基于參數化設計下未來可降解材料的建筑全生命周期研究

文／梁變鳳 太原理工大學建筑學院 副教授

杜欣格 太原理工大學建筑學院 碩士研究生

王金平 太原理工大學建筑學院 教 授

徐 強 太原理工大學建筑學院 副教授

1 研究前提及背景概述

1.1 垃圾（包含建筑垃圾）產生的問題

目前，垃圾在世界各地的快速增長已經成為一個嚴重的問題，特別是在東亞其他地區和澳大利亞。垃圾的產生不僅影響了環境，占據了大量的土地空間，還導致了疾病的傳播，這對社會十分有害。因此，在一些發達國家，正在積極采取措施對垃圾降解和再利用。為了節約成本，甚至建筑垃圾的回收率也同樣非常高。在我國，還存在著建筑垃圾可以隨意堆放或掩埋的情況，這對周圍的水資源造成了極大的危害，同樣的危害也包括空氣環境和土壤環境。建筑會誕生、成長，但不會消亡，這是建筑垃圾存在于我們生活當中的根本原因。

從圖1 所示的當下社會建筑的“一生”來看，從夯實地基到鋼筋鐵骨的安裝，再到混凝土的澆筑、華麗立面的完成，一座座現代化摩天大樓落成交付使用，使用的過程或許持續70 年，而更多的時候不足50 年，一方面是建筑材料的老化導致的結構問題，更多的是建筑的更新換代速度過于快速，使得建筑往往達不到使用年限便棄之不用，出現了一片又一片的“鬼城”；另一方面，是機械化的暴力拆除與人工的拆除，直至大廈變成了一攤建筑垃圾及其帶來的后續垃圾難以處理等諸多問題。

1.2 關于垃圾整體的數據整理

根據世界各國匯總的垃圾總量數據，2016 年為20 億噸（圖2），數據模型預測到2030 年垃圾總量將達到30 億噸，而到2050 年將達到35 億噸，這一數量之巨大讓人不禁感嘆垃圾存在于我們身邊的各個地方，如果不加以處理，世界將會出現諸多不可預測的可怕變化。在這種情況下，可降解材料領域應運而生①。

而各大洲（或大區）對世界垃圾總量的“貢獻”也不同（圖2），較為落后的中東、非洲國家，每人每天產生的垃圾大概在0.5kg 左右，而在拉丁美洲、北美、南亞、歐洲和中亞地區，每人每天產生的垃圾量大概在0.5 ～1kg 左右，最為嚴重的地區為東亞和澳大利亞，人均每天產生的垃圾可以達到2.5kg，成為了垃圾產生的“震中”地區。

各大區每年產生的垃圾總量也均逐年遞增，甚至在非洲大部分地區、南亞地區出現成倍增長的趨勢（圖2），垃圾降解、新材料的研發將刻不容緩。

圖2 當下世界各大洲垃圾產生的數量以及趨勢

1.3 建筑垃圾產生的方式

城市一旦消亡，就會被遺棄或摧毀，但現代建筑材料是不可持續的。不像傳統的中國建筑，它有新陳代謝和死亡的過程（木材的特性導致）。

無法更新的現代城市將成為未來的建筑垃圾場。最終，這些廢墟文明將成為隱藏在自然環境中的廢墟。如果我們能利用新的建筑材料讓建筑自然死亡，那么建筑的自然死亡在一定的時間內將不會產生任何剩余的建筑垃圾，城市的活力和生活將會更加持久，城市的更新將會更加優化。

城市中建筑的消亡一般存在兩種形式：第一種：被戰爭摧毀。由于戰爭、自然變化、政治、經濟和其他因素，人們最終放棄這座城市。例如戰火常年燃燒的中東地區，大量建筑廢墟里的建筑垃圾在風沙中暴露。第二種：放棄城市的原因可能是人類文明中產生的一些天災人禍導致。例如切爾諾貝利核電站事故造就的“鬼城”，數以萬計的建筑被遺棄成為廢墟（圖3）。

