基于操作理論的數(shù)字建筑編織表皮設(shè)計(jì)方法研究

王月濤，仲美玲，鄭斐*

1 操作與編織

操作與交流是人類(lèi)存在的基本方式，人在操作實(shí)踐中形成了對(duì)于事物的體驗(yàn)、認(rèn)識(shí)，并通過(guò)對(duì)操作行為及內(nèi)容的反思形成了圖式、流程及語(yǔ)言，可進(jìn)行表征和交流活動(dòng)。作為實(shí)踐活動(dòng)中事物創(chuàng)造和實(shí)驗(yàn)的方法，操作及其表征具有基礎(chǔ)性意義。早在古希臘，天文學(xué)家克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemy）就將宇宙視為假想性的操作，開(kāi)啟了早期人類(lèi)對(duì)操作基礎(chǔ)作用的樸素認(rèn)識(shí)。隨后的歷史發(fā)展中，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐基礎(chǔ)性作用的哲學(xué)，也在不同程度上對(duì)操作實(shí)踐有所關(guān)注和闡釋。在近現(xiàn)代科學(xué)、哲學(xué)發(fā)展的影響下，操作作為一個(gè)核心概念，在各種研究目的驅(qū)使下獲得了科學(xué)家、管理學(xué)者、認(rèn)知和行為心理學(xué)家的普遍關(guān)注（表1）。物理學(xué)家珀西·威廉斯·布里奇曼（P. W. Bridgman）的操作主義在本質(zhì)上即是主張將物理概念還原到操作來(lái)定義的哲學(xué)。他認(rèn)為：概念是構(gòu)成科學(xué)理論的基本單元和普遍觀念，是一種被對(duì)象化和固定化的認(rèn)知，只有還原到基本“操作”上，才能取得其存在的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。誠(chéng)然，布里奇曼的理論因具有強(qiáng)烈的還原主義色彩，忽視了人的主觀能動(dòng)性而受到爭(zhēng)議，但不可否認(rèn)，其對(duì)操作于科學(xué)和實(shí)踐基礎(chǔ)性作用的強(qiáng)調(diào)對(duì)科學(xué)發(fā)展的引導(dǎo)是基本正確的。1970年代后，操作作為一個(gè)普遍的概念及精神，融入進(jìn)了科技文化的血脈中，在各種關(guān)于程序、算法及人對(duì)事物操作的表征研究中時(shí)時(shí)閃現(xiàn)。在科學(xué)文化的語(yǔ)境中，操作一般是指人使用工具完成特定的實(shí)踐（或?qū)嶒?yàn)）所采取的一系列動(dòng)作和步驟。從一定意義上講，數(shù)字化算法也是操作，采用計(jì)算機(jī)所理解的方式把完成某個(gè)特定任務(wù)需要遵循的正確步驟記錄下來(lái)，再選擇合適的編程語(yǔ)言對(duì)其加以數(shù)字化及程序化的表征和描述，即可形成算法[2]。

