基于拓?fù)鋬?yōu)化及集群智能的計(jì)算設(shè)計(jì)與智能建造的分析和探索

嚴(yán)鑫 鮑鼎文

以有限元方法（Finite Element Method）、計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）等為代表的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，憑借精準(zhǔn)和快速的數(shù)據(jù)反饋，成為分析、評估建筑設(shè)計(jì)成果的重要手段。定量分析的模擬計(jì)算能夠及時(shí)、精準(zhǔn)地反饋方案變更中的結(jié)構(gòu)、聲、光、熱、風(fēng)等性能變化。該類計(jì)算軟件在復(fù)雜項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工中起到了重要作用，多被應(yīng)用于對既有建筑形態(tài)的分析與修正，較少應(yīng)用于方案設(shè)計(jì)階段。

另一方面，隨著數(shù)字建筑理論的發(fā)展，基于生物形態(tài)模式的找形技術(shù)逐漸從先鋒派設(shè)計(jì)走向?qū)嵺`。集群智能算法（Swarm Intelligence）是一種復(fù)雜性形式模擬邏輯，起源于鳥群、蟲群、人類社會網(wǎng)格及城市運(yùn)行系統(tǒng)[1]。憑借其簡潔的邏輯架構(gòu)、優(yōu)秀的可移植性和廣泛的應(yīng)用前景，逐漸應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)。通過該算法，建筑師可以將自然界中生物的行為邏輯應(yīng)用于建筑，從而使生物性環(huán)境應(yīng)對策略得以在智能建筑中展現(xiàn)。然而，此方法仍然處于試驗(yàn)階段，在實(shí)踐中這種動態(tài)的設(shè)計(jì)邏輯往往因?yàn)闊o法獲得來自建筑自身和環(huán)境的數(shù)據(jù)反饋，而難以固定為最終的設(shè)計(jì)方案。

在這樣的語境下，將性能數(shù)據(jù)作用于多智能體，用以實(shí)現(xiàn)基于性能數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿生計(jì)算性建筑設(shè)計(jì)，將有利于突破上述困境，為建筑設(shè)計(jì)提供新的思路。由于這一設(shè)計(jì)方法的造型復(fù)雜性和多樣性，建筑師們開始引入多種數(shù)控建造手段，并利用建筑信息模型BIM系統(tǒng)進(jìn)行管理和制造建筑預(yù)制件。計(jì)算性設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)的數(shù)控制造工藝將逐漸更新建筑設(shè)計(jì)模式，并更精準(zhǔn)地利用數(shù)據(jù)加強(qiáng)建筑的性能。

1 結(jié)構(gòu)性能的數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計(jì)

1.1 建筑計(jì)算模型與性能數(shù)據(jù)反饋

自20世紀(jì)60年代，有限元方法、計(jì)算流體力學(xué)等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法逐步應(yīng)用于工程領(lǐng)域。通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與相關(guān)科學(xué)理論，我們可以在復(fù)雜建筑幾何模型與建筑性能分析之間建立起相互關(guān)聯(lián)的路徑，從而實(shí)現(xiàn)對于建筑性能的定量反饋。這條路徑的總體邏輯可以分為模型離散化、設(shè)定輸入?yún)?shù)與計(jì)算模擬分析三個步驟。

首先，在建筑師根據(jù)設(shè)計(jì)意圖得到概念幾何模型之后，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，將復(fù)雜形態(tài)離散成較為規(guī)則的單元體，得到計(jì)算分析模型。其中相鄰單元之間共用相同的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)性能數(shù)據(jù)的傳導(dǎo)。針對不同的分析對象，可以選擇不同類型的單元體進(jìn)行模型離散，例如僅受軸向力的桿單元（對應(yīng)桁架結(jié)構(gòu)體系）和考慮彎矩的梁單元（對應(yīng)梁柱結(jié)構(gòu)體系）較為常見，覆于曲面表面的殼單元和充滿連續(xù)體內(nèi)部的實(shí)體單元，則適用于較為復(fù)雜的三維模型。繼而，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定模型屬性系數(shù)（材料屬性）與環(huán)境條件參量（邊界條件），進(jìn)入計(jì)算分析模擬流程。通過離散化，原本復(fù)雜的幾何模型帶來的分析難點(diǎn)，可以被大量相對簡單的理論數(shù)值計(jì)算近似替代，建筑師再通過性能數(shù)據(jù)反饋，修改方案直至達(dá)到要求。

