数字时代的建构策略——非线性表皮的结构化设计

袁朝晖，韦帛邑

1 引言

受限于建造工艺和认知水平等因素，建筑诞生后的漫长时间内，其形式和结构往往是混沌不分的，“表皮”也多扮演装饰角色。森佩尔（Gottfried Semper）于1851 年出版的《建筑四要素》（Die vier Elemente der Baukunst）一书中将原始住宅分作火塘、屋顶、围护及土方，编织所得的围栏或挂毯被视作表皮的原初形式[1]，自此在意识层面拉开了表皮独立的序幕。工业革命掀起的技术浪潮很快席卷了建筑界，钢、玻璃、钢筋混凝土等新式建材重新定义了建筑的承重和围护构件，建筑和结构的学科分化则像一针催化剂，从建造角度将表皮独立和自治运动推向了高潮。20 世纪，随着混沌、分形等科学概念被发现，人类对自然规律的认识不再满足于简化的近似解，众多的非线性现象唤醒了人们意识深处的自然情怀，哲学家吉尔·德勒兹（Gilles Deleuze）提出的褶子、游牧等理论被视作非线性建筑“圣经”[2]；计算机强大的数字处理能力为求解复杂性科学问题提供了技术支持，现如今，建筑对计算机的运用也由简单的辅助制图逐渐演变为智能设计，建筑从思想和技术层面都正式步入了非线性时代。

建筑表皮的高独立性使之形式不再处处受限，其非线性化作为数字技术蓬勃发展的时代特色，让建筑师丰富的想象力有了用武之地；然而，因为部分设计者的盲目猎奇或滥用数字技术，枉顾形式和结构的内在关联，打着数字化旗号而追求形式主义，因此造成的空间及资源浪费广受诟病，致使非线性建筑作品良莠不齐。

为应对上述问题，以结构理性为核心的建构主义回归大众视野，该理念的先驱可追溯至克劳德·佩罗（Claude Perrault）、维奥莱-勒迪克（Viollet-leduc）等人，彼时的“建构”为了缓解建筑和结构分化而提出，此时则是为了弥合形式和结构差异而存在。建构主义在规整几何的建筑作品早已验证其科学性，如奥古斯特·佩雷（Auguste Perret）的富兰克林大街25 号公寓、奥山信一（Okuyama Shinichi）和竹内徹 （Takeuchi Toru）合作的东工大绿丘6 号馆等；如今的先锋建筑团队亦证明其在非线性建筑上同样适用，如伊东丰雄的台中歌剧院、FOA 的横滨客运码头等，通过主动结合建筑表皮形式和结构特性，赋予非线性表皮以结构意义和丰富内涵。

2 表皮、非线性、非线性结构表皮

2.1 表皮发展

回溯建筑发展史，表皮形式特点和构造手法历经多次变更，衍生了各式各样的风格流派，其影响因素也是多元的，诸如工艺技术、地理人文、审美派别等[3]，如表1 所示。

表皮作为设计者与观者最直接的交流媒介，亦是传递设计理念的重要载体，其形式特点几经变革，以往的表皮设计因受建造技术制约而沦为结构附庸，在技术全面解放的当代，却又在部分设计者表演式的创作中走向了空洞、浮夸的极端，如何更好地平衡形式与结构就变成了亟待解决的问题。

2.2 非线性的崛起与困境

计算机的崛起催生了数字时代并迅速席卷了各领域，在建筑上的运用也由辅助制图扩展至智能设计，凭借计算机强大的数字和图形处理能力，设计和建造方式变得新颖且多元，非线性建筑的普及既是建筑在数字化背景下的时代特色，也是对建筑形式的探索和补充，但此番革新也伴随了诸多疑难，笔者将其总结为图 1。

