拓?fù)鋬?yōu)化在參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用

文／歐陽(yáng)晨露 柏濤建筑設(shè)計(jì)（深圳）有限公司 廣東深圳 518053

陳天一 新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院 新加坡 117566

引言：

構(gòu)造主義是20世紀(jì)初期興起的一種藝術(shù)和建筑運(yùn)動(dòng)，旨在通過(guò)使用新材料和新技術(shù)來(lái)創(chuàng)造出功能主義的建筑和設(shè)計(jì)。它強(qiáng)調(diào)建筑的結(jié)構(gòu)和材料的真實(shí)性，倡導(dǎo)形式與功能的一致性。構(gòu)造主義認(rèn)為建筑應(yīng)該表達(dá)其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方式，避免裝飾性的修飾和附加物。這種理念反映了當(dāng)時(shí)對(duì)機(jī)械工業(yè)的崇拜和對(duì)簡(jiǎn)約美學(xué)的追求。參數(shù)化主義是建筑和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種新興概念，其興起與數(shù)字計(jì)算能力的提升密切相關(guān)。參數(shù)化主義建筑強(qiáng)調(diào)建筑的復(fù)雜性和差異化，通過(guò)使用計(jì)算工具和算法來(lái)探索和生成各種可能的設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化主義建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及建筑師定義和調(diào)整一系列參數(shù)和規(guī)則，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和優(yōu)化來(lái)生成設(shè)計(jì)方案。這種方法使得建筑可以更好地適應(yīng)不斷變化的需求和環(huán)境要求，同時(shí)也提供了更多的創(chuàng)意和個(gè)性化的可能性。

構(gòu)造主義和參數(shù)化主義在建筑和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展中扮演著重要的角色。構(gòu)造主義強(qiáng)調(diào)建筑的結(jié)構(gòu)和材料，倡導(dǎo)簡(jiǎn)約和功能主義。參數(shù)化主義建筑則與計(jì)算工具相結(jié)合，使得建筑的形態(tài)和性能可以更好地融合在一起。隨著數(shù)字計(jì)算能力的提升，參數(shù)化主義建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。計(jì)算工具和算法使得建筑師能夠探索和生成復(fù)雜且多樣化的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)考慮到建筑的結(jié)構(gòu)、功能和環(huán)境要求。參數(shù)化主義建筑的發(fā)展也促進(jìn)了與工程學(xué)科的緊密合作，通過(guò)結(jié)構(gòu)工程的專業(yè)知識(shí)和計(jì)算工具，從而有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑形態(tài)和結(jié)構(gòu)以及材料的有機(jī)整合。

拓?fù)鋬?yōu)化正式連接構(gòu)造主義和參數(shù)化主義的橋梁。拓?fù)鋬?yōu)化屬于參數(shù)化主義的技術(shù)分支，是通過(guò)數(shù)值分析和優(yōu)化算法來(lái)尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，從而實(shí)現(xiàn)材料的節(jié)約和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，體現(xiàn)出構(gòu)造主義對(duì)于材料的功能性和真實(shí)性的美。本文將對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化在設(shè)計(jì)理論上的突破進(jìn)行闡述，并結(jié)合當(dāng)下的建筑案例進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1.類型學(xué)到拓?fù)鋵W(xué)的范式轉(zhuǎn)變

1.1 傳統(tǒng)的類型學(xué)范式：局限性和需求變化

傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)和工程學(xué)往往依賴于類型學(xué)范式，這種范式將建筑系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分解為離散的子系統(tǒng)和構(gòu)件，每個(gè)子系統(tǒng)都有特定的功能和形式規(guī)范。例如，建筑中的柱、梁、拱等被視為固定的類型，其形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征事先確定，設(shè)計(jì)師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組合和配置[1]。這種類型學(xué)范式追求的是統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)化，旨在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和施工過(guò)程，并降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

然而，類型學(xué)范式在面對(duì)日益復(fù)雜和多樣化的社會(huì)需求時(shí)顯得有限。它所提供的有限的設(shè)計(jì)選項(xiàng)和剛性的結(jié)構(gòu)形式難以滿足當(dāng)代建筑的靈活性和創(chuàng)新性要求。建筑師和工程師開(kāi)始意識(shí)到，僅僅依賴于預(yù)定義的類型和構(gòu)件無(wú)法應(yīng)對(duì)不斷變化的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和技術(shù)進(jìn)步。

