山地仿生建筑參數(shù)化概念設計研究★

郭艷云 何俊笙

(廣州番禺職業(yè)技術學院，廣東 廣州 511483)

1 山地建筑和數(shù)字化仿生建筑

1)山地占我國國土總面積2/3以上，而人口多集中在平原地區(qū)，造成擁擠并占用耕地，同時山地資源大量閑置。隨著社會經(jīng)濟、工程技術的不斷發(fā)展，人們開始致力于在尊重和保護環(huán)境的前提下對山地建筑進行開發(fā)研究。“山地建筑”常指修建于山林中并依據(jù)山地的坡度因勢而建造的建筑，山地豐富的地形與地貌變化賦予山地建筑獨特的形態(tài)感染力和魅力[1]。

2)早期的仿生建筑設計大多采用直觀式的模擬其形象，比如東西方建筑中各種動物及花草紋樣式。數(shù)字建筑設計是根據(jù)生物形態(tài)繪制分析圖，從中辨析其關鍵特征點，然后將這些生物形態(tài)特征轉化成計算機語言，進而編寫成一套完整的算法。通過計算生成多種不同的形態(tài)，再加入某些特殊需求與限定條件，并通過測試不斷進行算法優(yōu)化與迭代，即可從生成結果中找出最美感的建筑雛形[2]。山地仿生建筑是一種非標準化中的衍生建筑，它能符合使用者多樣化的需求反饋，是對建筑系統(tǒng)的一種全新詮釋。本文旨在探索數(shù)字技術輔助下的參數(shù)化仿生建筑設計方法，充分利用數(shù)據(jù)分析山地的形態(tài)特征，使建筑形態(tài)與山地環(huán)境相適應，最大限度維持山地的原生地貌，提倡建筑要“隨山塑形”，賦予山地建筑設計一種新嘗試。

2 山地仿生建筑選址的參數(shù)化生成邏輯

建筑產(chǎn)品(包括建筑觀念與建筑體)產(chǎn)生過程就是自然的進化過程[3]。建筑與植物之間最明顯的類比例子就是樹。樹是植物世界里最常見的，此次仿生設計的整體概念就來源于樹木生長。通過觀察樹木生長過程，分析樹與柱的關系，更確切地說是樹的主干。一般來說，植物的莖，尤其是樹干，往往呈圓錐形，這是由于它們隨著高度的增加而逐漸變細所造成的。而柱是一種垂直而細長的建筑元素，用來支撐結構同時又有裝飾的目的。樹干的周長是隨著高度的增加而減小的，但截面是圓形的。樹木的生長周期和形態(tài)大，受當?shù)氐耐寥婪饰殖潭?、環(huán)境溫度、空氣流動、日照時間長短等因素的影響。

2.1 地形分析

項目擬選址在廣州市廣州番禺職業(yè)技術學院五號樓后山上，該區(qū)域屬海洋性亞熱帶季風氣候,該地全年溫暖，春夏季多雨、光熱充足、秋冬季盛行東北風或北方，偏干燥，霜期短等特征，植被種類豐富。整個后山海拔最高地的高度為180 m，起伏不大，坡度較緩，樹木茂密，植被豐富，屬于丘陵地帶。地形如圖1所示。

根據(jù)山地現(xiàn)場環(huán)境情況，整體設計是建筑群落需依山就勢,背靠山林，面朝湖面，且將建筑以和諧共生的方式置身于山林間，并將建筑與原始地貌相互緊密接觸，兩者之間沒有明顯的界限，建筑內(nèi)外的景觀空間達到內(nèi)外相互交融。對于參數(shù)化設計，將周邊環(huán)境以及人的活動行為方式進行數(shù)字化描述出來是很關鍵的一步工作，這些處理后信息將是之后建筑形態(tài)生成的基礎。

2.2 日照分析

從人體的生理角度來說，充足的陽光能夠使人心情愉悅、身體健康等。陽光的照射是人類生存發(fā)展的基礎，在南方地區(qū)本身日照豐富，這個時候我們就需要根據(jù)不同的日照條件選擇不同的處理辦法。選址山地背靠滴水巖位于山的南面屬于陽面，全年太陽采光充足，這樣向陽坡(即南坡)的陰影較背陽坡(即北坡)短，日照條件較好，但這里坡度不是很陡因此建筑陰影會略長。同時本身山體的樹木茂密，濕度略高，為了明確建筑朝向及位置的山地分別對春、夏、秋、冬進行模擬日照分析，效果如圖2所示。

結果得出春、夏、秋日照時間、范圍差別不大，而冬季的日照時間明顯低了很多。并從日照分析圖中可看出秋天的日照時間要高于其他季節(jié)，整體平均大于200 h以上。山地區(qū)域也存在明顯的日照時間不足，冬季少于5 h。綜合以上數(shù)據(jù)對建筑的朝向和開窗位置提供了很強的參考價值。

3 原型演變過程

建筑采用樹木生長過程作為原型出發(fā)，在充分觀察樹木生長結構之后，通過運用軟件進行樹根及樹干生長模擬分析，主要操作過程是將選址地作為一個封閉的空間，在其內(nèi)部隨意設置細胞發(fā)射點作為捕食點，這些點會不斷向外發(fā)散出去從而生成點云系統(tǒng)。再在這些點之間設置一些“障礙”即所謂的限定條件，來模擬計算它們之間的不同的生長狀態(tài)，也就是模擬的生長路線，同時再在“捕食”過程中會不斷自我優(yōu)化行進路線，從這些點云模型中提取出曲線骨架也就是作為最初的建筑交通網(wǎng)絡流線，過程圖如圖3所示。

