砖的数字化建构

袁烽，张立名/

砖的数字化建构

袁烽，张立名/

砖的数字化建构所表达的是如何将传统材料砖进行当代应用。其中核心驱动力有两点：数字化方法将对砖的传统性的理解推向了新的美学目标；数字化工具的发展使砖模块本身走向更加复杂的模数与材料性能目标。砖的数字化建构是连接传统与未来的桥梁。

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1“绸墙”建成效果

2 丝绸肌理的转译过程图解

1 砖的传统性与文化性

“建筑开始于两块砖被仔细地摆放在一起。”

——密斯·凡·德·罗

砖，以及与之对应的建造方式——砌筑——的出现与发展，几乎与建筑的出现与发展同步进行。“整个建筑史发展到现在（许多建筑技术到现在有所突破）为止，建筑只有3种基本方式：一是先造出骨架和框架，然后再覆盖上外表；另一种是把一块块建筑材料堆砌起来的砌筑式；而第三种则是将前两种方法混合起来的混合式”[1]。而砖石的砌筑作为一种最为简单直接的与重力对抗的方法，自然而然地从人类早期就成为了最主要的建造方式。

砖与砌筑的发展伴随着人类文明的发展而不断地生长与完善，至今已成为一个庞大的系统，这个系统深受文化与地域的影响，表现出极强的传统与文化特征：从砖的材料方面，西方一系列古代教堂建筑用石材制砖来表达一种对永恒的追求，而在东方，以粘土为主要材料的砖，以及砖本身在以木材为核心的建造体系内的辅助地位，表现着“不求原物之长存”、“安于新陈代谢之理，以自然生灭为定律”的观念[2]；从砖的尺寸方面，古罗马的长砖，形体较为扁长，这样的形体有利于提高砖的抗压能力，从而可以用来建造高大的建筑[3]，而在古代中国，为了加强墙的整体性而发展出了各种搭接形式，致使砖的长宽高比例需要满足某种比例来对不同的搭接形式具有广泛的适应性，到汉代的时候，砖的长宽高比例已经接近现代砖的常用比例4:2:1。从砖的砌筑方式方面，由于大空间尺度的教堂在古代西方建筑中的主导地位，砖石的砌筑方式一直在向更大的尺度与跨度方向努力，从而产生了一系列经典的砖石砌筑的拱圈与穹顶，而在古代中国，砖的砌筑以更精美的墙身与更好的墙身整体性为目的，产生了在重要传统建筑墙体中常见的“磨砖对缝”、“磨砖勾缝”等砌筑手法[4]，以及在普通民居中顺丁结合的砌筑手法。地域与文化的差异对砖的发展自始至终都在产生着重要的影响，这种长久的影响使得砖成为了一种文化符号，表现出强大的传统与文化的属性，这种文化的传承体现了砖在建构文化中不可取代的重要作用。

2 砖的数字化建构——从传统性到当代性的转译

砖的建构文化属性，在当代建筑实践中依然受到很多建筑师的青睐，但对于其传统性在当代建筑中该如何呈现这一问题，当代的建筑师依然存在着不少迷茫。这种迷茫来自于砖与砖建筑由于长久的发展已经形成了一个庞大的系统，在这样一个系统中找到一个从传统性到当代性进行转译的突破点并非一件容易的事，若无法有一个深刻或全面的把握，这种转译就极容易变成或是流于形式的模仿与重复，或是缺乏人文关怀的摧枯拉朽的再造，无法给出令人信服的答案。[5]

解决这个问题的出路到底在哪里？纵观建筑风格与思潮的发展历史，不难发现的一点是：风格与思潮的改变只是表象，其背后的设计方法和工具的变革才是影响建筑范式变革的决定性因素。譬如文艺复兴背后的透视学，巴洛克建筑背后的切石法，还有现代主义背后克林·罗的“透明性”概念性驱动下的轴测画法。就这一点上来说，砖的发展也并不例外。[6]

基于这一点，砖的数字化建构所期望的就是一种基于新的设计方法与工具的从传统性到当代性的转译。数字化手段带来的是设计思想与工具的革新，在新的思想与工具的驱动下，使得建构逻辑向多维度和高复杂性进化，完成源于根本的形式转移。