1.2 現(xiàn)代的拓?fù)鋵W(xué)范式：整體性和多樣性的追求

隨著計(jì)算能力的提升和數(shù)字化工具的發(fā)展，傳統(tǒng)類型學(xué)范式逐漸轉(zhuǎn)向拓?fù)鋵W(xué)范式。拓?fù)鋵W(xué)關(guān)注的是建筑系統(tǒng)中各個(gè)元素之間的關(guān)系、連接和空間連續(xù)性，而不再局限于固定的類型和離散的構(gòu)件。通過(guò)使用有限元分析、拓?fù)鋬?yōu)化和計(jì)算工具，工程師能夠更好地理解和優(yōu)化建筑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)和性能。

拓?fù)鋵W(xué)范式的轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ凸こ處?lái)了許多優(yōu)勢(shì)。首先，拓?fù)鋵W(xué)強(qiáng)調(diào)整體性和一體化，使得建筑系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜和多樣化的需求。相比于類型學(xué)范式中的固定類型和構(gòu)件，拓?fù)鋵W(xué)范式允許建筑師和工程師更自由地探索不同的形態(tài)和連接方式，從而實(shí)現(xiàn)更靈活和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案。

其次，拓?fù)鋵W(xué)范式注重關(guān)系和連接的優(yōu)化，使得建筑系統(tǒng)能夠更好地滿足性能要求。通過(guò)分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的關(guān)系和連接，設(shè)計(jì)者能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的性能。這種系統(tǒng)性的思維方式使得建筑和工程能夠更好地協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、功能和形態(tài)的有機(jī)整合。

同時(shí)，參數(shù)化主義建筑思潮的興起也推動(dòng)了拓?fù)鋵W(xué)范式的應(yīng)用。參數(shù)化主義強(qiáng)調(diào)建筑的復(fù)雜性和差異化，通過(guò)數(shù)字化工具和算法的支持，建筑師能夠探索和表達(dá)更多樣化的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。拓?fù)鋵W(xué)的思維方式與參數(shù)化主義的理念相契合，共同促進(jìn)了建筑和工程之間的緊密協(xié)作和創(chuàng)新。

這種從類型學(xué)到拓?fù)鋵W(xué)的范式轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ凸こ填I(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。建筑師和工程師需要掌握新的計(jì)算工具和技術(shù)，以更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜性和不確定性。跨學(xué)科的合作和知識(shí)共享變得至關(guān)重要，建筑師和工程師之間的溝通和理解也需要加強(qiáng)。只有通過(guò)共同努力和持續(xù)的創(chuàng)新，建筑和工程才能實(shí)現(xiàn)更高水平的協(xié)同發(fā)展，為當(dāng)代社會(huì)提供更具創(chuàng)意和可持續(xù)性的建筑環(huán)境。

2.拓?fù)鋬?yōu)化和差異化的實(shí)現(xiàn)

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化的定義和類型

拓?fù)鋬?yōu)化是一種基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和形態(tài)探索的優(yōu)化方法，通過(guò)結(jié)合有限元分析和進(jìn)化算法等計(jì)算工具，尋找最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是通過(guò)去除低應(yīng)力區(qū)域，最大程度地減少材料的使用量，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和性能。這種方法的出現(xiàn)和應(yīng)用為建筑和工程領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化。

拓?fù)鋬?yōu)化可以在指定的材料區(qū)域內(nèi)通過(guò)對(duì)負(fù)載和約束條件分布材料。目前拓?fù)鋬?yōu)化分為兩種常見(jiàn)方法，漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（Evolutionary Structural Optimization,ESO）和雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（Bi-directional Evoluti onary Structural Optimization,BESO）。漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法通過(guò)確定負(fù)載位置，漸進(jìn)去除結(jié)構(gòu)中的低應(yīng)力材料，從而在形態(tài)上達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)形態(tài)。雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法是在漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法基礎(chǔ)上，對(duì)材料進(jìn)一步的移除，同時(shí)在最需要的部位生長(zhǎng)的方法[2]。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)差異化

差異化設(shè)計(jì)是指通過(guò)巧妙地運(yùn)用結(jié)構(gòu)和參數(shù)化形態(tài)的變化，創(chuàng)造出獨(dú)特而個(gè)性化的建筑設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)往往依賴于預(yù)定義的類型和形式，導(dǎo)致建筑之間缺乏差異性和創(chuàng)新性。然而，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和差異化設(shè)計(jì)的方法，建筑師能夠突破傳統(tǒng)限制，創(chuàng)造出更富有表現(xiàn)力和創(chuàng)意的建筑形態(tài)。

差異化的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化在以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：

