材料驅(qū)動(dòng)下的數(shù)字形態(tài)生成設(shè)計(jì)

文／劉念祖，徐薇薇（浙江萬(wàn)里學(xué)院 設(shè)計(jì)藝術(shù)與建筑學(xué)院）

數(shù)字形態(tài)生成是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)復(fù)雜形態(tài)和仿生形態(tài)的生成藝術(shù)，該概念在設(shè)計(jì)藝術(shù)、建筑等多領(lǐng)域具備實(shí)踐價(jià)值，最初源于生物領(lǐng)域，后被地理學(xué)、地形學(xué)、建筑學(xué)等沿用。與20世紀(jì)建筑材料和形式上簡(jiǎn)化的趨勢(shì)不同，現(xiàn)如今，實(shí)現(xiàn)那些過(guò)去看來(lái)不可能的復(fù)雜幾何形態(tài)已然成為可能。數(shù)字化制造技術(shù)將已被忘卻的手工技藝重新帶入人們視野，這也源于對(duì)材料屬性的提煉和再利用。因此，對(duì)材料屬性的挖掘幫助我們拓展新的設(shè)計(jì)思路。

一、因材施“造”：材料驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)材料在數(shù)字形態(tài)生成領(lǐng)域被完全置于新的用法：Shigeru Ban用紙管在不同尺度上作為項(xiàng)目的構(gòu)筑材料；脫離定式，看到更多舊材新用的案例，F(xiàn)ront Inc公司的設(shè)計(jì)案例中玻璃被沖壓塑形，而位于華盛頓的國(guó)家建筑博物館內(nèi)Jeanne Gang的大理石幕墻案例中石材承壓的運(yùn)用等。這些材料的創(chuàng)新運(yùn)用源于對(duì)材料表現(xiàn)和其安裝過(guò)程的系統(tǒng)了解。

位于倫敦的洛德板球場(chǎng)媒體中心項(xiàng)目中，鋁制雙曲面表皮結(jié)構(gòu)被用以幕墻設(shè)計(jì)。受到“壓力外皮結(jié)構(gòu)”的啟發(fā)，這座由Future Systems設(shè)計(jì)的項(xiàng)目是一棟半單體鋁殼建筑，這類工藝通常用在汽車、航天飛機(jī)、艦艇等制造上。例如，飛機(jī)設(shè)計(jì)上一種被稱作“飛機(jī)框架”的籠式結(jié)構(gòu)由鋁合金制成，用鋁制面版覆蓋圍合成一個(gè)半單體鋁殼封皮，其中骨架和封皮協(xié)同作用吸收作用力。區(qū)別于現(xiàn)代主義關(guān)于構(gòu)造的二項(xiàng)式思維，框架和表皮在半單體鋁殼中整合成一個(gè)元素，形成一個(gè)自支撐不需骨架的獨(dú)立結(jié)構(gòu)。

其他常見(jiàn)材料如玻璃纖維，高分子材料和泡沫材料等這類罕有在建筑領(lǐng)域運(yùn)用的材料，現(xiàn)如今，由于其部分指標(biāo)優(yōu)勢(shì)也被嘗試開(kāi)發(fā)其潛力。質(zhì)輕，強(qiáng)度高，易于塑形都使其成為理想外墻材料，但這類一直被忽視的材料需要塑形成曲面以使其結(jié)構(gòu)上能合理表達(dá)。有趣的互利關(guān)系建立在新材料和新的造型上，復(fù)雜的幾何造型需要更多新材料支撐，反之亦然。

玻璃纖維的物理屬性使其特別適合運(yùn)用在復(fù)雜形態(tài)上。它以液態(tài)方式塑形，所以能很好適應(yīng)各種模具形狀且表面平整——流動(dòng)的液態(tài)材料適用于流動(dòng)的液態(tài)空間，液態(tài)材料中最吸引建筑師的是那些配方被精確設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，以滿足不同的使用標(biāo)準(zhǔn)。該類復(fù)合材料是由兩種以上的成分組成，通常具備多樣的屬性。高分子復(fù)合材料被建筑師冠以新的用途，由于其出眾的塑性能力，相對(duì)低成本且易于打理，還有優(yōu)秀的強(qiáng)重比。