2.1 美学性能的转译

当代的建筑实践中，砖的应用一度被新的建构方式抛弃，这是在不断有新的结构系统出现的背景下的必然结果。随着砖摆脱了作为结构系统而存在的种种限制，砖可以从材料性能的角度去发展其特质。在这个基础上，其美学性能可以得到全新的表现。在砖的砌筑中，主要表现在不同砌筑逻辑所形成的不同表面肌理，传统的砌筑逻辑主要为“顺”与“丁”的组合方式，虽然在长期的发展过程中总结出了三顺一丁、五顺一丁、梅花丁等经典组合方式，但究其本质，砖与砖之间只有平行与垂直两种关系。在上海AU SPACE厂房改造和兰溪亭项目中，“绸墙”和“水墙”的设计代表了我们基于数字化方法和工具，建立超越平行与垂直的逻辑系统，在砖的美学性能方面新的尝试。

上海AU SPACE厂房改造项目位于上海“五维空间”创意产业园区，该园区前身是建于1940年代的上海华丰第一棉纺织厂。面对这个曾经出产大量棉纺织品的工业场地，我们对建筑的形象改造做出的设计决策是：使用最朴实而具有工业色彩的材料——混凝土空心砖来实现像织物一般的柔顺感，这种意象首先表达了我们对场所历史的回应，再者希望突破传统砖墙横平竖直、棱角分明的表现效果。因此对丝绸质感的表现，成为了思考的出发点。

在整个设计思考的过程中，数字化方法和工具

从两个方面对我们的思路产生着重要影响：首先是思考的切入点，打破砖的传统材料表现并非一件容易的事，其难点在于砖以及砖墙的意象在长时间的发展过程中，已经在人的心中根深蒂固。横平竖直的逻辑体系代表了一种非此即彼的传统思维，而数字化方法的显著特征是非线性与连续性，“是”与“否”并非全部的答案，在“是”与“否”之间，还存在着很多的可能性。这种思考方式成为我们能在设计意图上突破传统砖墙意向桎梏的最重要的思想基础。

另一方面，数字化方法实现的核心在于将一切设计元素转化为数据进行统筹、整理与联系，这使得丝绸与砖墙这两个本毫无联系的设计元素之间产生相互转译成为可能。我们提取丝绸质感中的灰度及空心混凝土砖的旋转角度作为转译的媒介，在灰度与角度之间建立数学联系，从而完成这个转译过程，在砖墙上实现丝绸的效果[7]（图1、2）。

在四川成都兰溪亭项目中，我们试图对中国传统江南园林做全新的演绎，这种演绎不只局限于常规的空间组织和建筑形体设计方面，我们希望在建筑的表皮中引入传统江南园林中代表性的符号来实现别具一格的隐喻。因此，我们选择了“水”这一灵动、自然的元素作为砖墙表皮期望表达的意向。这一设计出发点促成了“水墙”这一设计的产生。首先，我们运用算法捕捉水在时间维度上趋于静止时的瞬间状态，将其抽象为矢量路径，运用数字化手段在矢量图形和砖的排列逻辑间建立几何联系，将矢量路径对砖的排列进行干扰，从而完成水纹到实体建筑语言的转译。最终，青砖这一在中国传统建筑中普遍使用的建筑材料和极其常见的错缝砌筑法成为我们转译的媒介，特殊的空缝砌筑形式在厚重的墙体中实现了轻盈通透的流水视觉效果（图3、4）。

2.2 性能美学的转译

将砖的文化属性与功能属性分离成为一种被普遍认可的手法，这是否意味着砖的结构功能已经走向了终结，砖结构已经失去了存在于当代的意义，这并不尽然。在上海诺华制药总部基地的项目中，我们对这一问题做出了回应。在这一项目的外墙设计中，我们依然选择砖作为主要材料，并在砖的砌筑逻辑的建立上延续了在“绸墙”和“水墙”中使用的基于数字化方法与工具的设计手法，利用变化的砖的空缝砌筑来达到柔顺的渐变效果。不同的是，这一次砖不再作为单纯的表现材料，而是通过位于3个不同层次的砖与砖之间基于几何操作的连接设计与结构性能模拟和优化，让砖承担了部分的结构作用。

蛇形的外墙环绕在3栋服务用房外围（图5），使得这面外墙并没有绝对的内表面和外表面之分，这就导致之前用到的在内表面建造结构层来支撑墙体、结构与砖墙分开处理的做法在这个项目中并不适用，因此在这个项目中，结构功能必须由砖墙本身承担。