（1）功能差異化：通過(guò)將不同的功能要求需求融入設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)功能差異化。例如，在一個(gè)家具設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)將不同的功能進(jìn)行疊加，創(chuàng)造出獨(dú)特的家具空間環(huán)境。

（2）結(jié)構(gòu)差異化：通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的差異化設(shè)計(jì)，如在不同部位采用不同的結(jié)構(gòu)形式、材料或連接方式，創(chuàng)造出多樣化的建筑形態(tài)。例如，在高層建筑中，可以通過(guò)在底部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在中部采用鋼結(jié)構(gòu)，在頂部采用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)的差異化。

（3）形態(tài)差異化：通過(guò)在建筑形態(tài)的不同部位引入差異化的幾何形式、比例和尺度，創(chuàng)造出獨(dú)特的外觀效果。例如，在建筑立面設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)改變窗戶的形狀、大小和布局，創(chuàng)造出豐富多樣的外觀表現(xiàn)。

以下章節(jié)將通過(guò)案例對(duì)這三種差異化的拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用表現(xiàn)進(jìn)行闡述，讓讀者理解拓?fù)鋬?yōu)化在設(shè)計(jì)中應(yīng)用原理，以及對(duì)傳統(tǒng)類型學(xué)范式的突破。

3.拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 功能疊加的復(fù)合椅（HybridBench）

筆者參加ZahaHadid 事務(wù)所CODE 小組開(kāi)展的墨西哥AA 訪校中設(shè)計(jì)了復(fù)合椅（Hybrid Bench）。該設(shè)計(jì)將兩種不同的功能，即書架和長(zhǎng)椅兩種功能進(jìn)行融合和雜交。將基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)形態(tài)放入Solidworks[3]中，并對(duì)荷載位置和大小進(jìn)行參數(shù)化調(diào)試，最后使用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法材料的分布達(dá)到算法優(yōu)化。該結(jié)果可以生成形態(tài)和結(jié)構(gòu)抽象的一體化的結(jié)果，但這一結(jié)果需要進(jìn)行加工，并將模型的精度提高，最終使用Maya 建模對(duì)形態(tài)進(jìn)行精細(xì)化重塑。從設(shè)計(jì)結(jié)果而言，復(fù)合椅打破了傳統(tǒng)范式的家具支撐結(jié)構(gòu)和功能平面的分離特點(diǎn)，塑造了一個(gè)力學(xué)合理，形態(tài)優(yōu)化的復(fù)雜拓?fù)湫螒B(tài)。這是傳統(tǒng)家具設(shè)計(jì)難以用類型學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)由于參數(shù)化控制的拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程，可以生成大批量的多樣結(jié)果，豐富了設(shè)計(jì)的可能性和多樣性。

3.2 柏林新國(guó)家博物館新館提案

柏林新國(guó)家美術(shù)館的擴(kuò)展館競(jìng)賽中，Zaha Hadid 事務(wù)所使用Hyperworks 系列軟件中的OptiStruct 軟件生成了設(shè)計(jì)提案中主要結(jié)構(gòu)。柏林新國(guó)家美術(shù)館是由密斯凡德羅在1968 年引入激進(jìn)的勻質(zhì)空間設(shè)計(jì)和精細(xì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)出通透的展覽空間[4]。當(dāng)年設(shè)計(jì)的理論和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新在于打破了墻體承重的概念，利用連續(xù)寬大的玻璃形成主要的建筑立面，并與設(shè)計(jì)精致的鋼結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行了分離。建筑外圍的鋼結(jié)構(gòu)柱與井字形鋼結(jié)構(gòu)屋頂共同構(gòu)成了一個(gè)一層的巨大的室內(nèi)無(wú)柱空間，這一激進(jìn)的設(shè)計(jì)滿足了展覽根據(jù)需要隨意的擺放展板。

