导读：当形式与功能，结构与空间等论题还在被激烈地讨论时，一种整合诸多资源的解决方案已经悄悄地出现。数字建造作为一种新工业革命的符号，其已经渗透到从工业制造到日常生活的方方面面，所以建筑学也无法独善其身。从学科的角度来讲，数字建造是一个综合多种学科知识的系统性工程，是诸多技术在某种设计原则引导下的精准表达。本文通过一些数字建造案例来剖析从设计到建造的生成过程及其研究方法。同时，一种潜在的结构与形式的理性脉络也在这个生成的过程中被严谨地发展并遵循着。
DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20140609
于雷. 一种潜规则——浅谈基于结构性能的数字化形式生成及建造[J]. 西部人居环境学刊, 2014, 29(06): 43-50.
一种潜规则
——浅谈基于结构性能的数字化形式生成及建造
ALatent Principle
—Digital Methodology of Form and Construction Based on Structure Performance
1 算法设计—— 一种潜规则
当代的设计师仍在感叹安东尼奥·高迪的作品，一位逝去了将近一个世纪的天才设计师。那近乎疯狂的形式和空间无论给大众还是专业人员都带来一种强烈的神秘感。这种神秘感的背后实际上是一种常人无法做到的对结构与形式的把控，而这种能力来源于高迪建筑师及工程师的双重身份。这些复杂的自然形态在最终展现之前，其实是他繁重的实验性设计工作。
虽然高迪的实验模型xx作为艺术品保留至今，但只有当计算机辅助设计技术及加工技术到达一定水平之后，设计师和工程师团队才有能力解读高迪的思路，进而能够继续完成高迪的未竟之作——巴塞罗那的圣家族大教堂（图1）。澳大利亚RMIT的MarkBurry教授进行了一系列的研究以揭示圣家族大教堂的建造密码。他通过使用双向渐进优化算法（BidirectionalEvolution Structural Optimization，简称BESO）①揭示了高迪的设计同优化算法的结论具有高度的相似性。Mark Burry将运算模型同已建成部分比较研究，最终得到圣家族大教堂在虚拟空间内的完整方案。这个方案为人们完成高迪的作品提供了全面的依据。
计算机技术虽然从表象上来说只是一种辅助设计工具，但其真正能够担当重任的是一种xx而又复杂的“潜在的规则”——算法。
什么是算法？直白地说，算法就是任何明确定义的计算过程，他接受一些值或集合作为输入，并产生一些值作为输出。这样，算法就是将输入转换作为输出的一系列计算过程[1]。简而言之，算法就是解决一个特定任务的一系列步骤，这一系列步骤的演绎是遵循一种数学规则的。算法在我们的生活中无处不在，比如互联网使用“链接分析”算法制作搜索引擎，手机信号使用的“傅里叶变换”算法，各种动力装置中起到决定控制作用的是使用“比例积分微分”算法等等（图2）。虽然作为使用者，我们无法感知并理解这些高超的理论，然而形形色色的算法作为潜在的法则正在决定着我们生活中的方方面面。
处于新哥特主义时代“Neo Gothic”的高迪熟练地使用了当地一种传统的悬链结构“Catenary”（图3），即一种通过重力作用的锁链，其各个点沿法线的切线方向均匀地分布着拉力。如果将悬索结构沿水平面镜像成为一个静力形态的拱时，原来各点的拉力就会等值地转化为压力。高迪通过这个法则发展出了三维的圣家族教堂的模型，通过调整各控制点的配重求出了教堂最合理的力学结构形态，也就是所看到的建筑形式。
算法规则并没有在计算机虚拟的图形空间内结束它的使命，而是创建了一套完善的圣家族教堂数据库。这个数据库按照高迪的设计逻辑提供了建筑的形态、结构、材料、表面肌理等全部信息，能够为完成圣家族教堂这个复杂工程提供准确而有效的支持。这种特征代表了网络信息时代一种以数据为载体的存在方式，而这些数据可以通过先进的生成方式（如数控机床，三维打印机等）转换为实体。如果这些数据能够来源于各种符合自然规律和设计逻辑的算法，那么这些资源之于我们的设计创作空间来说将是无穷无尽的。
2 结构性能与数字模型