表1 各歷史時(shí)期不同領(lǐng)域?qū)τ诓僮鞯恼J(rèn)識(shí)，仲美玲繪制

作為一種實(shí)踐操作方式，編織也是人的基本存在方式，貫穿于人類(lèi)社會(huì)的始終。在人類(lèi)造物實(shí)踐中，“編織”是充盈著人類(lèi)智慧的由點(diǎn)、線(xiàn)到面進(jìn)而圍合成體的組織技法，多用于器物及織物的編制。同時(shí)，它又作為一種傳統(tǒng)操作技藝，與建筑表皮的形式創(chuàng)造具有天然聯(lián)系。戈特弗里德·森佩爾（Gottfried Semper）認(rèn)為，傳統(tǒng)編織與建筑四要素中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[4]，建筑最早的特征就是人類(lèi)為了御寒保暖覆蓋在身上的毛皮或織物，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)“墻體”即是在編織物的基礎(chǔ)上演變而來(lái)。1990年代以來(lái)，數(shù)字技術(shù)與各學(xué)科之間相互滲透融合，利用計(jì)算機(jī)軟件可以探索不同形式建筑表皮的生成演變規(guī)律，將建筑問(wèn)題抽象為數(shù)理模型，再基于既定規(guī)則自發(fā)生成各種合理的圖示化方案，不同程序設(shè)定規(guī)則通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程的某一環(huán)節(jié)進(jìn)而可對(duì)建筑形式產(chǎn)生約束。建筑編織表皮亦可看作“編織操作”的圖示化表達(dá)結(jié)果，編織與圖示間的匹配關(guān)系以人在三維空間中的操作為紐帶，通過(guò)不同操作行為內(nèi)化下的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，以設(shè)計(jì)理念、方法的形式表征在設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作思想中，經(jīng)過(guò)提煉及數(shù)字化表征形成編織程序和算法，應(yīng)用于建筑表皮設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可形成特定的建筑編織表皮設(shè)計(jì)方法，這具有本質(zhì)上的合理性（圖1）。

圖1 人的認(rèn)知過(guò)程與數(shù)字化表皮設(shè)計(jì)的關(guān)系

編織表皮所形成的空間維度提高了建筑表皮的豐富度與表現(xiàn)力，與數(shù)字技術(shù)相融合，將編織行為、規(guī)律、步驟和內(nèi)容，編碼成數(shù)字化的程序算法進(jìn)而生成建筑表皮，不僅將傳統(tǒng)技藝的精髓深化為表皮設(shè)計(jì)的算法邏輯，還能在滿(mǎn)足建筑外表皮采光、通風(fēng)等特定功能的同時(shí)最大程度地發(fā)揮其材料特性。不僅僅為建筑表皮設(shè)計(jì)，甚至為結(jié)構(gòu)、空間設(shè)計(jì)及其數(shù)控建造提供了一種新方法。

2 數(shù)字技術(shù)與建筑表皮編織

2.1 “編織”操作的建筑應(yīng)用

自然界小到植物葉片脈絡(luò)的組織、蜘蛛結(jié)網(wǎng)，大到宇宙天體之間無(wú)形的力之網(wǎng)絡(luò)，均以編織結(jié)合成整體的形態(tài)存在。人類(lèi)在漫長(zhǎng)的自然和社會(huì)實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)模擬自然界的“編織”操作來(lái)制造器物和理解社會(huì)關(guān)系的組織，似是順理成章之事。其中操作行為背后蘊(yùn)含著一定的編織規(guī)律，這種規(guī)律可抽象為知識(shí)和程序轉(zhuǎn)移到建筑的建造中，甚至其本身也是歷史上建造建筑的一種方法。建筑中的編織行為可追溯至原始社會(huì)由木枝扎結(jié)而成的模仿自然形態(tài)的“棚屋”，過(guò)渡至農(nóng)耕社會(huì)，則形成了具有編織狀骨架的木骨泥墻、竹編泥墻。到了工業(yè)化時(shí)期，新材料與新技術(shù)推動(dòng)機(jī)器制造逐漸取代手工編織方式，編織表皮及結(jié)構(gòu)也時(shí)常被應(yīng)用于建筑實(shí)踐中[5]。森佩爾的飾面理論、繩結(jié)理論、材料置換理論為編織狀建筑表皮設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)[6]，在他看來(lái)，表皮先于結(jié)構(gòu)而存在，作為織編物的替代物，覆蓋層材料逐漸發(fā)展，如木材、石材、金屬、磚等飾面的傳統(tǒng)操作都是模擬編織物格子結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)[7]?，F(xiàn)如今，世界各地不乏用織物形成建筑表皮的傳統(tǒng)存在，進(jìn)一步證實(shí)著森佩爾的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)者也在創(chuàng)作過(guò)程中通過(guò)不斷挖掘各種材料的可塑性，將傳統(tǒng)編織方式應(yīng)用于新建筑的創(chuàng)造。

