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1、走向数字时代的建筑结构性能化设计 袁烽 柴华 谢亿民 同济大学建筑与城市规划学院 上海一造建筑智能工程有限公司 澳大利亚皇家墨尔本理工大学 摘 要： 对数字时代的建筑结构性能化设计方法进行综合阐述, 并结合研究与实践对数字时代的“结构性能美学”和“结构性能化建构”进行梳理和展望。关键词： 结构性能化设计; 数字化建造技术; 性能美学; 数字性能化建构; 收稿日期：2017-08-28基金：国家重点研发计划项目 (2016YFC0702104) Towards a Structural Performance-Based Architectural Design in Digital AgeYu
2、an Feng Chai Hua Xie Yimin Abstract： This paper elaborates on the performance-based architectural design methods in the digital age. It sifts through the pertinent research and practical projects on structural performance-based aesthetics and structural performance-based tectonic culture, and predic
3、ts its prospective trend.Keyword： structural performance-based architectural design; digital fabrication; performance-based aesthetics; structural performance-based tectonics; Received： 2017-08-281 数字技术驱动下的性能化转向1.1 从数字化设计走向数字性能化设计20 世纪计算机技术的引入为建筑学带来了一场空前的技术变革。数字建筑初期见证了一系列以形式生成为导向的先锋思想和设计实践。随着早期技术热情的
4、消褪, 纯粹的建筑形式探索由于结构逻辑、建造逻辑等因素的缺失而饱受诟病。近年来, 得益于计算机科学、材料科学、机械工程、建筑学、结构学等学科的交叉, 性能化设计思维逐渐成为取代纯粹“形式主义” (formalism) 的数字化设计方法之一。在性能化设计中, 控制建筑形式几何的内在参数在特定逻辑系统控制下与外部因素互动并生成形式1。建筑师可以根据预设的性能化目标对感性形式进行操作与优化, 从而使原来纯粹自主 (autonomous) 的形式逻辑具备了新的半自主 (quasi-autonomous) 的性能化特征。基于对建筑结构性能化 (structural performance) 、环境性能化
5、 (environmental performance) 以及行为性能化 (behavioral performance) 的关注, 性能化设计方法为建筑形式赋予了全新的伦理意义。这些性能化目标, 既包括更加节省材料、建立与环境更加友好的关系, 也包括使人的行为更加贴切与舒适。数字技术驱动下的性能化转向在处理建筑复杂性、可持续性等问题上提供了更加高效、准确的解决方案。可以说, 建筑学正在经历着数字性能化设计的转向。1.2 从数字化建造技术走向数字性能化建构数字建筑对非线性形式的偏爱是对建筑建造技术的巨大挑战。无论是传统手工建造方式, 还是工业化的机械生产方式的建造能力, 都无法与数字建筑的复杂
6、性相匹配, 从而常常导致“概念与现实之间戏剧性的分裂”2。3D 打印、激光切割、机器人建造等数字化建造技术的快速发展带来了建筑建造技术的飞跃。早期数字建筑所忽视的运算生成 (computational formation) 与物质实现 (materialization) 之间的裂缝在强大的数字建造技术的支持下得以弥补。但在过去的十年间, 数字化建造技术尤其是机器人建造技术所带来的变革早已超出了纯粹的工具范畴, 需要更多建筑设计方法、文化去重新思考数字化建造技术会为我们带来怎样的产业化未来。一方面, 机器人作为一个开放的工具平台, 可以根据材料性能和设计需求定制机器人工具端, 这也就意味着更多的
7、年轻一代会成为创新个体, 为建筑产业化注入更新的文化内容;同时, 随着机器人工具端的加工方式、机器人运动模拟与控制程序输出等过程被整合到数字设计平台上, 各种性能化目标已经可以迅速实现物质化加工过程, 从而有效促进了数字性能化设计与建筑生产过程的整合。作为“性能化建构”的核心内容, 机器人数字建造技术与性能化设计方法的结合正在重塑数字时代的建筑建构文化3。2 建筑结构性能化设计2.1 建筑结构性能化设计结构性能化设计是以结构性能最优为设计目标, 通过结构计算、模拟与性能优化过程, 寻找具有结构合理性的空间形态的设计过程。建筑学、结构学学科之间的隔阂以及长久以来的教育与实践的专门化倾向, 使得结
8、构性能化设计工具仅被用来作为实现建筑师形式梦想的“后合理化” (postrationalization) 工具。当然, 近年来随着多种结构性能化软件与建筑设计软件 (如 Rhino) 的插件结合, 建筑师运用结构软件进行形态“找形”已经成为在前沿学术研究及设计教学中非常普遍的趋势。建筑师对于结构性能化设计软件的无缝应用, 已经实现了结构性能化设计方法的“前置”, 超越了纯粹以数理计算寻求最优解的结构性能化设计, 赋予了更多建筑“找形”、功能合理化、文化特征等重要内容。在设计早期, 结构性能化设计的介入起始于 19 世纪中后期的图解静力学 (graphic statics) , 而 20 世纪中