在传统的砖建筑中，砖墙能有良好整体性的核心在于错缝搭接。在这个设计中，砖墙的纹理已经被设计好了，在不改变已完成的纹理的前提下，我们无法通过在纵向上增加错缝搭接来增强墙体结构强度，因此，解决方案需要在另外的维度上寻找。最终，我们的做法是砖墙内部加入了一层三角形的空心砌块（图7），这一做法有两方面的意义：首先，三角形砌块的斜向拼缝和砖块的水平拼缝之间并非平行关系，这样就在墙身厚度的维度上创造了错缝搭接，从而增强墙体的结构性能；另一点，砖墙的结构设计中需要在砖的拼缝之间埋入钢筋来增加墙体结构强度，由于这面砖墙的设计的纹理是较为特殊的斜向纹理，若使用传统的横向埋设钢筋方式，则钢筋必定会在空缝砌筑留下的缝隙中露出来，这会对最终的效果产生无法容忍的影响。因此，钢筋埋设的方向需要顺着砖墙的纹理斜向埋设，而单纯靠横向铺设的砖，无法与斜向埋设的钢筋组合为一个整体，因此，将横向铺设的砖用砂浆固定在三角形空心砌块的两边，借助三角形空心砌块完成横向砖与斜向钢筋的连接，同时，通过几何操作，中间层的三角形空心砌块正好被两边的矩形砖挡住（图8），在丝毫没有影响想要达到的设计效果的前提下，完成了墙体的结构功能。之后，再通过数字化手段对中间层所用到的三角形空心砌块的尺寸进行拟合，最终，由于砖墙使用到的本就是尺寸统一的砖，再加上其砌筑方式本身高度的逻辑性，中间层的三角形空心砌块被拟合为统一尺寸，大大降低了这种结构设计的实现成本。

设计完成后，我们运用有限元分析软件对墙体的抗压能力和稳定性进行了模拟（图9），结果也表明了中间层的三角形空心砌块墙体展现出了十分良好的结构性能，其与两边砖墙的完美契合关系也保证了这个设计的美学追求。数字化思想与手段的介入和恰到好处的几何操作，我们将两者融合起来，试图在这一作品中对传统砖墙的结构性能解决手段进行一个更多维度的诠释与转译，表达我们对性能美学的理解与追求。

3“水墙”全景

4“水墙”局部放大图

3 低技建造——砖的数字化建构的本土实现

数字化建构包括两方面的意义：数字化设计与数字化建造，前者为虚拟世界中的逻辑建立与形态生成，后者为前者在现实建造中的实现。建筑作为一个实体，某种程度上来说，后者的重要性甚至大过前者。在理想状态下，数字化设计与数字化建造之间应该是顺滑的无缝对接关系，3D打印设备、CNC机床和机械臂等高精度的数控加工设备可以直接读取在数字化设计阶段生成的数据信息，然后转化为机械动作，从而完成对实体材料的加工。而在建筑领域，建筑本身尺度相比工业设计或机械制造领域的产品就较为巨大，在一个较大尺度的环境下，实现大批量高精度的数控建造本就是一个巨大的难题。再者，在中国，数控加工技术在建筑施工领域的推广程度远比数字化设计手段在建筑设计师中的普及程度要落后的多。短期内，这都是无法回避的现实，因此，砖的数字化建构需要一种具有本土适应性的方法来实现。

中国建筑施工现状无法改变，那么从设计端出发，降低设计的实现门槛是唯一的出路。自古中国匠人之间就有“变造”一说，即依据建造的实际情况对“规矩”进行一定的变通。譬如，宋代的《营造法式》中虽然对模数制定了严密的规定，但工匠们基本不会在不同的地方做出尺寸完全相同的斗拱。这种方法同样可以运用在我们的实践中。

在“绸墙”这一项目的前期设计中，空心混凝

土砖的旋转角度是通过灰度连续变化的图片来控制的，这样的结果就是空心混凝土砖的旋转角度呈现各不相同、连续的变化状态。这样的状态使得在施工初期遭遇巨大的困难，每一块砖的旋转角度都不同，全部用手工砌筑完成的话，施工成本不可估量。因此我们必须返回设计阶段，重新优化砖旋转角度的确定逻辑。减少旋转角度是最直接的解决手段，但减少旋转角度就意味着最终效果的妥协，这两者之间必须找到一个合适的平衡点。数字化设计基于数据和逻辑的生形手段在寻找这个平衡点的过程中发挥了很大的优势，即时可见的特点也能够使一系列的修改结果快速直观地呈现给建筑师，便于筛选和判断。

