从数字建造走向新材料时代.doc

转载：从数字建造走向新材料时代编辑：LingBo|发表于：2012 年 9 月 6 日 07:05:52 |.| |我来纠错|发表评论.分类：文章.示意图 创盟国际详见图片及文字来源：创盟国际；原文发表于城市建筑201105，作者：袁烽/葛俩峰/韩力摘 要 随着新数字化建造技术的发展，形式主义者不再需要为了纯净形式的抽象性而舍弃客体的结构与物理属性，新的数字技术以及依托数字技术而生的数字材料在极大程度上实现了“物质性”与“形式性”的统一。数字材料与数字化建造技术通过相辅相成的发展实现了一种新的形式表达范式。关键词 新物质性 形式主义 数字化建造 数字材料 材料创新一、新形式范式：材料与物质性1剥离形式史观中的物质性与材料形式的起源是什么？我们如何发现新的形式？对于我们每天接触到的一切人造形式城市、建筑、各种产品甚至一块手帕，这些形式的基点是什么？好的形式是否拥有统一的标准？形式是否有唯一的起源来支撑其意义？我们创造形式，但同时又被形式所奴役。从建筑史的起点那些最原始的建筑行为开始，建筑师就不自觉地与形式发生着千丝万缕的联系。稳定三角型、黄金比例、柱式、拉丁十字、穹顶、底层架空、玻璃摩天翻开建筑史，很大一部分是由形式的变迁而得以叙述。为什么是形式，而不是建筑学无法避开的方面，比如说材料，可以实现对建筑史的概括？同时，为何每一个时代的建筑师，似乎其使命都是在寻找那个时代所独有的形式范式？就如那句著名的“形式服从功能”，每一个时代的建筑师都被形式辩驳的魔咒所束缚，这些辩驳似乎言之有理而且自圆其说，但同时又成为下一个时代弄潮儿的批判对象。而对形式的超然关注，必然带来对其他话题的弱化这既源于建筑师为了其形式范式纯净化的计谋，同时也是建筑理论家的慵懒习性所致其中，就包括建筑的物质性，或者说，材料的话题。2折点形式的语言与形式的范式物质性与形式剥离的过程似乎是隐性的，但却深深渗透在支撑我们过去几十年的设计文化中。形式不可能不涉及物理属性，这一本质性的思考不可能脱离材料而进行，但形式是如此强大（弱小？），以至于形式自主导致在过去几十年中主流形式与材料的脱离。对形式进行自主探讨的话题可以追溯到20 世纪70 年代布罗诺赛维（Bruno Zevi）对现代主义的回顾研究中。现代建筑语言（Language ofModern Architecture，1978）从“语言”这样一个非常具有20世纪中叶时代感的词汇来看，就可以看出即使赛维的研究起点不是形式，他肯定也将形式作为一个非常重要的对象来加以研究：当时语言学的核心问题就是语言形式的研究。书中赛维重申了众多现代主义的经典思路，似乎是在对形式加以限制，但他又强调建筑对于文化沉淀的贡献。他试图建立一个延伸现代主义解释的持续发展架构：重视设计中合理的技术工程支撑，主张建筑应该与周围环境相适应，适度地进行设计创新与表现。这些开放而普适的标准并没有限制形式，甚至在某个层面上为后现代主义的出现和壮大提供了支撑。同时，我们需要重新评估柯林罗（Colin Rowe）对于近代建筑史的潜在推动。那些经典著作，如完美别墅的数学（Mathematic of Ideal Villa，1947）、透明性（Transparency，1963）、拼贴城市（Collage City，1978）虽然不是本文所探讨的主要对象，但不可否认的是，罗通过始终如一的形式理论研究，潜移默化地影响了一代甚至几代建筑师，他提出的特定形式分析方法和初始类别设置建筑形式的模式投影在实际建筑操作中必然会带来形式主义倾向的建筑探索（虽然他本人从未这样表述过），并导致物质性的进一步削弱。