這樣的工作流程本質(zhì)上遵循了“后理性幾何”（Post-rationalized Geometries）的工作范式[2]，將既有的自由形式優(yōu)化為合理的替代模型。其優(yōu)點(diǎn)在于各專業(yè)之間的關(guān)聯(lián)依靠性相對較弱，可以獨(dú)立開展工作，但這種獨(dú)立性卻造成了建筑方案推敲過程中大量的重復(fù)循環(huán)修改。同時(shí)，由于缺乏對建筑各方面性能數(shù)據(jù)的總體調(diào)控，線性的工作流程不可避免地?fù)p失了一部分形態(tài)解決方案的可能性。隨著數(shù)字建筑理論與技術(shù)的發(fā)展，一些以“先理性幾何”（Pre-rationalized Geometries）[2]為目標(biāo)的建筑形態(tài)生成方式逐漸被建筑師和學(xué)者們所關(guān)注。這些方法以性能數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過相關(guān)理論和程序算法將“幾何模型—性能分析—手工修改”的單向線性模式變?yōu)椤皫缀文Ｐ汀阅芊治觥?jì)算機(jī)重建”的雙向循環(huán)生成模式，實(shí)現(xiàn)了建筑形態(tài)修正與建筑性能評價(jià)之間的高效聯(lián)動，便于找尋能夠同時(shí)滿足各種需求的建筑形態(tài)“優(yōu)選解”。

1.2 性能數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑形態(tài)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)對建筑形態(tài)影響顯著，其找形方法一直受到建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的關(guān)注。近20年來，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注基于有限元分析數(shù)據(jù)的定量結(jié)構(gòu)找形算法。相較于以圖解靜力學(xué)為代表的定性方法，基于性能數(shù)據(jù)的方法不僅可以考慮真實(shí)材料的耐受與破壞特性及更多的結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，更便于突破既有的結(jié)構(gòu)體系，找到適合于特定情形的新型高效結(jié)構(gòu)方式。由皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）的謝億民院士團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（Evolutionary Structural Optimization,ESO）[3]和雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（Bidirectional Evolutionary Structural Optimization,BESO）[4]正是在每次迭代中，以基于模型單元的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)計(jì)算靈敏度（如應(yīng)變能密度）的相對大小為標(biāo)準(zhǔn)，決定結(jié)構(gòu)單元是否應(yīng)該被刪除或增加。這種對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行逐步演化的方式，也在某種程度上解釋了自然界進(jìn)化的規(guī)律，基于拓?fù)鋬?yōu)化的蘋果、植物形態(tài)演化示意圖能夠展示蘋果的形態(tài)演化[3]以及植物根莖結(jié)構(gòu)的形態(tài)模擬[5]。BESO方法同樣可應(yīng)用于對建成建筑的結(jié)構(gòu)分析，例如馬克·貝瑞（Mark Burry）與謝億民院士對高迪的圣家族教堂樹形結(jié)構(gòu)的分析[6]以及嚴(yán)鑫與鮑鼎文關(guān)于羅馬小體育館殼結(jié)構(gòu)的分析[7]。通過BESO算法及其插件Ameba，建筑師可以將真實(shí)的力學(xué)行為引入方案設(shè)計(jì)，生成新的形態(tài)，如在筆者參與指導(dǎo)的DigitalFUTURES工作營的學(xué)生作業(yè)中，對中國古建筑及埃菲爾鐵塔的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）。在實(shí)踐項(xiàng)目中，建筑師可以根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，對斜塔施加重力、樓板活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載等多重作用，在以上性能數(shù)據(jù)驅(qū)動下生成的BESO拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)符合復(fù)雜的工況要求（圖2），這是定性的找形算法所不能比擬的。2004年建成的位于高槻市（Takatsuki City）的芥川河畔項(xiàng)目（Akutagawa River Side）是首個應(yīng)用ESO方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化找形的實(shí)際項(xiàng)目[8]（圖3）。

