數(shù)字技術(shù)在建筑表皮設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

數(shù)字技術(shù)在建筑表皮設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

參數(shù)設(shè)計(jì)的初始階段通常由數(shù)字技術(shù)支撐。根據(jù)自然界中的規(guī)律，如性質(zhì)秩序、原則或幾何關(guān)系的操作，生成復(fù)雜的微觀組件、組件或整體組合。其操作目標(biāo)則是更好地控制建筑物組件及整體形態(tài)的規(guī)律性,以求在視覺效果、建造(制造)難度和構(gòu)件模數(shù)化之間取得平衡。在很多設(shè)計(jì)中,形態(tài)控制參數(shù)的引入會(huì)與構(gòu)造節(jié)點(diǎn)、熱工性能、采光和照明等環(huán)境要素相結(jié)合為深入理解參數(shù)化方法如何將建筑表皮的形態(tài)與性能相結(jié)合,并將其運(yùn)用到洞口的設(shè)計(jì)策略中,本文選擇了三個(gè)典型案例,分析其表皮及洞口設(shè)計(jì)中形態(tài)產(chǎn)生的方法、性能的具體要求和限制條件、所提取的參數(shù)、所運(yùn)用的設(shè)計(jì)軟件(工具)以及實(shí)現(xiàn)的方式,并試圖比較三者之異同,以期為未來(lái)的表皮設(shè)計(jì)提供參考。一綜合生態(tài)屋復(fù)合生態(tài)屋(Para-EcoHouse)是2012年同濟(jì)大學(xué)參加國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽1面為曲面的單元網(wǎng)格盡管其“最外層的適應(yīng)性能源界面主要包括西立面復(fù)合生態(tài)表皮和屋面太陽(yáng)能系統(tǒng)”根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的圖解,其由數(shù)值向形態(tài)轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)策略可以解讀為:先通過分析軟件(Ecotect)模擬出特定地域氣候條件下的垂直風(fēng)壓數(shù)據(jù),生成該立面上的風(fēng)壓云圖,并按照數(shù)值范圍近似分成四個(gè)區(qū)域;再利用參數(shù)化工具(Grasshopper)根據(jù)分區(qū)形成四種單元洞口尺寸;立面形態(tài)則是通過滿鋪的菱形網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)單元構(gòu)件,并延伸至外層圍合界面的其他部分(圖3)。簡(jiǎn)而言之,即:風(fēng)壓值(數(shù)據(jù)生成)一云圖(圖像生成)一分區(qū)(差異化)一洞口(體現(xiàn)差異)一單元構(gòu)件(整體形態(tài))。值得注意的是,上述過程中,無(wú)論是風(fēng)壓分區(qū)的邊界線、洞口所隱含的單元網(wǎng)格,還是單元構(gòu)件的簡(jiǎn)化形式,都與菱形網(wǎng)格體系的選擇有關(guān)。因此,這個(gè)等距的網(wǎng)格體系是參數(shù)向形態(tài)轉(zhuǎn)譯時(shí)產(chǎn)生外層立面形象的整體控制要素。也正是由于這步操作,原本體現(xiàn)風(fēng)壓強(qiáng)度的技術(shù)參數(shù)經(jīng)過圖像化和幾何操作之后,轉(zhuǎn)換為形態(tài)要素,進(jìn)而失去了參數(shù)的技術(shù)特征。2以抽象的三角形網(wǎng)格作為先導(dǎo)識(shí)別案例中的洞口設(shè)計(jì)是形態(tài)操作的進(jìn)一步深化。四種不同尺寸的洞口均位于單元網(wǎng)格的中心位置,而其形態(tài)和大小的控制,同樣可借助于菱形網(wǎng)格體系的幾何操作來(lái)實(shí)現(xiàn):在菱形單元的每邊中點(diǎn)附近選取距離相等的點(diǎn),按同一方向(左側(cè)或右側(cè))與其相隔的頂點(diǎn)相連,形成了中間的菱形洞口,并通過每個(gè)頂點(diǎn)的位置移動(dòng)調(diào)整洞口的大小(圖4)。基于上述操作,將抽象的菱形網(wǎng)格賦予厚度(材料的厚度與網(wǎng)格的厚度)之后,設(shè)計(jì)者還考慮了洞口的開口大小與電池板、綠化的結(jié)合。沿菱形接近水平方向的邊在洞口外側(cè)設(shè)置最大面積的電池板,以獲得最好的太陽(yáng)輻射;兩側(cè)空余部分作為通風(fēng)口,保證了表皮的通風(fēng)效果;立體綠化則布置在內(nèi)側(cè)兩個(gè)邊上(圖5)。