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计算推进建筑革命

(2009-05-06 20:54)
标签:朱涛 

计算推进建筑革命

朱涛

 

"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

  
  只有一件值得谈论的事情:建筑的革命。 

  今天的我们正处在一个建筑史的转折关头。
  如果说十九世纪末、二十世纪初工业技术的迅猛发展促成了建筑的革命,现代建筑得以应运而生,并蓬勃发展了一个世纪,那么二十一世纪初的今天,种种迹象表明:历史正在另一个层面上展开一个全新的循环:计算机技术的突飞猛进正在建筑设计、制造和建造领域中掀起又一场革命。
  我们正置身于这场伟大变革的开端,其未来发展的深度和广度远非我们目前所能全然把握,在此仅试图梳理一些日渐清晰的脉络。


计算使建筑形式空前解放

  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)。

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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。
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。


  在当代建筑界中,在计算机技术运用领域最前沿的冲浪者,当数美国建筑师弗兰克·盖里的事务所(Frank Gehry Partners)。 早在1992年,盖里事务所便开始向工业设计领域学习,引进航空工业设计软件CATIA及其它一系列电子技术,以辅助设计动态、复杂的建筑形式。简言之,盖里事务所的探索可分为以下几个层次:


1. 方案设计
手工与CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计)、CAM(Computer Aided Manufacturing, 计算机辅助制造)技术的互动

  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;
3 在计算机中将三维点状信息整理为三维建筑表皮信息(图7);
2 将优化筛选后的手工模型通过三维数字化扫描仪转化为计算机中三维点状信息(图5、6);
4 将计算机中三维建筑表皮信息输出到三维数控铣床(3D CNC (Computer Numerical Control) Milling Machine),制作出实体模型(图8);
5 然后再针对该实体模型进行评估、修改、再扫描、再在计算机中进行分析、修改(图9、10)……如此循环往复。

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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。
 

  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。


3.施工信息交流:虚拟现实作为平台

  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)。

 
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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。


计算树立全新的建筑工业体系

  近年来,建筑业中更激进的变革还属计算机技术在建筑构件制造业的迅速普及。如果说前面论述的是持续使用数据化模型体现了"计算"在设计过程中的连续性,那么CAM 技术便保证了这种连续性从设计过程一直延伸到建筑的修建过程。理论上,不管某建筑构件有多复杂,只要有计算机数字化信息的精确描绘,当今制造业中层出不穷的数字化控制制造设备(如数控铣磨、切割、冲压、弯曲设备)可以保证将计算机图形和数字信息精确地转化为物质化的建筑构件。精确预制好的建筑构件被运往施工现场,在激光定位器和测量设备、甚至全球卫星定位技术的辅助下,其现场拼装误差通常不会超过毫米的计量单位。

  例如盖里事务所在德国杜塞多夫的新昭豪夫综合体(El Nuevo Zollhof,1994-1999)中一栋主楼的外墙为一系列承重的三维曲面混凝土板拼装而成。其制造过程如下:首先,厂家利用盖里事务所通过电子邮件传来的数字化模型,由三维数控铣床在一系列2.4x3.4x0.9米的聚苯乙烯板上切割、打磨出一批形状不一的模板(图13、14);然后工人在每套模板中放置捆扎钢筋并浇注混凝土(图15)。待混凝土凝固后,工人将模板拆除并回收利用;最终形状各异的355块混凝土大板被运往工地(图16),共同拼装成整栋楼的曲面外墙(图17)。

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图13.

图14. 图15. 图16. 图17.

  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)。

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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。

  21世纪初的今天,相形之下,在计算机图形分析和数控制造技术的促进下,通过重复生产相同构件而提高生产效率和降低造价的经济原则正在迅速失去意义,因为在同样的经济条件下,"批量定做"成为可能。"批量定做" ── 既是大规模高效率的生产,又能保证每个建筑构件都是针对不同情况量身定做的"异形"构件!

  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!