日本著名工程師佐佐木睦朗（Mutsuro Sasaki）曾通過原創(chuàng)的敏度分析法（Sensitivity Analysis Method）和拓展?jié)u進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（Extended ESO Method）與伊東豐雄（Toyo Ito）、SANAA、磯崎新（Arata Isozaki）等建筑師創(chuàng)作過形態(tài)新穎、結(jié)構(gòu)合理的建筑作品。其中，敏度分析法適用于對建筑設(shè)計(jì)的曲面進(jìn)行微調(diào)，以滿足一定的結(jié)構(gòu)合理性，如北方町社區(qū)中心（Kitagata Community Center）（圖4）、福岡島城中心公園（The Island City Central Park Gringrin）、冥想之森市營殯儀館（Kakamigahara Crematorium）、勞力士學(xué)習(xí)中心（Rolex Learning Center）等；拓展?jié)u進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法則是在預(yù)先設(shè)定的條件下自動生成合理的結(jié)構(gòu)，其過程與標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化無異，如卡塔爾國家會展中心（Qatar National Convention Center）（圖5）、上海證大喜馬拉雅中心（Shanghai Zendai Himalayan Art Center）等。

除大跨建筑，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)還可用于高層建筑設(shè)計(jì)。與大跨建筑主要應(yīng)對重力問題不同，高層建筑結(jié)構(gòu)所應(yīng)對的主要問題來自于高空空氣流動帶來的橫向荷載。應(yīng)用基于性能數(shù)據(jù)的驅(qū)動設(shè)計(jì)方法，風(fēng)力只會改變計(jì)算模型中的荷載條件，這有助于簡化高層建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。SOM建筑事務(wù)所曾專門探討過拓?fù)鋬?yōu)化在高層建筑中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，如在深圳中信金融中心項(xiàng)目中，工程師通過拓?fù)鋬?yōu)化得到了不同階數(shù)斜交網(wǎng)格的最優(yōu)布置方案，并基于建筑采光、施工等需求對其進(jìn)行修正，得到最終結(jié)果[9]。Zaha Hadid建筑事務(wù)所也就超高層建筑結(jié)構(gòu)的一體化進(jìn)行過數(shù)據(jù)分析找形，例如邁阿密的千號館（One Thousand Museum）公寓。

1 基于BESO 的埃菲爾鐵塔新形式探索

2 多工況斜塔拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

3 芥川河畔項(xiàng)目

4 北方町社區(qū)中心

5 卡塔爾國家會展中心

1.3 性能數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑構(gòu)件優(yōu)化

性能數(shù)據(jù)驅(qū)動的生成設(shè)計(jì)方法，在更小的尺度上依然扮演著重要角色。實(shí)際項(xiàng)目中，局部建筑構(gòu)件需要在滿足結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)節(jié)省材料，達(dá)到簡潔美觀的效果。精細(xì)化的性能分析數(shù)據(jù)，可以更加精準(zhǔn)地滿足特定的功能需求和個性化的選擇。近年來，無梁樓板一直是國際輕量化結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。通過有限元分析，可以得到受力狀態(tài)下樓板力的分布情況，從而通過拓?fù)鋬?yōu)化或應(yīng)力線提取等方式獲得樓板加強(qiáng)部分。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）BRG研究組曾根據(jù)有限元分析得到的主應(yīng)力線，確定樓板加強(qiáng)肋的位置和形態(tài)[10]（圖6）。數(shù)字建筑技術(shù)組（DBT）和丹麥的奧胡斯建筑學(xué)院分別通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對樓板進(jìn)行了優(yōu)化。XtreeE研究組[11]與創(chuàng)盟國際[12]分別基于拓?fù)鋬?yōu)化對柱子和橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)（圖7）?；始夷珷柋纠砉ご髮W(xué)與香港中文大學(xué)合作的智慧節(jié)點(diǎn)（Smart Node）對亭子木結(jié)構(gòu)中的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足任意角度連接的同時(shí)滿足力學(xué)需求[13]（圖8）。與此同時(shí)，Zaha Hadid建筑事務(wù)所、Joris Laarman實(shí)驗(yàn)室、謝億民科技將這一工作方式引入了家具、裝置及藝術(shù)品設(shè)計(jì)[14]（圖9）。

2 基于仿生集群智能算法的建筑設(shè)計(jì)和智能建造

2.1 仿生集群形態(tài)生成

復(fù)雜性理論的出現(xiàn)改變了我們對形式生成的理解。形式的概念化已經(jīng)從宏觀層面轉(zhuǎn)移到關(guān)注形式生成的底層復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行層面[15]。集群智能算法基于從生物界抽象出的規(guī)則，形成具有集群智能的媒介系統(tǒng)，為建筑師提供了一種更動態(tài)、全面的建筑形態(tài)自組織生形研究方法。