ZahaHadid 事務(wù)所在這一設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上進(jìn)一步將建筑的簡(jiǎn)潔形式和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相配合，利用雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化生成遵循自然有機(jī)體結(jié)構(gòu)邏輯的高效肋骨圖案的混凝土結(jié)構(gòu)的屋頂，從而達(dá)到減輕混凝土結(jié)構(gòu)的重量，實(shí)現(xiàn)了最輕的設(shè)計(jì)解決方案。形成肋骨圖案的混凝土結(jié)構(gòu)的屋頂?shù)囊罁?jù)在于對(duì)室內(nèi)柱子的擺放控制和空間需要。在內(nèi)部，第二排圍護(hù)柱劃定了精心組織的畫廊和展覽區(qū)域，描述了合理展覽空間的清晰而富有趣味的組織方式。畫廊展示了內(nèi)部流通和對(duì)其他畫廊的視野的邏輯組合，同時(shí)在玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍的不同位置提供了獨(dú)特的體驗(yàn)。該提案的建筑原則與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安排直接相關(guān)，并允許畫廊的布置具有完全的靈活性，以適應(yīng)未來(lái)藝術(shù)展覽、展示或不斷變化的項(xiàng)目和訪客需求，同時(shí)保持清晰而獨(dú)特的外部表達(dá)。并且技術(shù)上，ZahaHadid 事務(wù)所提案將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)表達(dá)與先進(jìn)的材材制造技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造出高效的層疊樓板和屋頂結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到了構(gòu)造主義的真實(shí)性的美感與參數(shù)化主義設(shè)計(jì)的差異化設(shè)計(jì)相平衡的獨(dú)特美學(xué)。

3.3 利馬藝術(shù)博物館擴(kuò)建

利馬藝術(shù)博物館發(fā)起了擴(kuò)建競(jìng)賽，旨在為博物館增建一個(gè)當(dāng)代藝術(shù)館作為其現(xiàn)有博物館的一個(gè)翼部[5]。競(jìng)賽要求設(shè)計(jì)藝術(shù)館作為一個(gè)富有靈感的空間，并與現(xiàn)有博物館的建筑概念協(xié)調(diào)一致。結(jié)構(gòu)的入口設(shè)計(jì)被想象為一個(gè)吸引人、熱情歡迎的結(jié)構(gòu)，適用于各個(gè)年齡和社會(huì)背景的居民、博物館游客和通勤者。

Zaha Hadid 事務(wù)所對(duì)利馬市和博覽公園的特殊地形和地理環(huán)境做出回應(yīng)，他們的提案是將新的藝術(shù)館翼部打造成一個(gè)與景區(qū)自然環(huán)境融為一體的景觀運(yùn)動(dòng)，而不僅僅是一個(gè)建筑物。他們?cè)O(shè)想一個(gè)起伏的景觀，融入公園的特性，弘揚(yáng)舊宮殿中所包含的歷史，其中有一個(gè)貝殼狀的入口從地面上升起，向城市敞開(kāi)。

圖1 功能疊加的復(fù)合椅（Hybrid Bench）的設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果（圖片來(lái)源：作者自繪）

圖2 Zaha Hadid 事務(wù)所的柏林新國(guó)家博物館新館提案（圖片來(lái)源[4]）

圖3 Zaha Hadid 事務(wù)所的利馬藝術(shù)博物館擴(kuò)建提案

基于貝殼狀的結(jié)構(gòu)，確定荷載的類型和方向，并生成不同的優(yōu)化模式，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)牢固、輕量化的混凝土外殼結(jié)構(gòu)。利用HyperWorks 的先進(jìn)模型可視化功能，Zaha Hadid 能夠以高分辨率和引人注目的視覺(jué)效果展示他們的項(xiàng)目。貝殼狀的結(jié)構(gòu)殼體最終由一系列大小不一的矩形體組成，矩形較大的地方材料分布相對(duì)較少，受到的應(yīng)力也較低。這一項(xiàng)目展示出拓?fù)鋬?yōu)化與參數(shù)設(shè)計(jì)的形態(tài)差異化相結(jié)合的特點(diǎn)。這也說(shuō)明了拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果不應(yīng)被完全和直接的進(jìn)行建筑轉(zhuǎn)換，而是可以作為工作流的一部分提供設(shè)計(jì)創(chuàng)意的源泉，給建筑師提供模糊化的模擬，進(jìn)而在建筑師判斷下進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)化轉(zhuǎn)譯。

結(jié)語(yǔ)：

在工業(yè)時(shí)代的先鋒如柯布西耶和密斯凡德羅等建筑大師在有限的機(jī)械設(shè)備條件下，制造和組裝標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，從而在傳統(tǒng)的類型學(xué)的設(shè)計(jì)思維下尋找對(duì)建筑設(shè)計(jì)的突破。而當(dāng)下由于數(shù)字工具和先進(jìn)制造方法的幫助，一體化并具有差異性的設(shè)計(jì)已經(jīng)不再是紙上建筑了。建筑師和工程師的隔閡也沒(méi)有以前那樣不可逾越。將工程學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)融入到設(shè)計(jì)的工作流中，不僅可以在工程學(xué)上達(dá)到材料和重量的優(yōu)化，還可以對(duì)建筑學(xué)的構(gòu)造和結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論和實(shí)踐的創(chuàng)新突破。