9、期的物理模型“找形”实验是建筑结构性能化设计在前数字时代的典型代表4。数字时代的建筑结构性能化设计的发展伴随着结构计算、模拟、优化技术的快速发展。数字计算工具首先被用来处理烦琐的工程计算, 结构工程师从繁复的计算中解脱出来, 工作重心从性能计算转向设计策略5;在前计算机时代难以计算的复杂结构系统, 如自由形式的空间网壳结构、膜结构等, 可以在计算机的辅助下实现计算、分析和找形;在航空航天、机械设计等行业逐渐发展成熟的形状优化 (shape optimization) 、拓扑优化 (topological optimization) 等结构设计技术被引入建筑设计领域, 成为设计师进行结构找形的重
10、要工具;与此同时, 图解静力学在计算机平台上实现了形与力的双向交互, 有效提高了建筑结构设计的自由度。建筑结构性能化设计方法被开发成脚本 (script) 和软件, 与设计平台互连, 或者以插件 (plug-in) 的形式植入到设计平台中, 增加了结构思考介入建筑概念设计和形态生成过程的可能性, 也为建筑结构性能化设计从学术兴趣发展到实践应用领域铺平了道路。数字化结构性能设计方法正在成为建筑师与工程师之间共通的设计语言, 重新定义建筑师与工程师的合作模式。基于多样化的结构设计工具, 数字时代的建筑结构性能化设计能够在形式与性能之间、建筑局部与整体之间建立多样化的关联, 使建筑成为具有结构逻辑性
11、的组织系统。2.2 从数值计算走向结构图解长期以来, 思维模式的差异是建筑师与结构工程师合作的重要障碍:图解思维是建筑师用于构思抽象空间和形式的主要媒介, 结构工程师则善于运用数值思维对结构的稳定性和力流传导进行量化分析。作为结构工程师主要依仗的工具, “数值分析法”虽然赋予结构设计过程高度的科学性和合理性, 但缺少了结构逻辑与视觉形式之间的有机关联, 对设计师而言无疑是一种“黑箱操作” (black box operation) 。数字时代下, 复杂的数值计算被打包为结构算法交由计算机处理, 在设计平台上, 结构算法能够以直观、动态的结构图解将结构性能直接对应于结构的几何形式。在有限元分析中
12、, 以连续变化的色阶表征结构性能的分布情况是结构图解的原始表现形式。数字化结构性能图解不仅能够将结构性能以图解的方式可视化, 更重要的是在结构性能与建筑几何之间建立了实时交互的关联性。以曲面结构优化为例, 基于 Grasshopper 平台的有限元插件 Milipede (千足虫) 能够对曲面结构进行有限元分析 (FEA) , 对分析结果进行几何化提取和可视化展示, 同时将优化后的主应力曲线附着到曲面上, 允许设计师对曲线的密度和粗细进行交互控制6 (图 1) 。数字时代的结构性能图解的优势在数字化图解静力学中得到了最充分的体现。图解静力学中清晰的力学表达不依赖于形与力的数值关系, 而是依据“
13、形图解”(form diagram) 和“力图解” (force diagram) 之间的交互关系 (reciprocal) :形图解代表结构、作用力和荷载的几何形状;力图解表示结构中内力与外力的整体和局部平衡状态7。数字环境下的三维建模技术充分调动了图解静力学的双向交互机制, 将结构形式与力流控制整合在一个设计回路中, 使建筑师能够对形式和性能进行综合调控。推力线网络分析法 (thrust network analysis, TNA) 是菲利普布洛克 (Philippe Block) 团队基于图解静力学原理开发的拱壳结构设计方法。在操作层面, TNA 首先利用形图解和力图解的交互作用找到拱壳
14、结构在水平投影面上的平衡状态, 然后通过施加垂直荷载使其呈现为三维推力网格。在此过程中, 水平面上的形图解与力图解始终保持交互, 而三维拱壳结构与二维形图解始终保持投影关系8。设计师可以通过调整形态图解来改变结构的边界条件, 或者通过调整应力图解来改变拱壳的内力分布, 在初始平衡的基础上进行互动找形 (图 2) 。基于 TNA 的Rhinoceros 插件 Rhino VAULT 已经成为壳体结构设计的有效工具, 被广泛应用于不同尺度的壳体结构中。2016 年, 袁烽团队设计的江苏省园艺博览会现代木结构主题馆以 Rhino VAULT 为建筑找形工具, 结合机器人建造技术实现了跨度40m 的木
15、网壳结构的设计与建造 (图 3) 。2.3 从结构设计走向数字“找形”传统数字建筑的结构设计过程是一种“后合理化”模式9, 结构顾问和工程师在建筑师提出的形式概念上, 通过繁复冗杂的结构计算为形式概念提供支撑。在过去 30 年间, Bollinger+Grohmann、ARUP 等大型工程顾问公司的快速发展从侧面反映出结构工程师为“后合理化”工作所付出的巨大代价。数字化结构“找形”对建筑工程的直接影响在于建筑师不再自上而下地创造形式, 而是通过结构性能生形方法寻找兼具结构合理性与形态美学的形式, 而结构工程师也摆脱了被动应对复杂形体的梦魇。基于三维物理模型的“结构找形”是数字化结构找形的雏形。
16、对于壳体结构、张拉膜结构等特定的结构类型, 三维物理模型能够在不需要结构计算的情况下有效地预测足尺结构的性能特征, 在创造形态的同时, 为形态增添了缜密的力学逻辑。从高迪采用链条和沙袋进行的倒挂实验到海因茨伊斯勒 (Heinz Isler) 的倒挂织物模型, 再到弗雷奥托 (Frei Otto) 采用肥皂泡进行的“极小曲面” (minimal surface) 找形实验, 物理找形在前计算机时代创造了一批优秀的空间结构。随着数字时代的到来, 计算机强大的计 Parker) 开发的 Grasshopper 插件Kangaroo, 则采用粒子弹簧系统 (particle-spring method) 为多样化的找形需求提供了解决方案 (图 5) 。1 通过调节应力线的密度控制结构性能在形式上的呈现方式 下载原图2 菲利普布洛克团队通过操控力图解对结构形态进行调节 下载原图3 袁烽团队设计的江苏省园艺博览会现代木结构主题馆运用 RhinoV AULT 进行结构找形 (2016 年)
