性能導(dǎo)向的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造

張燁，劉嘉玲，許蓁/ZHANG Ye,LIU Jialing,XU Zhen

1 數(shù)字時(shí)代的設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)方法

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design）提高了設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)精度[1]，賦予了建筑更多形式可能性。然而，數(shù)字化設(shè)計(jì)在趨于非標(biāo)準(zhǔn)化、建構(gòu)復(fù)雜化和形式曲面化的同時(shí)，由于缺少對物質(zhì)性能的關(guān)注，導(dǎo)致部分作品片面地追求形式感，材料、結(jié)構(gòu)、建造方式等要素淪落為形式的附庸。然而，建筑中的各個(gè)要素之間并不是獨(dú)立或靜止的，因此有必要探究各項(xiàng)性能要素如何被運(yùn)算、優(yōu)化、整合，并反饋到建筑設(shè)計(jì)中[2]，實(shí)現(xiàn)性能信息、設(shè)計(jì)決策、建造技術(shù)之間的協(xié)同。

1.1 建筑物質(zhì)性能缺失的危害

前數(shù)字時(shí)代，數(shù)字化設(shè)計(jì)更多的只是將形式表達(dá)計(jì)算機(jī)化[3]。在設(shè)計(jì)思維上，以弗蘭克·蓋里（Frank Gehry）、扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）為代表的雕塑化設(shè)計(jì)派，以及以彼得·艾森曼（Peter Eisenman）、克雷格·林恩（Greg Lynn）為代表的圖解理論派，都采用了基于計(jì)算幾何的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)工具上，Rhino、Maya 等參數(shù)化軟件的建模方法是建立在Nurbs 曲面或多邊形網(wǎng)絡(luò)（Ploygon Mesh）幾何邏輯上的，并不能夠比傳統(tǒng)的二維圖紙表達(dá)出更多的物質(zhì)性。數(shù)字化設(shè)計(jì)被狹隘地理解為用各種參數(shù)來定義一個(gè)形體。形式生成與結(jié)構(gòu)性能、材料性能、建造性能相脫離，這導(dǎo)致了許多問題：

首先，對材料性能和建造性能的忽視拉大了電子模型與實(shí)際作品間的差距。在計(jì)算機(jī)屏幕上，建筑師可以自由地建出復(fù)雜的具有曲線的幾何形體，并在模型上渲染任意的材料貼圖。但在實(shí)際建筑中，建筑并不是自由懸浮的，而是受到材料的重量、推力和阻力等因素的制約[4]。性能和形式的脫節(jié)加重了實(shí)際作品脫離建筑師掌控的問題。

第二，脫離性能的數(shù)字化設(shè)計(jì)降低了加工精度并加重了施工難度。數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展使建造從標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展到定制化，從模數(shù)化發(fā)展到模塊化[5]。但在此過程中，由于缺乏對材料復(fù)雜性能的認(rèn)知和處理技能[6]，缺乏對于結(jié)構(gòu)表現(xiàn)與建造方式的深入思考，在非線性作品中，施工過程愈加被動(dòng)、低效、高價(jià)，并且精確性難以保證。

第三，形式與性能的脫離導(dǎo)致建筑形象同質(zhì)化加劇。隨著手工制造被機(jī)械制造和數(shù)字制造所取代，不同特性的材料經(jīng)過相同的加工程序，被批量生產(chǎn)成固定尺寸的規(guī)格構(gòu)件使用在建筑中。材料的各異性（personality）和文化的地域性往往被忽視。

基于以上原因，有必要在數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造過程中關(guān)注建筑的物質(zhì)性能。數(shù)字技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了建筑形式和空間上的突破與創(chuàng)新，更為各項(xiàng)性能的分析、模擬和優(yōu)化提供了保證。可以說，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展正在促進(jìn)著設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)方法的變革。