最终，我们将所有的旋转角度拟合为12个角度来进行实际建造（图10），同时，为了方便施工工人操作，我们制作了6个模板，让工人用来做12个角度的砖的定位（图11）。在设计阶段的效果把控和制作模板来保证定位的精确性，使得最终的建成效果满足了预期，并且整个建造成本也被控制在了一个可以接受的范围内。

在兰溪亭项目的“水墙”的建造中，由于有了之前“绸墙”的经验，我们在设计阶段便直接对砖与砖之间的空缝尺寸进行了拟合，最终拟合为5种错缝尺寸，并也同样预先制作了5种模板，通过这5种模板数值的排列实现砖墙肌理的变化，从而达到预期的水纹效果（图12）。

两面砖墙的数字化建造的实现采用的都是相同的思路，最终的结果都是设计向技术水平不足的施工进行一定的妥协，虽然这种妥协经过严格的控制，达到了几乎不影响最终建筑所呈现的效果的地步，但这只是一种面对特殊情况的应急与变通的处理手法，从理想的数字化建构的角度来说，这种手法难以让人信服，因为它失去了理想的数字化建构所应有的连续性、一体性和精确性。这种缺失的根本原因在于数控加工工具、工艺和技术在建筑领域的应用还不成熟。面对这种不成熟，妥协与变通可以是一时性的解决手段，但这远不是应该达到的目标。可喜的是，数字化建造领域的研究者们从未停止过研究的脚步。小尺度的3D打印技术、CNC机床加工、机器人建造等技术经过这几年的发展已经日趋成熟，逐渐开始摆脱小尺度的束缚，向正常尺度建筑的建造发起挑战：斯图加特大学的阿希姆·门杰斯（Achim Menges）教授基于对节肢动物骨骼的研究，运用机器人编织建造出了效果令人惊叹的临时展馆作品；上海盈创装饰设计工程有限公司所开发的3D房屋打印技术已经实现了24小时内3D打印出10栋200m2的建筑。数控加工技术的将会带来工具的革新，而工具的革新才会成为推动数字化建构的核心力量。

5 上海诺华制药总部基地全景

6 墙体内斜向支撑结构图解

7 墙体分解图解，左上到右下依次为：支撑结构，内层三角形空心砌块，外层砖墙，整体组合

8 三角形空心砌块与砖墙之间尺寸关系

9 结构性能模拟

4 砖的数字化建构的未来发展

其一，砖原型的多样化开发。砖的规格如今已经十分丰富，从标准砖规格到各种尺寸的空心砖规格，砖的原型依然是一个立方体，从砖诞生以来这一原型都未产生变化。诚然，易于加工和砌筑是方块砖能长久占据主导地位的主要原因，但从建筑设计师的角度来说，是否易于加工和砌筑不是我们在设计的过程中需要考虑的全部内容。在数字技术的支持下，无论是在虚拟层面的设计操作，还是在现实层面的实体操作，突破立方体的原型限制，开发更多种形式的砖原型以满足特殊的效果追求，这些都是可以在一个成本可控的范围内完成的。在诺华制药服务用房的项目中，我们就使用了三角形的空心砌块来满足结构设计需求，这是设计师与材料供应商密切交流与协作的结果。

其二，制砖材料与工艺开始向可持续性和性能化方向发展。从传统的粘土砖，到如今混凝土、页岩、陶瓷、海泥、天然砂、工业废料、垃圾焚烧炉渣等众多的制砖材料，制砖材料的发展正在给砖带来本质性的变化。首先，砖作为一种普遍使用的建材，其可持续性受到极大的关注，粘土砖的取缔和众多可再生材料砖的出现可以证明这一点。除了材料的发展，制砖工艺也在向低碳的方向发展，譬如如何减少制砖过程中高温煅烧的程序以减少热排放等。其次，由于制砖材料的多样性和制砖工艺的提升，砖的性能得到了很大的拓展。在力学性能得到很大提升的同时，砖开始具备一些其他的特殊性能，如保温隔热、耐腐蚀性、透气透水等。

