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运用数字化方法设计,并将传统材料进行手工建造的方式,更近于在设计方法层面对传统建构思想的批判性延伸;而随着建造操作主体从“手工”向“机械”以及“数控机械”的转化,以及操作对象从“传统材料”、向“多维材料”甚至“复合材料”的发展,已经不可避免地呼唤着新范式转化的到来。数字化建造方法正是实现传统建构思想走向未来的手段。@袁烽Philip
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图片及文字来源:创盟国际;原文发表于时代建筑201202,作者:袁烽

摘要:
运用数字化方法设计,并将传统材料进行手工建造的方式,更近于在设计方法层面对传统建构思想的批判性延伸;而随着建造操作主体从“手工”向“机械”以及“数控机械”的转化,以及操作对象从“传统材料”、向“多维材料”甚至“复合材料”的发展,已经不可避免地呼唤着新范式转化的到来。数字化建造方法正是实现传统建构思想走向未来的手段。

关键词:
数字化建造 范式转化 手工 机械 数控机械 传统材料 多维材料 复合材料 数字化建构

如今,“形而上学”正在被重新定义,功能与建造的意义已经被纳入更大的系统,如城市主义(Urbanism)与尼科拉斯•鲁赫曼(Niklas Luhmann)的社会系统论(Social Systems Theory)[2]等,狭义的人文诗意与人本主义已经过时。社会、经济、消费习惯等多系统的扁平化与相互混合的共生状态正在挑战自然、社会、人与建筑的关系,同时也挑战着反映人的心理、伦理与行为特质的形式。“数字化”与“参数化”正在被“风格”(Style)所挪用[3],其本质实际对应是人与建造、设计与建造以及建造与建筑的新方法与思维路径。多维信息、多维系统的不确定性与复杂性呼唤着新的“差异性”(Otherness),那应是一种新的“形而上学”。

我们试图从数字设计方法与建造方法的角度来重新审视范式的改变(Paradigm Shifting)以及由此而来的实现新建造的路径,以及其背后的推动因素。[4]

近来,“数字化”与“参数化”被滥用为一种代表风格与思潮的名词,当“参数化主义“(Parametricism)被误读,甚至被用来错误指代“数字化设计”或“算法设计”(Algorithmic Design)时,一切都需要被迅速澄清。[5]讨论数字化建造问题必须建立合适的理论语境,当今理论界在希望用传统理论架构或体系来解释新的建筑实践时往往会首先找出文字上的关联,譬如说用“数字化建构”(Digital Tectonics)[6]来连续数字化设计方法与建构思想的联系。但“数字化建构”能否指代“数字化建造”(Digital Fabrication)呢?传统建构的诗意建造是否停留在狭义的层面呢?“数字化建造”究竟是“反建构”(Antitectonics)[7]还是一种“新建构”(New Tectonics)[8]呢?同时,“数字化建构”(Digital Tectonics)是否仅是一种半自主(Quasi-autonomous)[9]的状态呢?在这里,我们试图从“设计方法的变革”、“建造工具对设计方法的实现”和“新兴材料与建造工具”的关系入手重新审视以上几个问题。

设计与建造工具变革所带来的范式转化

设计方法工具与建筑建造的过程与流程逻辑深刻地影响着新范式的产生。纵观建筑历史的发展,风格与思潮只是表象,其背后的设计方法与建造工具无不深刻影响着建筑范式的革命:无论是透视法对于文艺复兴的影响,切石法对于巴洛克的推动,还是克林•罗(Colin Rowe)的“透明性”(Transparency)概念所操作的轴侧画法对于现代主义的作用。当我们重新审视当代逐步出现的在多重系统理论推动下的图解理论,图解的对象无论在对象空间维度的描述上,同时也在建造逻辑上给出了全新的思维逻辑工具。建筑图解对于建筑的功能性、环境性、可建造性都进行了与现代主义以及以前全新不同的描述与思考方式。对于图解思维的外化方式以及提升得益于设计计算技术,计算逻辑可以与图解逻辑打通联系,如程序编码(如MayaMEL编码和Rhinoscript编码)和参数建模(采用Revit或DP等工具),正普遍成为现实,以至于如果不掌握并精通这些工具的话,就很难在当代前卫建筑景观领域竞争。然而,技术推进应与更多目标与清晰的远景携手并行。