通過(guò)優(yōu)化復(fù)合材料的配方以適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)，為建筑業(yè)提供新的可能選擇。單體表面的透光度可以通過(guò)調(diào)整強(qiáng)化纖維的圖案和添加量[1]加以控制；如由“注入反應(yīng)塑型（RIM）”技術(shù)生成的聚氨酯泡沫材料極大拓展了工程設(shè)計(jì)的密度和剛度區(qū)間，以適用于不同的墻體面版筑造，兩種液體被注入模具，發(fā)泡后的聚氨酯材料具備外柔內(nèi)剛的理想屬性。

材料的易變性也能被視作一種優(yōu)勢(shì)。材料伴隨時(shí)間的變化，如風(fēng)化、老化等在近代建筑中通常是要盡量避免的；但有時(shí)，風(fēng)化被視作一種表皮策略：瑞士建筑師Peter Zumthor的很多作品表達(dá)了一種對(duì)于材料的深刻認(rèn)識(shí)。 由Herzog和De Meuron同A.Zahner公司合作設(shè)計(jì)的位于舊金山的De Young博物館，塑型多孔的建筑表皮很好地利用了數(shù)字形態(tài)生成設(shè)計(jì)技術(shù)。銅會(huì)伴隨時(shí)間泛出青綠色，建筑外墻上由鏤空?qǐng)A點(diǎn)組成的抽象樹(shù)形圖案最終與所在公園蔥綠的綠植融合在一起，通過(guò)時(shí)間磨合也很好表達(dá)了設(shè)計(jì)師融入自然的設(shè)計(jì)意圖。建筑映射一種生命感，就好像是一棟活的有機(jī)物。建筑師Herzog和De Meuron以作品中獨(dú)特的材料處理聞名。De Young博物館外立面由單體鏤空有7 200個(gè)大小不一的圓洞的銅制面板塑型而成。氧化后的銅制面板呈現(xiàn)藍(lán)綠色漸漸融入周邊景觀，即便設(shè)計(jì)師欲意陽(yáng)光透過(guò)這種變化的鏤空?qǐng)D案模擬樹(shù)影，該設(shè)計(jì)仍被持異議者認(rèn)為與周邊綠地環(huán)境格格不入（見(jiàn)圖1）。

圖1 De Young博物館外立面設(shè)計(jì)

材料潛能的開(kāi)發(fā)還包括一些根據(jù)外部或內(nèi)部環(huán)境，如光照、溫度和壓力等變化動(dòng)態(tài)改變自身屬性的材料。Sulan Kolatan和William MacDonald開(kāi)發(fā)了一款“能在壓力條件下重構(gòu)分子的塑料”“對(duì)光照和氣溫作出反應(yīng)的智慧玻璃”及“玻璃纖維強(qiáng)化高分子復(fù)合材料”。Michael Silver設(shè)計(jì)的“液晶玻璃屋”擁有能持續(xù)對(duì)環(huán)境作出適應(yīng)反饋的幕墻，該幕墻由嵌入玻璃面板的液晶構(gòu)成，利用電流，面板的透明度可以不斷變換，液晶玻璃面板由計(jì)算機(jī)控制能生成無(wú)數(shù)動(dòng)態(tài)圖案。

由Ben van Berkel和Caroline Bos主持的UN Studio工作室開(kāi)發(fā)了一套多色復(fù)合玻璃。玻璃夾層間的反射圖層能根據(jù)光照角度改變顏色，該技術(shù)被用在尼德蘭的La Defense辦公樓項(xiàng)目中，面向庭院的立面玻璃能在白天不斷在全色域范圍內(nèi)變化色彩（見(jiàn)圖2）。

圖2 UN S tudio工作室設(shè)計(jì)的位于尼德蘭阿爾默勒的La De fe ns e辦公綜合體項(xiàng)目

新的建筑外墻不僅能改變色彩和透明度，也能對(duì)外部環(huán)境作出形變反饋。如Mark Goulthorpe/dECOi.設(shè)計(jì)的Aegis Hypo Surface超級(jí)立面項(xiàng)目，可變形的橡膠膜外覆蓋無(wú)數(shù)三角金屬面片組合成一座完整的冰裂的金屬墻，墻體可以對(duì)環(huán)境中變化的聲光信息作出反應(yīng)，或者通過(guò)用參數(shù)控制生成的圖案來(lái)改變墻體表面形狀，基層的數(shù)千個(gè)數(shù)控軸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)該過(guò)程，提供實(shí)時(shí)反饋（見(jiàn)圖3）[2]。