圖3 建筑消亡的兩種方式

城市從誕生的那一刻開始，就要開始衰落，這只是個時間問題。當城市的衰落開始了，人口開始銳減，大量的建筑物進入無人居住的荒蕪之境。最終，大量的空置城市形成。

城市一旦消亡，就會被廢棄或摧毀，但現代建筑材料大都是不可持續的。不像傳統的中國建筑，它經歷著新陳代謝和死亡，無法更新的城市將成為未來的垃圾場，最終，這些廢墟文明將成為隱藏在自然環境中的廢墟。如果未來我們能讓建筑自然死亡，在一定的時間內，沒有任何剩余的垃圾，城市的活力和生活將會更加持久。

1.4 垃圾的分類和篩選

筆者按比例列出世界上常見的垃圾類型，發現比例越大，垃圾輸出越多。此外，目前的垃圾類型被重新劃分為六類，包括玻璃、塑料和其他工業合成垃圾（定義為極端難降解的分類）。將廚房垃圾分為六類，我們選擇其中四類進行了測試和模擬。

如圖4 所示，其中有41%的垃圾是玻璃制品、塑料制品以及其他難以降解的材料制品，它們的自然降解年限往往超過500 年，屬于極難降解的材料；其中4%的垃圾是金屬制品，它們屬于很難自然降解的材料，往往都超過200 年；2%的垃圾是橡膠制品，其自然降解年限在80 年左右；木制品也占了2%的比例，自然降解年限在15 年上下；紙制品的降解一般在4 個月左右，比較短，也占據了17%的垃圾總量；占比最大的是我們日常生活中脫離不開的廚余垃圾，占比為44%，自然降解的年限在3 個月左右，是自然降解速度最快的一類垃圾。試想若我們可以合理地利用這部分廚余垃圾，將之變廢為寶，既可以處理大量的垃圾，也可以產生極易降解的建筑材料。

圖4 垃圾的分類和篩選

筆者繼續將廚余垃圾細分為常見的6類垃圾，分別為：廢棄的果殼谷殼（廚房垃圾谷殼片，不易使用到新材料中，容易被分解）、廢棄的蔬菜（廚房垃圾蔬菜，不容易使用到新材料中，不易收集）、剩余的谷物和果皮（果皮垃圾，使用方便，易分解）、蛋殼和動物骨頭（蛋殼骨垃圾，易收集，可分解），以此來看，果皮和蛋殼骨垃圾可以成為新材料的原材料是有理可依的。

根據兩例人工骨、蛋殼復合材料和蘑菇菌絲體生物磚的實驗結果，提出了上述假設，建筑本身可以有自己的生命，即選用建筑材料時使用自然可降解材料，而不是不可降解的材料，如鋼筋混凝土。

（1）現代的“骸骨”之城

骨骼中蛋白質和礦物質的比例幾乎是一樣的。礦物質可以使骨骼堅硬，蛋白質可以使骨頭堅硬。在劍橋大學的生物工程專業學院，Michelle Oyen博士正在她的實驗室中探索制造人造化合物的方法，比如骨骼和蛋殼。一旦成功，這種化合物就可以作為一種全新的建筑材料，組合使用與自然形成的動物膠原蛋白，形成一個網格，而這個網格會比傳統動物骨骼更為堅固，并可作為一種節能建筑材料，從而達到保護環境的效果。

Michelle Oyen 博士作為研究的領導人，掌管著生產人造骨頭和蛋殼樣品的實驗室。Michelle Oyen 博士和她的研究團隊發現：如果將膠原蛋白制造的骨頭和蛋殼混合起來，就會得到一種“晶格型結構（attice-type structure）”，這種結構比單純的人造骨頭或蛋殼更強。此外，這個團隊還嘗試了利用合成蛋白和高分子聚合物來替換天然膠原蛋白，這對大規模生產新材料或進一步提升強度也是有幫助的②。

人造骨頭和蛋殼可以在正常室溫下利用動物界中被大量拋棄的膠原蛋白制造出來，不僅如此，把整個制造過程規模化以用于大量生產也并不難。

（2）真菌類生物磚

這種生物磚（圖5）它可以生長成輕而堅固的磚，并且發揮的作用與普通建筑用磚相同。具體的方法是將蘑菇菌絲體與干草混合，谷殼和其他農業廢料（例如之前提到的果皮），倒進他們設置好的模具，等待幾天，然后就會得到堅固耐用、輕巧環保、極易于自然降解的生物降解磚。這種生物磚屬于耐火材料，而且不易發霉，而且它是一種輕質、可生長、可再生和可降解的環保新材料。它可以取代塑料領域中的塑料包裝、建筑材料等。