2.2 建筑學(xué)中的集群智能找形

建筑學(xué)界一直關(guān)注著自然和生物形態(tài)模擬，近10年，Kokkugia和Biothing等新興建筑事務(wù)所著重探索集群邏輯的形態(tài)生成潛力，利用多智能體算法生成新的建筑形態(tài)。在實(shí)驗(yàn)性的實(shí)踐領(lǐng)域中，基于集群的建筑設(shè)計(jì)研究不斷涌現(xiàn)，哥倫比亞大學(xué)建筑學(xué)院（GSAPP）、英國建筑聯(lián)盟學(xué)校（AA）、倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）、南加州建筑學(xué)院（Sci-Arc）、賓夕法尼亞大學(xué)（UPenn）和皇家墨爾本理工大學(xué)等建筑院校以及阿麗莎·安底拉斯克（Alisa Andrasek）、尼爾·里奇（Neil Leach）、羅伯特·斯多特-史密斯（Robert Stuart-Smith）和羅蘭德·斯努克斯（Roland Snooks）等先鋒建筑師通過設(shè)計(jì)實(shí)踐，推動了集群智能及多智能體算法的運(yùn)算生形。其中Kokkugia創(chuàng)始人、皇家墨爾本理工大學(xué)副教授羅蘭德·斯努克斯一直關(guān)注基于行為設(shè)計(jì)的形式研究，通過多智能體算法進(jìn)行運(yùn)算生形的設(shè)計(jì)方法，將算法設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動化建造、先進(jìn)材料等研究方向緊密關(guān)聯(lián)、生成設(shè)計(jì)（圖10）。斯努克斯教授同時(shí)提出使用有限元結(jié)構(gòu)分析方式延展結(jié)構(gòu)集群智能的概念，通過為多智能體賦予結(jié)構(gòu)行為，建立面向整體結(jié)構(gòu)的全局評估系統(tǒng)，得到實(shí)時(shí)反饋。這為筆者關(guān)于結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)驅(qū)動下集群智能計(jì)算設(shè)計(jì)方法的探索帶來了靈感。

2.3 機(jī)械臂大尺度3D打印制造技術(shù)

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，機(jī)器人建造在當(dāng)今建筑行業(yè)扮演著重要角色?；诠I(yè)機(jī)器人的數(shù)字加工模擬和針對不同建筑材料定制化的工具設(shè)計(jì)，在大規(guī)模生產(chǎn)中，工廠可以經(jīng)濟(jì)高效地制造非單一的建筑預(yù)制構(gòu)件[16]。目前對于這一領(lǐng)域的探索逐漸被國際知名建筑院校和學(xué)院派先鋒建筑師所關(guān)注，如德國斯圖加特大學(xué)的阿希姆·門格斯（Achim Menges）帶領(lǐng)的計(jì)算設(shè)計(jì)學(xué)院（ICD）、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的法比奧·格拉馬齊奧（Fabio Gramazio）、馬蒂亞斯·科勒（Matthias Kohler）創(chuàng)立的“格拉馬齊奧與科勒”機(jī)器人建筑研究中心、中國同濟(jì)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院袁烽教授領(lǐng)導(dǎo)的數(shù)字設(shè)計(jì)研究中心和一造科技（FabUnion）、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)建筑與城市設(shè)計(jì)學(xué)院羅蘭德·斯努克斯創(chuàng)立的建筑機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室等均為這一領(lǐng)域的前沿研究機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)其仿生集群智能設(shè)計(jì)的形態(tài)，羅蘭德·斯努克斯在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配備了多種技術(shù)進(jìn)行機(jī)器建造，目前主要聚焦于聚合物、陶瓷和金屬的3D打印研究工作，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、大尺度、定制化建筑構(gòu)件的增材制造（圖11）。實(shí)驗(yàn)室專注于探索具有前沿價(jià)值的試驗(yàn)項(xiàng)目及大尺度的原型研發(fā)，從而更好地確立研究架構(gòu)的發(fā)展?jié)摿敖ㄖ?shí)踐的延伸意義，例如其為莫納什大學(xué)SensiLab設(shè)計(jì)制造的室內(nèi)隔墻和為維多利亞國家美術(shù)館（National Gallery of Victoria）設(shè)計(jì)制造的三年展“浮冰”藝術(shù)裝置（圖12）。