计算使建筑性能达至最优化

  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。

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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。


  然而,盖里本人的建筑形式经常过于受其个人美学趣味的主宰而显得任意化,其建筑结构有时不尽合理,其对建筑的节能、环保因素考虑甚少等等。因此,对建筑学来说,在解决了"如何建造"问题后,另一个重要问题在于 "如何更好、更合理地建造",即如何利用计算机技术辅助设计,使建筑的综合性能达至最优化。

  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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图26.英国伦敦瑞士再保险公司总部大楼 (1997-2004) , 诺曼·弗斯特事务所设计
图27.瑞士再保险公司总部大楼最终确定的几何形式。

  其建筑形式良好的物理性能包括:塔楼表面的空气动力学曲面可使任何方向传来的自然风都能沿建筑表面光滑地吹过(图28),既将风力对建筑结构施加的荷载降至最低,从而极大地节省结构和幕墙造价,又能避免方形塔楼经常发生的情况──建筑的平直表面使自然风受阻转而折返到地面层,形成令人不快的街道风道现象;风洞试验还显示,该建筑的修建将改善建筑周边城市环境的通风状况(图28);并且,当风沿建筑表面曲面滑过,会环绕建筑表面形成一定的风压,从而增强塔楼室内的自然通风性能;其塔楼表面切挖出的六条螺旋形的共享空间除有效地增进工作人员的空间、视觉联系外,还为整栋建筑创造了一个良好的生态系统:将各空中绿化带连接起来的螺旋形共享空间,既有利于日光自上而下地穿射建筑内部,又利于空气流自下而上地贯通建筑各层 (图29)……

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图28.计算机模拟气流运动显示:该建筑形式既利于室内通风,又可改善建筑周边城市环境的通风状况。
图29.建筑模型显示其三维的"生态平台" 的布置,和建筑表面切挖出的利于采光通风的螺旋形共享空间。

  另外需要指明的是,由于该塔楼内在几何逻辑严谨清晰、外观简洁优雅,往往让人忽略其实际建造的巨大复杂性:其三维的空气动力学曲面实际上是由大量成渐变角度的菱形、三角形平面构成;正由于该塔楼的平面和剖面形状保持着连续的、非线性的几何渐变,每层钢结构的搭接构件的尺寸和角度都在持续地发生微妙的、但有规律性的变化(图30、31) ……要有效将这种形式逻辑的严谨性和实际建造的复杂性整合起来──这里再次强调──没有强大的计算机图形分析能力和数控制造技术的支持是根本不可能的。

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图30.建筑外部结构、构造节点示意图。
图31.建筑外部结构、构造施工照片。


计算引发建筑材料革命

  从更广大的时代背景看,计算机技术在当今建筑设计、分析、制造、建造领域中所引发的变革可能仅仅是一些前奏,而即将到来的建筑材料的革命必将促成真正彻底的建筑革命。我们不应忘记:铸铁塑造了整个十九世纪的建筑史──作为人类历史上首次出现的人工材料,铸铁(相比传统的木、石材料)因其自重轻、受力性能好,才使得无数大跨度的公共建筑、城市设施和工业厂房成为可能;二十世纪的建筑史是由钢筋混凝土奠定的──钢筋混凝土因其兼具刚性、柔性和良好的耐火性能,成为现代建筑广泛运用的材料,彻底改变了人类的生存环境。

  二十一世纪初的今天,在多种现代科学基础上和强大的电子技术支持下,人类对物质世界的计算和操纵能力已经深入到前人无法想象的微观世界(图32、33)。人们今天可以通过操纵单个原子、分子的组合来发明和制造各种新材料 ──纳米技术将催生二十一世纪的又一次产业革命,而建筑的未来无疑将会彻底改变。

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图32、33.IBM的科学家通过操纵原子,使其排列出特定的图案。
图34.纳米碳管构造示意。