圖5 生物磚具體培育流程

2 類型演化與分析

2.1 模擬插件以及試驗介紹

2.1.1 參數化設計以及使用的插件

建筑的形體表現是存在各層次聯系的數據結構的空間化的版本，其中的各個部分之間發生著無數復雜的數字化聯系，如何在一開始設計的時候就對這些聯系進行合理的預期，然后對設計過程本身進行設計是當代建筑師所面對的課題，而建筑參數化設計正是對設計過程的合理化努力中產生的數字化設計手段[1]。這也是筆者此次設計需要涉及的設計手段。

“參數化設計的結果往往是一個對幾何形體的過程化的算法描述，在馬克.諾瓦克的‘算法奇現’里建立起了‘現實中互不關聯但是為無數變量所約束的數學模型與生成過程……每個變量與過程如同一個特定的插槽一樣對應于一種外力影響下的形體，這種對應既是統計學意義上的也是動態的’③。在諾瓦克的探索中，他將從前對物體形態操作上的關注漸漸轉移到對于關系、范疇、級別更高的量度乃至曲面空間的操作上來。由此可知，參數化的設計方法并不是要去預示一種恒態的形體，而是如布里演示的那樣，去創造一種‘同質異形體’——具有并不恒定的空間或拓撲描述但卻具有恒態的特征。”[2]

此次設計使用的插件有根據雙向漸進結構優化法（BESO）的拓撲優化設計插件，使用者可根據設計需要將機械等邊界條件應用于初始設計區域，并通過軟件計算進行優化。在進行計算時，設計區域會演變成變形蟲（阿米巴原蟲）的各種形狀，最終得到合理的傳力和仿生形狀。

所以我們想通過蛋殼的實際實驗和插件算法模擬蛋殼形態的過程，驗證插件與蛋殼降解模擬的相關性。利用插件不同母體形態獲得不同條件下的模擬結果——“小單體”空間，并對其采光、通風、流動性和私密性進行評價。

2.1.2 蛋殼試驗及其算法模擬

我們通過試驗進行蛋殼與酸浸時，大量的氣泡出現在蛋殼表面，然后同類型缺口出現，緊接著蛋殼變軟，在微觀層面上，有一定相關的形態學變化，可以用模擬算法來進行建筑模型的構想塑造。

將部分蛋殼切斷，進行荷載實驗。結合對蛋殼承載的插件仿真實驗，發現算法中蛋殼碎裂的形狀和形狀變化的形狀均為三角形。

在算法仿真中，以矩形、殼形和三角形為母形（圖6 上），以不同支座和不同受力組合為條件，進行形狀仿真，選取相同狀態下不同迭代的仿真結果（圖6 下），最后，根據所得到的空間對特征進行了分析，所得空間形態的改變結果會在后面展示。

圖6 以三種形體為基礎的模擬試驗

2.2 所選基地概述以及Revit 建模

2.2.1 基地選址原因

所選基地位于上海市靜安區寶昌路與寶源路交匯處，周圍的地區是城市中典型的城中村，生活和環境都存在著很大的問題。

通過對當地居民住房需求的分析，得出了三套適應性住房類型，形成了三套獨立的低層住宅建筑。建筑材料是之前所設想的材料，不同的功能空間在房屋類型中對應著前一種“小單體”空間的特點，用阿米巴插件通過模擬建筑自身的新陳代謝，從而來模擬未來70 年的三種建筑的形狀，通過對最終形態面積和私密性分析，得出幾十年后的建筑形態已經不適合居住的結論。

