计算推进建筑革命朱涛
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"计算"(compute, computation) 的定义: |
1.通过数学或逻辑的方法决定某种事物; 2.通过计算机运算和决定。 |
有一种新精神:一种在清晰概念指导下建造和综合的精神。 一个伟大的时代已经开始! | |
勒·科布西埃《走向新建筑》,1923 | |
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今天的我们正处在一个建筑史的转折关头。 | ||
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借助于当前的计算机图形分析技术和数字化控制制造技术,建筑师可以获得前所未有的形式表现力。 众所周知,建筑是一种三维空间艺术。但长期以来,建筑师的设计受制于二维的绘图工具:绘图板、圆规、三角板和丁字尺。建筑师对三维空间、形式的想象力无论有多丰富,都必须将其设想转化为二维的图形信息──即绘制成建筑图纸,传递给建筑构件制造方和建筑施工方,最终建筑才能在三维世界中得以实施。这就不难理解,为什么在几千年的建筑史中,绝大多数建筑物仅仅局限在几种简单的几何形式中:长方体、圆柱形、锥体等── 因为这些形式是传统制图工具最易于绘制的。当然历史中也有少数特例,但都不得不付出超常的代价。如西班牙建筑师安东尼奥·高迪(Antoni Gaudi, 1852-1926) 不得不彻底放弃传统制图手段,亲临施工现场,结合实体模型,督造他毕生最伟大的设计:巴塞罗纳萨格拉达大教堂(Sagrada Familia,1883至今)。该工程耗巨资、历时四十多年,在高迪临终时仅完成其中一小部分(图1)。 今天,在信息技术革命浪潮中催化出来的先进的计算机图形分析能力和数据化控制制造技术,为建筑师设计和建造动态、复杂的形式提供了空前强大的技术手段。高迪式的梦想不再是高不可攀的乌托邦,而开始以惊人的速度成为现实(图2-4)。 | ||
图1.高迪的迟迟不能完工的萨格拉达大教堂。 |
图2、3.对萨格拉达大教堂新期工程的计算机图形分析。
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图4.萨格拉达大教堂新期工程的施工现场照片(2003年)。今天在先进的计算机图形分析和数控制造技术支持下,施工进程大大加快。 |
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盖里的方案设计过程以模型推敲为主导,这里模型既包括手工制作的实体模型、电子计算机内的图形/数据模型、以及从电子计算机中输出数据信息直接由数控机器制作出来的实体模型等。除其卓越的手工模型制作外,CAD和CAM两项技术在盖里事务所中交互运用的能力是其它事务所无可匹敌的。以下是他们针对一个项目的典型的设计流程: | |
1 经过建筑环境、功能和空间分析,制作出一系列手工模型,进行多方面的评估; |
图5. |
图6. |
图7. |
图8. |
图9. |
图10. |
总之,设计过程在实体模型和数字化模型中交互发展,设计信息在物质材料和比特信息中穿梭更替,直至得出设计师满意的结果。 |
2.施工设计:全三维的图形、数字信息 |
显然,象上述盖里直接在三维界面上做出的建筑方案设计,其形式和空间如此复杂,要在施工图阶段重新回到传统的二维制图模式是不可想象的。事实上,盖里及其合作事务所在近期一系列项目中,在CATIA软件的统一平台上,建筑、结构、机械、通讯等所有专业的施工图都为三维的图形和数据信息,并彼此有机地链接在一起,以确保各系统在建筑空间中的紧密协调和精确定位(图11)。 |
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图11.弗兰克·盖里事务所设计的洛杉矶瓦尔特·迪斯尼音乐厅(1987-2003)全套施工图皆为三维图形、数字信息。 |
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建筑施工图的载体在盖里事务所中早已不再是硫酸纸和蓝图,而是记载三维图形和数据信息的电子文件。传统的二维图纸对表达他们的建筑设计信息已没有意义,然而略具讽刺意义的是,由于现存有关建筑法规尚未针对这一重大转变而做相应调整,盖里事务所有时还不得不将三维的设计信息再转绘成二维的图纸,以满足报建和法律备份文档等要求。 | ||
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针对盖里的如此复杂的建筑设计,再有经验的施工队伍也不可能在脑海中勾勒出完整的画面,更不可能预计到施工中各系统潜在的矛盾之处。即使某些天才的施工员理解了复杂的空间和形式,也无法准确地与其他人进行交流。这促使盖里事务所在计算机图形技术运用上更进一步。比如针对瓦尔特·迪斯尼音乐厅项目(Walt Disney Concert Hall, 1987-1999/2003),盖里事务所特地引进了瓦尔特·迪斯尼图像-工程公司(Walt Disney Imagineering)开发的四维虚拟现实软件对音乐厅进行空间图像模拟。在设计讲解、施工图交底、甚至施工过程中,各方人员畅游在迪斯尼音乐厅的虚拟现实中,共同探讨各种复杂的空间、技术细节(图12)。 | ||
