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《建筑學報》2014年第八期

1數控建造驅動下的構造設計新趨勢

1.1極簡構造數控建造技術是一把雙刃劍：一方面它極大地強化了加工過程的系統化與精確性；另一方面它會限制生產加工的方法和工藝。一些在傳統工藝中顯得很平常的作業，換做用數控加工設備來完成就變得非常困難。數控加工有一些天生的“劣勢”：1)外圍設備不易頻繁更換，也就是說與材料直接接觸的加工工具很難在同一個加工過程中頻繁更換，因此數控加工很難像傳統匠人那樣靈活使用多種工具來加工一個構件；2)工件(被加工物體)的固定與更換比較繁瑣，一般需要人工操作。片狀材料一般使用膠水、膠布或者真空裝置來固定，塊狀材料一般需要專門的夾具來固定。這種人工的參與極大地限制了加工過程的全程自動化；3)大部分數控加工設備無法獲取加工狀態的實時信息，因此它們幾乎無法探測加工過程是否出錯，更無法在加工過程中針對加工效果進行實時自我調整。所以，在制定加工方法時，人們會盡量選擇簡單有效的方法。基于以上特點，一些數控建造中的構造設計呈現出一種極簡主義趨勢。這是一種消極的設計策略還是一種充滿智慧的選擇，我們尚不能很快得出結論，但這種簡化構造的設計顯然很符合數控加工的特點。近年來以機械臂數控加工而聞名的格拉瑪茲與科勒(Gramazio&Kohler)團隊[3]設計并建造了一系列流線形的墻體(圖2)。這些墻體由規則的磚塊所構成，但每一塊磚的方向和位置都是不同的，因此該項目采用機械臂來精確地放置每一塊磚。墻體中左右磚塊之間沒有連接，上下磚塊之間也沒有任何構造，只是簡單地利用膠水粘結，甚至可以不采用任何粘結材料。這種“無構造”(極度簡化的構造設計)的構造處理方法與機械臂加工的特點相吻合。除此之外，該團隊也設計了一系列以木棍為構成元素的構筑物。盡管整個構筑物的形態很不規則，其局部肌理也富有變化，但它的構造設計非常簡單：木棍與木棍之間用膠水連接。膠水的強度高于木材本身，因此不需要額外的連接構件或榫卯結構。這種“無構造”的構造把機械臂加工的優勢與局限都反映了出來。我們不能簡單地認為構造的簡化是消極設計。這種構造策略往往是形式、力學、材料、加工設備之間相互制約的結果。例如由蘇黎世聯邦理工大學Block團隊設計的薄殼結構中[4]，石塊與石塊之間沒有連接構造，石塊本身的形狀也很簡單(圖3)。然而，這種看似簡單的構造設計一方面是對薄殼結構的整體與局部力學特性進行數字化分析得出的結果，另一方面是考慮當地加工設備(5軸切割機)的作業能力得出的方案。因此，這種“簡單”構造是與從設計到施工的連貫的數字鏈相吻合的。簡化構造最終是為了高效可靠地實現建造。在我國現有的建筑施工條件下，嚴格地實現數控建造尚有不少難度。于是一些建筑師開始探索適合本土施工條件的構造設計策略，例如袁烽提出的“低技參數化建造”[5]。在名為“綢墻”的墻體設計中[6]，磚塊之間沒有設置連接構造，建筑師把所有磚塊的旋轉角度模數化并制作了相應的幾十種“角度模板”，從而使普通建筑工人也能用“傳統”工藝來完成非標準建造。由此看來，簡化構造的思維不僅體現在嚴格意義上的數控建造中，也延伸到廣義上的“數字化”建筑設計中。

