數字時代的建構策略
——非線性表皮的結構化設計

袁朝暉，韋帛邑

1 引言

受限于建造工藝和認知水平等因素，建筑誕生后的漫長時間內，其形式和結構往往是混沌不分的，“表皮”也多扮演裝飾角色。森佩爾（Gottfried Semper）于1851 年出版的《建筑四要素》（Die vier Elemente der Baukunst）一書中將原始住宅分作火塘、屋頂、圍護及土方，編織所得的圍欄或掛毯被視作表皮的原初形式[1]，自此在意識層面拉開了表皮獨立的序幕。工業革命掀起的技術浪潮很快席卷了建筑界，鋼、玻璃、鋼筋混凝土等新式建材重新定義了建筑的承重和圍護構件，建筑和結構的學科分化則像一針催化劑，從建造角度將表皮獨立和自治運動推向了高潮。20 世紀，隨著混沌、分形等科學概念被發現，人類對自然規律的認識不再滿足于簡化的近似解，眾多的非線性現象喚醒了人們意識深處的自然情懷，哲學家吉爾·德勒茲（Gilles Deleuze）提出的褶子、游牧等理論被視作非線性建筑“圣經”[2]；計算機強大的數字處理能力為求解復雜性科學問題提供了技術支持，現如今，建筑對計算機的運用也由簡單的輔助制圖逐漸演變為智能設計，建筑從思想和技術層面都正式步入了非線性時代。

建筑表皮的高獨立性使之形式不再處處受限，其非線性化作為數字技術蓬勃發展的時代特色，讓建筑師豐富的想象力有了用武之地；然而，因為部分設計者的盲目獵奇或濫用數字技術，枉顧形式和結構的內在關聯，打著數字化旗號而追求形式主義，因此造成的空間及資源浪費廣受詬病，致使非線性建筑作品良莠不齊。

為應對上述問題，以結構理性為核心的建構主義回歸大眾視野，該理念的先驅可追溯至克勞德·佩羅（Claude Perrault）、維奧萊-勒迪克（Viollet-leduc）等人，彼時的“建構”為了緩解建筑和結構分化而提出，此時則是為了彌合形式和結構差異而存在。建構主義在規整幾何的建筑作品早已驗證其科學性，如奧古斯特·佩雷（Auguste Perret）的富蘭克林大街25 號公寓、奧山信一（Okuyama Shinichi）和竹內徹 （Takeuchi Toru）合作的東工大綠丘6 號館等；如今的先鋒建筑團隊亦證明其在非線性建筑上同樣適用，如伊東豐雄的臺中歌劇院、FOA 的橫濱客運碼頭等，通過主動結合建筑表皮形式和結構特性，賦予非線性表皮以結構意義和豐富內涵。

2 表皮、非線性、非線性結構表皮

2.1 表皮發展

回溯建筑發展史，表皮形式特點和構造手法歷經多次變更，衍生了各式各樣的風格流派，其影響因素也是多元的，諸如工藝技術、地理人文、審美派別等[3]，如表1 所示。

表皮作為設計者與觀者最直接的交流媒介，亦是傳遞設計理念的重要載體，其形式特點幾經變革，以往的表皮設計因受建造技術制約而淪為結構附庸，在技術全面解放的當代，卻又在部分設計者表演式的創作中走向了空洞、浮夸的極端，如何更好地平衡形式與結構就變成了亟待解決的問題。

2.2 非線性的崛起與困境

計算機的崛起催生了數字時代并迅速席卷了各領域，在建筑上的運用也由輔助制圖擴展至智能設計，憑借計算機強大的數字和圖形處理能力，設計和建造方式變得新穎且多元，非線性建筑的普及既是建筑在數字化背景下的時代特色，也是對建筑形式的探索和補充，但此番革新也伴隨了諸多疑難，筆者將其總結為圖 1。