2.3 建筑和结构的分离与结合

建筑与结构作为建筑项目中的两大主体，二者关系反映到建筑思想及作品上表现为“……融合——脱离——融合……”的历史循环，该过程呈螺旋上升状，如图 2 所示。

循环往复的发展轨迹因技术提速而在纵向时间上被压缩了，建筑形式与结构特性的关系也趋于动态平衡，由非此即彼的极端倾向转化为暧昧的中间态。

2.4 非线性结构表皮

人们习惯将梁柱、斜撑等构件当做支撑建筑的“结构”，且因受力学制约而被视为纯粹的技术性内容，以受力及材料性能为目标的结构设计限定了结构形态与确定“型式”的对应关系，使结构与形态创新相绝缘，沦为了追求性能最优解的技术产物[4]；日渐商品化的建筑，其形式时常受利益驱使或大众审美左右，盲目追求形式所引发的美学乱象使表皮缺乏与其相符的内涵，华丽面具背后只是乏味的结构堆砌。

结构性表皮指结构因素对建筑表皮形态起关键作用，且表皮除传递视觉信息和围护外还具备支撑功能，承担了建筑全部或大部分荷载[5]。结构性表皮通过主动结合建筑形式及其结构来巧妙、统一应对了二者困境，是表皮结构性能由被动呈现向转为主动的积极尝试，非线性结构表皮继而扩大了其概念范畴，指使外形呈非线性特征的表皮继承上述结构功能，扮演了建筑表皮及主要结构体的双重角色。因兼任表皮而异化形态的结构摆脱了支撑限定，得以和外界进行更丰富的交流。

表1 表皮发展（绘制：韦帛邑，根据《建筑表皮设计文献综述》整理）

建筑和结构从业者的关系被鲍姆·贝格尔（Baum Berger）大致分为：建筑师或工程师的独白、彼此对话、自言[6]，非线性结构表皮要求设计者具备极高的专业素养和全面的知识储备，故常为后两种关系。“自言”指设计者具备建筑及结构两种教育背景，如塞西尔·巴尔蒙德（Cecil Balmond）、圣地亚哥·卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava），前者致力于在设计中探索新式结构以实现形态创新，著作有《异规》（Informal）、《Element》等；后者以结构逻辑出发展现新式形态美学，代表作有世贸中心中转站、雅典奥运主场馆等。“彼此对话”指建筑师和结构工程师通过协作、博弈以不断迭代并优化设计方案，形态和结构彼此约束并互为佐证，确保建筑作品兼具形态美学和结构逻辑，如伊东丰雄（Ito Toyo）和巴尔蒙德合作设计的台中歌剧院（图 3），以极小曲面为理念构建了多片连续钢筋混凝土曲墙，打造了类生命体的“声音涵洞”；东京表参道Tod's 大楼（图 4）亦由伊东丰雄及其结构团队共同商定，各向交错的树状钢筋混凝土外框兼任建筑表皮和结构体，局部及整体所展现的自相似性和重复特征可用“分形”理论进行阐述。

1 非线性的动因与局限性（绘制：韦帛邑）

建筑表皮结构化具备诸多优势，一是使内部功能布局更加灵活自由；二是赋予建筑形式以力学内涵；三是其技术特点要求建筑师和结构工程师协同合作，以“结构前置”来调动工程师的设计热情，通过及时反馈来不断修正、优化设计方案。

3 非线性结构表皮的相关技术

建筑形态非线性化是不可逆的时代趋势，如何协调形式与结构变得尤为重要，从小型艺术装置到大型城市共建，诸多实例已论证了非线性建构的可行性。曾供职于扎哈·哈迪德事务所的马克·福尼斯（Marc Fornes），由其领导的THEVERYMANY工作室凭借自主研发的“结构条带”技术，根据如建材曲率、宽厚等多因素博弈来选择最佳拟合方案，建造了超薄、高性能的双曲面自支撑结构，如哈萨克斯坦阿斯塔纳世博会的Minima/Maxima 装置（图 5）；雷姆·库哈斯（Rem Koolhaas）设计的CCTV 总部大楼（图 6）的表皮由斜向钢构网架及填充其间的明框玻璃组成，裸露在外且疏密不均的菱形网格作为结构直观反映了建筑非线性的受力情况，又作为表皮呈现出编织美感[7]。非线性结构表皮通过主动结合建筑形式与结构功能以追求二者的动态平衡，为开辟设计新领域提供了突破点。