基地區以寶山路為界。寶昌路片區是上海典型城中村的代表，有大量的移民和許多老上海人，居住環境差、居住面積小、亂建現象嚴重、建筑改造率也高。

2.2.2 Revit 建模

利用Revit 建立以三種不同人群為前提的三套不同的戶型所構成的建筑樓體。A 類型戶型包括3個臥室、2 個衛生間、一個客廳和廚房，針對的是家中有老人的住戶，可以滿足兩世同堂甚至三世同堂家庭的居住需求；B 類型戶型是標準的兩室一廳的安排，針對的是三口之家的一般家庭單位設置；C 類型是出租型戶型，針對外來工作、上學等流動人群設置，包括2 間臥室，1 間廁所和1 個廚房。

3 樓體降解模擬的過程

3.1 第一階段（住宅階段）

第一年，寶山路所在的村莊是上海市一個混亂、復雜、熙熙攘攘的角落。這座城市正在迅速發展，周圍是高端住宅區和繁華的商業中心。這里的景色與整個城市的景色不協調，房屋古老低矮、辦公樓外觀單一破舊、店鋪凌亂零散。低收入人群從事普通工作，他們的需求是不同的，但是他們都有信心去爭取更好的生活。我們的建筑，在這個復雜的區域，承擔著住房的任務，為不同的人群提供不同的空間需求。在這個平凡的年代、平凡的地方給這些平凡的人一個不平凡的家，使命雖小但偉大。

3.2 第二階段（住宅階段結束后的自我降解過程）

70 年來，城中村經歷了拆遷和新建。許多建筑面臨老舊問題，有一小部分正在被拆除。一些現代建筑出現在這個曾經的老地方。在拆建過程中，建筑的自我降解代謝空間有了很大的變化，分區在建筑物內已經消失了，墻的承載也是一個問題，建筑失去了原有的居住價值，這時便體現了其交替的使命，在接下來的三十年中，建筑將繼續自我代謝，建設將進行人工干預，建設菌絲體的生物磚，從而創建新的建筑使命。

如圖7 所示，在70 年使用年限過后，樓體無須拆除，只需多年材料的自我降解便可以形成新的建筑形體，并且在一定的人為改造后便可以重新投入使用，賦予它新的功能使命，完全不會產生多余的建筑垃圾。雖然有一些結構的部分缺失，但是它依舊可以行使其他的建筑功能。

圖7 第二階段建筑的降解展示

3.3 第三階段（商業模式的展開）

在第100 年，現代化的城市已經飽和。城市中沒有了從前村莊的跡象，這里熙熙攘攘，繁榮昌盛。

這個時代迎來了建筑的又一次重生，將菌絲體生物磚建筑與三個獨立的個體結合在一起，形成一個整體，成為一個充滿活力的商業中心。樓體自然降解形成的完全開放的第一層空間和漫游的商業流線是一種對舊時代的懷舊，也是符合時代要求的混合產業分布，這是一種全新的建筑使命的詮釋（圖8）。

圖8 第三階段商業內部效果展示

商業空間一層迎合了當地零售商業模式和當地居民精神生活的需求，形成了線下活動場所與跳蚤市場相結合的商業形態。建筑位于道路十字路口，北側和東側向城市完全開放，增強了人們活動的自由，改善了商業氛圍。

3.4 第四階段（商業模式結束后的繼續降解）

在200 年的發展之后，自我新陳代謝的高層建筑開始在城市中出現，現代建筑已經成為老建筑。建筑在自我更新和新陳代謝的過程中形成了巨大的支柱骨架結構，菌絲體生物磚已經自我降解殆盡。它在社會的快速發展過程中已成為一個社區的避風港，這個區域內靜靜地躺著過去的生活和記憶里發生的故事，它逐漸成為一個具有儀式感的紀念性建筑，成為一個地區內的紀念碑，承載著過去百年的人們的記憶和經歷，在快節奏的現在社會中成為不可獲缺的心靈凈化所。

如圖9 所示，它在數百年的降解過程中，變成了沒有承載功能的紀念碑，給予人們難得的緬懷過去的機會，這是這個時代不可或缺的。

圖9 第四階段紀念建筑效果展示

3.5 第五階段（降解完成）

在第300 年，城市的所有建筑都能夠自我更新和新陳代謝。我們的建筑最終會降解退化，不留痕跡，這就完成了我們起初設定的目標。

建筑的一生（圖10）從起初的住宅樓逐漸變為商業建筑，最終變為具有紀念意義的紀念碑廊，建筑的功能隨著時間變化，并且在最后不產生任何建筑垃圾，這就是我們所構想的未來建筑材料的自我代謝。在這種模型中，建筑不再是嚴格的垂直與水平，可受環境力影響而變形的表皮、拓撲實體、進化算法等手段體現著時間因素在建筑設計中所起到的作用[3]。