2.3 建筑和結構的分離與結合

建筑與結構作為建筑項目中的兩大主體，二者關系反映到建筑思想及作品上表現為“……融合——脫離——融合……”的歷史循環，該過程呈螺旋上升狀，如圖 2 所示。

循環往復的發展軌跡因技術提速而在縱向時間上被壓縮了，建筑形式與結構特性的關系也趨于動態平衡，由非此即彼的極端傾向轉化為曖昧的中間態。

2.4 非線性結構表皮

人們習慣將梁柱、斜撐等構件當做支撐建筑的“結構”，且因受力學制約而被視為純粹的技術性內容，以受力及材料性能為目標的結構設計限定了結構形態與確定“型式”的對應關系，使結構與形態創新相絕緣，淪為了追求性能最優解的技術產物[4]；日漸商品化的建筑，其形式時常受利益驅使或大眾審美左右，盲目追求形式所引發的美學亂象使表皮缺乏與其相符的內涵，華麗面具背后只是乏味的結構堆砌。

結構性表皮指結構因素對建筑表皮形態起關鍵作用，且表皮除傳遞視覺信息和圍護外還具備支撐功能，承擔了建筑全部或大部分荷載[5]。結構性表皮通過主動結合建筑形式及其結構來巧妙、統一應對了二者困境，是表皮結構性能由被動呈現向轉為主動的積極嘗試，非線性結構表皮繼而擴大了其概念范疇，指使外形呈非線性特征的表皮繼承上述結構功能，扮演了建筑表皮及主要結構體的雙重角色。因兼任表皮而異化形態的結構擺脫了支撐限定，得以和外界進行更豐富的交流。

表1 表皮發展（繪制：韋帛邑，根據《建筑表皮設計文獻綜述》整理）

建筑和結構從業者的關系被鮑姆·貝格爾（Baum Berger）大致分為：建筑師或工程師的獨白、彼此對話、自言[6]，非線性結構表皮要求設計者具備極高的專業素養和全面的知識儲備，故常為后兩種關系?！白匝浴敝冈O計者具備建筑及結構兩種教育背景，如塞西爾·巴爾蒙德（Cecil Balmond）、圣地亞哥·卡拉特拉瓦（Santiago Calatrava），前者致力于在設計中探索新式結構以實現形態創新，著作有《異規》（Informal）、《Element》等；后者以結構邏輯出發展現新式形態美學，代表作有世貿中心中轉站、雅典奧運主場館等?！氨舜藢υ挕敝附ㄖ熀徒Y構工程師通過協作、博弈以不斷迭代并優化設計方案，形態和結構彼此約束并互為佐證，確保建筑作品兼具形態美學和結構邏輯，如伊東豐雄（Ito Toyo）和巴爾蒙德合作設計的臺中歌劇院（圖 3），以極小曲面為理念構建了多片連續鋼筋混凝土曲墻，打造了類生命體的“聲音涵洞”；東京表參道Tod's 大樓（圖 4）亦由伊東豐雄及其結構團隊共同商定，各向交錯的樹狀鋼筋混凝土外框兼任建筑表皮和結構體，局部及整體所展現的自相似性和重復特征可用“分形”理論進行闡述。

1 非線性的動因與局限性（繪制：韋帛邑）

建筑表皮結構化具備諸多優勢，一是使內部功能布局更加靈活自由；二是賦予建筑形式以力學內涵；三是其技術特點要求建筑師和結構工程師協同合作，以“結構前置”來調動工程師的設計熱情，通過及時反饋來不斷修正、優化設計方案。

3 非線性結構表皮的相關技術

建筑形態非線性化是不可逆的時代趨勢，如何協調形式與結構變得尤為重要，從小型藝術裝置到大型城市共建，諸多實例已論證了非線性建構的可行性。曾供職于扎哈·哈迪德事務所的馬克·福尼斯（Marc Fornes），由其領導的THEVERYMANY工作室憑借自主研發的“結構條帶”技術，根據如建材曲率、寬厚等多因素博弈來選擇最佳擬合方案，建造了超薄、高性能的雙曲面自支撐結構，如哈薩克斯坦阿斯塔納世博會的Minima/Maxima 裝置（圖 5）；雷姆·庫哈斯（Rem Koolhaas）設計的CCTV 總部大樓（圖 6）的表皮由斜向鋼構網架及填充其間的明框玻璃組成，裸露在外且疏密不均的菱形網格作為結構直觀反映了建筑非線性的受力情況，又作為表皮呈現出編織美感[7]。非線性結構表皮通過主動結合建筑形式與結構功能以追求二者的動態平衡，為開辟設計新領域提供了突破點。