“編織”作為人類(lèi)模擬自然、制造器物和適應(yīng)環(huán)境的操作行為，廣泛悠遠(yuǎn)地存在于各地域人民的生產(chǎn)、生活中，融合特定地域的生活方式、行為習(xí)慣、審美觀念，結(jié)合多變的穿、結(jié)、纏、繞等編織手法，形成了較為特定的操作程序和形式結(jié)果，這些內(nèi)容也構(gòu)成了傳統(tǒng)編織技藝。編織是形式、手法和觀念的統(tǒng)一體，長(zhǎng)期“編織”實(shí)踐中形成的對(duì)于編織的認(rèn)識(shí)、審美等構(gòu)成了其觀念內(nèi)容，程序化的編織流程構(gòu)成了編織的手法，具體的編織形式和形態(tài)特征構(gòu)成了其符號(hào)載體。對(duì)傳統(tǒng)編織技藝情感及知識(shí)的繼承可發(fā)展為以建模和建構(gòu)邏輯為主導(dǎo)（即圖案形式和建構(gòu)過(guò)程為主導(dǎo)）的兩種設(shè)計(jì)模式（圖2），與虛無(wú)的觀念及具象的形式相比，處于三維空間中的編織操作，更具靈活性與可描述性。傳統(tǒng)各行業(yè)中編織形式及其操作“手法”也逐漸滲透至建筑建造，應(yīng)用于空間、形式、結(jié)構(gòu)及表皮設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。繼承“法”的層面，賦予一定靈活性的編織操作和程序更易生成多樣的形式效果，這適應(yīng)了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的程序化、數(shù)字化、參數(shù)化及處理大數(shù)據(jù)的能力。依賴(lài)于算法特點(diǎn)，突破將編織操作應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)時(shí)的諸多困難和不足，可使編織操作大量應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)最為明確的當(dāng)屬編織表皮和結(jié)構(gòu)表皮一體化設(shè)計(jì)。

圖2 傳統(tǒng)編織技藝衍生出的兩種表皮創(chuàng)作模式

2.2 編織表皮的數(shù)字基礎(chǔ)

1980年以來(lái)，借助計(jì)算機(jī)工具的數(shù)字可視化不斷發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)走向參數(shù)化、算法化及程序化，在新的建造工具和材料開(kāi)發(fā)影響下的設(shè)計(jì)建造一體化，一定程度上為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性建筑編織表皮設(shè)計(jì)和建造提供了技術(shù)支撐（表2），編織表皮也越來(lái)越多地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。在建筑領(lǐng)域，算法設(shè)計(jì)邏輯的數(shù)字化轉(zhuǎn)譯是建筑生成的核心，計(jì)算機(jī)主導(dǎo)下建筑設(shè)計(jì)以抽象化和可視化的圖示表達(dá)各元素間邏輯、聯(lián)系、運(yùn)轉(zhuǎn)及衍生過(guò)程。建筑表皮創(chuàng)作發(fā)展至今已不僅僅局限于美學(xué)層面的形式創(chuàng)造，對(duì)新材料與新技術(shù)的利用、傳統(tǒng)方法的創(chuàng)新、生態(tài)功能的關(guān)注以及設(shè)計(jì)情感的表達(dá)都提出了更高要求。數(shù)字程序及數(shù)控工具協(xié)助下的建筑編織表皮設(shè)計(jì)，通過(guò)巧妙的空間組織從線(xiàn)交疊纏繞的二維平面進(jìn)入至具有空間深度的三維體系。