1.2 從主觀決策、算法生成到性能驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)思維

在數(shù)字技術(shù)的支持下，建筑設(shè)計(jì)的思維正逐漸從主觀決策和算法生成發(fā)展到“性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”（performance oriented design）思維。主觀決策思維完全依賴于建筑師個(gè)人的審美與經(jīng)驗(yàn)，未能最大化地發(fā)揮材料、結(jié)構(gòu)、建造方式等因素對于建筑可能性的影響；生成設(shè)計(jì)思維單純基于算法得出形式（form making），未能發(fā)揮建筑師對設(shè)計(jì)和建造過程的控制作用。性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)則是從各要素的能動(dòng)性中找到形式（form finding），它從根本上顛覆了“先設(shè)計(jì)形式，再分析結(jié)構(gòu)，最后填充材料”的序列式工作模式，從而兼顧建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和合理性[7]，提高復(fù)雜建造的精確性和高效性。

性能信息不是簡單的作為與前期設(shè)計(jì)脫節(jié)的后期評價(jià)指標(biāo)，而是相互影響并驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的。性能信息包含結(jié)構(gòu)性能、材料性能、建造性能、環(huán)境性能和行為性能等。性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)通過將各項(xiàng)性能的信息作為設(shè)計(jì)參數(shù)參與決策生成過程，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)，優(yōu)化建造邏輯，最終實(shí)現(xiàn)將信息分析、有限元模擬、計(jì)算機(jī)模型建設(shè)和機(jī)器人制造統(tǒng)一起來的數(shù)字信息鏈。

2 基于結(jié)構(gòu)性能的數(shù)字化設(shè)計(jì)

在數(shù)字性能化設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)性能導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法起步最早。它是指在建筑設(shè)計(jì)過程中通過模擬、運(yùn)算和優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能特性，尋找空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)合理關(guān)系的設(shè)計(jì)方法[8]。與長久以來結(jié)構(gòu)性能僅被用作實(shí)現(xiàn)建筑師形式夢想的“后合理化”（postrationalisation）[9]計(jì)算不同，數(shù)字時(shí)代的結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)打破了結(jié)構(gòu)的被動(dòng)局面。建筑師在設(shè)計(jì)的初始階段就主動(dòng)考慮結(jié)構(gòu)性能，建立從性能計(jì)算到設(shè)計(jì)策略[10]的新流程，從而實(shí)現(xiàn)形與力的雙向交互。

在20 世紀(jì)，建筑結(jié)構(gòu)通常被分成框架、空間網(wǎng)架等不同的結(jié)構(gòu)類型來進(jìn)行分析。然而，數(shù)字時(shí)代的建筑結(jié)構(gòu)通常具有獨(dú)特而復(fù)雜的行為，很難被單純地歸于某個(gè)特定類型。21 世紀(jì)初，克勞斯·布林格（Klaus Bollinger）、曼弗雷德·格羅曼（Manfred Grohmann）、奧利弗·泰斯曼（Oliver Tessmann）等人提出應(yīng)該基于個(gè)案（individual case）而不是基于已有原型（established archetype）去分析建筑的結(jié)構(gòu)性能。此后，建筑師和工程師開始根據(jù)個(gè)案的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行計(jì)算和模擬，并在這一過程中調(diào)整設(shè)計(jì)方案使其更加合理化。

基于個(gè)案的結(jié)構(gòu)性能生形的發(fā)展得益于層出不窮的數(shù)字工具的開發(fā)[11]，結(jié)構(gòu)導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法不斷被開發(fā)成軟件插件形式植入到設(shè)計(jì)平臺(tái)中，如grasshopper 中根據(jù)力學(xué)找形的kangaroo、模擬結(jié)構(gòu)受力殼體找形的Rhinovault、對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析模擬的millipede、對結(jié)構(gòu)變形與受力狀況分析模擬的karamba 和基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的Ameba 等。其中丹尼爾·派克（Daniel Piker）開發(fā)的Kangaroo 工具包，是基于“粒子—彈簧”的動(dòng)態(tài)平衡找形法，能夠使參數(shù)模型根據(jù)外部約束進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[12]，幫助建筑師設(shè)計(jì)出新穎又高效的結(jié)構(gòu)形式。謝億民團(tuán)隊(duì)開發(fā)Ameba 拓?fù)鋬?yōu)化軟件，是基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO），通過對初始設(shè)計(jì)區(qū)域施加力學(xué)等邊界條件能夠快速優(yōu)化生形，得到耗材最少、形式最有效的途徑。這些數(shù)字工具幫助建筑師在三維建模環(huán)境下增加結(jié)構(gòu)性能的思考，尋找受力形態(tài)合理且符合建筑美學(xué)的建筑方案，使建筑作品更具有結(jié)構(gòu)邏輯性。