在此过程中,参数化主义的启发式定义是否带来新范式?帕粹克•舒马赫(Patrik S. Schumacher)试图定义了当代前卫设计文化的忌语(Taboos)和信条(Dogmas)内: 负面的忌语(Negative heuristics)——避免采用刚性几何元素,如正方形、三角和圆等;避免要素的简单重复、避免无关要素或系统并列;正面的信条(Positive heuristics)——考虑所有参数可塑的形态;逐渐区分(以不同速率)、系统地改变并相互关联。[2]事实上,帕粹克•舒马赫的武断结论“并无法客观地概括新范式产生的全部。因为这种计算机时代孕育的不仅是一种新风格,而是全新的设计手法,我们将新的计算技术应用于进化的和新兴系统中,建立并实施测试系统,使图解变成现实,现实变成图解。在这全新的领域里,形式变得毫不重要。我们应探索‘算法技术’的潜在功能,并专注于更智能化和逻辑化的设计与建造流程。逻辑便是新的形式。”[5]

在建造逻辑上,从文艺复兴到现代主义的之前,事实上对于手工与材料的使用其实并没有太多实质性的革命,对于手工与传统材料的使用沉淀下了建筑历史文化;大规模的机械化生产时代重新定义了现代主义的出现以及意义。如今,随着数控机械(CNC)以及机器人(Robot)的产生与在其他学科领域的普及,以及3D打印技术的出现以及打印材料的多元化和量产化,新的一种形式范式的产生事实上已经成为必然。

在实现工具层面上,从“手工”、“传统机械”到“数控机械”;在操作对象层面,从“传统材料”、到新三维成型技术下的“多维材料”再到新材料技术影响下的“复合材料”。从以上要素的建造关系与逻辑,事实上可以清晰地描述新范式产生的理由(表1)。当然,在以上建造操作的后台背景是参数化与算法设计方法的支持。

尤为重要的是在此逻辑关系图解中可以解读的是,“数字化建构”更加倾向于传统建造工具对传统材料的操作,可以视为运用数字化设计方法对于传统建造的延续,如果用“半自主”状态来描述它的理论价值应该是比较客观的;而“数字化建造”则发展为数控工具对新材料的操作。这是一种全新的“自主性”设计与建造方法,其理论与建造思路与传统建构理论完全不同,无论从威廉•米歇尔(William J. Mitchell)反建构理论[7]还是格雷格•林恩(Greg Lynn)的“合成物”(Composites)建造理论[15]都彻底划清了“数字化建造”与“数字化建构”的关系。当然,二者对于“诗意建造”的理解体现了不同哲学与艺术意义层面的深意,但二者追求的都是一种“真实的建造”。只不过这个真实一个来自于对于传统的垂青,一个源自对于当下甚至未来的预判。我们相信,正在谱写的未来历史(the History of Future)会证明一切……

数字化建造实现方法与实践

相较于建构(Tectonic)强调的是过程外隐含的意义,建造(Fabrication)更注重的是过程本身的逻辑性。在数字化建造中,数字化作为设计方法贯穿整个设计的始末,同时交织着建造方法和操作对象的作用流程。二者从手段角度来看包括手工,传统机械,数控机械等,而从材料角度可分为传统的材料,多维性的材料,复合型的材料。在运用过程中,3D打印技术、轮廓工艺、快速原型制作等先进技术的探索把整个生产的过程进行了重新的定义,用新的方式来解读建造的可能性,全新的建造逻辑带来全新的形式。设计方法转化与新范式的产生并非线性进化的,但参数化与算法设计方法贯穿所有案例,并行的实践解读了从数字化建构到数字化建造的现实存在与范式转化的可能性。

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1.手工加工传统材料(表2)

自从弗兰普敦(K.Frampton)和弗兰克•盖里(Frank Gehry)有趣的电梯对话故事发生后,数字化设计方法与传统建构理论似乎一直水火不容。但随着建筑实践的发展,值得质疑的似乎并不应该仅仅局限在弗兰普敦理解意义上来教条解释什么是建构。同样是运用手工技术对于传统材料的操作,也可以通过运用数字化的设计方法来实现诗意的建造;同样,对于纸面数字建筑师而言,如何面对像中国这样的发展中国家,面对传统的施工技术并能在有限的投资状况下将复杂的参数化建筑设计付诸实践,是一个必须探讨的更深层次的问题。数字化建造可以创造性运用低技术,这恰好是连接数字化与建构理论的一条特殊设计与建造方法。

