從具象到具象 數字建筑中的材料試驗

許偉舜

參數化設計：抽象還是具象？

對于當代建筑師來說，使用計算機建立三維模型已經成為標準的設計手段，而電子模型中引入各類算法來進行的參數化（parametric）建模和模擬演算（simulation）也已經并不新鮮，成為前衛設計師們探索新形式和設計邏輯的好方法。在這些設計中，人們常常從自然界尋找靈感，在天然的幾何圖案中尋找特征，使得這些天然形態能夠被數學分析和理解；設計師再將這些解釋運用于設計當中，試圖通過運用這些邏輯和幾何關系得到建筑形態。對中國民眾來說最著名的例子也許是國家游泳中心（即水立方）的建筑外墻：它利用了沃羅諾伊（Voronoi）網格這種幾何形態。這種網格常常在納米晶體和皮層細胞中被發現；由于這種網格能夠通過數學邏輯描述其幾何中心和邊界的關系，它最早被應用在城市規劃和設計當中，作為控制區域劃分的方式。在19世紀的倫敦，當一次霍亂爆發時，一位英國醫生將這種網格用來劃分發病區域，通過統計病人數量，最終確定了傳染源。這個成功的案例使設計師注意到了這種網格系統的有效性，它進而作為一種二維圖案被應用在建筑外墻面等設計中。

然而很多時候，這一類參數化設計盡管有幾何算法作為基礎，卻并不能保證這些算法在恰當的場合被應用；到頭來，許多為了加強建筑空間的邏輯性進行的演算，卻變成了純粹創造表面形態的工具。近幾年來，建筑設計對沃羅諾伊網格的濫用已經遭致許多批評。當許多設計師將之用來作為設計建筑外表皮的結構依據時，常常忽略垂直豎立的沃羅諾伊網格本身并不提供當代建筑幕墻系統常常需要的自我支撐的結構能力。在很多對參數化設計持保守看法的建筑師看來，這一類設計往往代表了一個“從抽象到具象”，即抽象概念和具象建筑缺乏對接的過程：建筑師試圖通過抽象的邏輯或數學關系來推導出具象的建筑，卻忽略了現實中的場地、材料等實際限制，結果成品設計不但在施工中造價高昂，浪費材料，更容易讓建筑變成純粹追求形態的雕塑行為。

為了擺脫這種看似環環相扣，實則簡化邏輯、脫離復雜現實的設計，許多前沿建筑師開始轉向“從具象到具象”的探索實踐，也就是在應用計算機模擬演算的同時，以實際而具象的建造規則作為演算出發點設計建筑，通過現實中的條件和限制避免抽象空洞的邏輯討論。在這方面的探索中，對建筑材料的創新應用吸引了許多力圖解決這一問題的設計師。他們試圖將尋找新的建筑形態的工作和材料的物理特性連接起來，將材料本身的復雜性質作為模擬演算和實驗的第一步，讓材料代替計算機模型說話，從而讓新的建筑形態具有容易塑造、構建方便、緊密連接自然等特點。

纖維織造：讓建筑設計自己

在這種探索中，德國建筑師阿基姆·曼格斯（Achim Menges）無疑是先行者之一。早在2006年，他和學生們已經通過對薄木片沿著木紋熱脹冷縮特性的研究，發展出了一系列復雜曲面形成的裝置空間，這些裝置空間魚鱗狀的表面會根據溫度和濕度改變形態，應用在建筑表皮上，則可以期待建筑外墻能夠實時反應環境情況。在木質材料上取得成功后，為了更加可控的效果和更嚴謹的參數考慮，曼格斯將自己的研究方向轉變為對絲狀纖維的探索。這些不同材料的纖維具有質量輕、承受拉力強的特點，并且，絲狀纖維受力的方向總是沿著絲線行進的方向，這樣的結構在受力上十分高效。在2012年與斯圖加特大學的合作中，曼格斯從龍蝦鉗子外殼的微米結構中找到靈感，使用了玻璃纖維和碳化纖維兩種材料，在臨時鋼骨架上純采用機器人技術編織出了一座半透明的亭子。亭子完成之后，鋼骨架被移出，輕便的亭子被整體移動到場地上固定。雖然這座亭子看起來材料均一，事實上，纖維的厚度、層數、編織方向、相互交叉的次數等都以龍蝦的鉗子作為雛形經過仔細研究，才得以保持最終成品在受力結構上的整體性。