1.2微觀構造(microtectonics)現代工業制造技術使微觀構造設計成為可能，它突破了傳統建筑設計所涉及到的尺度范圍。在生物化學領域以及在一些制造業當中，加工與組裝的尺度已經到了納米級別。1994年美國科學家阿德爾曼(L.M.Adleman)[7]實現了以分子為操作對象的運算，是生化領域內微觀操作技術的一個里程牌。近年來，麻省理工學院(MIT)阿拉亞(S.Araya)、佐洛托夫斯基(E.Zolotovsky)等人致力于生物建造(biofabrication)的研究[8]。他們精確地控制物理與化學環境，誘導木醋桿菌生長繁殖形成預先制定的形態，從而把塑形與生物生長結合起來。MIT的斯凱拉•蒂比茨(SkylarTibbits)并不滿足于微觀行為機制只能在微觀尺度上呈現的現狀，他提出建筑也可以像生物細胞那樣實現“自組裝”(self-assembly)[9]。他先把經過精確計算的應力植入材料內。當材料處于自由狀態或者在隨機的輕微抖動下，便會釋放能量同時發生形變，從而完成自我組裝。微觀構造的另一個嶄新的研究領域是可變形的織物研究。通過巧妙地設計織物的編織方法，再加入一些對環境敏感的材料，例如斯科特(J.Scott)[10]采用了對濕度敏感的薄木片；丹麥設計師穆斯(A.Mosse)[11]采用了電活性聚合物，能使整個織物主動地響應環境變化。微觀制造技術在建筑設計中應用最純熟的無疑是三維打印技術。早期的三維打印技術以加熱塑性材料為主要工藝(stereolithography)，曾廣泛用于制作建筑模型。不少人(包括一些數控建造的業內人士)認為三維打印的產品沒有節點，也沒有構造設計。然而，任何一種生產工藝必然會對其產品的結構構造產生決定性的影響，而三維打印技術處理的是極小尺度上的材料連接關系。意大利工程師恩里科•迪尼(EnricoDini)開發了一套以粉末為原料的大型三維打印機。它能精確地控制點狀粘結劑將粉末凝聚成固體。打印結束之后，除去未被粘結的粉末(可回收利用)，剩下的固體部分就是所要打印的目標物體。恩里科使用自己開發的打印機完成了1∶1尺度的建筑原型(圖4)。基于原料的普遍性與制造原理的簡單性，他的團隊提出了在月球上利用月球粉塵來打印建筑的設想[12]。這個例子充分說明了微觀的材料與構造可以在數控技術的幫助下也能形成建筑尺度的作品。如果說恩里科是以工程師的身份從工藝出發來開發三維打印技術，那么漢斯邁耶(M.Hansmeyer)與蒂林伯格(B.Dillenburger)則是以建筑師的身份從造型出發來挑戰現有三維打印技術的極限。他們的DigitalGrotesque項目[13]采用了德國Voxeljet公司的三維打印技術，建成了一個形態極其復雜的穹頂結構(圖5)。該作品的打印精度達到了0.1mm，其幾何形體一共由2.6億個面所構成。如此復雜的形體，即使采用常見的參數化軟件都無法完成。為了有效地控制形體和處理龐大的數據，他們基于Processing和Java語言編寫了自己的軟件。生成復雜形體的關鍵在于他們自主開發的一套操作幾何體的語法(meshgrammar)。該語法在迭代運行的過程中會在不同的尺度上(從大到小)產生出不同的幾何特征，直到生成的幾何信息逼近計算機與三維打印機所能容納的極限。因此在該項目中，作品的幾何復雜度、計算機的儲存與處理能力、三維打印設備的分辨率這三者之間達到了統一。