笔者在数个实际建筑项目中对建造材料尤其传统材料的数字化建造尝试,通过设计手工工人的建造工具与建造过程,实现了低技参数化建造的可能。位于中国上海“五维空间”内的创盟国际J-office绸墙设计,采用的是最便宜的空心混凝土砌块体,通过对丝绸质感中灰度的参数化,将其转译为墙体砌筑方式的媒介(图1)。在施工现场,指导工匠使用的模板为砌块的角度定位,最终墙体呈现出如织物般柔软、皱褶的效果。同样的设计方法在中国成都非物质遗产公园的设计中也得到应用(图2)。另外,在J-office办公区的茶室的设计中,内部的连接空间是通过扭转放样得到的非线性六面体,建造中我们将曲面形式通过相互交错的直线进行概括,再等分直线以实现直线间的曲面拟合,如此便将数字化的放样就转化为手工可控制的形态(图3)。施工时工人依照我们根据直线拟合关系制作的1:2的木骨架模板搭建……这一数字化设计与低技手工施工相结合的方式对建造数字化建筑的探讨也具有了特别的意义。

数字化建造通过计算机技术的适当介入,在可控制的范围内使传统营造技法通过参数化辅助建造的模式获得新生。技术与传统将找到一个新的契合点从而使得二者和谐共处。

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2.机械操作传统材料 (表3)

在生产实践中,对数字化建造手段的应用也促使了工作方式的变革。BIM和Revit等作为设计创想与成果间的桥梁,使得操作传统材料实现建造的过程发生了变化。多系统一体化的工作方式已经打破了传统的建筑师与工匠直接接触、通过图纸沟通的模式。

实际的项目中因为数字化的参与,通过计算机模拟从吊梁到安装管道的建造全程,精确控制施工步骤,能够综合考虑“信息层与几何学的相互影响,施工与成本的相互影响,以及建筑造型与能耗的相互影响”。 在632m高的上海中心大厦设计中Gensler使用了Generative Components,Grasshopper, Digital Project,Revit等多种数字化建筑软件,并利用BIM系统汇总数据,进行冲突检测,调整几何结构,用遗传算法计算幕墙玻璃转角的轻微变化,将数据交付施工生产。(图4)[10]

虽然是传统的机械与材料,但整个工作过程是在三维的状态下进行,建筑从生成到竣工的过程可以模拟预判,建筑师设计、传达、获得反馈的方式也相应变化。这种方式颠覆了我们对于通过平立剖来求解的诗性的领域。

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3.数控机械操作传统材料(表4)

工业机器人在汽车生产制造等行业的使用已有较长的历史,在建筑领域中,瑞士苏黎世高工(ETH)的法比奥格•拉马里奥与马提亚斯•科赫勒(FabioGramazio& Matthias Kohler)教授运用数控加工技术控制的飞行机器人操控传统的砌砖建筑(Flight Assembled Architecture),于2011年在法国奥尔良科技展等国际的展览中已有呈现(图5)[11]。另外,他们在2007-2008的R-O-B的实践项目中,同样用数控机械手段(6轴机器人)来探索对传统材料(砖)的建造,该项目在2008年威尼斯建筑双年展中引起了强烈反响(图6)[12]。新的自控工具在原材料性能基础上定制非标准化构件的方法都是数字化建造中融合了传统经验与现代技术的手法。两者都需要在实验材料系统中加入以设计为导向的应用,以完成现有物质到适应性结构和复杂几何的转换。传统的材料与机械的结合的方式在现阶段的情况下更便于数字化建造应用于实际生产。同时在这一过程,传统意义上的建筑师与建造者的合作模式可能会被颠覆,二者的交接界面可能不再是图纸,建筑师需要更多地参与建造本身,从而使得建筑学的学科自主性得到另一层面的提升。

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4. 机械操作多维材料(表5)

运用机械手段来建造,在实际的生产领域实践程度更高。建筑师通过系统的逻辑思维和运用数字软件,协调多维复杂性与并不智能的单一实现方式的相互关系,完成数字化建造。

“从美学的角度,任何的形态均可以作为一种数学逻辑来进行审视,并加以形式化和编码化,因此可以提供无穷小的空间,经确认分析并分层定型”麦克尔•汉斯迈耶(Michael Hansmeyer)在“The 6th Order”用程序算法探索建筑形式,将复杂形体进行单元和像素化,通过最小化的方式来确认分析和分层进行,即通过图层的切割并且叠加来实现复杂的数字和形式的一种呈现,最终形成了复杂的柱式的作品,提出了一种数字化建造生成对象的过程。(图7)[13]