以阿尔伯第（图4）为代表的古典建筑美学讨论人体、比例与美的关系；以柯布西耶为代表的现代主义讨论模数、序列与美的关系；以阿尔多·罗西为代表的类型学讨论基本几何形体与复杂形体之间美的关系……这些讨论的背后实际上都隐含着一些简单的数学关系，如人体各部分之间的比例关系。高迪圣家族教堂的逆向生成研究实际上运用了复杂的理论体系研究，所推导出来的数据蕴藏着多种学科的成果。其中，结构性能就是其中重要的一部分。
在以计算机技术为载体的数字技术还没有出现之前，建筑师与工程师大多依赖图解技术进行静力学分析。这是一种直观，简单和有效的方法，因为其可以跳过大量的数学公式及繁重的计算劳动而直接对效果进行快速地推演。比如说，哥特式的尖券结构（图5）是基于多年对于失败经验的总结而得出的一种趋于xx的结构形式。通过图解的模式可以对哥特式结构进行高效的认知和形式优化工作。瑞士苏黎世理工大学（ETHZ）作为图解方法的先驱，是这个领域最有影响力的科研机构。ETHZ的Philippe Block教授在此基础之上发展出三维的静力学图解方法（图6），并结合计算机算法得出丰富而又有创建的工作方法。
图解分析虽然不失为一种简易高效的方法，但是用量化的结果作为支撑。也就是说如果我们要对结构进行性能化的分析，使用经验性的图解模式无法达到精准的验算。这种验算目的就是设法得到一种xx性能的结构解决方案。当然，这种xx性能的标准是建立在平衡各种复杂关系的基础之上。所以，静力学图解分析应该只是一种非常好的前期研究方式。
那么在概念深化阶段，对于结构性能的评估和优化就需要通过大量的数据测试。虽然我们目前还不能xx抛弃物理实验室内的测试工作，但是部分测试和优化环节已经能够在数字的虚拟空间内完成了，因为我们已经通过算法得到了设计方案的数据库。
在数字空间内的性能测试仍离不开算法的支持，比如说进行空气流体力学分析，荷载分析，地震力断裂分析，日照分析，声学分析等等，都对应着相关的算法。这个验算的过程是多次迭代的，我们将在各种环节上得到性能数据用来优化方案原型（图7），然后再将新的原型投入性能分析，一直到测试结果满足我们预先设定的要求。其结果是方案的数据库变得更庞大而又多元化了。
可以欣喜地看到，一系列的计算机辅助软件为建筑师及院校的学生们搭建了一系列友好的平台。我们不必发愁于抽象而又复杂的数学公式，只需要运用三维模型软件及相应的插件就可以进行各种量化分析。这种工作或者学习方式能够让建筑师或学生得到结构和形式关系的理性体验。显然，通过数据链的传递，我们得益于高效的、合理的概念层面上的解决方案。
3 形式与数字建造
在自然界中，我们崇拜生长的概念。用建筑的语汇去解读生长的概念：这是一种将结构、材料及构造关系合理地组织在一起的现象，是各种逻辑关系的xx表现，是一种原则性的存在。那么对于结构性能与建筑形式之间的关联应该也可以被理解为一种生长的现象，影响其存在的因素包括自然和人文的一系列问题。
如果说通过数字模型及其承载的数据库对设计方案进行结构性能的研究是对其自然属性的考量，那么对于形式的选择则更多地取决于建筑师基于人文因素的考虑。这二者之间虽然在某种程度上存在冲突，但是作为建筑师，更希望看到二者一定原则下能够达到共赢。诸如哥特式教堂，中国古典木结构都是这种共赢的典型案例。可是其优化和发展却经历了数百年的时间。而现代主义现代性的特点之一就是：新的设计原型需要在很短的时间内达到成熟状态，因为现代主义具有高效的吸纳能力、转换机制和破坏能力③。数字技术就是在这种需求下得到迅速的发展。然而，建筑师永远也抛弃不了对形式的追求，也就是说对于理性的结构性能优化后的形式的选择，或者在性能优化的过程之中都或多或少地渗入了主观判断。可以说，形式和功能的关系是一个绵绵不断的话题，本文将以几个基于数字技术的实例讨论形式、结构性能和建造三者之间的互动关系。
3.1 实例一：Landesgartenschau 展厅
德国斯图加特大学的Archim Menges教授一直致力于研究生物形态（Biomimicry）与数字建造的关系。Landesgartenschau 展厅（图8）就是他近期具有代表性的作品。
这是一个xx采用数控切割的机器人预制加工并现场装配的项目（图9）。其外墙采用了双层胶合板中间夹保温材料的单元结构，但是外墙单元是在现场装配，即内侧单元、保温层、外侧单元逐次现场安装的工艺。
