基于微觀結構仿生學的殼體建筑模塊化設計研究

孫新慧 陳 平

建筑業以集約式高質量發展為導向，推動設計建造的裝配式模塊化發展道路。隨著數字模擬、優化及數控建造技術的發展與變革，建筑業數字化轉型加快，日益注重建筑的輕量化和高效化設計，具有優良結構性能和輕薄藝術造型的殼體建筑實踐得到了長足發展，但也因其技術要求高、多學科綜合性強而難以高效精準地設計建造。混凝土殼、冰殼[1]、空間網殼、極小曲面殼、分段木殼[2]等殼體建筑的設計建造研究層出不窮，殼體建筑呈現出從低技術水平向高技術水平、從整體向裝配模塊化的發展趨勢，而模塊化設計旨在將殼體離散成若干均勻的模塊單元，降低建造難度，推動殼體建筑標準化發展。借助仿生學等相關理論探索卓越自然結構和構建合理的殼體建筑模塊化設計方法，可進一步提升殼體建筑設計的科學性和高效性。

1 結構仿生學與殼體建筑概述

所謂“仿生”，就是向生物學習、模仿或取得啟示，仿造各種生物的優點以用在人類科學技術的創造或改進上。仿生學是促進人類社會發展的重要科學，如何有效尋找和利用自然界生物的生長規律來適應人類社會發展對建筑的需求是一個經久不衰的研究課題。建筑仿生學作為仿生學的分支，為建筑設計的多元化和綜合性的創新提供了更多解決方案。19 世紀下半葉，建筑仿生從擬態表達向數理規則轉化，1947 年諾伯特·維納提出的“控制論”奠定了仿生學與工程技術聯系的理論基礎，1957 年奧托·施密特首次使用“仿生”一詞[3]，1960 年“仿生學”正式成為獨立學科，直到1983 年勒伯多的《建筑與仿生學》正式奠定了建筑仿生學的理論基礎，而現代計算性設計[4]的發展，使建筑仿生學逐漸從早期的建筑形態的仿生延伸到更深層次的建筑結構仿生。

建筑結構仿生學可以實現建筑結構形態的優化，從而更好地滿足人類的需求。建筑結構仿生學將自然界中生物的結構性能、結構關系等作為研究對象，并嘗試將生物體的優良結構性能應用于建筑工程設計，為建筑結構體系的生成方式提供思路，建筑宏觀結構仿生領域的優秀建筑設計作品不斷涌現，同時自然界中的微觀生物高效結構也逐漸被挖掘和應用；微觀結構仿生學將具有高性能的生物微觀結構邏輯運用到建筑設計之中，極大拓展了殼體建筑設計外沿。近年來，利用微觀結構創新殼體建筑的設計建造的作品不勝枚舉：以蟹鉗纖維結構為原型，使用黑色碳纖維材料設計并建造了獨特的雙曲面結構；以海膽骨骼為原型，實現了分段木殼從計算性設計、機器人制造到自動化裝配的設計建造一體化過程；以生物細胞結構為原型，使用紙板進行了模塊化殼體搭建。微觀結構仿生學為殼體建筑的研究提供了新的靈感源泉，通過模塊化方法將設計與建造提升到一體化的層面探討解決方案，可更高效和靈活地實現殼體建筑的設計建造。

2 基于微觀結構仿生學的殼體建筑模塊化設計方法

研究將殼體結構系統與微觀結構仿生學進行交叉，將殼體建筑作為由整體形態、基礎網格、模塊單元組成的層級系統，依托Rhino 的參數化建模平臺Grasshopper，提出基于微觀結構仿生學的殼體建筑模塊化設計方法，包括幾何轉譯、殼體優化、網格均化、單元生成4 個部分，并以六邊形微觀結構為例細化各部分流程（圖1），即捕捉、提煉微觀結構原型，使其轉譯為基礎單元形式；將設計變量與結構性能目標結合進行殼體形態設計優化，獲得初始模型；使用網格均化方法處理初始模型后獲得網格均勻的最終網格模型；利用最終網格模型構建模塊單元生成的流程，對模塊單元進行后期加工處理。