圖3 Ma rk Goulthorpe/dECOi.設(shè)計(jì)的Ae gis Hypo s urfa ce動(dòng)態(tài)幕墻系統(tǒng)

二、材料驅(qū)動(dòng)功能

材料信息不能僅僅被整合到計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，也可以作為形態(tài)生成的驅(qū)動(dòng)力。材料本身的行為特征，還有材料化過(guò)程中的其相關(guān)屬性不僅被視作不利條件，更應(yīng)是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新源泉。人們開(kāi)始意識(shí)到對(duì)材料天然的形態(tài)生成潛力尊重的重要性。當(dāng)前有必要重新審視結(jié)構(gòu)和形式的根源，并非附加在被動(dòng)對(duì)象的無(wú)意義添加，也并非組裝線上由上及下的指令，而是來(lái)自材料內(nèi)部的聲音，一種當(dāng)允許材料通過(guò)我們創(chuàng)作發(fā)聲時(shí)的意外收獲。

2.1 自然系統(tǒng)：本能反應(yīng)

自然界已進(jìn)化出一套應(yīng)對(duì)自然氣候的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。對(duì)建筑來(lái)說(shuō)，一種最有趣的方式是一些植物中存在的靠濕度調(diào)節(jié)的開(kāi)啟或者閉合效應(yīng)，如捕蠅草[3]。這種效應(yīng)包括一種對(duì)濕度變化的被動(dòng)調(diào)節(jié)，不需任何感知系統(tǒng)或動(dòng)力作用，獨(dú)立于代謝系統(tǒng)也不消耗任何能量，這種反應(yīng)能力是與生俱來(lái)置于材料吸濕行為和 “各向異性的”（Anisotropy）（“各向異性的”代表不同方向具備不同材料屬性）。譬如木材不同的物理屬性與其紋理方向相關(guān)，吸濕性則是指材料在干燥環(huán)境下從大氣中獲取濕氣、在潮濕環(huán)境下排放濕氣的能力。因此，保持材料濕度與環(huán)境濕度相平衡，吸濕排濕過(guò)程中材料發(fā)生物理變化，水分子依附于材料分子。

“各向異性行為”是HFG Offenbach和斯圖加特的ICD關(guān)于開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境濕度作出反應(yīng)的復(fù)合材料的子課題。材料利用簡(jiǎn)單對(duì)角切割的楓木面板，之所以用楓木，由于其年輪切線方向幅度上較大的改變及低延展性；相對(duì)濕度上的變化，如40%至70%導(dǎo)致面板尺寸上的快速變化進(jìn)而由面板構(gòu)筑的單體也會(huì)發(fā)生形狀改變，濕度快速升高，單體會(huì)在數(shù)分鐘內(nèi)由直變曲，面板構(gòu)成的組件以驚人簡(jiǎn)單的方式支持了材料對(duì)環(huán)境的反應(yīng)能力，內(nèi)置調(diào)節(jié)感應(yīng)功能又不需要?jiǎng)恿刂乞?qū)動(dòng)；再有， 所用面板組件獨(dú)立運(yùn)作，去中心化的控制和系統(tǒng)層面上的集體動(dòng)作對(duì)本地微氣候極為敏感且高效，氣壓倉(cāng)內(nèi)精細(xì)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試展示了材料系統(tǒng)對(duì)環(huán)境濕度快速的反應(yīng)能力，系統(tǒng)無(wú)數(shù)次持續(xù)開(kāi)合表明感知觸發(fā)調(diào)節(jié)的可靠性，表皮對(duì)微氣候變化的局地反饋控制（見(jiàn)圖4）。

圖4 材料系統(tǒng)對(duì)環(huán)境濕度快速的反應(yīng)能力

2.2 材料系統(tǒng)：程序化的反饋機(jī)制

在單元層級(jí)的各類行為能力研究為在系統(tǒng)層級(jí)各種潛能的挖掘奠定基礎(chǔ)。迄今為止兩種系統(tǒng)類型已投入研究：一種是在相對(duì)濕度增加時(shí)單元自動(dòng)開(kāi)啟的系統(tǒng)[4]；另一種是反向系統(tǒng)，即相對(duì)濕度增加時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)閉合，如在雨天，自動(dòng)閉合的單元格提供一種對(duì)天氣敏感且可逆的庇護(hù)膜組方案。此外，由于相對(duì)濕度由氣溫決定，這類系統(tǒng)也會(huì)顯示出一定溫度反饋能力，如溫度驟降時(shí)，膜組同樣閉合。利用功能模型，這類膜組行為已有較深入研究，既能在氣候倉(cāng)里用精確的濕度控制來(lái)測(cè)試，也能通過(guò)長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境下來(lái)測(cè)試。