3.1 基于力學原理的找形方法

非線性結構表皮的傳力體系由規整的笛卡爾變成了復雜的非線性，無法用經典幾何工具得到力流分析結果，需要在建筑找形階段就將結構作為重要因素，甚至是設計基點。

3.1.1 物理模型法

物理模型法是指借助小比例的三維物理模型，通過限定荷載重量和邊界條件，可在不需精確結構計算的情況下模擬建筑尺度的結構性能特征。

安東尼奧·高迪（Antonio Gaudi）所設計的古埃爾教堂，通過在1:10 的鏈條模型上掛滿負荷布袋來模擬墻柱交接，繪制并翻轉鏈條因負重所呈現的彎曲狀即得到穹頂結構圖，反映了門、頂的懸鏈拱角度；海因茨·伊斯勒（Heinz Isler）在織物表面涂滿液態石膏并懸垂晾干，待石膏硬化后再反過來即可得到擬定殼體，對模型測繪點位坐標并等比放大即可指導足尺的混凝土殼體施工；弗雷·奧托（Frei Otto）將封閉邊界的線框浸入肥皂液中，肥皂泡在張力作用下通過延展使各向受力均等且最小，此時皂液膜表面積是等體積下的最小值，即此三維空間所對應的“極小曲面”。

物理模型法在前數字時代就已指導了大量優秀的建構作品，如今在計算機輔助下更是便于對其力學原理進行科學模擬，依舊是建筑找形的有力工具。

2 建筑與結構關聯性的發展（繪制：韋帛邑，文字根據《建構的歷程——建筑與結構的分歧與融合》整理）

3 臺中歌劇院鋼筋混凝土曲墻（圖片來源：參考文獻[16]）

4 東京表參道Tod's大樓配筋圖（圖片來源：參考文獻[17]）

3.1.2 有限元法與漸進結構優化

有限元法指將連續求解域劃分為一組計算單元，在各單元內通過近似函數來分片表示求解域上的未知函數，將連續、無限的問題離散并有限化，并通過提高離散程度來接近真實結果。有限元法雖然計算精度高、適用性強，但由于數值抽象、復雜的特點而不便對建筑進行直接找形，而多用于設計中后期的結構論證。

由謝億民及其團隊研發的漸進結構優化法（Evolutionary Structural Optimisation, ESO）是基于有限元法的拓撲優化算法，通過優化初始結構與形式的拓撲關系，使有限元法不僅可以分析結構，還能從結構體系中消除低效材料而逐漸得到最優形態，改良后的雙向漸進優化法（BESO）以“用進廢退”為綱領，根據材料受力合理調配材料在低效區和高效區的分布，通過刪除或增加使優化更加可靠、快捷，該團隊與馬克·貝瑞（Mark Burry）用此方法協作模擬了圣家族大教堂受難門的找形[8]。

5 Minima/Maxima（圖片來源：https://www.gooood.cn/minima-maxima-by-marc-fornes-theverymany.htm）

通過整合漸進結構優化算法和有限元分析工具，得以將結構難題簡化為形式操作，降低了建筑師對其的使用門檻。

3.1.3 解析法

解析法是指基于解析方程而提出的力學找形方法，根據原理主要分為以下3 種[9]：

力密度法（Force Density Method, FDM）主要用于膜或索網結構找形，由林克維茨（Linkwitz）和斯科克（Schek）提出，首先將預設索網及相似結構拆分為多條索段及節點，邊界和中間節點分別對應約束點和索段通過點，通過給節點間索段設定力密度數值并求解對應節點的平衡方程，得到各節點的空間坐標后連接即可，另可通過調整索段力密度、替換邊界約束條件、修改連接規則和序列等方式變更索網形式[10]。

