复杂性视域下的建筑形态和表皮数字化设计研究*

刘 伟 魏大森 姚竞波

(长安大学建筑学院,西安 710061)

近现代先进的科学技术开拓了人们的视野,综合学科、边缘学科、交叉学科互相渗透,人类的思维方式从简单片面发展到复杂全面。20世纪后半期,以混沌理论、突变理论、拓扑理论、协同理论等构成的复杂性科学理论逐步发展并产生深远影响,使得人类固有的传统思维逻辑被突破,人类社会与自然发展、运行和发生的非线性特征被揭示出来。建筑研究领域同样受到复杂性科学中的突变理论、拓扑理论等的影响和推动,产生了强调偶然性、混融性、多样性和开放性的复杂性建筑设计思潮和实践。[1]尤其对于建筑形态创作,已不仅仅是提供产品的工程设计,而是成为集科学、技术于一体的复杂性关联体系。[2]当代数字化技术为复杂性建筑设计创建了先进且高效的数形联动工具,促进了建筑空间形态和表皮形式的多元化发展趋向。如何使复杂性建筑形态和表皮设计结合数字化设计方法实现设计逻辑的自洽,成为了相关研究的重点。

1 复杂性建筑形式和数字化设计

当代复杂性建筑的重要特征之一体现为建筑形式的复杂化,即由简单几何体组合构成的建筑形态演进至更加注重非线性及空间曲面的建筑形态,以及由以规律性构图为主的立面演进至注重动态变化和整体性的表皮,基于非线性设计手法所塑造的非欧氏几何形态在建筑形体和表皮的设计实践中得到了广泛的应用。而在这种复杂性设计理念快速发展的趋势下,随着计算机技术在设计领域的广泛应用,基于“数模转化”技术(数字量与模拟量之间的转化技术)而诞生的数字化设计方法为建筑师在处理复杂性建筑形态和表皮设计过程中产生的庞杂的、相互交织的、相互影响的矛盾和问题提供了全新的思路,随着数字化设计手法和设计工具的发展和成熟,在建筑的数字化设计过程中,建筑“生成”的方式和过程成为关键,即通过运用计算机语言来描述各种影响建筑设计的参变量之间的关系模型,使建筑形态自然浮现,并通过更改各类参数来控制建筑的形态优化,也使得复杂建筑的生成机制更具备数理逻辑。[3]

这种基于数字化技术的参数化设计思路离不开数型联动的原理,这种原理是从顶层决策开始,将复杂的环境关联和因素合理组织,进行计算机逻辑语言上的层级、判断以及递归控制,按照规则层层递进最后实现目标,与重视结论的传统静态设计思路有着本质的不同。因此,当今的数字化设计、参数化模型生成及非线性建筑建造等技术已经成为许多先锋建筑学院及设计机构应对复杂性建筑设计过程的必备技能。随着数字化技术的发展和应用,人们可以看到建筑设计各领域思维的显著变化 (表1)。

表1 建筑设计思维和方法的变化Table 1 Evolutions of design thinking and methods on architecture

建筑形式向“复杂性”的转向反映了当代建筑实践对事物间整体关联、动态进化机制的关注,建筑形式流变的混沌和复杂性特征正是全面渗透的复杂性科学的映射,复杂性建筑的建筑形式以非线性思维为本质特征,以数字化技术运用为物质基础,它是外在复杂形式与内在复杂逻辑的综合体现。[4]过去针对欧氏几何建筑形态的单一创作手段、审美原则、建构体系已不完全适用于今日复杂多样的建筑形式,一系列符合新技术、新观念发展趋势的“复杂”建筑形态及表皮形式正不断涌现。[5]特别是复杂性科学在建筑设计领域应用中产生重要影响的“几何分形”及“涌现生成”等理念,其以数字化设计为基础,为具备非线性特征的复杂性建筑设计过程开创了全新的设计逻辑和建构体系,并从特定视角反映了复杂性建筑的形态特质。