系統(tǒng)形態(tài)學(xué)在這些本地控制反饋的膜結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)中扮演重要角色，因?yàn)槊恳粋€(gè)區(qū)域獨(dú)立感知局地的濕度變化并據(jù)此改變膜表面形狀。存在于表面的微氣候條件同樣受到系統(tǒng)行為影響并直接為局部的模組形狀和整體系統(tǒng)的形態(tài)學(xué)所左右。較之于相對(duì)簡(jiǎn)單常規(guī)的測(cè)試模型，計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的應(yīng)用衍生出更多獨(dú)特的形態(tài)，闡述了整體系統(tǒng)反饋及宏觀微觀動(dòng)態(tài)模組同個(gè)體單元間復(fù)雜的互利關(guān)系，這一過(guò)程中通過(guò)一系列基于材料解剖，特性和行為的參數(shù)和限制條件用于運(yùn)算生成并控制幾何體表面。通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)包括四邊、五邊、六邊、七邊形對(duì)象能在形態(tài)特征上自適應(yīng)，這些特征包括諸如密度、曲率、結(jié)構(gòu)及毗鄰組件間的相互關(guān)系等（見(jiàn)圖5）。

圖5 基于材料解剖的不同幾何體表面

系統(tǒng)形態(tài)生成的更新以動(dòng)態(tài)的運(yùn)算過(guò)程變量和生成結(jié)果的評(píng)估為基礎(chǔ)，這一計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單[5]，僅包括四邊形、五邊形、六邊形和七邊形對(duì)象以適應(yīng)諸如本地單元密度和整體曲率這類形態(tài)特征，以應(yīng)對(duì)整體需要。通過(guò)變化的紋理方向的重復(fù)疊加，單元體得以具備面向每一個(gè)反饋組件參數(shù)的結(jié)構(gòu)潛力。在整體系統(tǒng)中，這種局部增厚的設(shè)計(jì)構(gòu)建了附著反饋膜體部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格框架，反饋系統(tǒng)組件能自適應(yīng)于四邊、五邊、六邊、七邊形，同時(shí)組件不需要附屬結(jié)構(gòu)，反饋的關(guān)鍵在于較厚邊緣部分的延伸（見(jiàn)圖6）。氣溫回升則重新開(kāi)啟（見(jiàn)圖7，8）。

圖6 局部增厚的設(shè)計(jì)

圖7 法蘭克福的FAZ庇護(hù)性景觀表皮隨氣候而變化

2.3 氣候建筑：關(guān)于生態(tài)

三、材料驅(qū)動(dòng)形態(tài)

作為一種多樣的行為特征而非劣勢(shì)，考察木材固有的環(huán)境反饋能力允許我們對(duì)這種古老材料潛力的挖掘。在建筑界，其提供一種新選擇，將反饋機(jī)制視作材料自身固有的非技術(shù)的潛能，而非通過(guò)技術(shù)手段附加在這些被動(dòng)的構(gòu)筑物上。

這些關(guān)于材料潛能的研究在建筑業(yè)內(nèi)，以及在其他行業(yè)內(nèi)的拓展應(yīng)用可謂意義深遠(yuǎn)，如FAZ夏日館。位于法蘭克福的FAZ庇護(hù)性景觀表皮能隨氣候變化而產(chǎn)生形態(tài)上的變化，提供全新的環(huán)境和空間體驗(yàn)。這種反饋能力內(nèi)置于材料本身，無(wú)需外力或設(shè)備支持。當(dāng)天氣由晴轉(zhuǎn)陰時(shí)或環(huán)境濕度的變化自動(dòng)觸發(fā)反饋機(jī)制。閉合后的外皮也能防風(fēng)遮雨。以這種整體結(jié)構(gòu)和吸濕系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整座夏日的外膜有效應(yīng)對(duì)氣候變化。低濕的干燥天氣里，表皮張開(kāi)；雨季則觸發(fā)閉合機(jī)制滿足防護(hù)需求，一旦雨季結(jié)束，濕度下降的時(shí)候場(chǎng)館的外膜系統(tǒng)重新打開(kāi)；入夜的低溫也會(huì)觸發(fā)外膜閉合，晨間