表2 數(shù)字技術(shù)影響下的建筑編織表皮設(shè)計(jì)，仲美玲繪制

以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著建筑編織表皮設(shè)計(jì)由人類(lèi)智能主導(dǎo)下的傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)方式向設(shè)計(jì)與建造一體化的數(shù)字建筑編織表皮過(guò)渡。3D打印結(jié)構(gòu)展亭“云亭”中利用機(jī)器人模擬人的操作過(guò)程編程進(jìn)而進(jìn)行空間打印，形成基于同一數(shù)據(jù)流的軟硬件集成操作流程[9]。通過(guò)數(shù)理函數(shù)的運(yùn)算，在計(jì)算機(jī)控制下可以生成自動(dòng)將三維形狀轉(zhuǎn)換為編織機(jī)器指令的算法，使得針織機(jī)像3D打印機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面的三維表皮編織[10]。肖恩·艾哈奎斯特 （Sean Ahlquist ）等學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型對(duì)香蕉葉柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探索力學(xué)、材料等性能穩(wěn)定的葉柄編織肌理[11]。這既是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與建造一體化的關(guān)鍵，也是建筑表皮數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的重要嘗試。

數(shù)字技術(shù)使得編織建筑的交互性與靈活性得到較好的發(fā)展，在敏銳捕捉建筑師設(shè)計(jì)靈感的同時(shí)實(shí)現(xiàn)形態(tài)的形象表達(dá)。數(shù)字軟件嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓詫?duì)建筑表皮的感性認(rèn)知形成一定約束，計(jì)算機(jī)程序算法量化了建筑表皮設(shè)計(jì)過(guò)程的各種邏輯關(guān)系，使得建筑表皮設(shè)計(jì)方法更為系統(tǒng)（圖3）。理論上，三維空間中任意一種編織操作都是可描述的，可通過(guò)參數(shù)和算法生成，但由于實(shí)際建造、材料技術(shù)及某些編織表皮復(fù)雜細(xì)節(jié)的限制，建筑編織表皮的實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法也一直處于零星探索中，并未形成較為成熟的軟件和工具。數(shù)字化時(shí)代，從實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中編織表皮生成方式來(lái)看，在建筑作品的輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和算法生成設(shè)計(jì)中，還是可以明顯分辨出建模邏輯下以模擬圖案形式為主導(dǎo)的及建構(gòu)邏輯下依據(jù)建構(gòu)過(guò)程進(jìn)行算法生形的編織表皮設(shè)計(jì)方法。依據(jù)操作邏輯提煉算法具有根本性，更能體現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)的本質(zhì)特征，而形式描摹的設(shè)計(jì)方法與建造往往是脫節(jié)的。

圖3 編織、建筑與算法三者間的相互作用及聯(lián)系

3 不同編織操作下的建筑表皮形式

傳統(tǒng)編織器物的表皮建構(gòu)本身與操作、材料、工藝等密不可分，編織物及其最終紋理圖案的呈現(xiàn)，亦可視作編織操作的結(jié)果。鑒于實(shí)際建構(gòu)中多為剛性材料，繼承傳統(tǒng)編織技藝的建筑表皮設(shè)計(jì)中也存在著大量通過(guò)模擬編織物表皮圖案、生成機(jī)理，將其抽象成線(xiàn)面交織的生成關(guān)系進(jìn)行建模的方法，實(shí)際并無(wú)疊壓、穿插關(guān)系，更多的是一種數(shù)字化描述，而非生成算法，可將其視為仿擬組合式表皮。而數(shù)字化編織表皮設(shè)計(jì)的具體操作及流程，往往具有生成復(fù)雜建筑編織表皮形式的建構(gòu)合理性，其算法和控制較為復(fù)雜，多和當(dāng)前使用機(jī)控設(shè)備的建構(gòu)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)器物編織操作的建構(gòu)邏輯及生成機(jī)制的分析，參考其在各種操作下形成的點(diǎn)、線(xiàn)、面、體的形態(tài)特征，建筑編織表皮的設(shè)計(jì)方法一般可分為仿擬組合、經(jīng)緯交錯(cuò)、排列疊加及彎折纏繞幾種類(lèi)型。