1.1 几何分形

分形和耗散结构及混沌理论共称为20 世纪后期科学上的三大重要发现。分形几何即为研究无限复杂的,但具有一定意义的自相似图形与结构之间关系的理论(图1)。

图1 几何分形在平面几何中的应用Fig.1 Application of geometric fractals in plane geometry

其同样隶属于非线性科学领域的一个分支学科,主要描述自然界和非线性系统中不光滑和不规则的几何形体。分形结构代表着真实的不规则世界,就像海岸线、云的顶部边缘、动脉的分支及毛细血管等。分形的特征是物体在所有维度上自相似的存在,在所有层次上复制的能力是大自然的基本要求。分形物在最小图案与最大整体之间已经形成了内在联系,形成了各种类型的连锁排列,就类似叶脉一样重复着树枝的纹理。几何的细分技术是把传统的分形原理运用到数字化设计领域中去的一种技术手段,例如,当代博物馆、展览馆、体育馆等大型公共建筑的屋面及立面形态往往表现出表皮的韵律感和形体的整体感,其背后的结构逻辑建立于曲面网格的几何分形,通过网格单元拓扑生成具备相同几何要素但彼此之间又呈现出动态变化趋势的表皮单元(图2)。[6]通过分形,建筑形态学中的某些现象可以得到更精确的表征和描述,将某一特殊的结构作为网格单元对表皮进行分形,每一个经过分形后生成的结构单元个体都呈现出相同或相似的几何属性(图3)。将具体的建筑结构和网格分别进行分形式的隐喻,便能够把这种隐喻扩展到建筑物的各个层次,使建筑形态及空间更加整合和生动。

a—建筑形态;b—网格结构。图2 当代公共建筑的曲面形态和网格结构[7]Fig.2 Curved forms and grid structures of contemporary public buildings

图3 由几何分形拓扑生成的表皮形态Fig.3 Epidermal morphologies generated by geometric fractal topology

无论物体通过分形放大还是缩小,分形均匀都可以使其呈现相同的整体形状,所有分形结构的单元聚合和建筑的结构、形态、空间都可以产生关联。在复杂建筑形态的生成过程中,各个元素都被聚集在一起,产生群聚和集群效应,增强了由各种元素组成的整体建筑形态的复杂性。建筑设计往往处于一个互动和交叉的复杂网络中,各种要素的有机整合为这个集群的产生和发展提供了必要的条件。因此,在建筑的形态塑造中,通过分形过程中不断的区别和重复,可以获得形式复杂但内蕴生成机制的结果。

在分形结构中有着无限的自然能量和生理信息,设计者可从自然界、人类及其他生物的形态和结构中寻找启发和灵感,利用数字化技术方法进行分析和模拟,并将这些技术融入到复杂的建筑形态学系统中进行运用,以提高建筑形态学塑造的整体效率。运用分形结构的建筑,其结构与围护层级往往交织于一起,从传统多米诺体系的“重复”上升至“繁衍”状态,而此时的建筑内外部也成为了更为丰富和连续的的“游牧空间”——一种具有多元差异性,不能用数量和尺度方式划分的动态空间(图4)[8]。

图4 建筑游牧空间的丰富性和连续性[9]Fig.4 Richness and continuity of architectural nomadic space

1.2 涌现生成

“涌现”理论的主要奠基人和遗传算法的创始人密歇根大学电子工程与计算科学教授约翰·霍兰在《涌现：从混沌到秩序》[10]中这样描述“涌现”现象：“在复杂的自适应系统中,涌现现象俯拾皆是：蚂蚁社群、神经网络、免疫系统、互联网乃至世界经济等。但凡一个过程的整体性行为远比构成它的部分复杂,就都可称为‘涌现’。”密歇根大学自2006年起在建筑学设置“进程媒介”课程,其中的一个重要部分就是教授复杂科学和涌现理论在建筑形式上的生成应用,并通过编程可视化功能,实现某种程度的“涌现”。

