第10节-参数化设计

第10节参数化设计•上海世博会，波兰馆广东省博物馆（许李严，香港）•大连国际会议中心成都新津·知博物馆（隈研吾）1.参数化设计发展的历史背景1.1四种自然建筑，即是人与自然之间的对话相同点？•古希腊柱式•公元前500年•形象的自然•伦敦regent公园企鹅馆•1933-1934•抽象的自然近现代建筑的探索：有机的自然•德国柏林爱乐音乐厅，1956年，HansScharoun•东京，太阳山餐厅，2012，隈研吾近现代建筑的探索：数码的自然•横滨风之塔，伊东丰雄，1986·模糊建筑，瑞士Diller+Scofidio，20021.2.从莱布尼茨到德勒兹•莱布尼茨（德国数学家，1646-1716）：世界上所有的事情，都按数学的规律秩序发生（人体与宇宙的秩序）•德勒兹（法国后现代理论家，1925-1995，著《褶皱：巴洛克与莱布尼茨》）世界分为平滑空间与条纹空间巴洛克体现了内外互相渗透、复杂但是有秩序的关联着平衡运作宇宙是动态变化过程中在表面所形成的一系列褶皱（无限曲面）古埃及的农耕时代图示→•德勒兹的学说启发了建筑师的思想与实践：无限曲线、非此非彼的抽象表面流动系统等，打破了方盒子的传统，自由形体与结构表达成为初期参数化设计在建筑界的声音。•摺叠、柔软、基因建筑、变异表面、衍生系统、拓扑空间等思潮活跃起来。•横滨大栈桥国际客轮航站楼，FOA，2002•英国ThomasHitcherwick,鹿儿岛某寺庙设计↑，世博会英国馆↓1.3.从富勒到巴尔蒙德•富勒（美国哲学家、建筑师，1895-1983）：将几何形体的运用回归到实践解决形式与建筑结构的问题上•网格穹顶↓：以最小表面积创造最大化内部空间，三角面投影在圆球表面的线性骨架系统欧式几何：笛卡尔坐标系vs拓扑几何：变数关系定义一系列的莫比乌斯环建筑•巴尔蒙德（结构工程师，宾大教授，ARUP副总裁，1943-）：基于拓扑几何学的非线性模式，建立以动态结构形态为表现的建筑美学。•蛇形艺廊↓：与伊东丰雄合作，伦敦，2002正方形四边1/2和1/3位置的点相互连接，重复7次，所有支线向边缘延伸，将四个宽边界下折后形成长方体，最后根据结构和功能需要确定各个开口的虚实关系，既有人工理性的纯粹，又有自然衍生变化的诗意。•数学家芒德勃罗（1924-2010）提出了分形理论（台湾：碎形理论）：•固有尺度：桌椅、门窗等……•变化尺度：浮云、山峦、海岸线……•建筑迎来“数码巴洛克”时代：从形式仿生、机制自生到环境共生1.4.应对自然：仿生、自生和共生•Beukers.E.V.Hinte,1998:在自然界中，形体总是比材料的成本更低•达尔文：竞争格局下生物的适应性变化•基因工程：基因在秩序规则下的排序不同造成了不同的形态•生物的生成过程，对建筑师的设计观念具有很大的启发，有建筑学者提出：由下而上的建筑产生方式，是否会创造出如生物一般更适应环境变化的建筑？1.4.1仿生：建筑的拟态•达芬奇飞行器手稿↗•天津世界岛酒店概念设计，2009，↑•纽约肯尼迪机场，沙里宁，1948，→水立方在泡沫的形态设计时，测试了英国物理学家凯尔文提出的6个正方形加上8个六边形构成的立体系统，由于过于单调无法产生动态的美感而被建筑师放弃，后来发现威尔·费兰结构（五边形的多面体+12个五边形及2个六边形的十四面体）在同样体积内表面积更小，有助于减轻屋顶重量1.4.2自生：建筑的适应性•生物应对环境变化的智慧：害羞草、海葵、百足虫、刺猬……•被刚性人工建筑忽视的柔性与可适性•刚性建筑的弊端：钢混结构为应对地震而不得不提高耐震性能造成材料的低效、外墙与室外的风和自然之间缺少积极应对•自生——以自我组织的结构方式来适应环境，达成有效的能量、信息、材料的持续交换Deniamoutain古堡区改造，Guallar，内容包括：历史建筑保护、多功能文化设施、广场与地下通道等，建筑师认为山脉的纹理结构最能反映当地历史与文化时间，分析了当地岩石的结晶形态和组织特征，转化为由不同移动性、停留性活动的路径与平台构成的连续大地景观派崔克·舒马克提出了参数都市主义，挑战了传统的城市分区理念，以连续渐变的过渡性密度变化空间肌理作为容纳城市变化的模型，城市功能以渐进的方式凭借适当的密度和比例更有益于人性化空间的塑造，实虚空间的多样化也促使人们与城市的接触面不再单一。