在建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中，大多通過數(shù)字運(yùn)算和力學(xué)模擬優(yōu)化兩種類型來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的數(shù)字化生形。前者得益于圖解靜力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化生形設(shè)計(jì)的結(jié)合；后者是基于物理力學(xué)模擬和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的性能生形[11]。常見的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有推力線網(wǎng)絡(luò)分析法（thrust network analysis，TNA）、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（evolutionary structural options，ESO）、雙向漸進(jìn)優(yōu)化法（the Bidirectional ESO，BESO）等。TNA 是菲利普·布洛克團(tuán)隊(duì)基于圖解靜力學(xué)原理開發(fā)的拱殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[9]，它通過力密度計(jì)算，能夠得到不同尺度殼體對應(yīng)的內(nèi)力分布，并建立結(jié)構(gòu)邊界條件與建筑幾何形式的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。ESO 和BESO 算法通過將結(jié)構(gòu)體離散成一個(gè)個(gè)單元體進(jìn)行分析，計(jì)算材料最需要的生長部位，去除應(yīng)力低于一定閾值的部位，從而獲得一個(gè)表面應(yīng)力分布均勻的合理形態(tài)[13]。

目前，多位建筑師已經(jīng)通過數(shù)字運(yùn)算的方法完成了結(jié)構(gòu)生形的實(shí)踐項(xiàng)目。扎哈·哈迪德事務(wù)所設(shè)計(jì)的倫敦奧運(yùn)游泳館和MAD 建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)的哈爾濱大劇院將殼體作為結(jié)構(gòu)原型完成了大跨度的空間設(shè)計(jì)。袁烽設(shè)計(jì)的江蘇省園藝博覽會(huì)主題館將結(jié)構(gòu)性能作為驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的重要元素，使其在方案設(shè)計(jì)的初期參與形式?jīng)Q策，最終實(shí)現(xiàn)了空間曲面網(wǎng)殼體系從生形、優(yōu)化到建造的全數(shù)字流程。在結(jié)構(gòu)生形階段，該設(shè)計(jì)首先通過建筑邊界生成平面網(wǎng)格，確定6 個(gè)邊界支點(diǎn)和1 個(gè)內(nèi)部支點(diǎn)，在RhinoVAULT 中通過數(shù)字模擬生成自由形式的殼體結(jié)構(gòu)，最終通過形態(tài)擬合將曲面網(wǎng)格重新劃分。在模擬和優(yōu)化階段，方案通過數(shù)字運(yùn)算模擬單向連續(xù)單向剛節(jié)點(diǎn)的受力情況，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格密度、方向和形態(tài)的求解與優(yōu)化。最后在結(jié)構(gòu)原型指導(dǎo)下進(jìn)行制造和裝配，木結(jié)構(gòu)網(wǎng)格分為主次兩個(gè)方向，主梁方向的構(gòu)件采用通長連續(xù)曲梁，次梁方向的構(gòu)件采用短直梁與主梁相接[14]（圖1）。

1 袁烽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的江蘇省園藝博覽會(huì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)主題館運(yùn)用RhinoVAULT 進(jìn)行結(jié)構(gòu)找形（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻(xiàn)[14]）

力學(xué)模擬優(yōu)化法則是通過對復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境進(jìn)行簡化，為設(shè)計(jì)生形提供了合理的力學(xué)依據(jù)和結(jié)構(gòu)參照[11]。例如磯崎新設(shè)計(jì)的卡塔爾國際會(huì)議中心，其入口平臺(tái)的對稱支柱應(yīng)用了拓展的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（EESO）技術(shù)[15]，從而在節(jié)省材料的同時(shí)得出結(jié)構(gòu)最優(yōu)的拓?fù)湫螤睢７桨甘紫却_定平臺(tái)施加的荷載和支撐點(diǎn)；再通過Ameba 軟件將結(jié)構(gòu)細(xì)分成定量的有限元方格體塊，在滿足給定荷載情況下，保留高效的體塊單元，刪除材料低效單元；最后將模型進(jìn)行多次迭代和逐步收斂，得到受力合理的有機(jī)形態(tài)（圖2）。