通常说来,“涌现”指一个系统中个体间预设的简单互动行为所造就的无法预知的复杂样态的现象。涌现所带来的集群并不是组成部分的简单叠加,它是一种由简单主体构件在大量相互作用和反复迭代中产生出巨大的复杂性、新颖性的整体的过程。而建筑师青睐的正是后者的强大力量,设计成为一旦启动便不须要借助外部控制的自演进过程。“涌现的概念是对建筑复杂性的一种研究,这种复杂性指的是远离平衡状态下的动态的、稳定的有序化结构。”这种结构表现出来的行为是无限的多样性,但是这种丰富的复杂性是可以被内含规律的结构所破解,即组成集群的单体遵守共同的、非常简单的若干规则,最终产生复杂的集群有序行为。例如Voronoi(泰森多边形)的分析图示都可以作为作为建筑空间、形态、表皮多样表达的生成依据(图5)。

图5 Voronoi网格中由不同组随机点有序生成不同形态Fig.5 Voronoi grids with different morphologies generated by different groups of random points in an orderly manner

建筑师在一个模拟形态发生学的环境中进行设计,通过概括形式规律,激发变异,进行自然选择来优选最佳方案。这种设计方法提供了无穷的形式可能性,也极大程度上解放了建筑师的想象力。通过数字化设计,建筑师可以将建筑形态或表皮单元的某些几何构成要素作为可在某一范围内自由变化的变量,通过搭建参数化程序将变量作为参数,并以某一期望作为目标对建筑模型运算模拟,通过对可出现的结果进行分析最终得出最优解。[11]涌现生成式建构使人们认识到机械论的思维模式已经终结,更凸显了其中每一个具有差异性的科学要素之间的相互性和连贯性,适应了具有复杂性的建筑形态学和多元性所生成的一种传统动态学科的本质。而由于许多公共建筑的巨大体量,使得“涌现生成”的建筑表皮,甚至其关联结构具有更大的发挥空间(图6)。

图6 建筑表皮及关联结构的涌现生成[12]Fig.6 Emergent generation of architectural epidermis and associative structures

2 复杂性建筑形态设计

2.1 形态塑造

结构单元的繁衍传承是一种以遗传原理作为建构设计的出发点,但却并非仅仅依靠数学逻辑产生建筑物体和躯壳,它更多地是将环境、材料甚至文脉等因素紧密结合在一起,融入到了形态建构的逻辑中,使设计者可以拥有一种打破以及再次塑造建筑物体和场所的能力。西班牙建筑师韦森特主持设计的《德尼亚山》(Denia Mountain)项目,以地域文脉和地景为出发点,运用生态性的结构单元繁衍的方式,根据其地质结构的逻辑重建一个“褶皱山峦”。项目坐落在德尼亚(Denia)山下的一座旧老城堡处,业主希望在保存原有旧城堡的同时,在其下方提供一个文化娱乐服务设施,并须要重新组织城堡周边的整体景观,在新旧形态结合的同时再次唤起整个地区的记忆和活力(图7)。

由于项目地理和位置的特殊性,设计者从自然环境中提取造型逻辑,通过测量构成该地形的各种元素,发现该地区的几何形状由具有不同分辨率的皱褶菱形组成。他将原有构成山石和褶皱的菱形晶体作为结构单元,进行了重叠、聚集或链接等六种不同的排列组合,由此形成了程序化晶体的平均坡度分别为10%、20%和30%,再现了石灰岩晶体的菱形结构特征(图8[13])。这种结合坡度的繁衍结构覆盖了整个山的表面,创建出了契合自然形式的空间形态和建成环境。根据几何分形理论,这类具备几何基础的重建元素在各种尺度上具有自相似性,最终得到的整体形态不是一种模块化的扩散形式,而是更类似于自然界中随机可见的复杂形式。

a—从自然环境中提取几何元素构成形态单元;b—表皮单元排列组合构成建筑整体形态。图8 《德尼亚山》项目中形态生成方式[13]Fig.8 Morphogenetic approach in Denia Mountain Project