數(shù)字形態(tài)生成設(shè)計(jì)案例中，材料突出表現(xiàn)作形態(tài)的驅(qū)動(dòng)力量，因材施“造”。利用數(shù)字模擬技術(shù)能預(yù)先根據(jù)材料張力彈性等物理屬性模擬生成形態(tài)。不同于以往，這一過(guò)程中對(duì)復(fù)雜形態(tài)模擬和行為判斷異常精準(zhǔn)。利用計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)環(huán)境，通過(guò)輔助設(shè)計(jì)提出形式方案、結(jié)構(gòu)方案及形式的創(chuàng)建過(guò)程已有很長(zhǎng)歷史，如高迪在巴塞羅的圣家族大教堂，Sagrada Fam ília設(shè)計(jì)的懸索結(jié)構(gòu)到近代Frei Otto受到肥皂泡啟發(fā)，用固定節(jié)點(diǎn)的支架和編織材料構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)建筑。這些案例中，很容易認(rèn)識(shí)到形式不是終極目標(biāo)，而是一系列同實(shí)驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出的材料及物理特性等相關(guān)過(guò)程綜合作用的結(jié)果，即形態(tài)學(xué)理論或進(jìn)而所謂格式塔理論。通過(guò)模擬一些具備系統(tǒng)屬性的作用主體，研究分析幾何對(duì)象的表達(dá)和基礎(chǔ)作用，而這也正是利用創(chuàng)新途徑開(kāi)發(fā)構(gòu)建整合建筑系統(tǒng)過(guò)程中最關(guān)鍵的問(wèn)題所在。

圖8 德國(guó)斯圖加特大學(xué)濕度調(diào)節(jié)封皮實(shí)物模型開(kāi)合時(shí)的狀態(tài)說(shuō)明材料具備感知、自發(fā)驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)的屬性

這些先前案例關(guān)注的是梳理解決系統(tǒng)中具備相互作用關(guān)系的復(fù)雜性問(wèn)題，尤其是跨越網(wǎng)格梯度和大小層級(jí)范圍的相互作用關(guān)系。最基礎(chǔ)的作用主體是物質(zhì)而非材料，因?yàn)樵诳啥x的組織系統(tǒng)中物質(zhì)是最直觀和具體的；原則上，物質(zhì)具備物理屬性和環(huán)境屬性，通過(guò)物質(zhì)表達(dá)能使各樣材料集合產(chǎn)生形態(tài)上的變化。Otto的數(shù)個(gè)肥皂膜案例研究就是這一現(xiàn)象研究的典型代表：力場(chǎng)平均分布的平衡狀態(tài)下的物質(zhì)組合描述了節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樵撈胶鈶B(tài)是存在于在物體表面的持續(xù)涌動(dòng)的狀態(tài)[6]，探究材料智慧是解決形式復(fù)雜性的關(guān)鍵。

所謂尋求形式的解決方案通常指在內(nèi)部和外部壓力條件下，通過(guò)材料組織獲得形式，通過(guò)物理方式獲得形式以及通過(guò)計(jì)算機(jī)獲取形式本質(zhì)上存在區(qū)別；前者即是對(duì)特定力場(chǎng)條件和元素條件的模擬，后者是對(duì)環(huán)境變量的量化分析。盡管材料被視作生成形態(tài)的參數(shù)，它通常仍是基于計(jì)算機(jī)幾何算法的物化的度量標(biāo)準(zhǔn)，材料元素的相互作用僅存在于幾何概念中，并非總是有結(jié)果[7]。由一種元素向另一種整體系統(tǒng)的降級(jí)轉(zhuǎn)化，沒(méi)法在單一數(shù)學(xué)描述或幾何關(guān)系中得以捕獲或表達(dá)，計(jì)算機(jī)形式生成的限制因素是物質(zhì)量化和行為量化。籍此，不同類型物質(zhì)相互作用，空間上展示模型的具象化是自發(fā)形成的；同時(shí)，時(shí)間上模型形態(tài)經(jīng)由物質(zhì)行為獲得。無(wú)論如何，物質(zhì)量化或行為量化仍是固有且持續(xù)存在的。