2 卡塔爾國際會(huì)議中心利用EESO算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（繪制：劉嘉玲，改繪自https://ameba.xieym.com）

3 基于材料性能的數(shù)字化設(shè)計(jì)

在將算法轉(zhuǎn)換成真實(shí)對象和空間的過程中，材料發(fā)揮著巨大作用，成為代碼與實(shí)體之間的橋梁[16]。21 世紀(jì)初，邁克爾·漢塞爾（Michael Hensel）和阿希姆·門格斯（Achim Menges）等建筑師開始在計(jì)算機(jī)模型中嵌入材料特性，并探索其如何影響建筑的幾何行為（geometric behaviour）、制造約束（manufacturing constrains）和裝配邏輯（assembly logics）。之后的十幾年來，針對建筑材料各方面特性的計(jì)算機(jī)模擬程序在設(shè)計(jì)過程中得到了初步應(yīng)用。數(shù)字時(shí)代的材料創(chuàng)新主要包括材料性能與數(shù)字建造技術(shù)的整合、材料動(dòng)態(tài)行為研究及其數(shù)字化模擬、新合成材料的研發(fā)和優(yōu)化等。

在數(shù)字化工具的幫助下，材料加工性能與建筑以數(shù)字信息為接口實(shí)現(xiàn)了性能參數(shù)與建筑參數(shù)之間的轉(zhuǎn)化。數(shù)控加工技術(shù)的介入使得材料以一種全新的幾何形態(tài)加入到實(shí)體建造中。通過對材料加工性能的分析、加工路徑的計(jì)算和算法邏輯的代入，建筑師可以控制建造過程，完成建造體系和幾何形式的互動(dòng)推進(jìn)。例如紐約普瑞特學(xué)院（Pratt Institute）的碳纖維吊燈項(xiàng)目（Carbon-fiber Chandelier Studio Project）。碳纖維聚酯材料具有密度低便于加工、柔軟易成型、成型后硬度高的特性，麥克·塞文（Mike Silver）基于碳纖維聚酯材料的加工特性，編寫了自主軟件來控制數(shù)控機(jī)床的加工路徑和泡沫模具的形狀，從而控制碳纖維外殼的曲面形式[17]。在模具制作階段，通過三維建模得到吊燈的形式，用Japhy Bartlett 的專有腳本程序?qū)⒌鯚粜螒B(tài)進(jìn)行有理化生成直紋面，模擬15°、30°和45°的不同形態(tài)數(shù)控切割機(jī)的切割路徑，將得到的切割路徑輸入數(shù)控泡沫切割機(jī)，為了精確地構(gòu)造所需要的形狀，開發(fā)了新的軟件來協(xié)調(diào)機(jī)器旋轉(zhuǎn)床的運(yùn)動(dòng)和切割機(jī)芯工具端的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用機(jī)器自動(dòng)切割復(fù)雜發(fā)泡聚苯乙烯模具。最后將碳纖維聚酯材料附著在泡沫模具上進(jìn)行定型，得到精準(zhǔn)的復(fù)雜幾何形態(tài)（圖3）。

3 碳纖維吊燈項(xiàng)目（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻(xiàn)[17]）