6 ETH BRG 研究組的預(yù)應(yīng)力樓板

7 XtreeE 研究組的樹形柱

8 RMIT 大學(xué)的亭子

9 謝億民科技設(shè)計(jì)的椅子

10 羅蘭德·斯努克斯設(shè)計(jì)的Kazakhstan Symbol 作品

11 RMIT 機(jī)械臂大尺度3D 打印實(shí)驗(yàn)室

2.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)全息數(shù)字建造技術(shù)

由皇家墨爾本理工大學(xué)建筑與城市設(shè)計(jì)學(xué)院講師Gwyllim Jahn和Cameron Newnham創(chuàng)立的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)全息數(shù)字建造技術(shù)的科技公司Fologram，近年發(fā)展迅速。Fologram通過Hololens等增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，將三維模型轉(zhuǎn)化為全尺寸施工指南（圖13）。這一程序致力于在作業(yè)空間里疊加數(shù)字化指導(dǎo)，輔助需要測量、驗(yàn)證和針對性管理的復(fù)雜項(xiàng)目建造，實(shí)現(xiàn)對施工過程中砌筑工作的逐步指導(dǎo)。應(yīng)用Fologram，已有建筑師設(shè)計(jì)制造了復(fù)雜的構(gòu)筑物和藝術(shù)裝置，例如愛沙尼亞第五屆塔林建筑雙年展中，由集群智能算法設(shè)計(jì)而成的“蒸汽朋克”展亭項(xiàng)目（圖14）。

3 結(jié)語

綜上，在過去10年間，建筑性能數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計(jì)與仿生集群優(yōu)化形態(tài)生成已從前沿理論發(fā)展至實(shí)踐階段。本文基于皇家墨爾本理工大學(xué)對這兩項(xiàng)數(shù)字技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的梳理，提出了基于性能數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿生集群計(jì)算設(shè)計(jì)方法。其中，由理性的性能模擬分析得來的數(shù)據(jù)以向量的形式作用于集群智能體的行為，配合感性的人為控制因素，衍生成多樣的建筑形態(tài)“優(yōu)選解”。這樣的過程實(shí)現(xiàn)了“幾何模型—性能分析—計(jì)算機(jī)重建”的雙向循環(huán)生成模式，形成了集理性分析與感性生成于一體的高效、開放的計(jì)算設(shè)計(jì)框架。

同時(shí)，可以通過引入數(shù)控建造手段，實(shí)現(xiàn)這兩類生成式算法產(chǎn)生的復(fù)雜多變的建筑形態(tài)。生成過程中得到的關(guān)于建筑各方面性能豐富而全面的數(shù)據(jù)信息，在后續(xù)的建筑信息模型BIM系統(tǒng)管理和建筑預(yù)制件制造過程中將發(fā)揮巨大作用。這些數(shù)據(jù)將確保諸如機(jī)械臂大尺度建造、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)全息數(shù)字等技術(shù)，能夠在后續(xù)的建筑工業(yè)中順利實(shí)現(xiàn)。從計(jì)算性設(shè)計(jì)到數(shù)控制造工藝的完整數(shù)據(jù)鏈將逐漸更新建筑設(shè)計(jì)的模式，從而更加精準(zhǔn)合理地為未來建筑賦能。

12 維多利亞國家美術(shù)館“浮冰”藝術(shù)裝置

13 Fologram 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)建造技術(shù)

14 愛沙尼亞塔林雙年展“蒸汽朋克”展亭

圖片來源

1來源于2020 年DigitalFUTURES 工作營

2作者自繪

3來源于文獻(xiàn)[8]

4來源于https://www.wikimedia.org

5來源于https://www.archdaily.cn

6來源于文獻(xiàn)[10]

7來源于文獻(xiàn)[11]

8來源于文獻(xiàn)[13]

9謝億民科技/ 南京阿米巴工程優(yōu)化研究院提供

10來源于www.rolandsnooks.com

11來源于RMIT 機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)室https://architecturalrobotics.org

12來源于www.rolandsnooks.com

13來源于https://fologram.com

14來源于https://soomeenhahm.com