结构母题来源于一种叫做“ 沙钱（Sand Dollar）”的海洋类生物（图10）。沙钱的骨骼展示了自然界高级进化后的拼接结构。显然，如果遵循这种结构组合方式进行大尺度地构造转换，将遗传自然进化的结构性能和空间形式。Menges教授的团队建立了数字模型，经过推导得出了同这种结构形式相匹配的展示空间。之后，依照结构线将模型分割成单元，并设计了高效的连接模式（指接交接）。然后，每一个单元的数据都被导入机器人加工平台（图11），进而得到xx的输出构件。xx，每一块单元按照序号在现场逐一吊装，并采用人工的方式固定。除了xx安装这道工序，其他的工作都基本上是由机器人完成的，所以取得了很高的完成度。
3.2 实例二：单纯受压力的拱结构（CompressionOnly）
瑞士苏黎世理工学院的Philippe Block教授一直致力于“单纯受压结构”的研究，其研究的起点就是哥特教堂的静力拱券结构。虽然上个世纪有很多结构大师都聚焦于拱券结构（图12），如墨西哥的Felix Candela，但是Block将图解静力分析方法同数字算法结合，成功地推导出了一系列的量化研究成果。
Block 教授通过算法模拟拱结构力学原理，其目的在于能够通过软件生成合理的拱结构及其自由曲面，并将拱曲面分割成预制的可还原拼接的单元。他通过三维打印技术（图13）制作了很多测试的物理模型，用于验证他的计算结果，收到了大量的良好反馈。Block教授的团队还通过传授简单的砖拱搭建方式（图14-15），给落后区域的居民提供了一种生存居住方式。
3.3 实例三：六轴机器臂空间打印
图16是笔者在2 014 年上海同济机器人性能建造工作营制作的装置。这个“机器臂6A仿生打印项目”是以“师法于自然”为初衷，使用机器臂对自然界微观结构进行仿生模拟，研究微观世界的空间三维结构材料的构造特性。在概念设计阶段，通过对大量网状结构的研究，我们发现蜘蛛丝的微观结构具备很出色的力学性能（图17）。而蜘蛛网的建构方式及其工作特点也充分发挥了这种微观结构的特点，整个系统的功能及结构达到了高度统一的境界
经过对放大蜘蛛丝微观结构的物理模拟和一般线性结构的对比，不难看出空间的线性结构具备更好的性能，这同自然界中的现象是相吻合的。笔者希望采用这种线性结构的原型，在空间网状结构上发挥它的自支撑优势，通过Grasshopper等参数化软件植入了空间结构的算法，完成起伏的网状空间的搭建。
这个装置的技术难点是如何有效地设计一个机器手（图18），以生成类似蜘蛛丝节的规律的波浪形态。经过对各种机械结构的测试和评估，xx采用花瓣结构的驱动轴，通过旋转动作往复推动三个挤出喷头，只用一个步进电机就能驱动三个挤出头沿着垂直于中心轴进行扇形平面运动。与此同时，通过对电机和机器臂第六轴协同控制，可以生成形式多样的有结构性能波形纹理，从而根据关键节点的受力情况，对挤出的断面形状进行控制（图19）。
电路控制部分采用Arduino系统和C++语言环境。通过Arduino单片机控制四个喷头（一个主喷头和三个辅助喷头）的温度、四个步进电机的挤压机驱动，一个步进电机对花瓣形驱动盘、一个电磁开关对冷却气泵的控制。各个部件之间经过精心的调试得出适合的参数关系，xx由一块外置的中控平台进行协同操作。
整套系统（图20）的运动核心构件采用了德国KUKA的机器臂，它由六个旋转轴组成，可以灵活的在笛卡尔坐标系中xx的捕捉位置，精度可达到0.01mm。如果将机器手的五个驱动轴一起统计及按照机器人的专业术语：这是一个拥有11个轴的复杂装置。这个复杂的装置涵盖了数控电路部分、机械部分、机器人控制部分的技术内容（图21-23）。
4 结 论
Eduard Sekler在他讨论结构、建造与建构时精辟地论述道：“建构是建筑师的视觉呈现之道。进一步说，它旨在强化那种属于艺术领域的现实体验——对我们讨论的问题而言，就是对建筑中的形式与受力关系的体验。因此，作为一个不可触摸的抽象概念，结构通过建造得以实现，并且通过建构获得视觉表现[2]。”Sekler引用沃尔夫林（Henrich Wolfflin）的“移情”学说：我们知道在哥特教堂的体验中，正是建构的表述与空间和光一起完成了传递神秘宗教意义的任务[3-5]。为引导观者的心灵实现精神升华，力的作用关系被表现得极具戏剧性，并且直接诉诸于移情效应，尽管在层层叠叠的束柱和肋拱背后，实际的情况可能与我们信以为真的场景并不xx是一回事。