這些概念在一些計(jì)算過(guò)程演算和張力表皮的形態(tài)學(xué)相關(guān)研究中得以表達(dá)（通常指張拉膜和懸索結(jié)構(gòu)）。借用計(jì)算機(jī)分析處理形式和操作行為中系統(tǒng)的物理屬性是問(wèn)題關(guān)鍵，因?yàn)槠錈o(wú)法從數(shù)學(xué)層面加以描述，只有對(duì)張力分布的精確復(fù)制，生成表皮位置和結(jié)構(gòu)剛性數(shù)據(jù)才是切實(shí)有效的；力場(chǎng)和物質(zhì)不同幅度層級(jí)、范圍的相互依賴要求提出一些唯一的解讀、研判方法和框架。較之形態(tài)展示更關(guān)注行為本身，核心問(wèn)題是該過(guò)程中作為過(guò)渡函數(shù)，行為準(zhǔn)則如何形成，在全局行為中發(fā)揮作用并轉(zhuǎn)化作具體的編織指令和操作指令。

3.1 系統(tǒng)生成

在處理張拉系統(tǒng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)化和行為成為核心概念。該類型系統(tǒng)由3種基本形態(tài)組成：鞍形、錐形和脊谷形[8]。盡管所有張拉幾何體可以分解作這3種形態(tài)，其復(fù)合形態(tài)也是其中必不可少的可能組成部分。在該層級(jí)下的轉(zhuǎn)化函數(shù)來(lái)源于力場(chǎng)的內(nèi)在邏輯、曲率和邊界條件，因?yàn)檫@些定義不同形態(tài)特征的函數(shù)并非幾何對(duì)象，而是一種力的協(xié)調(diào)介質(zhì)在空間形態(tài)中通過(guò)干擾影響控制整體形態(tài)來(lái)發(fā)揮作用，重要的是認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)建模過(guò)程，該過(guò)程通過(guò)輸入特定材料特征（材料和力場(chǎng)）具體形態(tài)和一些智能控制得以實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜的拓?fù)湫螒B(tài)由多個(gè)柱形網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)組合而成，不勻的受力分布準(zhǔn)確描繪了最終方案，為實(shí)物和預(yù)力設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。從計(jì)算機(jī)模擬的力量分布到實(shí)體模型由數(shù)字材料測(cè)試完成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)由計(jì)算機(jī)定義的邏輯繪制而成（見(jiàn)圖9）。

圖9 復(fù)雜的拓?fù)湫螒B(tài)由多個(gè)柱形網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)組合而成

依據(jù)對(duì)張拉系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算，Otto開(kāi)發(fā)的材料高度定制化模型算是先驅(qū)，當(dāng)時(shí)只有一些手工計(jì)算運(yùn)用在模型中以增加設(shè)計(jì)的有效性。如今由類似動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，力量控制和剛度控制的“有限元分析”系統(tǒng)取而代之，其中虛擬模型用以測(cè)試特定材料負(fù)載的動(dòng)態(tài)張力和在多余外部荷載下的邊際參數(shù)[9]。當(dāng)然，這些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)疑需要首先確定的是相關(guān)信息數(shù)據(jù)，該過(guò)程并非信息驗(yàn)證或信息組合，而是遵循特定系統(tǒng)形成邏輯，通過(guò)該邏輯不斷調(diào)校的行為原則以各種物質(zhì)形態(tài)積累形成最終系統(tǒng)。

3.2 行為嵌入

拓?fù)涫强鐚蛹?jí)行為表達(dá)。概念上，頂層拓?fù)涿枋鋈中螒B(tài)，它們包括如鞍形平面、柱形椎體或其他更加復(fù)雜的超環(huán)面、超級(jí)拓?fù)渚W(wǎng)格等[10]。拓?fù)渥钪匾囊饬x在于張力表達(dá)的介質(zhì)，元素網(wǎng)絡(luò)精確描述張力重力等力場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方式，但是在材料行為的特殊解讀上仍有些許區(qū)別，在張拉織物或覆膜表面力量分布跨越邊際區(qū)域，這點(diǎn)可以在選擇不同編織材料的具體案例中得以說(shuō)明。節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定的張拉膜，力在各節(jié)點(diǎn)被局部分散吸收[11]，力通常自發(fā)尋求平衡，而平衡并非總是通過(guò)勻質(zhì)實(shí)現(xiàn)；拓?fù)淠軌蚪?jīng)由不同局部形態(tài)構(gòu)建，局部行為也會(huì)在受力表面或者局部施壓的網(wǎng)格表面產(chǎn)生差異。運(yùn)用不同柱形開(kāi)口的個(gè)體單元由連續(xù)弧面組成，張力網(wǎng)和方向坐標(biāo)用以控制整體形態(tài)，包裹牽拉的力量變化定義了開(kāi)口直徑大小，在調(diào)整開(kāi)口大小深度和材料厚度時(shí)聲學(xué)效應(yīng)也是考量的重要因素（見(jiàn)圖10）。