3復(fù)合生態(tài)屋的表皮設(shè)計(jì)材料化是將圖形的抽象思考和上述技術(shù)問題的綜合解決方案落實(shí)的過程。與傳統(tǒng)建造方式不同,其表皮實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)了制造和拼裝的思路,這也是參數(shù)化方法中的關(guān)鍵一步。設(shè)計(jì)者借鑒了中國(guó)傳統(tǒng)建筑中的(平面)榫卯連接方式,將菱形單元構(gòu)件分解為四個(gè)部分逐步完成:左側(cè)、上部的楔體為封閉的;右側(cè)和底部的楔體預(yù)留出放置綠化的槽;墻體上的特殊部位(與地面的接合處、轉(zhuǎn)角處、與頂面的接合處)都根據(jù)連接的可能性和整體形態(tài)的要求進(jìn)行了針對(duì)性的處理;屋面的菱形網(wǎng)格則通過兩側(cè)附加的骨架加以強(qiáng)化(圖6)。這些獨(dú)特的設(shè)計(jì),恰恰是材料化過程中有效的組成部分。復(fù)合生態(tài)屋的表皮設(shè)計(jì)不僅呈現(xiàn)了性能參數(shù)轉(zhuǎn)譯成形式語(yǔ)言后程序性的設(shè)計(jì)過程和思考方法,還體現(xiàn)了設(shè)計(jì)成果針對(duì)不同氣候特征的適應(yīng)性。盡管生態(tài)屋中將其作為外層功能性的表皮,并未用作圍合室內(nèi)空間的界面,但當(dāng)用于室內(nèi)空間時(shí),它可以通過調(diào)整表皮的厚度和洞口的大小,在溫度、日照、風(fēng)力等氣候要素各不相同的地區(qū)建造(表1)二續(xù)改造的立面設(shè)計(jì)“初版”東京空域(AirspaceTokyo)的建筑師為增渕大(HajimeMasubuchi),后續(xù)改造的立面設(shè)計(jì)則是由湯姆·福爾德斯(ThomFaulders)于2007年完成。該項(xiàng)目是位于東京近郊的一座四層建筑,原來(lái)僅作為業(yè)主的住宅,其四周植有茂密的綠化。項(xiàng)目擴(kuò)建時(shí)將綠化鏟除,并將底層作為攝影工作室,二到四層作為住宅。由于開放式的平面布局會(huì)影響住宅內(nèi)部的私密性,因而業(yè)主要求對(duì)住宅部分的外立面進(jìn)行覆蓋。1ronoi工具表皮的設(shè)計(jì)試圖回應(yīng)原有的綠化,以樹冠中樹枝重疊的形態(tài)作為表皮的原型,并借助于Voronoi工具控制整個(gè)表皮的生成,以達(dá)到透光和阻擋視線的雙重效果(圖7)。作為圖形操作的一種手段,Voronoi圖的生成原理是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幾何體系中的胞點(diǎn)(vertex,又稱控制點(diǎn))、邊界、細(xì)胞(cell,或稱單元、區(qū)域)等基本元素進(jìn)行一系列有序操作2圓洞倒角確定在東京空域中,Voronoi生形的策略通過以下抽象的幾何操作逐步形成了設(shè)計(jì)的洞口:①根據(jù)室內(nèi)平面布局中采光和視線的要求調(diào)整胞點(diǎn)的位置,進(jìn)而調(diào)整細(xì)胞的大小及其所形成多線條連接的圖形;②給邊界線賦予寬度,對(duì)面積較大的洞口,其邊緣線的寬度適當(dāng)增加,以適應(yīng)表皮的整體剛度要求;③在線段較多的交點(diǎn)處,對(duì)相鄰邊緣線進(jìn)行倒角處理,以形成接近圓洞的效果,并增加交點(diǎn)處的強(qiáng)度;④兩層不同形態(tài)的表皮疊加,進(jìn)一步強(qiáng)化了視覺復(fù)雜性和外部視線的遮擋效果(圖9)。Voronoi圖形生成后,為了使圖形轉(zhuǎn)換成可建的材料,除了賦予其材料厚度、確定加工方式(采用鋁塑板切割),還進(jìn)行了以下操作:①沿樓層標(biāo)高處伸出水平鋼骨架,沿墻體軸線位置伸出豎向鋼骨架,構(gòu)成支撐整個(gè)表皮的主要結(jié)構(gòu)體系;②表皮背板上按照指定間距(多為450mm)沿邊界線方向布置金屬片,以豎向細(xì)金屬線固定,巧妙地隱藏了連接的節(jié)點(diǎn)(圖10)經(jīng)過這些巧妙的洞口設(shè)計(jì)和材料化操作,利用光線(采光)和控制視線的要求與獨(dú)特的視覺效果同時(shí)得以實(shí)現(xiàn)。與復(fù)合生態(tài)屋一樣,這種由“原型一抽象圖形一幾何操作一結(jié)合性能要求的變形一材料厚度一分層一結(jié)構(gòu)/連接”的思考路徑,是參數(shù)化表皮設(shè)計(jì)中從構(gòu)思到落實(shí)過程中常見的一種模式。