圖1 基于微觀結構仿生學的殼體建筑模塊化設計方法流程圖（來源：作者自繪）

2.1 微觀結構的幾何轉譯

高效合理的結構有利于最大程度提升材料的利用效率，同時使建筑本身呈現出建筑空間藝術美學。幾何轉譯是將生物微觀結構作為殼體建筑模塊單元的細分方式，主要是指捕捉、抽象與簡化生物微觀結構，轉譯為結構中可應用的幾何符號或語言，使殼體建筑模式體系更具創造性，建立和完善自然界與殼體建筑的互動機制。研究以從自然界中抽象出的基本幾何圖形為研究對象，將這些基本幾何圖形通過設計工具轉化為殼體建筑結構組成的模塊單元形式，相較于三角形和四邊形，六邊形模塊單元能夠在節省材料的同時實現覆蓋面積最大化，兼具美學和實用價值，故以六邊形為模塊單元形式。

2.2 基于結構性能的殼體優化

計算性設計的發展促使結構性能納入設計階段，共同主導建筑形態優化。基于結構性能的殼體優化包括殼體找形和形態優化2 個部分，Grasshopper 承載的找形工具主要有3 種：基于“推力網格分析法”的Rhino Vault2 和基于COMPAS 開源設計框架的Form Fingder 與Rhino Vault、拓 撲優化設計軟件Ameba、動力學找形工具Kangaroo。鑒于Kangaroo 的找形過程可與Grasshopper 聯動，操作性強，可生成自由度更高的殼體形態，故選用Kangaroo2 作為找形工具，另選用Karamba3D 作為結構性能優化工具。

2.3 基于CP Mesh的網格均化

圓相切（Circle Packing Mesh，CP Mesh）是利用圓形作填料的三角形網格[5]，在限定區域內以若干等半徑或不等半徑的相切圓逼近曲面，各圓形的外切三角形對偶處理后形成六邊形網格，具有實現網格均化的潛力。

CP Mesh 依 托Kangaroo2 的Tangentlncircles 實現，配合施加控制優化網格到原始網格的距離及優化網格邊界到原始網格邊界的距離的約束力，即可提升由三角形對偶形成的六邊形的均勻化效果，曲面的復雜度影響網格均化的程度。

2.4 模塊單元生成

以六邊形實心式模塊單元設計為例，網格厚度沿重合頂點的合向量方向生成，模塊單元間無縫隙，與原網格性質較貼合。為實現快速且精準的批量化單元生產，擬采用機器人銑銷等數控建造技術進行加工，要求輸出加工路徑文件指導生產，故加工前需要對模塊單元進行加工路徑設計，擬結合遺傳算法，以角度變化差值為目標，以x、y、z軸角度值為變量，進行加工位姿優化計算。

3 設計實踐

為了驗證所提出的設計方法的有效性，本文研究選用同濟大學舉辦的Architectural Digital FUTURES 2023 的“Knitted Tile Vaults”工作營作品的基本形態進行模擬實驗，并且以該工作營作品的建造流程驗證了殼體建筑模塊化設計建造的可行性。研究以初始平面網格精度為0.1 m、中間開設直徑0.7 m 圓洞的3 m×3 m 的方形圖案平面為原型，以六邊形為微觀結構幾何轉譯原型，依次從殼體優化、網格均化、單元生成3 個方面論述方法流程。

3.1 殼體優化

借助Kangaroo2 確定殼體的初始形態，創建初始網格平面參數關系，設置約束力、重力、錨固點等目標，使用BouncySolver 運算器模擬找形，生成以四邊形網格為基礎的高1 m 的殼體模型。將模型拾取到Karamba3D中，材料定義為木材，重力荷載和點荷載均為-1 kN，以截面尺寸為設計變量，以應變能的最小值為結構性能評價指標，進行結構性能模擬，使受力、形態、單元厚度三者達到相對平衡狀態。以0.04 m 為截面厚度，即以原始網格面為基準面，向上和向下網格合向量方向各平移0.02 m，最后得到殼體的初始模型，如圖2a 所示，此狀態下上表面和下表面應變能分別為0.027與2.08×10-6kN·m。