動力松弛法（Dynamic Relaxation Method, DRM）由戴（Day）和奧特（Otter）針對潮汐現象提出，后由巴恩斯（Barnes）發展并運用到索網結構，運用動力學理論將靜力問題動態化，用于求解非線性系統的平衡狀態。首先將結構離散為網格并選取采樣點，給采樣點設定初始的不平衡力，跟蹤其振動過程并記錄最終由于阻尼效應而耗盡能量所得的平衡態，可得到確定拓撲關系和邊界條件的平衡曲面[10]。

6 CCTV總部大樓（攝影：韋帛邑）

推力線網絡分析法（Thrust Network Analysis, TNA）由菲利普·布洛克（Philippe Block）及其團隊研發，是以圖解靜力學為理論基礎的拱殼結構找形方法[11]。圖解靜力學（graphic statics）理論誕生于19 世紀中后期，其形力關系有別于一般的數值表達，而是在“形圖解”與“力圖解”間建立交互：形圖解代表荷載及力的幾何形狀，表示網絡中水平推力的流動方向；力圖解表示結構中內外力的整體或局部平衡態，線段長度表示其數值。圖解靜力學整合了建筑師和結構工程師迥異的圖形和數值思維，讓復雜嚴密的力學計算在建筑師眼中變得通俗易懂[12]。推力線網絡分析法先將三維拱殼結構投影至二維平面，并在垂直方向對二維網格添加荷載使其三維化，通過調整形圖解來創建邊界條件，或改變力圖解來調整拱殼的內力分布，實現互動找形和動態優化。計算機三維虛擬模型使圖解靜力學的雙向交互機制效能最大化，使建筑師得以綜合調控形和力，明確且直接地獲取優化形式，而不是模糊、低效地重復迭代[11]。

3.2 基于學科交叉的找形方法

3.2.1 仿生學

7 自由形態網殼（圖片來源：參考文獻[13]）

8 國家植物博物館（圖片來源：https://www.archdaily.c n/ cn/937826/qing-hua-jian-zhu-she-ji-yuan-guo-jia-zhi-wu-bo- wu-guan-fang-an-gong-bu-shui-rong-hua-zhan-kai/5e982b4a b3576547dd0007ec-thad-and-sutherland-hussey-harris-design-the-national-botanical-museum-in-kunming-china-image）

9 印度磚拱學校圖書館（圖片來源：http://www.360doc.com/content/19/0406/09/62487510_826740897.shtml）

10 無縫椅子（圖片來源：https://m.wang1314.com/doc/webapp/topic/975765.html）

11 抓握機器人

12 真空機器人 （11.12圖片來源：http://www.ttcad.com/news/sDp/6308.html）

13 6D機器人（圖片來源：http://www.eepw.com.cn/article/269482.htm）

物競天擇、適者生存是達爾文進化論的核心觀點，仿生即分析生物系統歷經篩選所保留的優異性能并加以利用，除直接模擬生物功能外還包括臨摹其行為，如編織作為人類效仿鳥類筑巢而最早掌握的材料加工方式，指導人們生產了柵欄、掛毯等形力兼備的原始建筑表皮。清華大學的黃蔚欣教授及其團隊以連續彈性桿件組建編織系統，利用其抗彎性構建了自由形態網殼 （圖 7）[13]，桿件在擠壓、拉扯、反彈等作用下逐漸消除各點突變曲率，使彎矩系統受力及形態達到動態平衡[14]，桿件網殼還可用作混凝土殼體的施工模板。由清華大學建筑設計研究院和薩澤蘭-弗塞規劃建筑事務所（Sutherland Hussey Harris）合作的中國國家植物博物館（圖 8），其“水絨花”的流動形態與場地山勢高度貼合，為保證室內視線通暢、布展靈活和空間自由，屋頂采用了大跨度木質網殼編織結構，交錯的木架隱喻著葉脈或花瓣紋路，自由延伸并于特定位置轉化為束柱落地，兼具結構理性和形式美感，相似實例有坂茂的蓬皮杜梅斯中心，袁烽的蘇州園博會主館。

