數字化建筑的挑戰與發展

胡冗冗 李岳巖 許 潔

1 當前數字化建筑的界定

在這個信息化的時代，信息的數字化也越來越被各行各業視為行業進步的關鍵，計算機軟件和硬件的推陳出新，使越來越多更為復雜、多元的信息能夠被轉化成為計算機語言并且在數字化平臺上對其進行處理。同樣，在建筑設計的領域中，數字化技術的進步也激發了建筑設計師更為豐富的設計靈感，使他們可以將超現實的思維充分展現出來。

不論什么形式的數字化平臺，其角色終是一種信息的“載體”，其功能都是將信息以“人—機—模型”這樣的流程傳遞的。但是區別于以往“基于感覺的設計”，數字化設計應當是“基于依據的設計”，它能夠吸收現實中更為復雜的數字化信息，并提供程序編寫、模擬、參數操控等平臺，使設計師能夠對信息給予一定的處理方式，使其經過篩選、整合、計算以及驗證并最終獲得“建筑信息模型”(BIM，Building Information Model)。而傳統的 CAAD(Computer-Aided Architectural Design)的設計平臺，例如 AutoCAD或者 Sketchup，由于它們對原始數據的吸收和處理能力十分有限，并且對這些數據的邏輯處理也相對簡單，所以多數時候只能作為一種繪圖工具存在，那么通過它們獲得的建筑模型只是“物理數據模型”。

讓我們來舉個例子解釋一下“物理數據模型”過程與“建筑信息模型”過程的區別。假設我們需要做一個“樹”狀的支撐結構，傳統設計過程中，我們會根據我們腦中對“樹”的印象，在建模工具里面用類似“繪畫”的方式來建立一個“像”樹的模型。這個過程中，這顆“樹”是在人腦中已經形成的，我們只是用數字化的手段將它“畫”出來了而已，那么這個過程中，計算機只承載了“數據”而不是“信息”，故這便是“物理數據模型”。而“建筑信息模型”的建立應該是以下這樣一個過程:

1)研究“樹”的生長模式，即一種在數學中被稱為“自我復制”的模式;

2)找到這種“自我復制”模式的數學模型——“L形系統”;

3)將這種“L形系統”的模型所對應的計算機語言輸入電腦;

4)通過對建筑結構、功能等方面的分析，在計算機中設置各項參數來篩選可行的“L形系統”公式模型，并選擇迭代次數使其符合力學支撐和空間使用的要求。

圖1是傳統的“物理數據模型”，圖 2是按照L形系統算式F=F[+F][/＆F]F[-F][+F][?F]經過三次迭代生成的“建筑信息模型”，并且這個模型還可以無限次迭代以進行擴大。

2 數字化建筑所面臨的挑戰

雖然當前國內的數字化建筑設計不論是對數字化設計軟件的學習，還是對信息進行數字化方式的研究，熱情都是空前高漲的，國內每年有許多大小規模的數字化設計競賽，許多建筑設計公司也都逐步開始將數字化手段引入設計過程。然而，現實中的情況卻是被實施建造的建筑方案屈指可數。到底是什么原因導致了這種局面的出現，讓我們從設計過程中的幾個步驟來分析一下也許能了解到問題所在。

我們先來看看數字化建筑設計的基本過程:

1)從前期調研當中獲得各方面信息，例如地形，功能，地域文化等等;

2)將所獲得的信息進行科學的數字化處理;

3)在數字化平臺上，結合結構、形式以及業主的期望，選擇合理、完整的數字語言系統，對信息進行篩選、運算并驗證獲得“建筑信息模型”。

了解了這些設計步驟，再分析一些數字化建筑的方案，不難找出可能是一些環節出了問題:

1)所提取的信息不夠全面，或者信息的數字化方式不夠科學，抑或沒有完整可靠的驗證系統，這些都會導致信息不能夠被正確運用到設計中或者導致設計成果無法正確回饋原有的地形、功能等信息依據;

2)在數字化設計過程中沒有加入合理的結構參數，使最終的建筑信息模型缺乏經濟合理的結構，也就難以建造實施;

3)很多建筑方案對建筑建造的精度要求過高，故無法適用于普通的建造技術和方式。這樣的不利狀況促使我們應該主動找出問題的癥結，試試能不能給數字建筑的發展發掘一些新的機遇。