2.2 表皮建构

建筑形态的复杂化毕竟会带来许多空间上的问题,于是大量公共建筑设计更为注重遵循“几何构成+精彩表皮”的范式。在许多“繁衍”及“涌现”而来的建筑表皮上,建筑师将其设计为类似仿生“鳞片”或者有机构成的网格结构,网格结构的单元繁衍包括网格的分形划分、曲面变化的规律、曲面单元模块的个体设计、单元模块与网格结构的关系、单元模块阵列及变化规律等。这种单元繁衍的生成方式可以根据力学原理或者某一数学逻辑生成,抑或是仿生肌理的构成等,都能够为表皮塑造出更为有机和美感的形态。表皮所彰显出的自然肌理特征使得建筑细部更富有韵律变化,并将单元构件材料的可塑性及相互之间的拼贴关系发挥到了极致。由于当代建造技术的不断提升,表皮的构形可以根据单元繁衍的层级深度而发生丰富的形变。

表皮单元通过与结构体系的合理设计,每一个单元形态可以根据自己所处的位置发生形态上的有机调节或变形,以适应其所在的整体造型和立面环境。表皮单元可以根据通风、遮阳、防水等物理性能及环境需求,从简单的幕墙单元化身成为三维化的立体构件,可将“涌现”的无限性进阶至富有秩序和规律的建构法则。在具体的参数化设计中,设计者可以调解参数,运用干扰、形变、叠加等方法、形成富有韵律和肌理的表皮形式(表2)。

表2 表皮参数化设计的几种形式Table 2 Several forms of epidermal parameterized design

建筑表皮也一直受到“表里不一、徒有其表、材料浪费”等质疑,其构筑形态不仅要表现出富有逻辑的美感,更应该为建筑达成实效的围护性能。例如南澳大利亚健康和医疗研究中心(图9)的造型设计形式新颖,其表皮为铰接式透明表皮,设计灵感来自于松果外壳的层级结构,也属于网格结构下的单元繁衍。整个表皮系统的构筑逻辑是基于对环境条件的理性分析,所以成为从“复杂化”到“有理化”的典型例证。首先,这座建筑的造型和布局经过了大量光环境的分析,最大程度地利用自然光使公共空间保持整体透明感和开放性,而西侧的实验室等功能用房则希望避免强烈的西晒阳光,减少不必要的热量和眩光。建筑师在整个立面上聚合了6 290个三角形预制单元,这些可开合构件像人体皮肤组织一样与周围的环境相呼应。整个表皮根据日照方向和辐射量的计算成为精密的遮阳系统,在处理日光、热量、反光、折射的同时保持景观的通透性和自然光线的引入。再者,设计者通过参数化设计,首先建立了较大的菱形单元,再划分为四个三角单元来保证材料的细节,使表皮单元的聚合更加合理化。

a—建筑外观形态;b—西向外墙无玻璃遮阳;c—东西向外墙有玻璃浅遮阳;d—南北向外墙封闭式金属面板遮阳;e—东向外墙有玻璃遮阳。图9 南澳大利亚健康与医疗研究中心表皮设计[14]Fig.9 Epidermal Design of South Australian Health and Medical Research Centre

通过对表皮单元位置与相应热环境的分析,将这些表皮单元设计形成四种不同的形态,而部分单元可以根据日照的变换进行开合及形变,使得这些表皮单元的聚合形式更为立体化。同时,釉面玻璃与铝板单元的组合不仅可以产生阴影层次,还使得整个建筑表皮产生了光影与色彩的互动,使得这座医疗建筑立面和投影获得了丰富的表情,表皮也为工作其中的人们提供了令人愉悦的空间氛围。

在该项目中,表皮系统中的菱形基本单元之间基于参数化设计系统,彼此之间具有前后关联、自适应自组织的相互作用,最终形成一种动态、稳定的复杂结构,产生一种复杂的集群效应,从而生成了“整体大于部分之和”的涌现现象,达成了数学与艺术审美上的统一。