机械操作多维材料的方法打破了成本投入受限或数控机械在现实建造中条件应用的局限,要求建筑师具有对材料多角度多维度的设计和美学敏感性,能够掌握先进数字技术但在现实的条件下不依赖技术实现建造的高度自主性。

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5.数控机械操作多维性材料 (表6)

利用计算机技术及数控加工技术,将建造材料进行多种手法的变化,增加其本身在空间中的维度,可以实现完整建筑形体的多维性营造。数控加工技术(CNC)铣削出传统的轮廓的手段已普遍应用,然而从一块建筑材料上打磨出复杂几何的体块进而搭建是同薄板材料不同的体积处理的方法。密歇根大学Matter设计工作室已经将开发成型的表面技巧转换为数字过程,他们提炼了可展表面的原则,通过定制的七轴机械自动控制的热丝切割器加工EPS(膨胀聚苯乙烯) ,重新使用几乎已不被采纳的切石法(Stereotomic Robotics)。(图8)[14]

格雷格•林恩FORM工作室(Greg Lynn FORM Office)在计算三维体的切面和交接的基础上,实现了利用三轴CNC对复杂型切割后实施搭建。(图9)[15]
然而,对材料体积整体操作的形状费用(及时间)成本过高,如切石法一般的机器人切割术对材料性质又较挑剔(多限于AAC,EPS,再生石等),为了妥善的解决体积制作与材料多维性实现的问题,要求建筑师在将体积作为通用做法时对使用方法进行研究。

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6.数控机械操作复合性材料 (表7)

3D打印技术操作的材料需要多种特性来承担成型的要求,从早期的树脂到ABS、不锈钢和复合了高纤维的混凝土材料,不同的复合型材料被开发应用于不同的工艺,现今进一步的探索仍在进行。包括航空医疗等工程领域已经将原型生产应用于实际生产,建筑行业中莫菲西斯建筑设计事务所(Morphosis)及福斯特建筑设计事务所(Foster and Partners)是最初采用快速成型制作技术制作实体模型的先驱。(图10)同时拉夫堡大学自由构造项目已通过3D混凝土打印机生产出2m*2m的大型建筑构件。[16]D-shape打印机的发明,也使得大尺寸3D分层成型成为可能,建筑师研发出特定粘结剂与催化剂材料,使用施工机器人,采用Cad-Cae-Cam设计技术,建筑建造不再受施工者人力的限制。

通过数控机械操作复合型材料的原理已远离传统的意义上的建造理念,可以直接依靠三维模型建造实体,不需任何模板,应对复杂的几何体时体现高度的自由度和精确度。

结语

数字化建造作为一种设计与建造方法,驱动着建筑范式的革命性转化。在设计方法背景层面,它充分运用数字化手段来实现设计与建造的紧密结合;在建造过程中真实性来自于建造工具、流程与建筑材料的革新。这种全新的设计与建造的结合使得设计与建筑实现的过程崇尚设计本体与建造本身的全新逻辑。作为新的实践方法,无论是通过“低技”参数化手段还是通过基于技术进步的全新方式来实现,都要求我们对包含“过程逻辑”与“形式意义”的建筑本体进行重新的思考。

作者单位:同济大学建筑与城市规划学院
高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室, 数字设计研究中心(上海 200092)
作者简介:袁烽, 男, 同济大学建筑与城市规划学院 副教授