•伊斯坦布尔kartal-pendik都市设计，与zaha联合1.4.3.共生：建筑成为环境一部分•仿生与自生，尝试在联系几何形态与自然规则之间的类比或再现，从中获得生成运作的逻辑，达成建筑的目的•共生，将建筑视为环境的一部分，而非再现自然的结果汉诺威世博会荷兰馆，MVRDV，2000剖面共分6层：沙丘、温室、盆地、雨地、森林、低地，高低与开放性不同的景观平台层种植各种不同植物，雨水从屋顶以不同的重力方式进入各层灌溉，屋顶风力发电装置将水抽运回屋顶，垂直化的手法反映了克服有限面积困难扩张农业与自然的可能性，建筑不再是独立的居住机器，而是生态循环的一部分Media-ITC办公楼，巴塞罗那，Cloud9,2011•表皮是具有智慧的建筑皮肤，南与西南是充气ETFE膜，冬天开启夏天封闭，西面是充满氮气烟雾的垂直缓冲垫，通过增减分子数来控制入射阳光，屋顶是太阳能发电，根据与外界接触的感测器搜集温度、湿度、风压等数据，即时调整建筑的物理环境nMBA博物馆，瑞士洛桑，R&Sie(n),•人造自然的设计概念出发，建筑立面由细长管状物构成有机立面，野草可在其中生长，随时间变化的立面，低碳效能，建筑传递了循环而生长的时间状态，并未固定和清晰的空间状态总结：数码技术的发展，使得以参数化手段对建筑形成逻辑和与自然关系的分析变得可行，非线性的建筑形体也得以实现•吟唱树，Tonkinliu，英国。计算风向、风速和金属管的长度与角度关系，利用螺旋形态，造成流动的风可吹奏高低音调现代主义之后的建筑美学演进2.参数化设计思路•与传统的网格表面不同，非统一理性贝兹曲线曲面的控制点与几何表面是分开的，控制因子不是模型上的一部分，而是影响它的数学向量函数关系，因此NURBS建模的方式，不再用传统的元素组合关系来进行点线面的堆砌，而是以结构的路径做三维连续表面的变化描述。•Maya、Rhinoceros等软件•参数化最主要的法则包括：动态剖面轨迹、布林运算形态、自然衍生模式2.1动态剖面轨迹•Extrude、Loft、revovle、RailSweep等建模造型命令的共性：决定一个或者多个剖面，沿着特定的轨迹、方向或者空间关系，利用个别剖面轮廓边缘来运动出连续的表面轨迹。•凝结了时间的流动姿态，如船、桥等•杜尚，下楼梯的女人→•船结构，↓Hangil书院，首尔，SHoP河畔博物馆，英国格拉斯哥，扎哈。5个斜率不同的屋顶串联的剖面，沿着基地形状弯折挤出褶皱屋顶的建筑体量，弯折的屋脊增强了不同方向大跨结构的支撑力，平行错位的屋脊线在室内形成流线的方向引导。屋顶表达了对西方传统建筑的联想，动态轨迹是参数化设计将传统意向转化为当代的流动空间。2.2实体布林运算•分析植物细胞壁后得到2D团，经过3D挤出三维图形，利用一个旋转45度的立方体计算交集，得到了最后结果•图形同时具有了收敛简洁的理性（正方形）和发散多变的感性（细胞壁纹理），平面上的有机藤蔓肌理被清晰的边界切削，呈现出“整体收敛而部分分歧”，与平仄律诗有着美学上的共通性。Wuhouse，ScottCohen.3个曲面拱顶与2个圆锥交集的边缘，形成了实体上的孔洞，交集出的连续封闭曲线，模糊了墙与屋顶、空间与表皮、视点与灭点的分界，既古典（圆拱）又当代（流动曲线）。计算软件辅助的布林运算，将实体交集部分的几何形态显性化，将设计师不熟悉的形态引入设计中。2.3自然衍生模式•人脑擅长意义的思考，电脑擅长规则下重复的计算，设计者若制定了有效的规则，电脑可快速运算模拟可能的结果，这是一种有效的设计策略，可供创造与控制复杂的形态。