形式与材料的剥离被极端化，白派建筑师与其说是在重复柯布西耶的早期理想，不如说是为了减少对其形式阅读产生的影响并使其形式神圣化。材料的物质性体现在建筑形式表达中出现了一个空白时期，或者说，完全陷于形式而不可自拔。从马里奥博塔（Mario Botta）预制整体砖模板到诺曼福斯特（Norman Foster）镀铬不锈钢晶莹剔透的眩晕感，都是忽略材料的物质本质后进行的创作，限于范式的材料运用只关心材料的外在表达，材料沦为一层表达设计向性的表皮。材料缺失适用的形式法则，或者说，材料缺失真正属于材料自身的形式范式。3形式与新物质性从生成走向新形式范式数字时代伊始，似乎更多的是材料物质性空白的延续。虽然直到今天，数字时代的脉络族谱关系还未得到清晰化整理，但无论是以克雷格林恩（GregLynn）为代表的图解理论延伸过来的一支，还是以弗兰克盖里（Frank Gehry）为代表的雕塑化的一支，还是以计算机学延伸人机互动为代表的一支，其起始点都与物质性无关。或者换句话说，数字化纸面建筑将“材料”逼到了建筑学的绝对边缘。但生成（Formative）理论的出现可能会通过对形式范式这一永恒话题别样的切入而使得历史上对形式范式的全部探讨变成过去式：形式不再具有唯一的最终标准，而历史上的各种标准只不过成为生成过程中的一个步骤；各种范式不再是相互对立的个体，而变成生成过程的一个因子；形式的范式不再是形式的起源，而变成形式生成的过程，这一过程在实现形式自主性的同时，实现的是形式的解放；建筑不再是单一的形式解读，而可以实现更多的意义附着以及物质性的表达。这样一种后形式范式的实现，必然带来建筑价值的再定义。物质性不再脱离形式而存在，物质成为了一种新的空间。今天，人们对新材料和新技术兴趣的增加及研究行为的增多极大地影响了建筑设计。因此，总体来说，事实上材料创新的动力在很大程度上受主流实践的研究和设计所影响。这种新的物质性似乎对当代设计产生了广泛而复杂的影响。它很快被当作一种风格和形式的表象而被吸收和同化，同时它与科学技术、设计深远而复杂的关联性似乎才刚刚开始一种新的物质性伴随着形式主义的结束而开始。我们的教育是通过优化实践的方式，通过任何物质来实现所有形式。这样一种创新的方式假定材料的形状是形式生成过程中的一个部分，可是当这一过程得以翻转的时候，我们发现将物质作为思考的起点，并不像我们通常的过程那样。形状，似乎始终支配着材料。柏拉图区分过两种形式，一种是关于客体的外在，另一种是关于客体的内在。后者更多是观念、知识或思想的形式。依照柏拉图所说，这两种概念反映了外在形式服从于客体形式创造的逻辑性。事实上，形式或形状的定义，在更大程度上关乎视觉和表象。作为先苏格拉底哲学家中的一员，泰勒斯提出形式随时间而变动的概念，指出了形式只是物体暂时的表象，该表象伴随着物体的语境、物质性与非物质性而变动。有趣的是，希腊人认为，“形式”作为一个单词，会在其形容不同的客体的时候具有不同的意义，而“物质”只具有唯一意义。换句话说，物质作为一个单词，毋须通过其他客体再现。作为这种逻辑的延伸，一个不考虑物质而单有形式的世界是一个外在的世界，只有物理属性才是反映本质的依据。很明显，形式这个词的本意，需要通过别的词才能得以解释。而“数字生成”作为今日的实践主体，正在成为一种物质与形式兼具的新形式范式。二、数字建造带动下的材料创新1.传统建造模式基于材料自然属性的建造建筑自身的物理属性使其与材料间紧密的联系成为必然。建筑师除了创造优美的形式外，总在寻找与之相适应的材料来使形式得以物化。传统的建筑方式中，局限于工具以及技术手段，材料的使用通常是以其自然的状态呈现出来，如石材，木材等的使用。