3 设计实践

3.1 青岛理工大学临沂校区体育活动中心

图10为青岛理工大学临沂校区体育活动中心设计方案,研究基于“涌现生成”理论,在体育馆的整体形态设计时将若干个形体生成参数设为变量,通过调整参变量形成大量的不同形态以供对比,最终选择最优解方案。同时,体育馆类建筑由于较为庞大的体量和完整的外围护结构要求,其对建筑表皮存在兼具艺术性和技术性的设计需求,往往须要通过表皮单元的变化营造动态的韵律感,因此对体育馆建筑的外表皮整体进行网格划分,并对网格单元内的表皮单元应用几何分形形成一系列的拓扑形态,成为其表皮构形的重要依据。[15]具体而言,在形态设计中,方案基于Rhino平台的Grasshopper参数化软件搭建体育馆数字化模型的建模程序,通过以数学函数曲线为核心的曲面构成逻辑来生成体育馆的非线性建筑形态,其中建筑高度、立面结构、曲线曲率、建筑形体随函数变化的振幅和周期均成为参数化建模程序中的变量。

a—鸟瞰效果;b—人视效果。图10 建筑效果Fig.10 Architectural rendering

函数计算式如下：

f(x)=rcosx+z

(1)

式中：x为建筑形体随函数变化的周期;r为建筑形体随函数变化的振幅;z为建筑高度。

通过调整这些变量可快速生成大量不同形态的方案(图11),再对生成的建筑形态结合设计理念、周边环境和室内使用状况综合分析得出最优解。在这个参数化的设计过程中,将影响建筑形态的各个曲面几何要素作为动态变化的个体变量,通过以函数曲线为核心的参数化程序将模型的演进过程制为一个动态的、稳定的“生成”程序,并通过个体变量的互动变化生成大量的形式(图12),将建筑形态的动态变化过程与严谨的构形算法逻辑相结合。

图11 调整不同函数变量生成丰富的建筑形态Fig.11 Adjusting different function variables to generate rich architectural forms

图12 基于参数化程序调节变量生成多样化的建筑形态Fig.12 Generating diverse building forms based on parameterized programs to adjust variables

在方案的建筑立面表皮和天窗形态设计中,将几何分形手法与参数化建模程序相结合,通过对具有非线性空间特征的建筑外表皮进行解构,将构成空间曲面的关键曲面结构线进行重建和调整,通过把曲面结构线的几何构成要素作为参数化程序中控制网格细分方式的关键变量,进而对整个建筑外表皮实现可控的网格划分,形成具有规律性的网格单元(图13)。而在幕墙与天窗单元的设计过程中,同样将每个网格所对应的幕墙和天窗单元形态几何构成要素设置为参数化建模程序中的变量,通过函数曲线对其空间形态和构件尺寸进行调整,使得由参数化程序生成的每个不同的幕墙单元或天窗单元都具备相似的拓扑形态和几何构成要素,具有自相似性,同时其变化过程呈现出函数曲线的特征(图14),符合兼具韵律感和动态感的当代数字化美学理念。最后,通过映射的方式将幕墙和天窗单元镶嵌至网格单元中(图15),实现分形均匀的单元个体与完整的表皮网格体系的结合,使得建筑外表皮中各个元素产生群聚和集群效应,在具备连续性和韵律感的同时体现出建筑表皮的复杂性和逻辑性。在这个研究型的设计过程中,对表皮网格、幕墙单元、天窗单元运用了几何分形的设计手法,为建筑塑造了一个动态的、规律的、整体的表皮肌理,赋予建筑复杂但具备逻辑的视觉感受。

a—幕墙网格细分;b—天窗区域网格细分。图13 表皮网格细分过程Fig.13 Subdivision processes of epidermis

图14 幕墙单元在二维平面中拓扑形态演化Fig.14 Topological morphology evolutions of curtain wall units in the two-dimensional plane

3.2 西安泾渭工业园区体育馆

图16为西安市泾渭工业园体育馆的设计方案,在设计时结合体育馆集中式布局的空间特点,将建筑设计为椭圆形网格式壳体形态,四周采用Y型柱对网格式壳体屋面进行支撑。屋面表皮设计时充分考虑几何分形在三维图形中的应用,对椭圆形壳体屋面进行网格划分,利用不同方向曲线的交织将屋面划分成具备菱形几何特征但又随空间位置的变化而在形态上呈现出动态变化的几何单元,形成具有韵律感的结构和表皮形式(图17)。同时对于屋面网壳和支撑柱的整体形态进行设计,再结合“涌现生成”相关理念,通过建立参数化建模程序,将屋面网格线和支撑柱中心线的空间坐标与尺度作为变量,利用基于Grasshopper平台的Kangaroo力学模拟插件对其使用逆吊法进行仿真模拟,对建筑整体的结构和形态的找形过程进行优化。在该参数化程序中,建筑形态模拟过程遵循力学规律,对可能出现的大量结果进行运算对比,最终得出形态的最优解。