3.1 “仿擬組合式”編織表皮

仿擬組合式表皮借鑒了編織物的圖案形式及其視覺(jué)效果，將塊狀單元進(jìn)行重復(fù)排列組織以形成特定的圖案肌理（圖4），或在特定網(wǎng)狀肌理圖案基礎(chǔ)上以數(shù)字化手段將其圖形信息提取至數(shù)字軟件中，轉(zhuǎn)化為表皮模型，這兩種方式普遍存在于建筑表皮設(shè)計(jì)實(shí)踐中。確定表皮模型基本形式后，可結(jié)合Rhino與Revit等參數(shù)化軟件完成表皮曲面建模，再與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合完成數(shù)控建造。天津中鋼國(guó)際廣場(chǎng)的外表皮通過(guò)Grasshopper建立網(wǎng)狀單元，根據(jù)距干擾線(xiàn)的遠(yuǎn)近調(diào)整縮放比例形成不同大小的六邊形，由算法程序計(jì)算出的“不連續(xù)”的六邊形單元層層疊加，排列出看似連續(xù)的整體（圖5）。

圖4 常見(jiàn)的圖案肌理，仲美玲改繪自：https://www.xiaohongshu.com/discovery/item/6013f5c5000000000101 faae?source=question

圖5 中鋼國(guó)際廣場(chǎng)的外立面表皮形式及生成，來(lái)源：劉峰,劉文標(biāo).建筑表皮的數(shù)字重構(gòu).2011年全國(guó)高等學(xué)校建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)研討會(huì)論文集,2011

首爾紡織企業(yè)Kolon辦公樓的立面表皮（圖6）設(shè)計(jì)中，相互連接的“遮陽(yáng)傘”單元進(jìn)行排列組合形成類(lèi)似于編織物形態(tài)的外表皮形式，漂浮在玻璃幕墻之外的傘狀組合單元由高技術(shù)材料——纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）制成，提高材料抗拉強(qiáng)度的同時(shí)大大降低了辦公樓的能耗。由于這類(lèi)表皮就其本身而言它更傾向于對(duì)編織物形態(tài)的追求，缺少對(duì)編織手法操作及規(guī)律的繼承，故將其視作一種仿擬組合的編織表皮形式。

圖6 首爾紡織名企 Kolon辦公樓外立面表皮形式，來(lái)源：https://www.archdaily.com

3.2 “經(jīng)緯交錯(cuò)式”編織表皮

經(jīng)緯交錯(cuò)疊壓是編織中通過(guò)線(xiàn)性材料的相互交織和掩壓形成器物表面的一種常用手法，通過(guò)構(gòu)件的連接編織成經(jīng)緯交錯(cuò)的網(wǎng)狀形式，平紋、斜紋、緞紋都是這種編織操作所形成的圖案結(jié)果。傳統(tǒng)紡織技術(shù)發(fā)展史中，通過(guò)經(jīng)緯線(xiàn)按一定規(guī)律相互疊壓的操作形成了各具特色的紋理，其歷史起源、編織規(guī)律及圖案變式如下表（表3）。