除了材料的加工性能之外，數(shù)字時(shí)代的程序編碼也為材料的多樣化行為提供了可計(jì)算的平臺(tái)，與外部環(huán)境刺激相關(guān)聯(lián)的材料動(dòng)態(tài)行為可以被模擬、分析和轉(zhuǎn)譯。以木材為例，德國設(shè)計(jì)學(xué)院HfG（Hochschule fur Gestaltung）形式生成和物質(zhì)實(shí)現(xiàn)部門（Department of Form Generation and Materialisation）的史蒂芬·理查德（Steffen Reichert）和阿希姆·門格斯在“響應(yīng)式結(jié)構(gòu)表皮”（Responsive Surface Structures）項(xiàng)目[18]中利用木材的多樣化行為設(shè)計(jì)了一個(gè)與周圍環(huán)境交互的動(dòng)態(tài)表皮。當(dāng)環(huán)境濕度改變時(shí)，木材會(huì)相應(yīng)地膨脹或收縮，且變形程度受木纖維方向、木片厚度長度比例等參數(shù)的影響。“響應(yīng)式結(jié)構(gòu)表皮”項(xiàng)目通過控制材料參數(shù)決定表皮多樣的形式變化，最終得到一種應(yīng)對環(huán)境變化且無需額外電子或機(jī)械控制的響應(yīng)式表皮（圖4）。

4 木材響應(yīng)式結(jié)構(gòu)表皮（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻(xiàn)[18]）

4 基于建造性能的數(shù)字化設(shè)計(jì)

近15 年來，數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字建造之間的分界逐漸消失，數(shù)字建造的思維也從機(jī)器人制造（robotic fabrication）發(fā)展到機(jī)器人創(chuàng)意（creative robotics）。設(shè)計(jì)與建造的關(guān)系不再是單方向的影響，建造性能也可以決定設(shè)計(jì)本身。

機(jī)器人在建筑中的使用可以追溯到1980 年代。從那時(shí)起，以早稻田建筑機(jī)器人集團(tuán)（Waseda Construction Robot Group）和清水建設(shè)（Shimizu Corporation）為代表的日本建筑企業(yè)開始采用機(jī)器人技術(shù)，在工廠和施工現(xiàn)場均實(shí)現(xiàn)了高水平的自動(dòng)化。這時(shí)候的數(shù)字機(jī)器人類似于一個(gè)大型腳手架結(jié)構(gòu)，整合各系統(tǒng)執(zhí)行不同的操作[19]。2005 年前后，以蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）為代表，機(jī)器人技術(shù)開始著重于增強(qiáng)創(chuàng)造力，實(shí)現(xiàn)新穎的構(gòu)造策略。隨后，對數(shù)字工具和機(jī)器人技術(shù)的興趣傳播到其他建筑學(xué)校和研究小組，并在2010 年促成了機(jī)器人協(xié)會(huì)（Association Robots in Architecture）的創(chuàng)立。之后的10 年間，數(shù)字建造的工具從大尺度機(jī)器人結(jié)構(gòu)（large scale robotic structure）拓展到可移動(dòng)機(jī)器人單元（mobile robotic units）和飛行機(jī)器人（flying robots）；數(shù)字建造的內(nèi)容也從生產(chǎn)定制化構(gòu)件（the fabrication of components）發(fā)展到現(xiàn)場自主建造（automated modes of on-site construction）。設(shè)計(jì)與制造的整合（design-fabrication integration）成為未來發(fā)展的重要趨勢之一。

以本文作者在日本東京大學(xué)參與的“工具指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)”（Tool Operated Choreographed Architecture) 為例，該項(xiàng)目通過人機(jī)協(xié)作（Human-Machine Collaboration）的建造模式，探討了建造性能與建造方法、工具、邏輯決定形式的可能性。項(xiàng)目研發(fā)了可以快速擠壓成型的泡沫作為建造材料，設(shè)計(jì)并制作擠壓泡沫的手持打印器。建造人員手持泡沫打印機(jī)器并揮動(dòng)手臂，同時(shí)通過Kinect 對人動(dòng)作的路徑進(jìn)行掃描，在grasshopper中實(shí)時(shí)生成動(dòng)作路徑所對應(yīng)的幾何形狀。在此過程中打印器壓出的泡沫冷卻成型，因此手臂運(yùn)動(dòng)的路徑?jīng)Q定每個(gè)構(gòu)件的形狀，泡沫擠出的速度決定構(gòu)件的粗細(xì)程度。構(gòu)件數(shù)據(jù)和組合順序決定了數(shù)字模型的整體形式，在GH Python 進(jìn)行優(yōu)化后，數(shù)據(jù)將反饋到建造人員的運(yùn)動(dòng)路徑上。該項(xiàng)目通過定義建造路徑和安裝邏輯來調(diào)整最終方案，建造性能直接影響了方案的幾何形狀（圖5）。

