數(shù)字技術(shù)在建筑表皮設(shè)計中的應(yīng)用

數(shù)字技術(shù)在建筑表皮設(shè)計中的應(yīng)用

參數(shù)設(shè)計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，生成復雜的微觀組件、組件或整體組合。其操作目標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)計中,形態(tài)控制參數(shù)的引入會與構(gòu)造節(jié)點、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,并將其運用到洞口的設(shè)計策略中,本文選擇了三個典型案例,分析其表皮及洞口設(shè)計中形態(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)、所運用的設(shè)計軟件(工具)以及實現(xiàn)的方式,并試圖比較三者之異同,以期為未來的表皮設(shè)計提供參考。一綜合生態(tài)屋復合生態(tài)屋(Para-EcoHouse)是2012年同濟大學參加國際太陽能十項全能競賽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合生態(tài)表皮和屋面太陽能系統(tǒng)”根據(jù)設(shè)計者提供的圖解,其由數(shù)值向形態(tài)轉(zhuǎn)化的設(shè)計策略可以解讀為:先通過分析軟件(Ecotect)模擬出特定地域氣候條件下的垂直風壓數(shù)據(jù),生成該立面上的風壓云圖,并按照數(shù)值范圍近似分成四個區(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)格來實現(xiàn)單元構(gòu)件,并延伸至外層圍合界面的其他部分(圖3)。簡而言之,即:風壓值(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,無論是風壓分區(qū)的邊界線、洞口所隱含的單元網(wǎng)格,還是單元構(gòu)件的簡化形式,都與菱形網(wǎng)格體系的選擇有關(guān)。因此,這個等距的網(wǎng)格體系是參數(shù)向形態(tài)轉(zhuǎn)譯時產(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)風壓強度的技術(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)格作為先導識別案例中的洞口設(shè)計是形態(tài)操作的進一步深化。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實現(xiàn):在菱形單元的每邊中點附近選取距離相等的點,按同一方向(左側(cè)或右側(cè))與其相隔的頂點相連,形成了中間的菱形洞口,并通過每個頂點的位置移動調(diào)整洞口的大小(圖4)?；谏鲜霾僮?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,以獲得最好的太陽輻射;兩側(cè)空余部分作為通風口,保證了表皮的通風效果;立體綠化則布置在內(nèi)側(cè)兩個邊上(圖5)。3復合生態(tài)屋的表皮設(shè)計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的過程。與傳統(tǒng)建造方式不同,其表皮實現(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)計者借鑒了中國傳統(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)的要求進行了針對性的處理;屋面的菱形網(wǎng)格則通過兩側(cè)附加的骨架加以強化(圖6)。這些獨特的設(shè)計,恰恰是材料化過程中有效的組成部分。復合生態(tài)屋的表皮設(shè)計不僅呈現(xiàn)了性能參數(shù)轉(zhuǎn)譯成形式語言后程序性的設(shè)計過程和思考方法,還體現(xiàn)了設(shè)計成果針對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,但當用于室內(nèi)空間時,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“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)計則是由湯姆·福爾德斯(ThomFaulders)于2007年完成。該項目是位于東京近郊的一座四層建筑,原來僅作為業(yè)主的住宅,其四周植有茂密的綠化。項目擴建時將綠化鏟除,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影響住宅內(nèi)部的私密性,因而業(yè)主要求對住宅部分的外立面進行覆蓋。1ronoi工具表皮的設(shè)計試圖回應(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工具控制整個表皮的生成,以達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圖的生成原理是對標準幾何體系中的胞點(vertex,又稱控制點)、邊界、細胞(cell,或稱單元、區(qū)域)等基本元素進行一系列有序操作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)整胞點的位置,進而調(diào)整細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,對面積較大的洞口,其邊緣線的寬度適當增加,以適應(yīng)表皮的整體剛度要求;③在線段較多的交點處,對相鄰邊緣線進行倒角處理,以形成接近圓洞的效果,并增加交點處的強度;④兩層不同形態(tài)的表皮疊加,進一步強化了視覺復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),還進行了以下操作:①沿樓層標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,以豎向細金屬線固定,巧妙地隱藏了連接的節(jié)點(圖10)經(jīng)過這些巧妙的洞口設(shè)計和材料化操作,利用光線(采光)和控制視線的要求與獨特的視覺效果同時得以實現(xiàn)。與復合生態(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)計中從構(gòu)思到落實過程中常見的一種模式。當然,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。三阿斯塔納新的國家圖書館在2009年阿斯塔納新國家圖書館競賽中,BIG的設(shè)計方案為地下3層、地上9層的復雜形態(tài),總面積為3.3萬m1蒙古游牧民帳整個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,通過菱形的曲面細分,將兩個莫比烏斯環(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)計上述案例中,洞口設(shè)計是解決采光與遮陽問題的關(guān)鍵。由于一年中不同時間段陽光投射到洞口上的角度不同,按照從4月9日一9月5日計算的光強度3形單元轉(zhuǎn)化成框架式表皮結(jié)構(gòu)由于項目處于方案階段,故表皮的深化設(shè)計并未完成。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現(xiàn)細部的轉(zhuǎn)折(圖14)。由于每個單元的尺寸、角度各不相同,會使每個構(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,建造成本無疑會大大增加,對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施。四形態(tài)操作的線性參數(shù)化表皮的設(shè)計步驟,主要分為3個步驟上述三個案例都采用了參數(shù)化方法來推進表皮的洞口設(shè)計中形態(tài)和性能的結(jié)合。但是,它們在性能要求、參數(shù)來源、視覺特征、設(shè)計邏輯和思考路徑等諸多方面均存在可比之處(表2)。三個案例的設(shè)計暗含著這樣的邏輯:在設(shè)計基于性能的參數(shù)化表皮時,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應(yīng)或影響的聯(lián)系,按照這些聯(lián)系的規(guī)律來控制單元構(gòu)件的形態(tài)和組織方式,進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)。在這個過程中,洞口設(shè)計往往會成為參數(shù)化表皮中性能與形態(tài)結(jié)合的關(guān)鍵點。洞口的布局、單元形態(tài)和組織關(guān)系的實現(xiàn),會借助于復雜幾何關(guān)系的操作,這是對表皮的整體形態(tài)進行細分并出現(xiàn)洞口的關(guān)鍵一步。與傳統(tǒng)設(shè)計方法中的繪制不同,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)來實現(xiàn)。在設(shè)定這類參數(shù)時,性能及其相關(guān)數(shù)據(jù)既可以成為表皮細分時幾何操作的參考(如復合生態(tài)屋和東京空域),也可以直接成為控制洞口變化的依據(jù)(如阿斯塔納新國家圖書館),進而通過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)譯來設(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