3.1 基于力学原理的找形方法

非线性结构表皮的传力体系由规整的笛卡尔变成了复杂的非线性，无法用经典几何工具得到力流分析结果，需要在建筑找形阶段就将结构作为重要因素，甚至是设计基点。

3.1.1 物理模型法

物理模型法是指借助小比例的三维物理模型，通过限定荷载重量和边界条件，可在不需精确结构计算的情况下模拟建筑尺度的结构性能特征。

安东尼奥·高迪（Antonio Gaudi）所设计的古埃尔教堂，通过在1:10 的链条模型上挂满负荷布袋来模拟墙柱交接，绘制并翻转链条因负重所呈现的弯曲状即得到穹顶结构图，反映了门、顶的悬链拱角度；海因茨·伊斯勒（Heinz Isler）在织物表面涂满液态石膏并悬垂晾干，待石膏硬化后再反过来即可得到拟定壳体，对模型测绘点位坐标并等比放大即可指导足尺的混凝土壳体施工；弗雷·奥托（Frei Otto）将封闭边界的线框浸入肥皂液中，肥皂泡在张力作用下通过延展使各向受力均等且最小，此时皂液膜表面积是等体积下的最小值，即此三维空间所对应的“极小曲面”。

物理模型法在前数字时代就已指导了大量优秀的建构作品，如今在计算机辅助下更是便于对其力学原理进行科学模拟，依旧是建筑找形的有力工具。

2 建筑与结构关联性的发展（绘制：韦帛邑，文字根据《建构的历程——建筑与结构的分歧与融合》整理）

3 台中歌剧院钢筋混凝土曲墙（图片来源：参考文献[16]）

4 东京表参道Tod's大楼配筋图（图片来源：参考文献[17]）

3.1.2 有限元法与渐进结构优化

有限元法指将连续求解域划分为一组计算单元，在各单元内通过近似函数来分片表示求解域上的未知函数，将连续、无限的问题离散并有限化，并通过提高离散程度来接近真实结果。有限元法虽然计算精度高、适用性强，但由于数值抽象、复杂的特点而不便对建筑进行直接找形，而多用于设计中后期的结构论证。

由谢亿民及其团队研发的渐进结构优化法（Evolutionary Structural Optimisation, ESO）是基于有限元法的拓扑优化算法，通过优化初始结构与形式的拓扑关系，使有限元法不仅可以分析结构，还能从结构体系中消除低效材料而逐渐得到最优形态，改良后的双向渐进优化法（BESO）以“用进废退”为纲领，根据材料受力合理调配材料在低效区和高效区的分布，通过删除或增加使优化更加可靠、快捷，该团队与马克·贝瑞（Mark Burry）用此方法协作模拟了圣家族大教堂受难门的找形[8]。

5 Minima/Maxima（图片来源：https://www.gooood.cn/minima-maxima-by-marc-fornes-theverymany.htm）

通过整合渐进结构优化算法和有限元分析工具，得以将结构难题简化为形式操作，降低了建筑师对其的使用门槛。

3.1.3 解析法

解析法是指基于解析方程而提出的力学找形方法，根据原理主要分为以下3 种[9]：

力密度法（Force Density Method, FDM）主要用于膜或索网结构找形，由林克维茨（Linkwitz）和斯科克（Schek）提出，首先将预设索网及相似结构拆分为多条索段及节点，边界和中间节点分别对应约束点和索段通过点，通过给节点间索段设定力密度数值并求解对应节点的平衡方程，得到各节点的空间坐标后连接即可，另可通过调整索段力密度、替换边界约束条件、修改连接规则和序列等方式变更索网形式[10]。