  例如:纳米碳管(Carbon Nanotube) ──呈圆柱状排列的碳分子组合(图34)被证明是世界上最坚硬的材料。如果利用纳米碳管编成如纸薄的织物,其强度可以抵抗子弹的冲击;如将其编成纤细的线缆,其刚度可胜过钢铁的五倍。目前,随着越来越多的工业产品(汽车、飞机等)在其合成材料中采用碳纤维,材料科学家们正在努力实现大批量生产高纯度碳纤维的可能性,而已经有建筑师开始了用碳纤维"编织"成40层摩天楼的畅想(图35、36)。

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图35、36.美国建筑师Peter Testa的"40层碳纤维塔楼"构想方案。

  无疑,电子技术、材料科学与生物工程的合作将开发出形形色色的智能性的合成材料:如可随自然光线变化可自动调节折射率、折射角度的敏感玻璃,以及受冲击后可象塑胶一样变形又能迅速恢复形状的混凝土等等。总之,新型建筑材料除其基本物理性能大大增强以外,将会更智能、更环保、与人和自然环境的关系更亲合──建筑的真正的有机时代即将到来!


今天的我们

  必须指出的是,所有上述技术资源和潜力对中国建筑界来说绝不是天方夜谭,而是已经成为和正在成为其身边的现实。上述有关计算机图形分析软件、数控制造设备在中国航天、航空、汽车、工艺品设计制造业和医疗领域已经和正在得到迅速普及;在纳米材料科研领域,中国是少数几个起步较早并比较领先的国家之一。

  在我们邻近领域中,信息技术革命已经开始。巨大的技术资源和潜力就在我们身边,它们赋予了中国建筑业一个珍贵的历史机会。如果建筑业能以更积极主动的姿态向其它工业学习,通过研究和合作,将其它工业领域的丰厚的技术资源和潜力及时、果断地向建筑业实行"技术转移"(Technology Transfer),中国建筑工业完全有可能将其半个世纪的技术滞后转变为一个历史性的飞跃。

  中国建筑开发商和建筑师应该敏锐地意识到这一历史的转机。开发商不应再热衷于开发、建造完全背离时代精神的仿古、仿洋社区,将大量资金和人力浪费在毫无意义的建筑装饰堆砌上,仅为打造成批虚伪、守旧的文化幻像;建筑师不应再囿于行业的自我封闭中,而对广大的技术文明进程视而不见。建筑师不应再满足于将计算机技术贬值到最没有创造性的层次上加以消费──仅将计算机当作二维绘图板的延续,用来复制成批性能没有优化、美学缺乏创意的设计产品。 一个伟大的时代已经开始,中国建筑开发商和建筑师应该积极地参与到这一创造历史的进程中!

(注:图4、23摄影者为李抒青,其它图片均选自近期书刊、网站

 


纽约布朗克斯地毯宅提案
New York Bronx Carpet-Housing Proposal

朱涛

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摘要
:地毯式集合住宅作为一种连续的肌理,覆盖整个基地,连结被挡土墙分隔的高低两个社区。地毯上表面构成如画的城市风景,地毯下部空间可容纳多样的城市公共活动,地毯的厚度成为私有住宅本身。

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
项目用地:纽约布朗克斯区维伯斯特大道(
Webster Avenue),168
街与171街之间
指导教授:姜纳森·克斯费尔德
Jonathan Kirschenfeld

设计合作者:泰瑞·张 Tarry Chung

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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。

  
这便形成一些有趣的文化现象,比如:由于第一年的课题设计强调高度抽象、概念化的设计思维和表达,使得众多新生整天疲于奔命(或津津乐道)于无尽的理论探讨、概念思辩、抽象模型和绘画的练习中。直到第一学年结束时,绝大多数学生都会不屑、或根本没有时间和能力设计出哪怕一栋成型的房子。这种"不食人间烟火"的气氛无疑会使很多新生在刚入学时感到一种强烈的"文化震荡"。而当他们经过艰苦的自身调整,逐渐使自己汇入上述文化气氛中,开始以不设计房子为荣时,第二学年的开始注定会让他们再次感到一种"文化震荡",一种反向的"文化震荡":第二学年强调的是综合性的、实践性的设计,而其中第一学期的设计课题便是集合住宅设计,它要求学生们将住宅设计从各种宏观问题一直落实到门窗开启等细节。