表3 不同形式經(jīng)緯交錯(cuò)表皮的歷史起源、編織規(guī)律及圖案變式，仲美玲繪制

據(jù)此方式形成的建筑編織表皮設(shè)計(jì)中，建筑師依據(jù)特定條件和理念，形成對(duì)表皮肌理效果的初始判斷和選擇，而后通過(guò)掃描將目標(biāo)圖案掃描進(jìn)CAD，或以手工操作的形式來(lái)編織和調(diào)整圖案，形成模型和圖紙。在參數(shù)設(shè)計(jì)影響下，有時(shí)也依據(jù)建筑師的設(shè)想按照表皮編織所形成的規(guī)律，直接生成表皮的經(jīng)緯線(xiàn)，然后調(diào)整其位置和參數(shù)，進(jìn)而形成建筑表皮。通過(guò)參數(shù)化軟件形成的表皮，可直接導(dǎo)入與其配合的Honeybee、Ladybug、 Butterfly軟件中，依據(jù)現(xiàn)實(shí)條件，對(duì)其性能進(jìn)行模擬優(yōu)化。通常情況下，經(jīng)緯表皮編織較為適合形成平整和小型器物表皮的設(shè)計(jì)和制造，為了貼合特定的曲面，經(jīng)緯線(xiàn)易發(fā)生較大變形，破壞了其力學(xué)性能，極易產(chǎn)生皺紋、局部滑動(dòng)等缺陷，甚至導(dǎo)致分裂與分層等故障[12]。為了解決這些難題，已有學(xué)者基于編織物及曲面表面動(dòng)力學(xué)特性，從建構(gòu)的角度出發(fā)，發(fā)展出一種基于拓?fù)鋵W(xué)的網(wǎng)格生成算法，通過(guò)偏微分方程將曲面分解為四邊形編織單元，創(chuàng)建出兩組相交的經(jīng)緯線(xiàn)，獲得與輸入表面共形的編織結(jié)構(gòu)，形成了自由曲面編織表皮的生成設(shè)計(jì)算法（圖7）。韓國(guó)首爾東大門(mén)設(shè)計(jì)廣場(chǎng)（圖8）利用數(shù)學(xué)原理將建筑的曲面生成問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一系列計(jì)算機(jī)算法程序，該算法可以在不同因素作用下將曲面細(xì)分至適宜建造的單元尺度，將二維圖面信息轉(zhuǎn)換成三維立體設(shè)計(jì)，較好解決編織表皮與不規(guī)則曲面形體的擬合問(wèn)題[13]。這種表皮因其組成表面有曲直之分，縱橫向條帶單元交織方式與銜接形式等各不相同，在外觀形式表達(dá)及操作建造過(guò)程上均存在較大差異，但其整體可歸結(jié)為以經(jīng)緯線(xiàn)交錯(cuò)組織為肌理的經(jīng)緯交錯(cuò)式編織表皮。

圖7 四邊形網(wǎng)格編織方法，引自參考文獻(xiàn)[12]

圖8 韓國(guó)首爾東大門(mén)廣場(chǎng)，來(lái)源：http://world1.people.com.cn/BIG5/n/2014/0314/c1002-24636615.html

3.3 “排列疊加式”編織表皮

古建筑中柳條式格心的形成也是一種常見(jiàn)的編織方式，橫欞豎欞直角相交，按一定規(guī)則排列疊加，組合出規(guī)則富有變化的編織圖案，《園冶》中明確列舉了柳條式的格心形式及其變式（圖9）。擴(kuò)展至現(xiàn)代建筑表皮中，建筑師可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變化，以“曲面化” “立體狀”等方式進(jìn)一步表達(dá)，這類(lèi)建筑表皮的形成可以是相同編織單元縱橫延伸的排列組合，也可以不同層次編織單元或不同種材料的堆疊、組織。

圖9 柳條式格心及其變式，來(lái)源：侯幼彬.中國(guó)建筑美學(xué).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2019