圖10 建筑的一生效果展示

4 利用BIM 建模概述的優點

BIM建模是當下建筑從業者都積極追尋的，因為其便捷的形式和高效的工作效率是我們所認可的，它的存在可以幫助我們進行精細化建筑設計，也可以讓我們腦洞大開，利用BIM 技術來完成人們腦海中的構想，它有很多的優點。

4.1 可視化建筑模型

BIM 軟件所建立的3D 立體模型即為設計結果，若需要各種平立面圖、3D 模型或其他圖說，都可以由BIM 模型產出，也因為各圖說皆是由同一個模型產出，其圖說都是相互關聯的，在任何視圖上對模型做更改，馬上可以在不同視圖相關聯的地方做連動，也因為是3D立體模型呈現，各階段工程人員可以更容易了解其設計。

4.2 雙向關聯的面向對象

BIM 軟件通過參數關聯的技術進行3D 建模，模型中，所有的構件都存在著關聯，牽一發而動全身。

4.3 整合式相關信息

在BIM 模型中，有關建筑工程所有基本對象的相關參數都存放在統一的數據庫中。

4.4 貫穿整個生命周期

（1）規劃設計：利用三維模型的技術和詳細信息，進行設計、結構分析、體積分析、傳熱分析、干涉碰撞等設計分析，在三維模型的基礎上增加時間，模擬施工順序并納入造價預算，成為造價估算的5D 模型，使業主了解整個項目的需求和預算。

（2）承包施工：直接使用BIM 模型，導入4D 概念，建立施工計劃順序，可以輔助施工過程管理，包括施工進場、采購、工程規劃和排序，進行成本控制和資金使用分析、材料的訂購和交付以及部件的制造和安裝，模型還包含詳細的對象信息，可以為承包商提供施工、材料信息和數量校對。

（3）運行維護：在建筑物模型中建立建筑物內各種設備的模型，并對今后的維護工作進行詳細的數據和數據輸入，相關管理部門可使用已建立的完整BIM 模型了解相關管理工作的進度和責任安排，維護人員還可以通過模板了解進度計劃和職責劃分信息。

這些優點都可以幫助我們以極高的完成度去完成我們的設計，也希望今后越來越多的軟件可以互相協同，便于建筑師更好地實現一個個較好的概念和構想。

結語

利用算法模擬實驗可以用最快最多的可能性去得到我們所想要的實驗結果，這給了我們更多的可能去設想我們的設計的變化與可能，這是未來設計師們開拓設計思路、提供更多設計靈感的源泉所在，希望今后可以有更多相關的算法提供給建筑設計師們，為世界帶來更多的巧奪天工之作。也就是說，建筑師作為體現時代精神的藝術家，在數字時代的大潮中必須更新自己的知識結構，才能設計出表現時代精神的作品。毫無疑問，建筑師的知識結構面臨著更新，傳統的知識不是被舍棄了，而是加入了新的知識。建筑是時代特征的表象，建筑師必須緊跟時代[4]。

參數化設計為建筑師的工作方式和思維方式提供了新鮮的血液。它在建筑設計中表現為對復雜形狀的控制能力的加強，但參數化的影響遠遠大于此，并帶來了派生的設計方法、自上而下的思想和自然的設計觀。復雜性科學的建筑滲透方法提供的是整體、復雜性的科學,是數字化的建筑，有著非常深刻的問題，所以很長時間內，數字技術、參數化設計都將成為建筑學關注的重點之一，建筑師們也還有很長的路要走。

注釋：

①引自世界銀行公開數據，2018年。

②引自https://www.163.com/digi/article/BQLDA56K00 162OUT.html。

③引自Kolarevic Branko,Architecture In The Digital Age。

圖片來源：

文中所有圖片均為作者自繪