當(dāng)然,與圍合性表皮不同,在此類開放性洞口中,由于不必考慮絕熱、防水等密封因素,所以洞口形態(tài)能更加多樣。三阿斯塔納新的國(guó)家圖書館在2009年阿斯塔納新國(guó)家圖書館競(jìng)賽中,BIG的設(shè)計(jì)方案為地下3層、地上9層的復(fù)雜形態(tài),總面積為3.3萬(wàn)m1蒙古游牧民帳整個(gè)方案借鑒莫比烏斯環(huán)的形態(tài),形成了循環(huán)的空間結(jié)構(gòu),融合了環(huán)形流線、圓形大廳、拱門和蒙古游牧民帳篷的概念(圖11)。在整體形態(tài)的限制之下,通過菱形的曲面細(xì)分,將兩個(gè)莫比烏斯環(huán)相扣形成的連續(xù)表皮轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)的網(wǎng)格體2開口設(shè)計(jì)上述案例中,洞口設(shè)計(jì)是解決采光與遮陽(yáng)問題的關(guān)鍵。由于一年中不同時(shí)間段陽(yáng)光投射到洞口上的角度不同,按照從4月9日一9月5日計(jì)算的光強(qiáng)度3形單元轉(zhuǎn)化成框架式表皮結(jié)構(gòu)由于項(xiàng)目處于方案階段,故表皮的深化設(shè)計(jì)并未完成。但其材料化的思路是:采用類似玻璃幕墻的做法,將菱形單元轉(zhuǎn)化成框架式表皮結(jié)構(gòu),再通過三角面的平板玻璃實(shí)現(xiàn)細(xì)部的轉(zhuǎn)折(圖14)。由于每個(gè)單元的尺寸、角度各不相同,會(huì)使每個(gè)構(gòu)件和玻璃的尺寸都不一致,需要精確的定位和專門的定制。這樣一來(lái),建造成本無(wú)疑會(huì)大大增加,對(duì)施工精度的要求極高,再加上底部結(jié)構(gòu)的懸挑也碰到了很大的困難,所以方案最終未能實(shí)施。四形態(tài)操作的線性參數(shù)化表皮的設(shè)計(jì)步驟,主要分為3個(gè)步驟上述三個(gè)案例都采用了參數(shù)化方法來(lái)推進(jìn)表皮的洞口設(shè)計(jì)中形態(tài)和性能的結(jié)合。但是,它們?cè)谛阅芤?、參?shù)來(lái)源、視覺特征、設(shè)計(jì)邏輯和思考路徑等諸多方面均存在可比之處(表2)。三個(gè)案例的設(shè)計(jì)暗含著這樣的邏輯:在設(shè)計(jì)基于性能的參數(shù)化表皮時(shí),建筑師首先要在性能、數(shù)值(數(shù)據(jù))、圖形之間建立起一系列互相對(duì)應(yīng)或影響的聯(lián)系,按照這些聯(lián)系的規(guī)律來(lái)控制單元構(gòu)件的形態(tài)和組織方式,進(jìn)而生成表皮的整體形態(tài),并通過相應(yīng)的幾何操作形成洞口(即圖形的抽象操作);然后,對(duì)洞口的位置、大小、形態(tài)及其與附屬功能設(shè)施的結(jié)合進(jìn)行整合;最后,再將抽象圖形賦予材料,并結(jié)合材料的特性設(shè)定適宜的構(gòu)造做法(即材料化)。在這個(gè)過程中,洞口設(shè)計(jì)往往會(huì)成為參數(shù)化表皮中性能與形態(tài)結(jié)合的關(guān)鍵點(diǎn)。洞口的布局、單元形態(tài)和組織關(guān)系的實(shí)現(xiàn),會(huì)借助于復(fù)雜幾何關(guān)系的操作,這是對(duì)表皮的整體形態(tài)進(jìn)行細(xì)分并出現(xiàn)洞口的關(guān)鍵一步。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的繪制不同,其位置和大小的確定,不僅依賴于常規(guī)的采光、結(jié)構(gòu)限制、視覺效果等模糊判斷,更需要借助于一組相互關(guān)聯(lián)、易于調(diào)整且精確控制的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)定這類參數(shù)時(shí),性能及其相關(guān)數(shù)據(jù)既可以成為表皮細(xì)分時(shí)幾何操作的參考(如復(fù)合生態(tài)屋和東京空域),也可以直接成為控制洞口變化的依據(jù)(如阿斯塔納新國(guó)家圖書館),進(jìn)而通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)譯來(lái)設(shè)定或干預(yù)形態(tài)操作的規(guī)律性。除了本文列舉的案例,大量已經(jīng)建成或正在研究的參