這種點云算法關鍵是首先給定對象一個或多個中心點讓這些點進行重新追蹤，在其內(nèi)部給定競爭點讓其不斷相互爭取和延展，從而生成最初的骨架曲線。最后，根據(jù)得出的骨架曲線分支結構再進行過濾，獲得最終的曲線骨架的算法。整個過程能根據(jù)地形設定一些場地條件讓其模擬出最優(yōu)化的建筑群的生長路徑。

3.1 路線范圍分析

為了得出山地中最適合的建筑交通路線，我們在山地中不同的坡度處隨意設置幾個發(fā)射點即“捕食點”，然后從山腳點根據(jù)山地的坡度自行開始“捕捉”，不斷的向外發(fā)射幾個點。在這個過程中由于不同的坡度和給定的受力情況會出現(xiàn)點的密集程度不同的點云，再將這些點云系統(tǒng)進行網(wǎng)格線路化會發(fā)現(xiàn)坡度較緩的地方點云密集度較高，坡度高的地方點云的密集較疏。將這些點云進行算法優(yōu)化，得出一個樹狀的脈絡骨架系統(tǒng)，最后根據(jù)這個脈絡系統(tǒng)從中挑選出最優(yōu)化及最連貫的建筑主交通路線范圍，如圖4所示。

3.2 主建筑模型范圍運算過程

在獲得路線范圍之后將開始在主要的交通路線的交織中心計算建筑地形的空間范圍。建筑空間的范圍即建筑基底面積大小，取決于該位置地形的坡度、土壤的軟硬度以及光照、風力程度等因素的綜合考慮。通過賦予三種不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，得出三條不同的建筑地形范圍，從中挑選出其中一條來作為建筑的建筑范圍，過程如圖5，圖6所示。

在得出的建筑范圍之后，通過地形數(shù)據(jù)計算運算出立體空間范圍，然后在空間中不同高度處設置三個點，通過“發(fā)射”點讓這些點進行自動捕捉形成點云，進而對其進行連接曲線脈絡框架，最終算出三個發(fā)射點捕食脈絡生長路線，也就是建筑內(nèi)部的交通流線。同樣取用相同的生長路線，得出建筑的天花模型。現(xiàn)階段建筑形體只是作為一種不規(guī)則的非線性體存在，并沒有賦予實際的建筑形體功能，如果建筑設計沒有考慮基本結構系統(tǒng)及構造邏輯那是完全支撐不住的，是沒有說服力的，其過程如圖7所示。

3.3 建筑內(nèi)部空間結構運算過程

在接下來需要對形成的形體進行賦予結構系統(tǒng)及結構構造邏輯，而計算機目前已有軟件對非線性體建筑根據(jù)實際建造而自動生成與形體相適應的內(nèi)在邏輯。我們可根據(jù)建筑內(nèi)在形體的應力分布進行單元體劃分，同時根據(jù)樹木生長過程的信息化數(shù)據(jù)得出樹木的結構關系并將它作為非線體性的基本結構系統(tǒng)。

本案例前期是通過Grasshopper來運算建筑交通路線、建筑位置及建筑內(nèi)部空間的流線，處于種概念設計階段。在這個結構算法當中，我們需要運用一個軟件叫做Ameba，它是基于雙向漸進結構優(yōu)化(BESO)的一款拓撲優(yōu)化工具，它是使用Rhino+Grasshopper進行前后處理，是Grasshopper的插件，其運行原理是同時可以在材料“高效能”(如材料應力較高)區(qū)域增加單元，這種既可刪減又可添加單元的策略使得漸進優(yōu)化法的優(yōu)化能力變得更強。利用Ameba對建筑內(nèi)部結構進行優(yōu)化，其過程如圖8所示。

根據(jù)得出的建筑框架可同時進行多次迭代，并達到目標體積和滿足收斂條件。在得出的建筑主要空間輪廓中進行結構優(yōu)化，進行結構優(yōu)化的前提首先賦予空間的受力情況、光照度及結構支撐點參數(shù)，軟件會對這些數(shù)據(jù)進行自我結構優(yōu)化并多次進行迭代，最終可成型建筑結構，其過程如圖9所示。

3.4 建筑表皮細節(jié)運算過程

建筑結構成型后可再根據(jù)結構走向生成網(wǎng)格表皮，同時還可根據(jù)不同位置及賦予的數(shù)據(jù)進行多次生成，最終整體建筑成型。最終形成山地建筑群及建筑內(nèi)部的室內(nèi)空間，建筑外部效果圖如圖10所示，建筑內(nèi)部效果如圖11所示。

4 結語

建筑是將各種材料用不同形式進行合理組織而構建出來的供人居住或使用的空間，它必須滿足堅固、實用及美觀的要求。參數(shù)化的數(shù)字仿生技術可以在最大限度維持環(huán)境的原生地貌情況下，賦予建筑更多的可能性，傳達出我們對這個世界的態(tài)度。