圖10 由連續(xù)弧面組成不同柱形開(kāi)口的個(gè)體單元

盡管拓?fù)淅霉?jié)點(diǎn)系統(tǒng)造型，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)模擬諸如重力、張力、壓力、牽引力和磁力等外力類型。彈性材料以Hooke拉力定律為基礎(chǔ)影響拓?fù)湫螒B(tài)，過(guò)程中各力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)平衡。形態(tài)事實(shí)上是探究復(fù)雜張力形態(tài)的信息工具，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)早已引入節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，但僅局限于平衡狀態(tài)下提供位置信息，關(guān)于界定張拉表面或網(wǎng)格力矩及其力場(chǎng)分布等的信息仍是構(gòu)建那些結(jié)構(gòu)上相互關(guān)聯(lián)的拓?fù)湎到y(tǒng)的關(guān)鍵。超幾何環(huán)面計(jì)算機(jī)模擬圖應(yīng)用材料表現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算進(jìn)行校準(zhǔn)。盡管在幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，但真實(shí)模型仍能與計(jì)算機(jī)模型保持一致（見(jiàn)圖11，12）。

圖11 超幾何環(huán)面計(jì)算機(jī)模擬圖

3.3 進(jìn)化的形態(tài)空間

因?yàn)椴粩喔碌南到y(tǒng)是不同演進(jìn)過(guò)程的集合，該過(guò)程無(wú)法通過(guò)某一代的分析反饋來(lái)控制或者了解系統(tǒng)，最優(yōu)的框架組織是在形態(tài)空間的不斷進(jìn)化中實(shí)現(xiàn)。發(fā)展的形態(tài)空間由變量集合體來(lái)定義，該集合體囊括特定形態(tài)過(guò)程，又能同外部進(jìn)化壓力相比較[12]。形態(tài)空間定義空間的拓?fù)湫问皆从谛螒B(tài)空間的特定形態(tài)變化，無(wú)疑將導(dǎo)致基于這種變量參數(shù)的新型形態(tài)空間的產(chǎn)生，當(dāng)然該參數(shù)以相關(guān)材料屬性作標(biāo)準(zhǔn)。

四、材料的物理影響和情感影響

圖12 物理模型尺寸大致為120 cm×80 cm×150 cm

材料的屬性同材料的物理影響(Effect)和情感影響(Affect)間存在密切聯(lián)系，外觀和形式影響效應(yīng)的表達(dá)可以對(duì)建筑本質(zhì)的探索產(chǎn)生無(wú)比重要的影響。Ruskin在《建筑的七盞明燈》中提到建筑本質(zhì)時(shí)認(rèn)為建筑不僅應(yīng)該誠(chéng)實(shí)也應(yīng)反映社會(huì)與文化，更應(yīng)該忠實(shí)于結(jié)構(gòu)、材料和建造途徑。Peter Eisenman在材料的物理效應(yīng)和情感效應(yīng)上作了區(qū)分[13]，他提到物理效應(yīng)是一種結(jié)果狀態(tài)，由某一因素觸發(fā)，建筑上可以理解作對(duì)象和其功能或意義間的關(guān)系，這一觀點(diǎn)在過(guò)去200年間主宰西方建筑；而情感效應(yīng)是對(duì)物理環(huán)境的感性反映，正如建筑強(qiáng)調(diào)沉浸體驗(yàn)、互動(dòng)、視覺(jué)和感官解讀，精心處理的材料其物理效應(yīng)能觸發(fā)情感效應(yīng)。