图12.各方技术人员在观看瓦尔特·迪斯尼音乐厅的四维虚拟现实图像。 |
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再如盖里事务所在德国柏林的DZ银行大楼(DZ Bank Building,1995-2001)的内庭院中有一个形状酷似马头的会议室,其表面由一系列三维曲面的不锈钢板覆盖而成。其建造的过程颇似汽车外壳的制造: 首先利用数字化模型(图18),由三维数控铣床切割、打磨出306块聚苯乙烯模板;然后利用这批模板浇铸出32套特制钢模具;钢模具再被安装在1,500吨重的液压挤压机上,将一批4毫米厚、被加热到1,815摄氏度的不锈钢板分别挤压成型(图19、20);最后所有形态各异的三维曲面不锈钢板被运往工地,完美无缺地安装到曲线的钢屋架上(图21),形成一个令人叹为观止的"马头"会议室(图22)。 |
图18. | 图19. | 图20. | 图21. | 图22. |
这里蕴含的重大意义在于:对计算机和数控制造设备而言,重复性的标准化构件和量身定做的异形构件是没有本质区别的,因为读解和处理它们的是数字化技术而不是类比性的机械和手工工艺(简单说来,对一台三维数控铣床来说,要连续切割、打磨出1,000块同样形状的模板和1,000块形状各不相同的模板是一回事,而对一台机械化运转的车床来说工作量则大不相同,对一个手工操作的工人来说更是天壤之别)。 20世纪的建筑工业的原则是"批量生产"(Mass Production) ── 即通过成批生产标准化的建筑构件以提高生产力和降低生产成本,而建筑的设计、建造过程实际上已成为对各种标准构件的选择和组装过程。 这种巨大变化将树立起一个全新的建筑工业体系。"批量定做"的概念和技术将会渗透到设计、制造的每一个方面,从小型的建筑构件,到大规模的集合住宅开发。因强调重复和标准化而造成的单调、呆板的人类生存环境将会从根本上得到改观! |
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综上所述,一些建筑师如弗兰克·盖里的探索成果表明:今天的计算机技术已经可以保证任意一种复杂形式,只要能被精确地描绘为数字化信息,就能被精确地建造出来(图23-25)。曾困惑建筑师几千年之久的如何建造复杂建筑形式的问题在今天已经基本解决。 | ||||
图23.西班牙毕尔巴鄂古根汉姆博物馆(1991-1997),弗兰克·盖里事务所设计。 |
图24.美国西雅图音乐体验博物馆(1995-2000),弗兰克·盖里事务所设计。 |
图25.美国洛杉矶瓦尔特·迪斯尼音乐厅(1987-2003),弗兰克·盖里事务所设计。 | ||
英国建筑师诺曼·弗斯特(Norman Foster)可作为沿此方向探索的代表人物。如果说弗兰克·盖里的作法可概括为:通过计算实现任意形式,那么诺曼·弗斯特的策略则可概括为:通过计算实现优化形式。 将于2004年竣工的伦敦瑞士再保险公司总部大楼(Swiss Re Headquarters,1997-2004) (图26) 是一个典型案例:面对狭窄的基地,设计师的追求不是象盖里那样设计出夸张表现的形式,而是试图找到"适合基地的最有效的结构"。 为此,弗斯特事务所专门组织了一个特殊的设计顾问小组,其中包括建筑师、结构工程师、建筑物理工程师、数学家、计算机编程员等各类专家。他们借助于特定的计算机程序,通过严谨的数学公式生成各种几何形式,对其进行理性的评估、筛选;在确定一类几何形式后,他们通过计算机对该形式的各种几何参量进行反复微调,并不断测试该形式所具备的建筑物理性能。经过数月的探索,该设计小组终于得到一种新颖的、物理和美学性能俱佳的形式(图27)。 |
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Abstract: A continuous fabric of Carpet-Housing covers the whole site, connecting the upper and lower two communities, which were separated by a retaining wall. While the upper surface of carpet turns into a picturesque landscape and the space beneath the carpet accommodates diverse public activities, the thickness of the carpet becomes the housing itself. |
