山地仿生建筑參數(shù)化概念設(shè)計(jì)研究★

郭艷云 何俊笙

(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483)

1 山地建筑和數(shù)字化仿生建筑

1)山地占我國(guó)國(guó)土總面積2/3以上，而人口多集中在平原地區(qū)，造成擁擠并占用耕地，同時(shí)山地資源大量閑置。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工程技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始致力于在尊重和保護(hù)環(huán)境的前提下對(duì)山地建筑進(jìn)行開發(fā)研究。“山地建筑”常指修建于山林中并依據(jù)山地的坡度因勢(shì)而建造的建筑，山地豐富的地形與地貌變化賦予山地建筑獨(dú)特的形態(tài)感染力和魅力[1]。

2)早期的仿生建筑設(shè)計(jì)大多采用直觀式的模擬其形象，比如東西方建筑中各種動(dòng)物及花草紋樣式。數(shù)字建筑設(shè)計(jì)是根據(jù)生物形態(tài)繪制分析圖，從中辨析其關(guān)鍵特征點(diǎn)，然后將這些生物形態(tài)特征轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，進(jìn)而編寫成一套完整的算法。通過計(jì)算生成多種不同的形態(tài)，再加入某些特殊需求與限定條件，并通過測(cè)試不斷進(jìn)行算法優(yōu)化與迭代，即可從生成結(jié)果中找出最美感的建筑雛形[2]。山地仿生建筑是一種非標(biāo)準(zhǔn)化中的衍生建筑，它能符合使用者多樣化的需求反饋，是對(duì)建筑系統(tǒng)的一種全新詮釋。本文旨在探索數(shù)字技術(shù)輔助下的參數(shù)化仿生建筑設(shè)計(jì)方法，充分利用數(shù)據(jù)分析山地的形態(tài)特征，使建筑形態(tài)與山地環(huán)境相適應(yīng)，最大限度維持山地的原生地貌，提倡建筑要“隨山塑形”，賦予山地建筑設(shè)計(jì)一種新嘗試。

2 山地仿生建筑選址的參數(shù)化生成邏輯

建筑產(chǎn)品(包括建筑觀念與建筑體)產(chǎn)生過程就是自然的進(jìn)化過程[3]。建筑與植物之間最明顯的類比例子就是樹。樹是植物世界里最常見的，此次仿生設(shè)計(jì)的整體概念就來(lái)源于樹木生長(zhǎng)。通過觀察樹木生長(zhǎng)過程，分析樹與柱的關(guān)系，更確切地說(shuō)是樹的主干。一般來(lái)說(shuō)，植物的莖，尤其是樹干，往往呈圓錐形，這是由于它們隨著高度的增加而逐漸變細(xì)所造成的。而柱是一種垂直而細(xì)長(zhǎng)的建筑元素，用來(lái)支撐結(jié)構(gòu)同時(shí)又有裝飾的目的。樹干的周長(zhǎng)是隨著高度的增加而減小的，但截面是圓形的。樹木的生長(zhǎng)周期和形態(tài)大，受當(dāng)?shù)氐耐寥婪饰殖潭取h(huán)境溫度、空氣流動(dòng)、日照時(shí)間長(zhǎng)短等因素的影響。

2.1 地形分析

項(xiàng)目擬選址在廣州市廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院五號(hào)樓后山上，該區(qū)域?qū)俸Ｑ笮詠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,該地全年溫暖，春夏季多雨、光熱充足、秋冬季盛行東北風(fēng)或北方，偏干燥，霜期短等特征，植被種類豐富。整個(gè)后山海拔最高地的高度為180 m，起伏不大，坡度較緩，樹木茂密，植被豐富，屬于丘陵地帶。地形如圖1所示。

根據(jù)山地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況，整體設(shè)計(jì)是建筑群落需依山就勢(shì),背靠山林，面朝湖面，且將建筑以和諧共生的方式置身于山林間，并將建筑與原始地貌相互緊密接觸，兩者之間沒有明顯的界限，建筑內(nèi)外的景觀空間達(dá)到內(nèi)外相互交融。對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)，將周邊環(huán)境以及人的活動(dòng)行為方式進(jìn)行數(shù)字化描述出來(lái)是很關(guān)鍵的一步工作，這些處理后信息將是之后建筑形態(tài)生成的基礎(chǔ)。