动力松弛法（Dynamic Relaxation Method, DRM）由戴（Day）和奥特（Otter）针对潮汐现象提出，后由巴恩斯（Barnes）发展并运用到索网结构，运用动力学理论将静力问题动态化，用于求解非线性系统的平衡状态。首先将结构离散为网格并选取采样点，给采样点设定初始的不平衡力，跟踪其振动过程并记录最终由于阻尼效应而耗尽能量所得的平衡态，可得到确定拓扑关系和边界条件的平衡曲面[10]。

6 CCTV总部大楼（摄影：韦帛邑）

推力线网络分析法（Thrust Network Analysis, TNA）由菲利普·布洛克（Philippe Block）及其团队研发，是以图解静力学为理论基础的拱壳结构找形方法[11]。图解静力学（graphic statics）理论诞生于19 世纪中后期，其形力关系有别于一般的数值表达，而是在“形图解”与“力图解”间建立交互：形图解代表荷载及力的几何形状，表示网络中水平推力的流动方向；力图解表示结构中内外力的整体或局部平衡态，线段长度表示其数值。图解静力学整合了建筑师和结构工程师迥异的图形和数值思维，让复杂严密的力学计算在建筑师眼中变得通俗易懂[12]。推力线网络分析法先将三维拱壳结构投影至二维平面，并在垂直方向对二维网格添加荷载使其三维化，通过调整形图解来创建边界条件，或改变力图解来调整拱壳的内力分布，实现互动找形和动态优化。计算机三维虚拟模型使图解静力学的双向交互机制效能最大化，使建筑师得以综合调控形和力，明确且直接地获取优化形式，而不是模糊、低效地重复迭代[11]。

3.2 基于学科交叉的找形方法

3.2.1 仿生学

7 自由形态网壳（图片来源：参考文献[13]）

8 国家植物博物馆（图片来源：https://www.archdaily.c n/ cn/937826/qing-hua-jian-zhu-she-ji-yuan-guo-jia-zhi-wu-bo- wu-guan-fang-an-gong-bu-shui-rong-hua-zhan-kai/5e982b4a b3576547dd0007ec-thad-and-sutherland-hussey-harris-design-the-national-botanical-museum-in-kunming-china-image）

9 印度砖拱学校图书馆（图片来源：http://www.360doc.com/content/19/0406/09/62487510_826740897.shtml）

10 无缝椅子（图片来源：https://m.wang1314.com/doc/webapp/topic/975765.html）

11 抓握机器人

12 真空机器人 （11.12图片来源：http://www.ttcad.com/news/sDp/6308.html）

13 6D机器人（图片来源：http://www.eepw.com.cn/article/269482.htm）

物竞天择、适者生存是达尔文进化论的核心观点，仿生即分析生物系统历经筛选所保留的优异性能并加以利用，除直接模拟生物功能外还包括临摹其行为，如编织作为人类效仿鸟类筑巢而最早掌握的材料加工方式，指导人们生产了栅栏、挂毯等形力兼备的原始建筑表皮。清华大学的黄蔚欣教授及其团队以连续弹性杆件组建编织系统，利用其抗弯性构建了自由形态网壳 （图 7）[13]，杆件在挤压、拉扯、反弹等作用下逐渐消除各点突变曲率，使弯矩系统受力及形态达到动态平衡[14]，杆件网壳还可用作混凝土壳体的施工模板。由清华大学建筑设计研究院和萨泽兰-弗塞规划建筑事务所（Sutherland Hussey Harris）合作的中国国家植物博物馆（图 8），其“水绒花”的流动形态与场地山势高度贴合，为保证室内视线通畅、布展灵活和空间自由，屋顶采用了大跨度木质网壳编织结构，交错的木架隐喻着叶脉或花瓣纹路，自由延伸并于特定位置转化为束柱落地，兼具结构理性和形式美感，相似实例有坂茂的蓬皮杜梅斯中心，袁烽的苏州园博会主馆。

