2004-05-05
reading 计算推进建筑革命
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从比特到原子，从虚拟到现实──"计算"贯穿于建筑师弗兰克・盖里建筑设计和建造的全过程。 | |
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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！ | |
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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)。 | ||
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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。
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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： | |
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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； | |
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图5． |
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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 |
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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)。 | ||
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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。 |
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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． |
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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)。 |
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| 图18． | 图19． | 图20． | 图21． | 图22． |
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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。 | ||||
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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。 | ||
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 |
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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。 | |
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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！ | |
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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! | |
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(注：图4、23摄影者为李抒青，其它图片均选自近期书刊、网站) | |
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本文原载于《新地产》2004年第2期 | |