數(shù)字技術(shù)影響下，這類(lèi)建筑編織表皮設(shè)計(jì)中，建筑師通常會(huì)在確定編織單元基本圖案后，將基本構(gòu)件排列疊加至三維立體狀，再依據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)而，可采用Grasshopper等數(shù)字軟件對(duì)構(gòu)件生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，完成對(duì)其切割、鉆孔、銑、連接孔等基本形式的處理，再通過(guò)CNC彎曲或機(jī)械加工進(jìn)行排列、扭轉(zhuǎn)、疊加等變化，同時(shí)使用數(shù)控機(jī)器人對(duì)構(gòu)件展開(kāi)部分進(jìn)行數(shù)字化銑削，形成建筑編織表皮，2015米蘭世博會(huì)法國(guó)館（圖10）即采用這種方式。有時(shí)，編織單元的堆疊、組織也會(huì)建立在非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)骨架基礎(chǔ)之上，如2010年上海世博會(huì)西班牙館（圖11）。2015米蘭世博會(huì)中國(guó)館與之類(lèi)似，設(shè)計(jì)者充分挖掘表皮使用材料的可能性，并通過(guò)參數(shù)化來(lái)模擬建筑中每個(gè)編織節(jié)點(diǎn)的具體尺寸和安裝次序，經(jīng)歷“概念—設(shè)計(jì)深化—預(yù)制工藝—安裝”的過(guò)程直至整個(gè)屋面精確地裝配出來(lái)。參數(shù)化遮陽(yáng)竹編條形瓦分為平、切、單折、雙折4種形態(tài)，將竹編表皮“曲面化”，為了在保證平滑度的同時(shí)有效避免竹瓦間的疊合沖突，每片竹瓦在三維空間里都進(jìn)行了微妙的扭轉(zhuǎn)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字建造的同時(shí)滿(mǎn)足構(gòu)件預(yù)制規(guī)范化和施工安裝精確化的要求[14]。這類(lèi)建筑表皮盡管形態(tài)各異，具體操作順序及實(shí)現(xiàn)手段也有所不同，其表皮設(shè)計(jì)總體上采用排列疊加的方式。

圖10 2015米蘭世博會(huì)法國(guó)館，來(lái)源：https://www.XTU Architects/Simonin S.A.S.

圖11 2010上海世博會(huì)西班牙館與2015米蘭世博會(huì)中國(guó)館，11a來(lái)源：http://news.sina.com.cn/c/2010-05-20/124620311940.shtml，11b引自參考文獻(xiàn)[14]

3.4 “彎折纏繞式”編織表皮

自然界中鳥(niǎo)巢由細(xì)樹(shù)枝、草莖、植物纖維等不斷重復(fù)地彎折纏繞而成，與蠶及其他昆蟲(chóng)吐絲纏繞成繭的過(guò)程類(lèi)似，原始社會(huì)的棚屋在材料的利用和組織方式上就表現(xiàn)出類(lèi)似的有意識(shí)編織現(xiàn)象（圖12）。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展極大提高了設(shè)計(jì)師的造型能力，豐富了復(fù)雜建筑表皮的實(shí)現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)師可利用先進(jìn)數(shù)字技術(shù)將表皮生成過(guò)程與建造手段緊密結(jié)合，以建造邏輯為主導(dǎo)的表皮設(shè)計(jì)方式逐漸發(fā)展。與傳統(tǒng)的絲線(xiàn)纏繞類(lèi)似，彎折纏繞所描述的算法與數(shù)據(jù)控制下的人類(lèi)在三維空間中的操作過(guò)程，設(shè)計(jì)者將編織過(guò)程及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化控制程序，使機(jī)械臂編織工具與新型建筑表皮材料相結(jié)合[15]，特定的機(jī)器人技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行定制化纏繞，將其按照預(yù)設(shè)順序纏繞在模板上，這種編織結(jié)構(gòu)有兩種建造方式：其一是將工廠中預(yù)制好的表皮模塊單元采用特定節(jié)點(diǎn)構(gòu)造拼裝為整體，其二是將編織結(jié)構(gòu)整體建造完成后采用大尺度機(jī)器人裝備將表皮結(jié)構(gòu)纏繞成型[16]。機(jī)器設(shè)備類(lèi)型不同其操作工藝也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。

圖12 自然界鳥(niǎo)巢與原始棚屋，12a來(lái)源：https://tv.cctv.com/2021/05/01/VIDEulu H7Ao33PGRbx6jO7VS210501.shtml，12b引自參考文獻(xiàn)[5]