3.2.2 地形学

建筑作为典型人造物，为削弱其巨型体量的压迫感并使之融入环境，将之与周遭地形相结合的地景建筑是颇为有效的举措，常见方式有消隐、人工地形、延展立面等[15]。砖拱学校图书馆（图 9）是一个位于印度马哈拉施特拉邦乡下小学的图书馆加建项目，建筑以高效能的加泰罗尼亚砖拱为原型，用RhinoVAULT 插件模拟其受压结构并优化找形，最终构建了既像帐篷、又像土丘的非线性砖制拱壳，使其仿佛从基地中“长出来”一样。砖制拱壳既是该图书馆的屋顶兼表皮，又充当了大跨度无柱空间的结构体，可上人的拱形屋顶拓展了人们的活动流线，在砖拱上下形成了集游乐和学习于一体的复合空间。自由曲面拱壳模糊了墙体及屋面等传统建筑元素的界限，又通过与四周场地的柔顺过渡与环境融为一体，强化了内外空间的流动性和游牧特征，相似案例有西班牙的砖制拱亭Bricktopia。

3.3 数字化建造技术

非线性结构表皮建造首先有赖于研发新材料或挖掘材料新特性，其次就是传统的人工作业方式难以满足非线性建造标准和施工精度，常用的数字化建造技术主要分为以下几类。

3.3.1 数控机床技术

计算机数字控制机床（Computer Numerical Control），简称数控机床，以输入图纸的形状及尺寸为依据，计算机按逻辑执行程序控制系统的编码，控制机床对零件进行自动化加工及过程监控。在建筑领域主要技术有CNC 激光切割、CNC 弯曲和多轴联动机床等，可实现建筑板材的平面切割，管状材料塑性变形及复杂空间曲面的高精度加工等。

3.3.2 快速原型技术及3D 打印

快速原型技术（Rapid Prototyping）因成形材料和系统差异有多种类别，但基本特点皆为“分层制造，逐层叠加”，有别于对材料进行“切削—组装”的传统操作，该技术是将材料进行“自下而上”的累加。3D 打印技术作为快速原型的分支，利用光固化和纸层叠等技术对材料进行空间堆砌，建筑打印材料实现了从PLA、ABS 等塑料到金属、混凝土以及复合材料的扩展。

多材料增材建造（multi-material additive manufacturing）作为3D 打印的拓展，使连续体的结构与其余部分仅表现为材料密度差异并实现柔性渐变，扎哈团队采用有限元法分析椅子（图 10）结构并通过调配材料密度来优化性能，借助Stratasys 的多色、多材打印技术让椅子呈现出兼具性能和美学的无缝形态；该技术在建筑上弱化甚至消除了表皮与结构界限，此种同质化倾向又被称为“可变属性设计建造”（variable property design fabrication, VPD），使建筑形式与结构实现了空前交融[11]。2018 年6 月，华盛顿州立大学的某研究小组利用3D 打印技术一次性打印出了陶瓷和金属的复合结构，突破了单次打印过程仅可用一种材料的限制，为复合建材打印提供了突破点。

3.3.3 机器人建造

依托机器人提供的高精度、开放操作平台，可整合虚拟数据和实体建造过程，通过编译不同的工作流程使机器人执行的作业类型更为多元[11]。

14 3D打印混凝土步行桥（图片来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1622461312765987918&wfr=spider&for=pc）