项目性质:1999年秋季,纽约哥伦比亚大学建筑研究生院建筑学硕士二年级课程设计作业 |
引子 |
"建筑学硕士" (Master of Architecture) 是纽约哥伦比亚大学建筑研究生院教育体系中的一个主体项目。针对这个为期三年、共六个学期的项目,在院长伯纳德·屈米的带领下,哥大制定了一套独特的"三部曲"式的设计课教育体系。粗略地说,一年级强调概念性的设计,二年级强调实践性的设计,三年级则因众多设计课教授的相异的旨趣而呈现出设计追求的多样化。 |
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基地现状与分析: |
图1.基地作为"城市联结" 分析图: |
图2.基地周边居住类型分析 |
图3.历史先例中居住类型分析 |
先例研究:我的研究随后扩展到对普遍意义上的住宅类型的探讨,涉及中国窑洞民居、美国独院式住宅、密斯的庭院式住宅以及现代高层板式公寓等(图3)。撇开各住宅类型在尺度、密度上的特定差异及其文化意义上的差别,我开始对一个更抽象的问题产生兴趣:即作为实体的居住体和作为虚空的庭院或户外空间之间的组织关系。 | ||
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设计课过去了两周,按课程计划尚属对基地的研究、分析阶段,但我本人已经有对设计跃跃欲试的冲动。在某堂枯燥的"职业实践"(Professional Practice) 课上(该课讲述与美国建筑师开业有关的繁文琐节),我勾勒了一张草图(图4),并产生下列想法: |
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说服了合作者泰瑞接受我的构思后,我们共同制作了一个1"=60'-0"的概念性的基地模型(图5、6)。基地上的"超级实体"是由粘土塑造而成,清晰地展示出与基地周边的关系以及自身的实体/居住体─虚空/庭院的组织关系。在周边地形、街道和建筑物的衬托下,粘土"超级实体"的形象既整体又有机,呈现出一种独特的美感。尽管下一步的工作仍没有头绪,模型的美和概念的力度已足以鼓舞我将构思发展下去。 |
图5、6.1"=60'-0"的概念性基地模型 |
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总体平面 |
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图7.总体平面图 |
立面拼贴 在严谨的总体平面研究后,利用测绘出的周围建筑立面信息,我又即兴制作了一张更倾向于表现性的立面拼贴图(图8)。该图传达出一种张力:我们的"超级实体"住宅系统在周围Town House和高层塔式住宅的映衬下,既象一个横空出世的异类,又与基地建立起一种异常紧密的地形关系,远甚于其它任何一种孤立的住宅类型。 |
图8.总体立面意向拼贴图 |
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工作模型 |
图9.1/32"=1'-0" "减法模型" |
图10.1/32"=1'-0" "加法模型" |
到目前为止,我们所做的两个粘土模型皆为"减法模型"──先塑造出整体实体,再局部切挖出空隙。这种方法使我们对空隙的分布规律较有把握,但对实体居住单元的组织关系仍不明了。接下来我们反其道而行之,制作了一个1/32"=1'-0"比例的"加法模型"(图10):将基地平面划分为30英尺x30英尺的结构网格,每个居住单元在平面上占据一个网格。这里暂不考虑各单元屋面实为特定的三维曲面,而将该一英亩地中所有80个居住单元都抽象为方形盒子(平面30英尺x30英尺,1─3层高,层高10英尺),原则上按照粘土模型的体量在三维空间中堆集起来。在保证居住密度和明晰的单元组织关系的前提下,我们的精力主要集中在推敲各单元之间的空隙,以达到合理的交通流线和使每一单元都能得到良好的视野、采光和通风。 |
图11."加法模型" 展示出住宅下部挖空成为城市公共活动空间。 |
至此,"地毯宅"的概念在平面、剖面上都已基本成熟:住宅体不再是堆集在整个基地上的"超级实体",而更象一张带有一定厚度、表面翘曲变形的巨型住宅"地毯"覆盖在基地上。其上表面的连续的绿化带可为城市提供如画的风景,其步行道系统可联结起克莱大道和维伯斯特大道两个不同的标高层面及各居住单元,"地毯"下部空间可营造出激动人心的城市公共生活,而"地毯"的厚度则成为住宅体本身。 转眼六周已经过去,期中已经来临,但令我们沮丧的是,持续的奋斗仍未赢得姜纳森的首肯,反而不时被他冠上莫名其妙的"形式主义"的标签。所幸的是,同组同学递交的投诉信引起了屈米的极大关注。屈米参加了我们小组的期中评审,对我们的设计构想和迄今为止的工作大加肯定。屈米的力挽狂澜使我和泰瑞将设计进行到底的信心倍增! |