•自然界中一些衍生的模式，充分反映了环境动态下的设计智慧，有精巧的结构关系，特别是被数学家发现其规则的模式或图案，常常被设计者用于建筑空间的创造，如基因的双螺旋结构、蜂巢组织、流体波纹等。•沃罗诺伊图，俄国数学家建立的空间分割算法，固定面积内放置一定数量的随机位置点，将点之间线段相连（黑色），分别画出每个线段的垂线（红色），中垂线连接的红色图案即为沃罗诺伊图•该图使特定空间范围内单元分割最佳，单元中心都保持着最近的支线距离，达到结构稳定和量能有效分配，•如果自然衍生模式的形态复杂性可以被数学解读和模拟，那么就有特定的秩序和模式可循，有些数学秩序较为普遍和常用：•密度差异（variantdensity）•张力反馈（feedbacktension）•中心偏移（dispersedcentricity）•波动往复（oscillatorywaves）2.3.1密度差异•自然界中的磁场、鱼群、森林、矿物构成等，在特定范围内一定的个体单元数量与邻近单元件的空间关系形成的群落，通过单元间的协作，增强组织的稳固和变通性，受到外在环境变化影响时，会调整密度和组成方式来适应。•比如：以每个长方板高度为吸引点到长方板距离的1/3，因此距离吸引点越近，板越短，高度越低，吸引点的位置改变了板高和区域的密度。洛杉矶当代艺术馆，DillerScofidio流动的皮层形成空间内外部开口的变化形式，菱形预制混凝土结构皮层根据基地四周条件改变自己的厚度与透明度，立面装饰也满足遮阳需要。2.3.2张力反馈•强调物质间的相互作用，细胞分裂增生与压缩，在彼此接近和分离时，使细胞拉伸或者挤压变形，单元间形成了模糊交融的共同边界，整体呈现出单元张力关系的总和。利用变形球（metaball）N维物体渲染技术，可模拟泡状物表面的流体建筑，将建筑从固化的硬质边界引向液态化的软边界。•将流体力学、时间与形式的相互关联，让建筑的进化、成长过程，如屏幕上的投影切片一样缓慢播放，张力与反作用力的变化被扑捉成为轮廓。鄂尔多斯博物馆，MAD哈尔滨木雕博物馆，MAD2.3.3中心偏移•中心和向心是建筑秩序的重要手段，自然法则中的几何中心性有着更丰富的动态变化，如中心偏移、离散、渐变等，常用的如双曲螺旋、对数螺旋等，隐含了衍生秩序里一种缠绕外延的空间结构，在特定点迂回连续不断的增加空间表面积，引入阳光、风、水等支持内部的需要。上海世博会丹麦馆，BIG•BentonHAHA水岸中心，藤本壮介•从形式追随功能到形式追随体验，螺旋几何提供了一个在有限基地内延伸延长体验过程、内外互动的好办法2.3.4波动往复•波动时自然界的常见现象，有坡度的地表、声波、海洋表面等，惯性能量的传递过程与材料相互作用，介质分子连续的往返位移产生波的振幅与波长。•如三角函数的正弦波，周期往复的特性可以与结构和空间有秩序的结合成连续的形态系统，若该波动在建筑表面以2D（涟漪表面）或者3D（珊瑚表面）的存在方式来变化，就可以瓦解建筑元素在笛卡尔坐标中必须是墙、地面和屋顶的常规，创造出漂浮漫游、有机的相互纠结缠绕、实虚互为表里的空间多伦多Maribor步行桥，Jastudio平田晃久的设计：互为表里的波2.4总结•参数化设计的定义：有别于传统设计者习惯根据某些特定的设计条件，透过过去的经验随机与概略的决定设计的形式，参数化设计乃是借由动态的定义、控制设计中有意义的参数因子的关系，即时产生、评估、调整设计方案几何形式的设计方法。•参数关系的建构过程终于整体形式的结果呈现•参数设计是由下而上的非线性方法•现在号称可以支持参数化设计的软件包括：revit、bentleymicrostationgenerativecomponents（GC）、Rhino3DGrasshopper外挂，其中最后一个较为简便。•参数化设计如果希望引入年轮形态，•首先，需要将文字定义的属性依次拆解为数个基本的几何逻辑单元：同心圆→向外平行复制→扩散间距→环装纹理→非均质宽度•其次，定义几何规则，（圆心：位置/半径，平行复制：个数/间距，间距变化：几个单位的等差加大，等等）•由犀牛的Grasshoppe