可见，以形式为视觉表象的视觉艺术同结构及建造并不是xx同步的。Sekler认为最能够体现三者合一的建筑就是伊斯兰风格的清真寺，因为它能够清晰地表达空间，结构与形式高度统一的关系。如果我们将以算法（图24）为基础的结构原则作为输入端，表达视觉艺术体验的建筑形式作为输出端，数字建筑模型和数控加工技术作为中间生成的技术手段。数学算法中理性原则在强大的数字技术的控制下作为一种潜在的逻辑，辅以自然界的原型或者建筑史上的经典作为美学的标准（感性判断为主），那么建筑从概念到实体的理性转换应该在一定程度上找到更行之有效的科学方法。这种科学的方法会给我们的建筑设计工作提供更为广泛的创作空间，以及更多的控制建造质量的手段。
注释：
①结构拓扑优化的目的在于，在一定的约束条件下，通过寻找结构xx的拓扑形态、形状和尺寸，获取xx的结构性能。……其中渐进结构优化算法（Evolutiona ry Structural Optimization，简称“ESO”算法）被广泛采用。ESO算法通过逐渐去除结构中的低应力材料，使余下的结构最终进化为xx的形态。……其后提出的双向渐进优化算法（BESO），在上述算法基础上更加完善。材料除了能从结构中移除，还可以在最需要的部位生长。目前，BESO算法已经很成熟，可以进行独立网格划分，算法具有收敛性。引用自《时代建筑》2014年第5期谢亿民、左志豪的文章《利用双向渐进结构优化算法进行建筑设计》。
②ICD | ITKE ResearchPavilion 2011，Archim Menge教授的团队使用rhino，grasshooper，kangaroo等软件对结构形式进行优化测试（图中兰色区域为收拉力和压力相对平衡的区域，如果颜色片红或者偏深蓝都说明拉力和压力处于过度失衡的状态）。
③现代性是一个悖论的聚合、一个无法聚合的聚合，它将我们推入了一个大漩涡之中，那里是xx的崩溃和更新；是斗争和矛盾；是含混和苦痛。做一界，所有的人都在分享着同一种至关重要的体验模式——关于时间和空间，关于自己和他人，关于生存的可能和危险。我将这种体验的主体称之为“现代性”。做一个现代人，意味着置身于这样一个环境当中：这里有冒险、权利、欢乐、发展以及自身和环境转变；同时，这里也有危险，它会破坏我们拥有和了解的一切，甚至我们自身。现代的环境和经历超越了所有地域、种族、阶级、国家、宗教以及意识形态个现代人就是成为这样一个空间的一部分。这里，如xxx所言，“一切固定的东西都烟消云散了。”引用自M.Berman（1982）：AllThat is Solid melts into Air. P.15 New York.
参考文献：
[1]Cormen H T, Leiserson EC. 算法导论[M].殷建平, 徐云, 王刚, 等, 译. 第3版, 北京: 机械工业出版社, 2009.
[2]Sekler E. 结构，建造，建构[J]. 时代建筑, 2009(02): 101-103.
[3]Panofsky E. Meaning inthe Visual Arts[M]. New York City:Doubleday, 1955.
[4]von Simson O. The GothicCathedral[M]. Princeton: Princeton University Press, 1956.
[5]Frankl P. The Gothic:Literary Sources and Interpretations through Eight Centur ies[M]. Princeton: Princeton University Press, 1960.
作者简介：
于 雷：清华大学建筑学院，博士研究生，asworkshop@vip.163.com
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