图16 鸟瞰效果Fig.16 A bird′s eye view

图17 建筑结构与屋面表皮分层Fig.17 Delamination of building structure and epidermis of roofs

在屋面表皮应用几何分形的设计过程中,方案基于Rhino平台的Grasshopper参数化软件搭建体育馆数字化模型的建模程序,首先在二维平面上对屋面网格线进行细分,结合建筑使用空间尺度生成需要划分网格线的屋面范围,然后通过两套不同方向的辐射结构线将屋面进行划分,拓扑形成具备相似几何要素的菱形单元,最后对生成的菱形几何单元进行偏移(offset)生成结构实体和玻璃天窗,最终生成屋面的主要表皮和结构形式(图18)。在这个设计过程中,用来划分网格的辐射结构线的相关几何要素成为参数化程序中的变量,如结构线数量或尺度等,因此可以通过改变变量的数值对网格的细分方式进行定量化的调整,以更具数理逻辑的几何分形方式实现对屋面形态的整体把控。

图18 应用几何分形理论划分屋面网格Fig.18 Applying the geometric fractal theory to divide roof grids

在壳体大跨度屋面和支撑结构的整体形态设计中,还利用了基于Grasshopper平台的Kangaroo力学模拟插件将参数化模型转化为具备物理特性的弹性构件模型,运用逆吊法对模型进行仿真模拟,通过施加重力后弹性构件的自适应形变,从力学角度为建筑找到对结构支撑最合理的形态。设计中,首先将屋面网格线和支撑柱中心线转变为具备合理弹性系数的弹性构件,然后将支撑柱中心线接地处设置为锚点,最后对整个构建体系施加向上的重力进行仿真模拟,最终得出结果即为力学结构最合理的建筑形态。在建筑形态设计过程中,方案结合“涌现生成”理论和数字化设计方法,将屋面网格和结构构件的几何要素作为变量,通过物理规律将原本无序的形态组织方式通过重力对弹性构件的作用转变为有序的形态生成逻辑,见图19。

图19 应用Kangaroo力学模拟插件优化找形过程Fig.19 Optimization of shape finding processes by applying the Kangaroo mechanics simulation plug-in

在这个过程中,计算机模拟生成大量可能出现的建筑形态并将其力学结构性能进行对比,通过物理规律作为内在逻辑对基于参数化程序涌现生成的大量形态进行分析,最终得出最优解,营造了兼具结构理性和美学观感的建筑形态。

4 结束语

随着复杂性理论的不断发展,其在建筑设计过程中也产生了深远的影响,在当今复杂性建筑设计中,建筑的形态生成和表皮塑造成为关注的重点。通过对复杂性理论中的几何分形和“涌现生成”理论在建筑形态和表皮设计中应用的探讨,结合数字化设计方法分析了复杂性建筑形态和表皮设计的特点,对当代复杂性建筑形态和表皮设计过程总结出以下几点：

1)复杂性建筑形态与表皮设计过程应结合数字化设计方法,建立参数化模型以实现建筑模型构成逻辑的自洽,并将相关的构件几何要素作为变量,通过参数化模型数形联动的特点实现对建筑形式的调控。

2)在应用几何分形理论对建筑表皮进行设计时,应首先在参数化模型中确定表皮的范围,然后确定网格形式并对表皮进行划分,在划分网格后通过对网格单元内的幕墙单元进行拓扑变化以实现表皮动态的韵律感。

3)对建筑形态进行设计时,应将“涌现生成”理论与参数化建模程序相结合,通过将建筑形态的几何要素设置为某一范围内的变量,并在模型生成过程中应用某种规律性的逻辑,以实现大量可行的建筑形态的快速生成,而后结合具体的设计目标对这些涌现生成的形态方案进行筛选,最终得出建筑形态的最优解。