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结构组织 在"加法工作模型"中,地毯宅的结构形式被设为钢筋混凝土框架结构,即利用30英尺x30英尺的均质柱网将地毯式住宅向上支撑起,并为住宅下部空出公共活动空间(图11)。但其缺点是一方面下部的柱林不便于公共空间的灵活使用,另一方面线性框架的结构支撑逻辑与地毯宅强调面和体的组织关系的概念结合得并不紧密。 最终,"加法工作模型"上部的盒子住宅的格板、围墙,而不是下部大空间的框架,给了我们启发:混凝土格板系统无疑是该方案最妥贴的结构形式!随后制作的1/32"=1'-0"的格板结构模型(图12)清晰地展示出结构系统与空间组织之间的有机关系:穿越基地东西向短边,排列有21片形状各异、间距为30英尺的混凝土格板。每块格板一端支撑在维伯斯特大道边,其中心横跨过基地60英尺的宽度,另一端搭接到克莱大道的挡土墙上;该21片格板与挡土墙和两道沿基地南北向通长的混凝土格板一起构成方形格板结构。该结构一方面向上托起所有形状、空间各异的地毯宅单元,并使地毯宅屋面联结成一个连续的三维曲面,另一方面在地毯宅下部留出一个毫无遮挡的大空间,可灵活容纳各种公共设施(图13)。 | ||
图12.1/32"=1'-0" 结构格板与80个住宅单元模型 |
图13.1/32"=1'-0"模型显示出结构格板与80个住宅单元的组织关系 |
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第八至十二周 |
剖面分析 在30英尺x30英尺的平面均质格网的基础上,21片形状各异的混凝土格板(图14)之间构成变化多端的剖面关系。一系列的剖面分析图(图15)和剖面模型(比例:1/8"=1'-0")(图16─21)展示出,在连续的剖面拓扑变形中,地毯宅融1─3层庭院式住宅和4─5层临街板式住宅等不同居住类型为一体。从空间组织的角度,地毯宅以一种奇特的方式将众多截然不同的空间性格叠置在一起:地毯宅上表面是如画的田园风景(高低起伏的花园和散步道),下部是动感十足的城市生活共享空间(架空田径跑道、游泳池、网球场、酒吧街等),而"地毯"的厚度则是私有住宅和向不同方向开放的庭院(向天开放成为通常意义的"内庭院",向下开放可使住户直接观赏城市公共生活的共享空间(图14),横向向维伯斯特大道开放则成为"空中花园")。在这种特殊的空间组织中,横向的交通系统(如屋面公共步行道、住宅走廊和田径跑道等)可方便用户在各层面的空间中独立活动,竖向的交通系统(玻璃电梯、螺旋楼梯等)则可使用户在瞬间体会到不同空间场景的戏剧性的转换(图16─21)。 | |
图14.21片混凝土格板的侧立面图 |
图15.剖面分析图。混凝土格板侧立面中黑色代表格板间建筑实体部分(住宅或共建),灰色代表格板间实体切挖后的虚空(庭院);混凝土格板侧立面外填斜线部分为基地元素(周边住宅实体、街道和挡土墙)。 |
图16.1/8"=1'-0" 剖面模型的拼装过程显示出"地毯宅"的空间、结构组织关系。 | |
图22-26.1/32"=1'-0"总体模型 | |
设计成品 临近期末的冲刺阶段注定会产生很多奇迹,紧迫的日程反而使一切变得可能。我们拒绝一切反对派的意见甚至建议,将所有能量注入到一系列设计产品的制作中,以确保最初的草图和粘土模型在最终的设计发展中得到的不是一种降格的妥协,而是在实践性的深度中达到升华(图22─30)! | |
图22-26.1/32"=1'-0"总体模型 | |
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图28.二层平面图 | |
图29.三层平面图 | |
图30.四层平面图 | |
回顾在哥大三年经历过的六个学期的设计课,姜纳森是对我在设计上直接启发最少的一位指导教授。但略具讽刺意味的是,由于他对我持续的质疑,促使我不得不通过大量具体、深入的设计工作与之抗争,最终反而使得我的集合住宅设计成为我哥大三年中最具设计深度的一个课程作业。 由于同学们的负面评价,姜纳森仅在哥大执教一学期后便被屈米拒绝续聘了。在他离开前,我们进行了一次友好的交谈。他坦承自己在哥大倍感孤立,并抱怨哥大学生近年来流行用计算机绘制各种各样的玄虚的"图解",而几乎放弃了传统建筑绘画手段。我反问他在80年代求学于普林斯顿时学生之间流行什么,他大笑:"这真是一个很好的问题!那时绝大多数学生热衷于绘制格雷夫斯式的彩色铅笔画,我的一个同学可以两天两夜不停地在图板上磨铅笔,画得可比格雷夫斯的好多了!" 永远会有不同的建筑潮流,有些建筑师选择单纯的回避,更多建筑师则会全力追随,但只有极少数建筑师能在深深介入后奋力超越。经过集合住宅设计这一学期,我愈加相信姜纳森仍会坚持他的信念,而我则更自信地走向我的追求。 | |
作者:纽约哥伦比亚大学建筑学硕士,哥伦比亚大学建筑历史与理论博士候选人,麻省理工学院建筑学院访问学者,朱涛工作室设计主持。 |
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