3.2.2 地形學

建筑作為典型人造物，為削弱其巨型體量的壓迫感并使之融入環境，將之與周遭地形相結合的地景建筑是頗為有效的舉措，常見方式有消隱、人工地形、延展立面等[15]。磚拱學校圖書館（圖 9）是一個位于印度馬哈拉施特拉邦鄉下小學的圖書館加建項目，建筑以高效能的加泰羅尼亞磚拱為原型，用RhinoVAULT 插件模擬其受壓結構并優化找形，最終構建了既像帳篷、又像土丘的非線性磚制拱殼，使其仿佛從基地中“長出來”一樣。磚制拱殼既是該圖書館的屋頂兼表皮，又充當了大跨度無柱空間的結構體，可上人的拱形屋頂拓展了人們的活動流線，在磚拱上下形成了集游樂和學習于一體的復合空間。自由曲面拱殼模糊了墻體及屋面等傳統建筑元素的界限，又通過與四周場地的柔順過渡與環境融為一體，強化了內外空間的流動性和游牧特征，相似案例有西班牙的磚制拱亭Bricktopia。

3.3 數字化建造技術

非線性結構表皮建造首先有賴于研發新材料或挖掘材料新特性，其次就是傳統的人工作業方式難以滿足非線性建造標準和施工精度，常用的數字化建造技術主要分為以下幾類。

3.3.1 數控機床技術

計算機數字控制機床（Computer Numerical Control），簡稱數控機床，以輸入圖紙的形狀及尺寸為依據，計算機按邏輯執行程序控制系統的編碼，控制機床對零件進行自動化加工及過程監控。在建筑領域主要技術有CNC 激光切割、CNC 彎曲和多軸聯動機床等，可實現建筑板材的平面切割，管狀材料塑性變形及復雜空間曲面的高精度加工等。

3.3.2 快速原型技術及3D 打印

快速原型技術（Rapid Prototyping）因成形材料和系統差異有多種類別，但基本特點皆為“分層制造，逐層疊加”，有別于對材料進行“切削—組裝”的傳統操作，該技術是將材料進行“自下而上”的累加。3D 打印技術作為快速原型的分支，利用光固化和紙層疊等技術對材料進行空間堆砌，建筑打印材料實現了從PLA、ABS 等塑料到金屬、混凝土以及復合材料的擴展。

多材料增材建造（multi-material additive manufacturing）作為3D 打印的拓展，使連續體的結構與其余部分僅表現為材料密度差異并實現柔性漸變，扎哈團隊采用有限元法分析椅子（圖 10）結構并通過調配材料密度來優化性能，借助Stratasys 的多色、多材打印技術讓椅子呈現出兼具性能和美學的無縫形態；該技術在建筑上弱化甚至消除了表皮與結構界限，此種同質化傾向又被稱為“可變屬性設計建造”（variable property design fabrication, VPD），使建筑形式與結構實現了空前交融[11]。2018 年6 月，華盛頓州立大學的某研究小組利用3D 打印技術一次性打印出了陶瓷和金屬的復合結構，突破了單次打印過程僅可用一種材料的限制，為復合建材打印提供了突破點。

3.3.3 機器人建造

依托機器人提供的高精度、開放操作平臺，可整合虛擬數據和實體建造過程，通過編譯不同的工作流程使機器人執行的作業類型更為多元[11]。

14 3D打印混凝土步行橋（圖片來源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1622461312765987918&wfr=spider&for=pc）