5 數(shù)字模擬的建筑形式通過建造路徑和安裝邏輯調(diào)整方案（繪制：張燁，圖片來源：東京大學(xué)數(shù)字建造研究室）

建造性能不僅能夠給設(shè)計(jì)以反饋從而調(diào)整設(shè)計(jì)方案，甚至可以指導(dǎo)機(jī)器人通過深度學(xué)習(xí)來進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。目前，麻省理工、蘇黎世聯(lián)邦理工和普林斯頓等一些高校和研究小組已經(jīng)在這方面取得初步成果。例如普林斯頓大學(xué)進(jìn)行的“基于隨機(jī)裝配和深度學(xué)習(xí)的木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”（Design Natural Wood Log Structures with Stochastic Assembly and Deep Learning）項(xiàng)目。該項(xiàng)目首先掃描原木得到相應(yīng)的3D 模型，并提取樹干和樹枝軸線數(shù)據(jù)，計(jì)算樹枝分叉角度來推測彎矩承載能力。然后，對多維數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNNs）得到自主決策搭接方案。最后，根據(jù)方案得出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑并完成搭建[20]（圖6）。

6 機(jī)器人自主裝配原木（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻(xiàn)[20]）

5 性能導(dǎo)向的數(shù)字設(shè)計(jì)與建造實(shí)踐

5.1 天津大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造教學(xué)

在新工科教育理念和建筑行業(yè)人才新需求的背景下，天津大學(xué)建筑學(xué)院對設(shè)計(jì)課程教學(xué)體系進(jìn)行了調(diào)整和創(chuàng)新，將數(shù)字技術(shù)對建筑學(xué)的沖擊引入課程設(shè)置中，以更好地應(yīng)對未來建筑產(chǎn)業(yè)智能化和信息化的特征。學(xué)院積極響應(yīng)教育部自2017 年啟動(dòng)的以“新理念、新模式、新質(zhì)量、新方法、新內(nèi)容”為核心的新工科[21]建設(shè)，提倡跨學(xué)科的研究。通過和信息和自動(dòng)化學(xué)院、材料學(xué)院、軟件工程學(xué)院、機(jī)械學(xué)院等多個(gè)專業(yè)展開交叉合作，將單純的建筑設(shè)計(jì)拓展到性能分析，媒體呈現(xiàn)，智能建造等領(lǐng)域，以培養(yǎng)適應(yīng)數(shù)字時(shí)代的復(fù)合型工科人才。

學(xué)院采用“以數(shù)字化研究所為核心，以數(shù)字化專題課程為載體向各年級滲透發(fā)展”的模式，兼顧了數(shù)字專題教學(xué)的獨(dú)立性和普適性。數(shù)字化專題系列課程包含了算法與生形、基于性能的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造、可感知城市、智能建造驅(qū)動(dòng)下的裝配式建筑等內(nèi)容（圖7）。

7 天津大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)和建造課程體系（繪制：許蓁）

5.2 性能導(dǎo)向的數(shù)字化建造案例

在數(shù)字化設(shè)計(jì)系列課程中，本文作者帶領(lǐng)本科生四年級學(xué)生開展了“性能導(dǎo)向的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造”的設(shè)計(jì)專題。該課題從整合材料特性、結(jié)構(gòu)表現(xiàn)、建造方式與空間形態(tài)設(shè)計(jì)的角度，以數(shù)字為媒介，將建筑的幾何形式作為性能參數(shù)的物質(zhì)呈現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)從性能設(shè)計(jì)到具體建造這一由虛到實(shí)的跨越過程。

與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)與建造的簡單線性流程相比，性能導(dǎo)向下的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造流程更為復(fù)合。以建造作品“褶皺”為例，該方案通過“性能與表現(xiàn)”的整合化設(shè)計(jì)流程[22]，建立了一個(gè)符合數(shù)字建造邏輯的多關(guān)聯(lián)聚合形態(tài)系統(tǒng)，并依托數(shù)字技術(shù)得出各項(xiàng)性能共同作用下的優(yōu)化解，實(shí)現(xiàn)從生形（formation）、模擬（simulation）、迭代（iteration）、優(yōu)化（optimisation）到建造（fabrication）的連續(xù)流程[23]（圖8）。