15 小库科技强排设计（图片来源：https://www.lieyunwang.com/archives/321284）

日本清水建设建筑公司推出的“钢骨架喷涂耐火覆盖材料的SSR-I 型机器人”是将机器人用于实际建造的首例，该公司近年研发的机器人类型已扩展至自动焊接、安装天花板等工种。澳大利亚公司Fastbrick Robotics 设计的3D 建筑机器人Hadrian X，凭借转译输入的数据和3D 扫描技术可精确定位每一块砖头，确保施工精度并极大缩短建造周期，工作效率约为普通工人的4 倍，相似机器人还可通过改写工作路径以实现非线性空间结构的砌筑，如袁烽团队设计的池舍。传统3D 打印受限于打印机尺寸而常需分块打印建筑构件再拼合，以萨沙·约基奇（Sasha Jokic）和彼得·诺维科夫（Peter Novikov）为首的加泰罗尼亚建筑研究团队研发了可移动的3D打印机器人Minibuilders，它由地基机器人、抓握机器人（图 11）和真空机器人（图 12）组成，借助轨道及带线传感器精确定位打印对象，分别负责建筑轮廓成形、结构打印和结构加固；同济大学研发的6D 打印装置结合了KUKA 机器人（图 13）和3D 打印技术，通过6 轴机器人打印喷头的张合来模拟蜘蛛吐丝并控制线材截面，设定打印路径来构建具有结构强度的空间曲线。2019 年中国数字建筑年会上，清华大学的徐卫国教授介绍了其项目组研发的6轴机器人的多维混凝土曲面打印技术，打印建材更新为聚乙烯纤维、钢纤维混凝土，凭借优化混凝土配比、研发新式打印头等举措解决了长时间打印造成的局部结块、强度不均、打印头堵塞等问题，并通过多机械臂的协同打印来提高工作效率，实例如上海智慧湾科创园的3D 打印混凝土步行桥（图 14）。

4 展望

将建筑设计理论转译为计算机可识别的程序语言，依据基本条件和限定因素便可快速得到大量的科学结果，设计师得以摆脱无休止的方案假设，只需对这些结果进行选择和调整即可，得以将工作重心转为制定设计规则和成果优化。此方法虽已在Grasshopper 等参数化设计平台中较为常见，但笔者认为，因设计规则仍由设计师全权制定，故伊始就较为主观、片面，而计算机则更为客观且擅长大规模的数据处理，可通过快速穷举可行设计方案来“查缺补漏”。

若能通过优化硬件设施和运行逻辑整合设计及建造平台，为负责实际建造的机器人增添设计模块，通过智能学习使其具备方案设计和自主优化能力，将工作流程从“建筑师制定规则→机器执行→筛选方案→绘制图纸→机器施工”简化为“机器设计→建筑师抉择→机器施工”，精简流程以减少人力与资源浪费；机器人兼任设计和建造单元，还避免了在传递非线性复杂形体图形信息时可能存在的纰漏或误差，力求建造成果高度还原设计方案。

如今的人工智能凭借深度学习算法，可从海量经验数据中提取具有规律的特征属性，分析并总结其共性和关联规则，由何宛余和杨小荻共同开发的小库科技（图 15）结合了大数据与机器学习等技术，通过键入如建筑高度、容积率、用地面积等限定因素，可快速得到多个合理的场地和建筑设计方案。但因建筑设计理论庞杂、影响因子繁多，人文要素难以量化等原因，人工智能尚且难以独立胜任设计工作而仍旧充任辅助工具，实现真正的人工智能设计还有待进一步研究。

5 结语

形式和结构分化是建筑发展的客观历程，也是学科精细化和社会分工的历史结果，数字时代大背景下的建筑形态呈非线性趋势，却因部分设计师盲目猎奇或滥用数字技术而加剧了形式与结构脱离，并致使数字技术成为了形式主义帮凶。非线性结构表皮以建构思想为核心，倡导主动结合建筑形式及其结构特性，为非线性建筑的形式及结构赋予丰富内涵，同时有利于弥合两方从业者的思维差异，亦可促进学科融合以解决复杂性问题。□