注释及参考文献:
[1] 本文亦是笔者为《数字化建造》(Fabricating the Future)一书撰写的绪论,该书由袁烽、尼尔•里奇(Neil Leach)编著,将由同济大学出版社于2012年上旬出版
[2] Patrik S. Schumacher,The Autopoiesis of Architecture: A New Framework for Architecture, v. 1, Wiley, 2010, P1
[3] Eric Owen Moss,”Parametricism and Pied Piperism:Responding to Patrik Schumacher”, LOG (issue 21,2011), P82
[4] Mario Carpo, ‘Preface’, The Alphabet and The Algorithm, The MIT Press, 2011, P2
[5] 关于这两者概念的释义可参考为即将出版的《数字化编程》(Scripting the Future)一书撰写的绪论“参数化释义”(Parametrics Explained)一文,该书由袁烽、尼尔•里奇(Neil Leach)编著,将由同济大学出版社于2012年上旬出版
[6] Neil Leach, David Turnbull and Chris Williams,Digital Tectonics, Wiley-Academy, 2004, P4
[7],[8] William J. Mitchell, ‘Foreword of New Tectonics’, authored by Yu-Tung Liu & Chor-Kheng Lim, Antitectonics:ThePeotics of Virtuality, BirkhÄuser Verlag AG, 2009
[9] Stanford Anderson, “Quasi-Autonomy in Architecture: The Search for an In-Between”, Perspecta 33 “Mining Autonomy”, The Yale Architectural Journal, The MIT Press, 2002, P30
[10] 关于该项目的详细阐述,参见陈国荣和彭武为即将由同济大学出版社出版的《数字化建造》(Fabricating the Future)一书撰写的“上海中心:高性能的幕墙造型”(Shanghai Tower: Performance Façade Form)一文
[11] Http://www.dfab.arch.ethz.ch/web/d/news/index.html
[12] Fabio Gramazio& Matthias Kohler, Digital Materiality of Architecture, Lars Muller Publishers, 2008, P57
[13] 迈克尔•汉斯米耶尔(Michael Hansmeyer)的“第六柱式” (The Sixth Order)在2011韩国光州设计双年展(Gwangju Design Biennale 2011)上展出
[14] 关于切石法如何与数控机械操作结合的阐述,参见布兰登•克利福德(Brandon Clifford)和威尔斯•麦克盖(Wes McGee)为即将出版的《数字化建造》一书撰写的“机器人切割技术”(Stereotomic Robotics)一文
[15] 参见格雷格•林恩(Greg Lynn)为即将出版的《数字化建造》(Fabricating the Future)一书撰写的 “从构造物(机械附件)到合成物(化学融合)“【From Tectonics (Mechanical Attachments) to Composites(Chemical Fusion)】一文
[16] 参见扎威尔•德•克斯特里尔(Xavier De Kestelier)为即将出版的《数字化建造》(Fabricating the Future)一书撰写的“大型添加制造的设计可能:自由构造“(Design Potential for Large Scale Additive Fabrication: Freeform Construction)一文

表:新范式的建造关系逻辑 Fabricating Logic in the New Methodology
表1: 实现工具与操作对象 Fabricating Tool and Material
表2: 手工+传统材料 Craftsman + Traditional Material
表3: 机械+传统材料 Mechanical + Traditional Material
表4: 数控机械+传统材料 CNC Machine + Traditional Material
表5: 机械+多维材料 Mechanical + Multi-dimensional Material
表6: 数控机械+多维材料 CNC Machine + Multi-dimensional Material
表7: 数控机械+复合材料 CNC Machine + Composite Material

图注:
图1:在“绸墙”项目中,通过对丝绸质感中灰度的参数化,将其转译为墙体砌筑方式的媒介
图2:成都非物质文化遗产公园兰溪庭项目
图3:位于J-Office办公空间后院的茶室及其中的扭曲楼梯间
图4:在632m高的上海中心大厦设计中Gensler使用了Generative Components,Grasshopper, Digital Project,Revit等多种数字化建筑软件
图5:瑞士苏黎世高工(ETH)的法比奥格•拉马里奥与马提亚斯•科赫勒(Fabio Gramazio& Matthias Kohler)教授运用数控加工技术控制的飞行机器人操控传统的砌砖建筑(Flight Assembled Architecture)
图6:在2008年威尼斯建筑双年展展出的R-O-B的实践项目,该项目用数控机械手段(6轴机器人)来探索对传统材料(砖)的建造
图7:麦克尔•汉斯迈耶的 “第六柱式”
图8:密歇根大学Matter设计工作室的“潜望:泡沫塔”项目,通过定制的七轴机械自动控制的热丝切割器加工EPS(膨胀聚苯乙烯) ,重新使用几乎已不被采纳的切石法
图9:格雷格•林恩设计的椅子
图10:福斯特建筑设计事务所(Foster and Partners)是最初采用快速成型制作技术制作实体模型的先驱

 

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