3 數字化建筑的發展機遇

3.1 信息的合理提取與處理

作為建筑設計師，我們對數字化平臺通常只停留在“會操作”的階段，并且如果當這些軟件作為繪圖工具的時候，我們并不需要它們幫我們處理和計算信息，只需要它們能夠記錄并在模型中反映數據，那么“會操作”其實是足夠輔助我們的建筑設計過程的。但是，對于數字化設計的過程，對數字化軟件僅僅止于“會操作”階段，則會導致一些情況。第一種情況，從信息提取的方面來說，當設計者不夠了解軟件平臺的時候，就不了解什么形式的信息是能夠被軟件有效接收并合理運算的，在這種情況下，前期調研過程中的信息收集則會缺乏一定的目的性和系統性，所以當要將這些依據進行數字化的時候就會導致信息不全、冗繁或者無效。第二種情況，假設信息是準確的，但是在不能夠深入理解數字化平臺中各模塊的數據結構和運算過程的情況下，將信息輸入了錯誤的運算模塊中時，所獲得的結果自然是不準確的。例如，在 Rhinoceros這個軟件的Grasshopper的操作平臺上，如果設計師在不理解平臺中每個模塊的數據結構時，往往會將有序的數據連接在無序的數據接口上，或者在數據中存在大量重復項的時候就將數據輸入更為復雜的運算模塊當中去，這樣往往會導致運算結果的錯誤和(或者)運算失敗。當我們將平面上一系列的點相連接的時候，雖然看似結果是相同的，但是數據結構是不同的，這便會導致當我們將這些數據輸入下一個運算模塊時，結果就會有所不同。第三種情況，如果設計者在一系列篩選、運算和驗證過程中，選擇了不相配套的處理方式，那么也會導致模型所承載的建筑信息錯誤。還是用點陣相連接的例子，如果在取點時采用了無序原則，假設在后續的運算過程應該采用就近原則連接，如果采取了無序的連接方式，那么就會出現與正確操作完全不同的結果。以上兩種情況導致的不準確結果一旦被運用到建筑方案當中，都會導致設計成果無法回饋建筑用地的地形、日照、氣候、功能以及人文等因素，那么這樣的數字化建筑自然無法滿足各方面需求，也就沒有被實施的可能性。所以對數字化軟件進行更為深入的理解是相當必要的。

3.2 結構數字化

建筑設計的三要素是堅固、實用和美觀。既然是要素，就沒有理由拋棄其中的任何一個。多數時候，設計師總是在數字化設計中將較多形式依據作為參數對建筑進行設計，卻很少加入結構參數來控制建筑的生成，這種設計過程所造成的結果往往是建筑缺乏合理經濟的結構。許多設計師認為，數字建筑設計應該是擺脫傳統結構束縛的，更為跳脫的設計方式，然而在這種思維指導下獲得的建筑方案又時常因為結構不滿足現實中承重的需求而難以被實施。那么，我們為什么不從別的角度來重新思考，不論是數字化設計還是傳統設計，我們都是在對一維、二維、三維甚至四維的幾何形態進行或復雜或簡單的設計處理，那么任何的幾何形態不僅有著其潛在的結構原理，同時也都是可以被作為一種強有力的設計元素來進行使用的。既然這樣，在進行數字建筑設計的時候，我們為什么不能使用有著良好結構性能的平面或空間幾何形態元素來進行數字化設計。當我們對各種幾何形態的結構性質有了較為深入的研究之后，那么結構不僅不會成為數字化設計的絆腳石，反而能為我們的設計另辟蹊徑。伊東豐雄先生設計蛇形畫廊的過程，便將方形疊加所形成的三角形作為設計元素，同時又利用了三角形的結構優勢，形成了豐富多變且結構合理的建筑效果。

3.3 數字化也需要誤差

有時存在這樣的設計，一些數字化建筑既能滿足功能等客觀要求，又具有著合理的結構體系，但是仍然難以實施，原因很可能是這樣的，大多數數字化設計的結果都是相對復雜的，當其復雜程度升高的同時也就對精確性有一定的要求。然而，在實際的施工當中是存在著各種偶然和必然的誤差的，這些誤差可能存在于鑄造、氣候、安裝等各個環節當中，是沒有辦法完全克服的。所以一旦數字化設計方案的復雜度對其精確度的要求過高時，建筑的實施將會十分艱難，同時也會大大提高建筑的建造成本。例如廣州歌劇院的施工過程中，一些細節部分需要機械臂的施工操作，結構的空間定位花去了大量的人力、物力、財力，但沒有多少項目能夠獲得這種規模的投資，所以這樣的建筑沒有大規模建造的可能性。那么首先我們可以降低其復雜性，但是數字化設計的優勢本來就是能夠承載更為豐富復雜的“信息”，故其復雜性是很難降低的。

所以我們只能在設計數字化方案時，在一些數據上給予一定的誤差區間，而不是一個完全精確的數值，這樣，只要施工過程中的誤差在給定的區間內，就不影響建筑的外觀與承重效果，同時也降低了施工難度，那么這樣數字建筑就有更多的機會被付諸實踐了。

4 結語

雖然我們處在數字化依據超前于設計理論的時代，但是建筑設計的精髓永遠是在設計師的腦中，所以我們應該尋找到各種機遇使數字化平臺為我們所用，既讓我們的經驗能夠理性的、有效的控制數字依據，又不讓數字化依據的冗繁束縛我們的設計理念。

[1] 王一平.建筑數字化論題之一:終結[J].四川建筑科學研究，2009(2):3-4.

[2] 張 冉.淺談數字建筑與空間解決[J].山西建筑，2009，35(2):44-45.