8 傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)和性能導(dǎo)向的數(shù)字化設(shè)計(jì)（繪制：張燁）

5.2.1 生形

方案最初由揉皺的衛(wèi)生紙得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生紙?jiān)谑艿綌D壓揉搓后因具有褶皺變得堅(jiān)挺這一現(xiàn)象，提出“柔性材料具有作為自身支撐結(jié)構(gòu)的可能”這一想法（圖9）。

9 褶皺的紙張（拍攝：張棲寧，繪制：劉嘉玲）

柔軟的材料能夠形成具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的三維形態(tài)，是因?yàn)樵径S的曲面在力的作用下形成了多個(gè)雙向U 型褶皺，凹曲的向斜褶皺（syncline）和凸起的背斜褶皺（anticline）形成連續(xù)的轉(zhuǎn)折端點(diǎn)，起到支點(diǎn)的作用，并將力沿著兩翼（limb）向下傳遞。材料本身的特性決定了褶皺的波長、波幅、褶皺角、翼間角等參數(shù)，進(jìn)而決定了擠壓揉搓后的幾何形態(tài)。在方案生形的初級階段，通過物理實(shí)驗(yàn)分析不同柔性材料的特性和對應(yīng)的幾何形態(tài)（圖10）。

10 不同的柔性材料

5.2.2 模擬和優(yōu)化

在方案的計(jì)算機(jī)模擬階段，首先將曲面上所有褶皺的兩翼簡化成桿件，褶皺的波長、波幅、褶皺角、翼間角由材料的厚度、柔軟度、重量和桿件的角度、長度、排布方式、密度等參數(shù)決定。然后在Rhino/grasshopper 中建立數(shù)字模型，將柔性材料轉(zhuǎn)化為多個(gè)彈簧形成的網(wǎng)格曲面，借助GH Python編譯桿件的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值與彈簧彈性系數(shù)和受力情況的函數(shù)關(guān)系，最終通過計(jì)算機(jī)模擬出不同參數(shù)下拉力和壓力達(dá)到平衡后的曲面形態(tài)（圖11）。

11 褶皺生形的數(shù)字模擬

通過物理模型對比實(shí)驗(yàn)，研究了材料種類及桿件分布特點(diǎn)和數(shù)字模型中各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而對方案進(jìn)行優(yōu)化，得到褶皺肌理和整體形態(tài)的優(yōu)化解。首先，方案研究了柔性材料和桿件材料的選擇對形態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)的柔性材料有：不同種類的紙、布、1.5cm 厚的PVC 軟塑料、3cm 厚的PVC 軟塑料和5cm 厚的PVC 軟塑料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，30mm 厚的PVC 軟塑料和桿件的塑性效果更好，模型建造效果通透性更好。實(shí)驗(yàn)的桿件材料有：木材和鋁。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著桿件的組合疊加，木材對整體模型重量的改變較大，不能有效作為支撐結(jié)構(gòu)，而空心鋁管的材料密度小且便于加工，更適合作為支撐結(jié)構(gòu)（圖12）。其后，方案研究了桿件的分布特點(diǎn)和褶皺形態(tài)之間的關(guān)系。桿件形成的褶皺角影響三維形體的高寬比，桿件的長度影響物體表面褶皺的波幅進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，桿件的疏密影響褶皺的波長進(jìn)而影響三維形體的強(qiáng)度和形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，桿件采取人字形圖案（Herringbone Pattern）[24]有理排布桿件能夠有效控制褶皺肌理和最后的曲面形態(tài)（圖13）。

12 不同材料和不同桿件材料的搭建實(shí)驗(yàn)