2.2 日照分析

從人體的生理角度來(lái)說(shuō)，充足的陽(yáng)光能夠使人心情愉悅、身體健康等。陽(yáng)光的照射是人類生存發(fā)展的基礎(chǔ)，在南方地區(qū)本身日照豐富，這個(gè)時(shí)候我們就需要根據(jù)不同的日照條件選擇不同的處理辦法。選址山地背靠滴水巖位于山的南面屬于陽(yáng)面，全年太陽(yáng)采光充足，這樣向陽(yáng)坡(即南坡)的陰影較背陽(yáng)坡(即北坡)短，日照條件較好，但這里坡度不是很陡因此建筑陰影會(huì)略長(zhǎng)。同時(shí)本身山體的樹木茂密，濕度略高，為了明確建筑朝向及位置的山地分別對(duì)春、夏、秋、冬進(jìn)行模擬日照分析，效果如圖2所示。

結(jié)果得出春、夏、秋日照時(shí)間、范圍差別不大，而冬季的日照時(shí)間明顯低了很多。并從日照分析圖中可看出秋天的日照時(shí)間要高于其他季節(jié)，整體平均大于200 h以上。山地區(qū)域也存在明顯的日照時(shí)間不足，冬季少于5 h。綜合以上數(shù)據(jù)對(duì)建筑的朝向和開窗位置提供了很強(qiáng)的參考價(jià)值。

3 原型演變過程

建筑采用樹木生長(zhǎng)過程作為原型出發(fā)，在充分觀察樹木生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)之后，通過運(yùn)用軟件進(jìn)行樹根及樹干生長(zhǎng)模擬分析，主要操作過程是將選址地作為一個(gè)封閉的空間，在其內(nèi)部隨意設(shè)置細(xì)胞發(fā)射點(diǎn)作為捕食點(diǎn)，這些點(diǎn)會(huì)不斷向外發(fā)散出去從而生成點(diǎn)云系統(tǒng)。再在這些點(diǎn)之間設(shè)置一些“障礙”即所謂的限定條件，來(lái)模擬計(jì)算它們之間的不同的生長(zhǎng)狀態(tài)，也就是模擬的生長(zhǎng)路線，同時(shí)再在“捕食”過程中會(huì)不斷自我優(yōu)化行進(jìn)路線，從這些點(diǎn)云模型中提取出曲線骨架也就是作為最初的建筑交通網(wǎng)絡(luò)流線，過程圖如圖3所示。

這種點(diǎn)云算法關(guān)鍵是首先給定對(duì)象一個(gè)或多個(gè)中心點(diǎn)讓這些點(diǎn)進(jìn)行重新追蹤，在其內(nèi)部給定競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)讓其不斷相互爭(zhēng)取和延展，從而生成最初的骨架曲線。最后，根據(jù)得出的骨架曲線分支結(jié)構(gòu)再進(jìn)行過濾，獲得最終的曲線骨架的算法。整個(gè)過程能根據(jù)地形設(shè)定一些場(chǎng)地條件讓其模擬出最優(yōu)化的建筑群的生長(zhǎng)路徑。

3.1 路線范圍分析

為了得出山地中最適合的建筑交通路線，我們?cè)谏降刂胁煌钠露忍庪S意設(shè)置幾個(gè)發(fā)射點(diǎn)即“捕食點(diǎn)”，然后從山腳點(diǎn)根據(jù)山地的坡度自行開始“捕捉”，不斷的向外發(fā)射幾個(gè)點(diǎn)。在這個(gè)過程中由于不同的坡度和給定的受力情況會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)的密集程度不同的點(diǎn)云，再將這些點(diǎn)云系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格線路化會(huì)發(fā)現(xiàn)坡度較緩的地方點(diǎn)云密集度較高，坡度高的地方點(diǎn)云的密集較疏。將這些點(diǎn)云進(jìn)行算法優(yōu)化，得出一個(gè)樹狀的脈絡(luò)骨架系統(tǒng)，最后根據(jù)這個(gè)脈絡(luò)系統(tǒng)從中挑選出最優(yōu)化及最連貫的建筑主交通路線范圍，如圖4所示。