湖北宜昌新區(qū)博物館規(guī)劃中，編織表皮由直徑較細(xì)的鋁管不規(guī)則交織纏繞而成（圖13），其靈感源于傳統(tǒng)桑蠶，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)生成立面上永不重復(fù)的纏繞組合方式并進(jìn)行1:1的單元重建，調(diào)整鋁質(zhì)桿件的纏繞方式、疏密程度可控制表皮性能。由德國(guó)斯圖加特大學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)研究所（ICD）建造的纖維涼亭（圖14），以甲蟲(chóng)雙層鞘翅的生物結(jié)構(gòu)為靈感，采用高強(qiáng)度纖維結(jié)構(gòu)機(jī)械臂編織的建構(gòu)方法。采用編織的建構(gòu)邏輯按特定算法規(guī)則進(jìn)行彎折纏繞，兩個(gè)系統(tǒng)的六軸KUKA機(jī)械臂和能適應(yīng)所有編織單元需求的可調(diào)節(jié)編織工具端，將淺色玻璃纖維和深色碳纖維一根根地編織在一起，上下層纖維緊密纏繞在一起，形成了非常堅(jiān)固的網(wǎng)狀編織表皮。這類(lèi)纏繞式表皮因數(shù)字技術(shù)操作方法及表皮材料的差異顯現(xiàn)出不盡相同的形式，算法數(shù)據(jù)流程與建造方式的融合使其設(shè)計(jì)的內(nèi)容及表達(dá)更加自由。

圖13 宜昌新區(qū)博物館外表皮，引自參考文獻(xiàn)[5]

圖14 纖維涼亭外觀（左）細(xì)部（中）及機(jī)械臂制造（右），來(lái)源：https://www.gooood.cn

4 結(jié)語(yǔ)

建筑領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)分化使得設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)操作工藝的關(guān)聯(lián)性逐漸被忽視，數(shù)字技術(shù)推動(dòng)下編織表皮設(shè)計(jì)在遵循一定的操作方式完成復(fù)雜編織形態(tài)的同時(shí)，也必然要深入思考相應(yīng)的操作邏輯及其背后的本質(zhì)規(guī)律。材料、技術(shù)、工藝等方面的推陳出新使得建筑表皮往往具有更加微妙的美學(xué)效果和更加精確合理的結(jié)構(gòu)組織，以建構(gòu)過(guò)程為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法向人們展示了超越以往建筑表皮形式設(shè)計(jì)的新的可能性。從傳統(tǒng)編織實(shí)踐操作的角度對(duì)編織表皮形式進(jìn)行歸納與總結(jié)，明確傳統(tǒng)編織技藝衍生下以圖案形式和建構(gòu)過(guò)程為主導(dǎo)的兩種表皮設(shè)計(jì)模式，不僅為建筑表皮生成設(shè)計(jì)提供了較為全面系統(tǒng)的理論依據(jù)、設(shè)計(jì)方法，也對(duì)傳統(tǒng)編織技藝傳承與保護(hù)實(shí)踐具有重要的借鑒意義。隨著數(shù)字化程度的加深，編織表皮將發(fā)揮更大的優(yōu)越性，在今后的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師可充分挖掘新的編織操作模式及與之相匹配的新材料、新技術(shù)，進(jìn)一步探索編織表皮設(shè)計(jì)的潛力及局限，促進(jìn)表皮設(shè)計(jì)向設(shè)計(jì)與建造一體化方向發(fā)展?！?/p>

注釋

1） 新行為主義心理學(xué)：由斯金納等人創(chuàng)立，在約翰·華生舊行為主義心理學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)行為產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)一步探索，在通過(guò)建立反應(yīng)—刺激形成行為的傳統(tǒng)觀點(diǎn)中引入“操作”的概念。

2） 發(fā)生認(rèn)識(shí)論：由瑞士心理學(xué)家讓·皮亞杰創(chuàng)立，主要對(duì)人類(lèi)的認(rèn)知、智力、思維、心理的發(fā)生和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。認(rèn)為人可以通過(guò)同化或順應(yīng)的認(rèn)知過(guò)程，對(duì)有機(jī)體通過(guò)感知形成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)或智力結(jié)構(gòu)（即圖示）進(jìn)行整合或改造。