坐落在上海的一個(gè)廢棄汽車修理廠，現(xiàn)為同濟(jì)博物館“可充氣”的場(chǎng)地裝置藝術(shù)是周洪濤團(tuán)隊(duì)2017年完成的項(xiàng)目。充氣膜結(jié)構(gòu)穿梭在原有建筑中，倚靠、包裹、擠壓，按撫已有建筑結(jié)構(gòu)。裝置藝術(shù)不會(huì)對(duì)原建筑造成破壞，而是運(yùn)用具動(dòng)勢(shì)的造型手段使被忽略的空間煥發(fā)生機(jī)，同時(shí)對(duì)城市的無(wú)限擴(kuò)張和對(duì)空間無(wú)止盡索取提出質(zhì)疑 （見(jiàn)圖13）。又如 “黏性竹雕”，周洪濤及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)作陳列于夏威夷大學(xué)Haigo and Irene Shen藝術(shù)館，該項(xiàng)目試圖探討人類環(huán)境和自然環(huán)境間的關(guān)系，初衷是完成一個(gè)關(guān)于反映學(xué)生日常觀察體驗(yàn)，表達(dá)其文化和環(huán)境的命題創(chuàng)作。設(shè)計(jì)由柱子和紙板制作，造型受到變色龍的舌頭形態(tài)啟發(fā)，代表了夏威夷當(dāng)?shù)丨h(huán)境。雕塑運(yùn)用超現(xiàn)實(shí)主義手法賦予場(chǎng)地獨(dú)特的空間印象，粘在墻壁上的竹子給人力量和緊張感，讓人印象深刻（見(jiàn)圖14）。

圖13 “可充氣”的場(chǎng)地裝置藝術(shù)

圖14 黏性竹雕

材料的物理效應(yīng)具備表現(xiàn)力，能通過(guò)驗(yàn)證材料功能判斷其好壞。建筑材料屬性的表現(xiàn)維度本質(zhì)上是物質(zhì)上的和精神上的，材料的外觀同其在結(jié)構(gòu)、熱力、聲學(xué)上履行的功能同樣重要。材料可以通過(guò)機(jī)械化加工如切割、擠壓、彎曲、鑄造等手段獲得，它們可以被用在幕墻，建筑拋光塑形的外墻表面以獲得不同物理效應(yīng)，但更重要的是他們用以影響人們對(duì)形式外觀和空間的感知和體驗(yàn)，賦予建筑意義，激發(fā)情感。

正如“標(biāo)尺”由作者所在的周洪濤團(tuán)隊(duì)于2021年創(chuàng)作完成，是上海赤峰路街景改造項(xiàng)目的一部分，其靈感源于抽象的喬木造型，立面上的標(biāo)尺利于行人和雕塑間的互動(dòng)，拋光的不銹鋼材質(zhì)營(yíng)造多變奇幻的視覺(jué)體驗(yàn)（見(jiàn)圖15）。材料和它的特定屬性使建筑具備多重感官性，我們不僅看也會(huì)撫摸聆聽(tīng)材料，所有這些匯聚成我們對(duì)空間的理解和體驗(yàn)，正如Juhani Pallasmaa所說(shuō)”建筑的真實(shí)體驗(yàn)源于真實(shí)或想象的肢體接觸而非僅靠視覺(jué)。”[14]

圖15 標(biāo) 尺

五、結(jié) 語(yǔ)

憑借數(shù)字形態(tài)生成技術(shù)我們得以進(jìn)一步剖析形態(tài)和材料間的因借關(guān)系，探索材料的物理影響和情感影響效應(yīng)，利用大自然的智慧幫助我們找到形態(tài)和生態(tài)最優(yōu)的切入點(diǎn)。更多設(shè)計(jì)師在大自然中尋找靈感以探索新材料和材料新行為，從而，建筑能動(dòng)態(tài)的對(duì)外部環(huán)境作出反應(yīng)。除模擬自然界中精美復(fù)雜的圖案和結(jié)構(gòu)，其行為也被借鑒到建筑的外墻設(shè)計(jì)中。遵循這種“形式追隨表現(xiàn)”的策略，人們探索自然界中的形態(tài)發(fā)生原理，為我所用。進(jìn)化的壓力迫使有機(jī)物行為方式高度優(yōu)化且具效率，自然使用最經(jīng)濟(jì)的手段獲得最佳的作用效果，以生物學(xué)作基礎(chǔ)，將仿生學(xué)的研究成果運(yùn)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)主導(dǎo)的設(shè)計(jì)實(shí)踐。材料不再是形態(tài)生成設(shè)計(jì)的附屬品，而是驅(qū)動(dòng)力。正如William Gibson所說(shuō)：“未來(lái)已然來(lái)到，只是分布不均。”[15]