  1999年秋季,我进入哥大第二学年的集合住宅设计课题时,姜纳森·克斯费尔德恰巧被邀请来哥大作二年级的客座教授。此君曾在普林斯顿师从格雷夫斯,又在意大利跟随阿多·罗西工作多年,现在纽约独立开业。学期伊始,为便于学生自由选择设计课指导教授,各教授照例要对自己针对该设计课题的独特构想做一番介绍。姜纳森的介绍中流露出对欧洲城市中连续、稳定的城市肌理和历史文脉的挚爱,并一再强调在设计中对住宅各项经济技术指标的严格遵守。即使如前所述,哥大二年级教学相对强调实践性的设计,但多数教授仍不放弃对设计的实验性的关注,而运用计算机技术、利用"图解"进行设计分析和形式生成等手段近年来一直在哥大各年级蔚然成风。相形之下,强调用手作图,强调建筑学的恒定性,反对形式创新的姜纳森象是误入哥大的一个异类。当时我本人刚经过哥大第一年的高度概念性的训练后,感兴趣的倒不是来一个180度的转向,设计出所谓"实际的"、能满足各项指标但没有创意的房子,而是渴望锻炼出一种能力:能将强有力的概念毫不妥协地贯彻到实际设计的方方面面中。在听完姜纳森的自我介绍后,我好奇地想:选择一个与"哥大文化"格格不入的教授,也许对我的能力是一个更大的挑战和促进,于是以一种赌博般的心态选择了姜纳森。随后一学期的设计课的经验远远超出我所预料。


第一、二周

基地现状与分析

地形特征:基地位于纽约布朗克斯区的南北向的维伯斯特大道(Webster Avenue) 上,168街与171街之间。该用地有着独特的地形特征:维伯斯特大道相对较为平坦,而其西边平行相邻的克莱大道(Clay Avenue) 则在沿基地半英里的长度内高出维伯斯特大道平面约50英尺(约17米)。克莱大道的东面住宅边界上设有巨型挡土墙。布朗克斯区本来具有着从曼哈顿延续过来的规整的街区网格,但由于克莱大道与维伯斯特大道之间的挡土墙,169170171街的东西向道路网格在基地内被中断了。对此,我产生了新住宅应起到"城市链结"功能的最初想法(图1)。

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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


居住类型:调查发现,该基地周边分布着极其多样化的住宅类型。沿克莱大道的是多层联排Town House,而维伯斯特大道东面的则是高层塔式住宅楼群,此外基地附近还存在着低层独院住宅、多层庭院式公寓、高层板式公寓等多种形式,以及随地形变化而产生的各种变体(图2)。

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。


第三周

  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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图4.构思草图


1)"超级实体":设想按照80户/英亩的标准居住密度,所有住宅体汇聚成一条沿南北向延伸的"超级实体",覆盖整个基地,填满沿克莱大道的挡土墙与维伯斯特大道之间的空隙。"超级实体"的西边缘与挡土墙上表面取平,东边缘则针对维伯斯特大道上的环境因素发生翘曲变形:在面临每一个城市路口处,"超级实体"的边缘塌陷到维伯斯特大道的路面高度,而在每两路口之间则向上提升,其提升最高点高度与西边挡土墙的高度基本持平。这种"提升"可弥补因"超级实体"的边缘塌陷而损失掉的建筑实体体量,以维持应有的居住密度。"超级实体"上表面布置连续的绿化带,并设有公共步行道,可方便行人在克莱大道与维伯斯特大道两个层面之间穿行,从而真正起“城市链结”的功能。

2)"挖空─填实":在"超级实体"上有系统地开挖出一系列深浅不一的空隙作为庭院、天井,以满足实体──各住宅体的视野、采光、通风的需要,同时也以各庭院、天井为核心,形成各住宅单元的明确的组织关系。另由于"超级实体"最深处的深度相当于基地西边挡土墙的高度(约50英尺),考虑到视野、采光、通风条件的限制,不可能全部作为住宅使用,于是设想在"超级实体"表面30英尺(约10米)以下的部分全部用土填实,作为"不可居住的实体"。