2.3基于材料特性的“無節點”(仿生式的接續的可變材料代替機械式的構造與節點)構造自19世紀早期興起的現代主義建筑思潮，很多建筑師都認同“建構”[14]的概念，并推崇功能與形式并重的節點設計。然而，隨著數字技術與新工藝的發展，部分建筑師意識到“無節點”的構造也有其獨特的優勢。尤其在一些具有特殊性能的材料出現之后，“無節點”設計就變得更加有效了。很多“無節點”設計也融入了仿生思維：生物結構往往并不像機械那樣具有明確的節點，但卻能以自己獨特的方式實現復雜功能。加拿大前衛建筑師比斯利(P.Beesley)[15]的仿生設計系列就是一個典型的例子(圖6)。備受爭議的美國建筑師格瑞•林恩(GreyLynn)善于把各種可塑性很強的材料用在家具和建筑中。例如他采用玻璃鋼(fiberglass-reinforcedpolyester)制作了有名的“意餃”(Ravioli)椅子，其造型呈整體的流線型，中間沒有明顯的連接節點。在2010年完成的洛杉磯盛開之屋(BloomHouse)中，建筑師又嘗試運用熱成型可麗耐(ThermoformedCorian)來完成整個建筑的室內部分。這種材料在加熱到150�C以上時會變得非常柔軟，具有強的可塑性，等材料再次冷卻時又回歸到剛硬的狀態。可麗耐材料之間還可以用專門的膠水進行無縫連接。利用該材料特性，盛開之屋的整個室內環境由無縫連續的曲面構成。有些特殊材料只有與數控技術結合之后才能把自身的特性發揮得淋漓盡致。譬如德國蒙格斯(A.Menges)教授的ICD小組在2012年采用混合粘性樹脂的玻璃纖維與碳纖維(resin-saturatedglassandcarbonfibres)建造了一個輕型構筑物[16]。建造的主要步驟包括：先制作一個木骨架(加工完成后撤去)，固定在一個數控轉盤之上，然后機械臂開始在骨架上纏繞具有黏性的纖維線，逐漸形成多個由纖維線構成的薄層，最后把木骨架撤去就得到了一個完全由纖維構成的纖細結構(圖7)。預先設計好的整體形狀確保了這些纖維層之間相互擠壓，從而使整個結構趨于穩定。雖然使用了總長30km的碳纖維與60km的玻璃纖維，整個構筑物還是非常輕盈(320kg)。精巧的設計與數據建造手段結合，最終造就了一個全身無節點的構筑物。這種無節點設計不是消極地回避構造，而是新材料與數控加工高度結合的產物。基于新材料的無節點設計往往受到自然界的啟發。德國的斯圖加特大學結構建造和設計研究所(ITKE)結構設計研究所基于仿生技術開發了弗蘭托芬(Flectonfin)可變結構技術[17]。研究人員首先觀察到在一些花朵的結構中，局部的微小形變可以導致大范圍的形體突變。他們把這種原理簡化為木板夾住紙片的模型，當木板發生輕微彎曲時，紙片會發生將近90�的形變。利用這個原理，ITKE研究所開發出了比較成熟的Flectonfin可變模塊，可用于建筑立面，擬使用在韓國麗水世博會主題館的立面上(圖8)。顯然，仿生型的無節點構造設計與傳統的構造設計大不相同。一方面它需要對生物的相關原理進行深入的定性與定量研究，另一方面需要利用數學分析、新材料開發、數控建造等多方面的知識來制造具有仿生特性的人造結構。

2展望

高校模式與企業模式的結合構造設計理念在數控技術迅猛發展的影響下悄悄地發生改變。數字技術不會自行解決建筑中原有的構造問題，也無法掩蓋這些問題，但能夠提供不同的方式去分析與解決問題。面對數字化技術潮流，高校與企業有著不同的挑戰與機遇。數控建造對高校來說是跨學科研究，對企業來說是跨行業開發。高校更關心數控技術在加工建造過程中的趣味性與潛力，因此設計的項目往往充滿實驗性，致力于展現數控建造這種新手段給設計帶來的新的可能性，同時期望它會在某種程度上改變人們對設計的看法。與企業相比，他們可以比較自由地用全新的方式去詮釋技術在建筑設計中的角色。而企業主要是期望數控技術能夠提高產品的質量和加工的效率。不可否認的是，數控建造技術本身來自于企業，企業是推動技術發展的主體。一項技術，可能會在市場和社會中淹沒，也有可能引起超乎想象的反響。很多數控技術企業期望建筑師能利用他們的技術，但不太可能親自去嘗試設計與技術的結合。而當建筑師與企業合作的時候，由于出發點不同，也很難在技術層面上共同改進設計與建造方法。如高校能與企業進行深度合作，必然極大地推動數控加工技術在建筑設計中的應用。

作者：華好單位：東南大學建筑學院