15 小庫科技強排設計（圖片來源：https://www.lieyunwang.com/archives/321284）

日本清水建設建筑公司推出的“鋼骨架噴涂耐火覆蓋材料的SSR-I 型機器人”是將機器人用于實際建造的首例，該公司近年研發的機器人類型已擴展至自動焊接、安裝天花板等工種。澳大利亞公司Fastbrick Robotics 設計的3D 建筑機器人Hadrian X，憑借轉譯輸入的數據和3D 掃描技術可精確定位每一塊磚頭，確保施工精度并極大縮短建造周期，工作效率約為普通工人的4 倍，相似機器人還可通過改寫工作路徑以實現非線性空間結構的砌筑，如袁烽團隊設計的池舍。傳統3D 打印受限于打印機尺寸而常需分塊打印建筑構件再拼合，以薩沙·約基奇（Sasha Jokic）和彼得·諾維科夫（Peter Novikov）為首的加泰羅尼亞建筑研究團隊研發了可移動的3D打印機器人Minibuilders，它由地基機器人、抓握機器人（圖 11）和真空機器人（圖 12）組成，借助軌道及帶線傳感器精確定位打印對象，分別負責建筑輪廓成形、結構打印和結構加固；同濟大學研發的6D 打印裝置結合了KUKA 機器人（圖 13）和3D 打印技術，通過6 軸機器人打印噴頭的張合來模擬蜘蛛吐絲并控制線材截面，設定打印路徑來構建具有結構強度的空間曲線。2019 年中國數字建筑年會上，清華大學的徐衛國教授介紹了其項目組研發的6軸機器人的多維混凝土曲面打印技術，打印建材更新為聚乙烯纖維、鋼纖維混凝土，憑借優化混凝土配比、研發新式打印頭等舉措解決了長時間打印造成的局部結塊、強度不均、打印頭堵塞等問題，并通過多機械臂的協同打印來提高工作效率，實例如上海智慧灣科創園的3D 打印混凝土步行橋（圖 14）。

4 展望

將建筑設計理論轉譯為計算機可識別的程序語言，依據基本條件和限定因素便可快速得到大量的科學結果，設計師得以擺脫無休止的方案假設，只需對這些結果進行選擇和調整即可，得以將工作重心轉為制定設計規則和成果優化。此方法雖已在Grasshopper 等參數化設計平臺中較為常見，但筆者認為，因設計規則仍由設計師全權制定，故伊始就較為主觀、片面，而計算機則更為客觀且擅長大規模的數據處理，可通過快速窮舉可行設計方案來“查缺補漏”。

若能通過優化硬件設施和運行邏輯整合設計及建造平臺，為負責實際建造的機器人增添設計模塊，通過智能學習使其具備方案設計和自主優化能力，將工作流程從“建筑師制定規則→機器執行→篩選方案→繪制圖紙→機器施工”簡化為“機器設計→建筑師抉擇→機器施工”，精簡流程以減少人力與資源浪費；機器人兼任設計和建造單元，還避免了在傳遞非線性復雜形體圖形信息時可能存在的紕漏或誤差，力求建造成果高度還原設計方案。

如今的人工智能憑借深度學習算法，可從海量經驗數據中提取具有規律的特征屬性，分析并總結其共性和關聯規則，由何宛余和楊小荻共同開發的小庫科技（圖 15）結合了大數據與機器學習等技術，通過鍵入如建筑高度、容積率、用地面積等限定因素，可快速得到多個合理的場地和建筑設計方案。但因建筑設計理論龐雜、影響因子繁多，人文要素難以量化等原因，人工智能尚且難以獨立勝任設計工作而仍舊充任輔助工具，實現真正的人工智能設計還有待進一步研究。

5 結語

形式和結構分化是建筑發展的客觀歷程，也是學科精細化和社會分工的歷史結果，數字時代大背景下的建筑形態呈非線性趨勢，卻因部分設計師盲目獵奇或濫用數字技術而加劇了形式與結構脫離，并致使數字技術成為了形式主義幫兇。非線性結構表皮以建構思想為核心，倡導主動結合建筑形式及其結構特性，為非線性建筑的形式及結構賦予豐富內涵，同時有利于彌合兩方從業者的思維差異，亦可促進學科融合以解決復雜性問題?！?/p>