13 桿件不同角度、長度、疏密程度和排布方式的搭建實(shí)驗(yàn)（10-13繪制：劉嘉玲）

最后，綜合材料性能和結(jié)構(gòu)性能，將模擬結(jié)果利用遺傳算法進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終找到桿件分布和對應(yīng)形體的優(yōu)化解。項(xiàng)目在Grasshopper 中編寫程序，模擬整體形式從二維到三維的過程，即不同褶皺肌理所對應(yīng)的通過桿件的拉力、張力和軟塑料膜的壓力，使曲面從松弛狀態(tài)到收縮穩(wěn)定狀態(tài)的動(dòng)態(tài)過程。通過遺傳算法，得到構(gòu)件分布和數(shù)量的最優(yōu)解，使方案在材料性能、結(jié)構(gòu)性能和幾何形式上達(dá)到合理的平衡（圖14）。

14 數(shù)字模擬與性能優(yōu)化（繪制：張棲寧）

5.2.3 建造

在建造階段，項(xiàng)目根據(jù)構(gòu)造條件對細(xì)節(jié)進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)。項(xiàng)目選擇了30mm 厚的PVC 軟塑料作為建造的表皮膜，10mm 空心鋁桿件作為連接構(gòu)件。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，方案原計(jì)劃采用鋼索穿過鋁管的整體連接方法，但建造實(shí)驗(yàn)表明連續(xù)的鋼索使褶皺成型過程中難以均質(zhì)受力。根據(jù)構(gòu)造性能，方案最后采取固定鉸接點(diǎn)的方法，將每個(gè)節(jié)點(diǎn)處劃分為兩個(gè)小鉸點(diǎn)焊接，一個(gè)小鉸點(diǎn)連接兩個(gè)方向的桿件，桿件之間選擇M6 螺母進(jìn)行連接，桿件和塑料膜之間選擇M5 螺母進(jìn)行連接（圖15）。

15 構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)（繪制：張棲寧）

在天津大學(xué)數(shù)字化建造工廠內(nèi)，師生利用CNC、激光切割機(jī)、銑床等工具，加工PVC 軟塑料、鋁桿和木板等材料，通過切銑、攻絲、組裝工藝，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的高精度生產(chǎn)，共同完成了125 個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的制造，并在校園內(nèi)完成作品的搭建。最終構(gòu)造物的平面尺度約為4m×3.6m，整個(gè)建構(gòu)從定制化加工到組裝僅花費(fèi)7.5 天的時(shí)間。

在“褶皺”中，每個(gè)元件的長度和位置都是獨(dú)一無二的，這意味著數(shù)字模型和真實(shí)模型必須是對應(yīng)的，否則褶皺的幾何形態(tài)就會(huì)出現(xiàn)缺陷，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)被破壞，因此，利用數(shù)字技術(shù)對各項(xiàng)性能進(jìn)行模擬就顯得尤為重要。方案最終精確的形體無法事先被主觀設(shè)定，而是在設(shè)計(jì)和建造過程中通過對性能的模擬和優(yōu)化，根據(jù)邏輯逐漸推演出來的（圖16）。

16 天津大學(xué)建造作品-褶皺（拍攝：張燁，繪制：劉嘉玲）

6 結(jié)語

性能導(dǎo)向的數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造既對建筑學(xué)本體具有重要意義，成為連接空間、材料、結(jié)構(gòu)、信息和時(shí)代需求的樞紐，同時(shí)促進(jìn)了建筑學(xué)與其他學(xué)科的融合與發(fā)展。對建筑學(xué)本體而言，性能化不再是與前期設(shè)計(jì)脫節(jié)的后評價(jià)形容詞，而是建筑要素之間平等并相互影響的設(shè)計(jì)參數(shù)[13]。通過將性能參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)因素在設(shè)計(jì)的初期階段參與方案設(shè)計(jì)，能夠幫助建筑師探尋結(jié)構(gòu)輕、耗材少、建造高效的建筑形式和建造途徑。同時(shí)，性能導(dǎo)向的設(shè)計(jì)與建造借助先進(jìn)技術(shù)和數(shù)字運(yùn)算的支持，在處理建筑復(fù)雜性和可持續(xù)性等問題上有望提供更加合理的解決方案。在學(xué)科融合上，建筑師不再只考慮建筑形式，而是將數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理力學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科的知識(shí)綜合考慮在內(nèi)，因此性能導(dǎo)向下的建筑設(shè)計(jì)，更具有現(xiàn)實(shí)的建造意義。□