3.2 主建筑模型范圍運(yùn)算過程

在獲得路線范圍之后將開始在主要的交通路線的交織中心計(jì)算建筑地形的空間范圍。建筑空間的范圍即建筑基底面積大小，取決于該位置地形的坡度、土壤的軟硬度以及光照、風(fēng)力程度等因素的綜合考慮。通過賦予三種不同的參數(shù)數(shù)據(jù)，得出三條不同的建筑地形范圍，從中挑選出其中一條來(lái)作為建筑的建筑范圍，過程如圖5，圖6所示。

在得出的建筑范圍之后，通過地形數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)算出立體空間范圍，然后在空間中不同高度處設(shè)置三個(gè)點(diǎn)，通過“發(fā)射”點(diǎn)讓這些點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)捕捉形成點(diǎn)云，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行連接曲線脈絡(luò)框架，最終算出三個(gè)發(fā)射點(diǎn)捕食脈絡(luò)生長(zhǎng)路線，也就是建筑內(nèi)部的交通流線。同樣取用相同的生長(zhǎng)路線，得出建筑的天花模型。現(xiàn)階段建筑形體只是作為一種不規(guī)則的非線性體存在，并沒有賦予實(shí)際的建筑形體功能，如果建筑設(shè)計(jì)沒有考慮基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及構(gòu)造邏輯那是完全支撐不住的，是沒有說(shuō)服力的，其過程如圖7所示。

3.3 建筑內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)運(yùn)算過程

在接下來(lái)需要對(duì)形成的形體進(jìn)行賦予結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)構(gòu)造邏輯，而計(jì)算機(jī)目前已有軟件對(duì)非線性體建筑根據(jù)實(shí)際建造而自動(dòng)生成與形體相適應(yīng)的內(nèi)在邏輯。我們可根據(jù)建筑內(nèi)在形體的應(yīng)力分布進(jìn)行單元體劃分，同時(shí)根據(jù)樹木生長(zhǎng)過程的信息化數(shù)據(jù)得出樹木的結(jié)構(gòu)關(guān)系并將它作為非線體性的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

本案例前期是通過Grasshopper來(lái)運(yùn)算建筑交通路線、建筑位置及建筑內(nèi)部空間的流線，處于種概念設(shè)計(jì)階段。在這個(gè)結(jié)構(gòu)算法當(dāng)中，我們需要運(yùn)用一個(gè)軟件叫做Ameba，它是基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化(BESO)的一款拓?fù)鋬?yōu)化工具，它是使用Rhino+Grasshopper進(jìn)行前后處理，是Grasshopper的插件，其運(yùn)行原理是同時(shí)可以在材料“高效能”(如材料應(yīng)力較高)區(qū)域增加單元，這種既可刪減又可添加單元的策略使得漸進(jìn)優(yōu)化法的優(yōu)化能力變得更強(qiáng)。利用Ameba對(duì)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其過程如圖8所示。

根據(jù)得出的建筑框架可同時(shí)進(jìn)行多次迭代，并達(dá)到目標(biāo)體積和滿足收斂條件。在得出的建筑主要空間輪廓中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提首先賦予空間的受力情況、光照度及結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)參數(shù)，軟件會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行自我結(jié)構(gòu)優(yōu)化并多次進(jìn)行迭代，最終可成型建筑結(jié)構(gòu)，其過程如圖9所示。

3.4 建筑表皮細(xì)節(jié)運(yùn)算過程

建筑結(jié)構(gòu)成型后可再根據(jù)結(jié)構(gòu)走向生成網(wǎng)格表皮，同時(shí)還可根據(jù)不同位置及賦予的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次生成，最終整體建筑成型。最終形成山地建筑群及建筑內(nèi)部的室內(nèi)空間，建筑外部效果圖如圖10所示，建筑內(nèi)部效果如圖11所示。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑是將各種材料用不同形式進(jìn)行合理組織而構(gòu)建出來(lái)的供人居住或使用的空間，它必須滿足堅(jiān)固、實(shí)用及美觀的要求。參數(shù)化的數(shù)字仿生技術(shù)可以在最大限度維持環(huán)境的原生地貌情況下，賦予建筑更多的可能性，傳達(dá)出我們對(duì)這個(gè)世界的態(tài)度。