憑借3D 打印、機(jī)械臂等數(shù)控工具，建造問(wèn)題就能迎刃而解，這一認(rèn)識(shí)使得設(shè)計(jì)回應(yīng)建造被大大輕視。事實(shí)卻恰恰相反，正是由于這些高度定制化的建造工具，即其每一個(gè)指令及參數(shù)均需被精確定義，建筑師的職責(zé)反而面臨更高的挑戰(zhàn)，不但要更加注重設(shè)計(jì)對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、工具等建造條件的全方位考慮，還要更加準(zhǔn)確地預(yù)判建造采取何種方式和何時(shí)介入設(shè)計(jì)（圖12）。[28]因此，在建筑研究、實(shí)踐和教育的各個(gè)層面上，建立建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)思維，則將是建筑師將建造重新納入掌控范圍的關(guān)鍵，更重要的是能更充分地發(fā)揮設(shè)計(jì)的智力特性，為設(shè)計(jì)與建造的真正融合提供全新可能。

圖11：設(shè)計(jì)與建造不同層級(jí)的數(shù)字整合

圖12：建造驅(qū)動(dòng)的建筑數(shù)字化設(shè)計(jì)特征

同時(shí)，未來(lái)建造驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)也亟需探索從設(shè)計(jì)到建造全生命流程的計(jì)算機(jī)工具。目前，此類工具往往局限于某一特定階段或材料工藝，也很難精確預(yù)測(cè)和獲取不同加工設(shè)備的動(dòng)態(tài)反饋。因此，隨著算法與建造技術(shù)的日益成熟，開發(fā)基于兩者實(shí)時(shí)協(xié)作的智能化工具，為建筑師決策提供更為全面的科學(xué)依據(jù)，將有助于建立建筑“設(shè)計(jì)與建造一體化”的創(chuàng)新生產(chǎn)體系。

注釋：

[1] 參考文獻(xiàn)[1].

[2] 參考文獻(xiàn)[2]：4-7.

[3] 參考文獻(xiàn)[3]：40-55.

[4] 同參考文獻(xiàn)[3]：7，原文為：“in the 1990s，we used our brand-new digital machines to implement the old science we knew，Now，to the contrary， ……，and we increasingly find it easier to let computers solve problems in their own way—even when we do not understand what they do or how they do it.”

[5] 參考文獻(xiàn)[4].

[6] 參考文獻(xiàn)[5]：147-148.

[7] 參考文獻(xiàn)[6].

[8] 參考文獻(xiàn)[7].

[9] 參考文獻(xiàn)[8].

[10] 參考文獻(xiàn)[9]：36-49.

[11] 參考文獻(xiàn)[10]：123-142.

[12] 參考文獻(xiàn)[11]：364-377.

[13] https：//www.icd.uni-stuttgart.de/projects/icdaggregate-pavilion-2018/，2020/4/24.

[14] 參考文獻(xiàn)[12].

[15] 參考文獻(xiàn)[13].

[16] 參考文獻(xiàn)[14]：306-327.

[17] 參考文獻(xiàn)[15].

[18] 參考文獻(xiàn)[16]：259-270.

[19] 參考文獻(xiàn)[17].

[20] 參考文獻(xiàn)[18].

[21] 參考文獻(xiàn)[19]：288-305.

[22] 參考文獻(xiàn)[20].

[23] 參考文獻(xiàn)[21]：6-7.

[24] 參考文獻(xiàn)[22].

[25] 參考文獻(xiàn)[23].

[26] 參考文獻(xiàn)[24].

[27] 參考文獻(xiàn)[25].

[28] 參考文獻(xiàn)[26].