其三，砖的机器人砌筑。在前文提到的“绸墙”和“水墙”两个案例中，为了方便建造，我们不得不将连续变化的角度或尺寸拟合为几个角度或尺寸，这是设计向施工条件的妥协。如果可以使用机器人代替人工来进行砌筑，那么，机器人基于数据的精确操作可以使这种妥协变得不必要。近年来，使用机器人进行砖的砌筑工作的相关研究已经取得一定的成果。伦敦大学学院（University College London）的哈立德·阿什雷（Khaled Elashry）和鲁艾里·格林（Ruairi Glynn）在2014年“建筑、艺术与设计中的机器人制造（Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design）”国际会议上发表了他们在使用机器人进行砖砌筑方面的研究成果。他们在参数化设计平台Grasshopper上编写了将工业机器人KUKA与三维建模软件Rhino连接起来的插件—Scorpion，从而实现了将虚拟模型的位置数据导入到数控加工设备中这一关键程序。机器人在读取到砖的位置数据之后，经过适当的机器人工作路径优化调整，机器人便能将砖块精准地放置到目标位置（图13）。砖的砌筑除了要将砖块摆放到正确的位置，还需要在砖表面涂上适量的砂浆，由于砂浆并非有固定形态的固体，其操作难度远比砖块要大得多。面对这一问题，哈立德·阿什雷和鲁艾里·格林也给出了他们的解决方案。他们开发了一套自适应系统，这套系统的核心在于一个加装在机器人工具头上的具有厚度感应功能的相机，这个相机会在机器人对每一个砖块完成第一次砂浆涂抹之后扫描砂浆的涂抹情况，将扫描结果通过编写好的Processing程序呈现转化为点云反馈到Grasshopper中，在Grasshopper中对涂抹结果进行判断并给机器人发出修正命令，机器人收到命令之后再对已经涂抹的砂浆进行调整（图14）。他们对其开发的这一套机器人砌砖系统进行了现场展示，证明了这一套系统有良好的可行性[8]。由此可见，机器人砌砖是具有可操作性和可行性的，而且其在精确定位方面具有人工不可能达到的水平。随着机器人在建筑建造领域不断深入和广泛的运用，砖的机器人砌筑将对砖的建构逻辑与方式产生革命性的影响，这也必定是未来砖的数字化建构的重要发展趋势。

5 结语

砖的建构文化属性是其如今存在于建筑领域的重要原因之一，砖的数字化建构方法将砖的传统性延续至当代乃至未来，并找到符合时代特征的表现手段。我们已经用实践证明这种手段能够使砖这样的传统材料表达出强烈的当代性，而这种手段还并未得到充分的开发。数字化思想还可以进一步深入到对砖的抽象理解中，对其提出新的诠释；数字化工具还有极大的挖掘与研究空间，设计方法、建造工具的革新必将为砖的数字建构的带来更多的可能性与可行性。

10 外墙单元与建造辅助模板

11 使用模板辅助施工

12 砖墙纹理模数变化图解

13 使用机器人进行砖的砌筑

14 砂浆厚度扫描与分析

[1] 施楚贤. 砌体结构理论与设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2003：16.

[2] 梁思成. 中国古代建筑史[M]. 北京：生活·读书·新知三联书店，2011：17.

[3]卡雷斯·瓦洪拉特，邓敬. 对建构学的思考——在技艺的呈现与缺席之间[J]. 时代建筑，2009(5)：132-139.

[4] 中国科学院自然科学史研究所. 中国古代建筑技术史[M]. 北京：科学出版社，1985：433.

[5] 袁烽，林磊. 中国传统地方材料的当代演绎[J]. 城市建筑，2008(6)：12-16.

[6] 袁烽. 数字化建造——新方法论驱动下的范式转化[J]. 时代建筑，2012(2)：74-79.

[7] 袁烽. 绸墙——柔软的建构实践[J]. 时代建筑，2011(2)：106-113.

[8] Khaled Elashry, Ruairi Glynn．An Approach to Automated Construction UsingAdaptive Programing[C]．//Wes McGee , Monica Ponce de Leon. Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014．Switzerland: Springer International Publishing, 2014：51-66.

Digital Tectonics of Brick

Philip F. YUAN, ZHANG Liming

Digital tectonics of brick is a design methodology approaches to the contemporary application of traditional material. The key driven forces based on two points : the digital methodology is leading to a new aesthetics based on the materiality of brick; with the development of digital tools, the module of brick becomes more complex and better performance of material. Digital tectonics of brick is bridging the tradition and future.

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同济大学建筑城规学院，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室

2014-06-21