圖2 實驗過程示意圖（圖a、b、c 來源：作者自繪；圖d 來源：作者自攝）

3.2 網格均化

取初始模型的上表面網格，定義基礎模型，在基礎模型對應的平面上構建邊長為0.15 m 的平面三角形網格，將其映射到基礎模型上生成新的網格，此處設置的三角形網格邊長直接影響網格均化后模型的網格尺寸。新網格作為網格均化的初步模型，分別設置約束力和目標力，之后使用Kangaroo2的Solver 運算器進行模擬，根據設計需求權衡約束力與目標力的調節參數，控制新網格相對于基礎模型網格的偏離程度，同時實現網格尺寸均勻化，邊緣修整處理后獲得最終網格模型，如圖2b 所示。

排除邊緣不完整單元因素干擾，分析網格均化處理前后六邊形網格的數量和面積最大值、最小值、平均值、方差、標準差（表1）。處理后六邊形數量減少，面積最大值、最小值和平均值有一定程度的增加，表明網格均化使六邊形尺寸具有一定的可控性。處理后的面積方差較處理前降低了0.08 m2，面積標準差較處理前降低了0.15 m2，表明各六邊形單元面積和面積平均值之間的偏離程度降低，六邊形單元的均勻度有所改善。網格均化涉及多種約束力與錨固力，通過增加每個目標強度，其準確性將會提高，而其他目標的迭代和效果將會改變，需根據設計需求綜合衡量每個目標的強度值。

表1 優化前后數據分析表

3.3 單元生成

取最終網格模型，統一調整網格邊線起點的方向，以保證向同一合向量方向擠出中間肋。選用Weaverbird的Tile 運算器進行網格三角化處理，將處理后的網格沿網格上點的合向量方向向下平移0.04 m，對上下網格面進行放樣獲得中間肋板，之后對上網格面、中間肋、下網格面進行體積閉合處理，組成殼體建筑的模塊單元，平鋪排列單元體，使用加工位姿優化算法得到模塊單元最小原材料尺寸，如圖2c 所示。排除邊緣不完整單元因素干擾，共202 個模塊單元，各模塊單元的最小包圍體積的厚度有3 種：7 個厚度0.06 m；130 個厚度0.05 m ；65 個厚度為0.04 m。

借助“Knitted Tile Vaults”工作營作品的建造過程驗證模塊化設計方法的可行性和展示模擬實驗設計的殼體可能建成的效果。作品采用在自由曲面上生成標準矩形磚交錯圖案的網格重構算法，開展了找型設計、實體建造，完成了結構生形、物化到建造全流程，具體流程分為框架搭建、鋼索拉結、木磚定位、織物懸掛、抹灰定型，最后殼體翻轉后完成建造，整個建造過程基于逆吊實驗法找形，獲得了受力合理的殼體形式，如圖2d 所示。該作品探討了一種創新和可持續的殼體設計與建造范式，將殼體整體劃分為若干均勻化的矩形磚，極大提高了建造效率，是建筑工業化和殼體建筑模塊化設計建造的成功范例。

4 結語

微觀結構推動殼體建筑高效穩定的結構體系和美觀精致的造型特征的創新，結合微觀結構仿生學和網格均化方法，提出了基于微觀結構仿生學的殼體建筑模塊化設計方法。研究表明，該方法可提升殼體建筑模塊單元尺寸的可控度與均勻度，降低制造難度和材料消耗，具有充分的可行性。以宏觀形態調控與微觀單元規制結合的殼體建筑模塊化設計方法，是基于建筑形式、結構與建造需求的綜合探討，在實踐層面也將給提升殼體建筑設計建造水平、提高建筑生態環境效益等方面帶來巨大影響。