為了最大程度地研究輕質纖維在建筑上的可能性，并且完善通過建筑材料進行新型設計的方法，曼格斯與研究生們在2013年將這種材料帶到了哈佛大學的設計課程中。在那里，學生們用手工模型的形式開始探索之前的數控機器人建造中沒有被觸及到的問題。在其中一個設計小組里，研究生汪雋和賴尊恒兩人致力于解決材料成型過程帶來的挑戰：當數控機器人在鋼骨架上操作時，由于纖維是慢慢累積織成的，整體結構事實上隨著時間的推移有微小形變；這些形變在骨架足夠強壯時可以忽略，但它們在手工操作時被放大了。對于精確控制的數控建構而言，這意味著誤差，但對他們的研究小組而言，重要的不是消除這些形變，而是利用和控制形變的過程，使得建筑來設計自身，找到最適合自己的受力形態。為了達到這種目的，設計團隊將原來建造過程中靜止的鋼筋骨架替換成可以沿著一根軸轉動的板材，這樣一來，在編織纖維的過程中建筑將根據材料受力隨時微調自身形態——建筑師不再追求確定的最終建筑形式，轉而控制建造過程讓建筑自發對材料和構造過程進行反應，進行結構和形態的優化。為了在設計時最大限度模擬實際建造過程，研究小組的二人采用了盡量大尺度的模型，而沒有相應放大可動骨架的厚度，這樣使得建筑微調形態的過程盡量表現完全。隨后模型整體被用樹脂硬化，以取出可動的骨架并觀察建筑定型后與場地的關系。由于材料本身的物理性質往往在計算上超過目前的軟件所及，這種實驗設計在曼格斯看來能夠很好地對參數化建筑模型進行測試和調整：要想模擬材料的行為，沒有什么比這種材料本身更好的計算工具了。

舊材料與新應用

曼格斯并不是唯一在這個領域進行研究的知名設計師。扎哈·哈迪德事務所的合伙人，一向將“參數化符號學”等理論語言掛在嘴邊進行新穎形式創作的帕特里克·舒馬赫（Patrik Schumacher），也開始轉向類似的“從具象到具象”的設計方法，而織物纖維同樣在他的專注范圍內。他在英國的AA建筑學院和哈佛大學設計學院組織的研究團隊將大量精力投入到對張拉結構和拱結構這兩種古老形式的重新開發中，因為它們在僅承受自重的情況下能夠高效地利用材料，非常適合大跨度的空間建設。在裝置藝術家馬克·弗內（Marc Fornes）的組織下，材料測試更講究與電子模型的實時結合，各種材料性質被第一時間數字化，幫助設計師在電腦模型中找到準確的形體。由于數控機床等技術的普及，傳統材料可以創作出前人未及的形態，這就激發了研究人員使用新的材料測試對之前未涉及的找型方法進行探索。在對一個復雜穹頂的結構測試中，設計小組的成員想要用可彎曲的輕質木材表現一組屋頂承受自重情況下力的傳遞方式，進而從這些圖案中尋找美感。傳統的結構軟件并不能輕松地找到最優化的力傳遞路徑，因此，設計小組決定在小尺度的物理模型上用合適粗細的浸濕棉線來尋找答案。通過懸掛，浸濕的棉線團簇開始自我組織，大致排出了力通過的最短路徑。為了使棉線反應不同的木材材質，研究小組還在水中加入控制劑量的粘合劑，以使棉線在定型前達到不同的硬度。這些數據隨后被匯總分類，輸入研究小組自行開發的代碼中進行計算，以確定什么樣的參數組合產生的電腦模型最接近實際情況。在這個研究中，物理材料的測試避免了研究小組在參數化模型上花費大量時間猜測和寫入并不需要的木材性質，而只需要通過編制電腦模型中幾何形體的曲率和假設材料間的相互作用力就完成了對模型的簡化。

在業界，這些研究成果已經開始了試點應用，并且正在快速推廣，促使一部分中小型設計事務所向半研究的商業模式轉變，以搶先占據市場。DO|SU建筑事務所是注意到這種發展機會的公司之一。坐落于美國西海岸的這家事務所試圖利用當地充足的陽光做出不一樣的材料應用：他們利用不同配比的合金形成雙層貼片，這些合金在不同的溫度下漲縮的比例不同，并且在80華氏度（約合攝氏27度）上下時兩層合金材料漲縮差異很大。因此，環境溫度在攝氏27度周圍變化時，雙層貼片就會向合金伸長較短的那一面彎曲。由于這種溫度在美國西海岸通過陽光照射就能輕易達到，DO|SU試圖制成能自動根據環境調節通風開口大小的金屬墻面，并將之應用在建筑和裝置藝術上。DO|SU的材料工程師正致力于將這種變化做成可控的參數化模型進行大規模數控生產。2011年底開始，DO|SU在位于洛杉磯的材料和應用中心展出了他們設計的名為BLOOM的亭子，亭子的表面即可根據陽光被動調節形態。

材料的創新應用并不是十分前沿的話題，但是當參數化模型為未來設計的形式提供參考，而數字建構為它們的實現提供可能時，材料應用便由于它與復雜現實間不可分割的聯系，顯示出它在未來建筑設計中獨特的一面。有理由相信，隨著數字建構的普及，前所未有的建筑形態不斷涌現時，材料測試和應用將成為保證建筑不成為純造型藝術的重要依據。