  
我兴冲冲地将草图拿给姜纳森,却换来一头冷水。他慢条斯理地回了一句:"我的老师阿多·罗西说过,在还没有对设计的所有条件深思熟虑时,永远不要开始画草图。" 我一听就急了:"是吗?我看过罗西发表的很多草图,我不认为他的每张草图都经过所谓的深思熟虑,况且对设计条件的深思熟虑,并不能保证设计师最终一定获得一个有创造性的设计。" 接着,我向他保证,我不会轻易放弃这个构思,但会随着分析、研究的深入使我的设计在各方面均站住脚。


概念模型

  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。

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图5、6.1"=60'-0"的概念性基地模型


  姜纳森似乎由上帝所派专门来挑战我们,他坚持认为我在设计初期阶段过于被"形式感"所驱使,我则申辩道无论理性的分析多么透彻,最终到达一种明确的建筑形式才是设计的根本,而分析─设计的过程没必要遵守预设的线性程序。当然最终我们谁也没说服谁,但达成一个协议:只有设计在功能和经济技术指标满足要求时,他才会信服。


第四周

总体平面

  在粘土模型之后,我决定转向二维的总图研究,以将空间组织关系进一步精确化(图7)。我在平面上引入了30英尺x30英尺(约10米x10米)的均匀的几何格网,算是一个突破性进展。几何格网二维的规整性为有效地理解和捕捉复杂的三维形式、控制各住户规模和维持一种明晰的住宅单元组织关系提供了一个简洁、有力的媒介。此外,最终制成的总图还展示出一种有趣的反转的图─底关系:基地上的黑色为"底",指代"超级实体"─居住体;基地上的空白为"图",表示开挖出的系列空隙如庭院、天井、公共路径和小广场等虚空间。在反转的图底关系图中,实─虚系统的组织关系、配置规律和密度分布一目了然。

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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。

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图8.总体立面意向拼贴图

  
  不幸的是,此刻我们与姜纳森的师生关系正在陷入危机。我们开始意识到,因为我们的设计策略与他的习惯思路相左,他完全不能从正面促进我们设计的发展。在姜纳森指导的整个小组中,甚至有同学开始起草给院长屈米的投诉信,状告姜纳森的教学的"保守"、"固执"和"欧洲中心主义",而我和泰瑞一方面同意在信上签名,一方面则调整心态,开始把姜纳森当作将来在社会上必定会遇到的一类保守的业主,通过与他的辩论和抗争,来反向推动我们设计的深入。


第五、六周

工作模型

  按课程计划规定,在确定对基地的整体用地策略后,我们选取了基地中的一英亩地开始做深入设计。针对选定的一英亩地,我和泰瑞按照1/32"=1'-0"的比例制作了第二个粘土模型(图9),以更精确地描述地形的起伏和实体─虚空的组织关系。

计算推进建筑革命
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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。

  姜纳森提出我们将"居住的住宅实体"下部(即"不可居住的实体")完全用土填实会增加工程造价。我们随即提出可掏空下部设置停车库,以提供给每住户一个停车位,但姜纳森反对的理由是对于纽约这种高密度城市环境,应大力提倡公共交通而非私人用车。最后,姜纳森的"刁难"换来我们的灵机一动:"超级实体"下部的"不可居住的实体"被掏空后,可成为一个别具一格的城市公共生活空间,其中可综合布置商店、餐饮、健身、娱乐等设施。这个设计内容的新突破也反映在我们?quot;加法工作模型"上(图11)。

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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!


第七周

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)。

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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)。

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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)。

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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。
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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)!

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图22-26.1/32"=1'-0"总体模型

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图27.首层平面图

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图28.二层平面图
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图29.三层平面图
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图30.四层平面图


后记

  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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