人们在自然界中寻找可以与目标结构相应的材料，正是我们所谓的取法自然，建筑师或者说建造者通过观察到的外形、触摸到的质感、闻到的气味、敲打到的声音等判断材料的经济技术价值，以期将材料的性能发挥到极致。如果将传统建造方式归结为简单的垒砌和搭建，那么，像钢铁、玻璃、混凝土等大量用于工程建造的混合材料的不断发掘正是由于人们不再局限于使用切割、定形、聚合等方法加工处于自然状态的材料，而是更多地将多种材料混合开发新材料所得。然而即便是这样的一种混合得到的人造材料仍是基于材料自身的物理属性：石头永远是坚硬、不透明的；木头永远是不耐潮、不耐火的。这是由传统的手工建造方式所决定的。2.数字建造技术及由此引发的材料革新新模式工业技术及科学技术的发展使建筑师在材料的发掘与创造上有了更大的主观能动性，特别是近年来数字建造技术的发展，如计算机辅助设计、工业设计、制造设计（CAD/CAE/CAM）系统及数控加工（CNC）系统的不断完善，使得传统的建造材料已无法满足建筑师日益增长的审美及技术需求。一方面，三维虚拟设计技术的介入使建筑的形态有了较大的改变，如rhino、maya 等三维设计软件帮助建筑师完成更多非线性、曲面形态，这些自由的形态显然已经让传统材料及其使用方式束手无策，不管是发现新材料还是旧材新用，都要求我们在材料上有所革新；另一方面，数控加工技术介入施工建造使得材料的性能从根本上发生了改变，传统材料以一种全新的几何形态加入到实体建造中。无论是瑞士苏黎世联邦理工学院 （ETH）进行的机器人搭建砖墙实验（图1），还是哈佛大学设计学院（GSD）进行的水刀雕刻大理石的实验（图2），都为材料的革新提供了科学的例证；最重要的是由数字建造所带动的工业制造业等跨学科专业团队也介入到新建材的开发研究中来，工程师、科学家们根据建造的需要不断打破常规，发明、创造出各种颠覆传统材料属性的建材，如半透明石材、曲面玻璃等。国内的数码建材厂商如E-Grow 自主研发的玻璃纤维加强石膏板（GRG）、玻璃纤维加强树脂板（GRP）等（图3），在制作非线性曲面模板时更好地替代了传统的木板等材料，具有便于脱模、表面更光滑、误差更小的特点。由此可见，数字建造技术的发展不但给我们带来了建筑在形式及空间上的突破与创新，更为材料的革新提出了新的要求。正如文章前面提到的，形式的表达归根到底其实是材料的物质性体现。很明显，巧妇难为无米之炊，先进的生产建造技术需要有先进的材料为其提供物质上的支持。MIT 学者内里奥克斯曼（Neri Oxman）的硬壳体桌（图4）正是通过一种全新的施工技术建造出来的。该技术支持将目标外层面引入结构。与建筑物外层的传统设计相反，将内部结构骨架和非承轴外层元素区分开来，推进了不同材料的混合使用。硬壳体桌的结构受力蒙皮使用奥罗诺伊（Voronoi）的类型，其密度与模拟的负荷条件相对应。抗剪应力线分布和表面压力体现在建筑表层的叶脉状纹理中，表现在它们的布局和相关厚度中。原始模型是3D打印（利用目标物的聚喷铸模技术），通过该手段将结构件转至多种多样的3D打印件。这种创新技术让我们能在一个简单的形体中印出零件和组装件，这些部件可由多种不同的材料制成。此外，还能通过机械件预先组合造出合成材料。3.常用数字建造方法我们前文中已经分析了数字建造技术介入设计建造带来的材料革新。新型材料通常是伴随新的建造加工手段出现的，数字建造的手段是多样的，或许每一种方法都为材料革新提供了一次契机。国外著名学者丽莎岩本（Lisa Iwamoto）在数字建造（Digital Fabrication）一书中将数字建造方法归纳为以下几种（图5）：1）断面（sectioning）通过一系列纵断面的组合形成整体框架，断面的尺寸、形状、空间节点均通过三维模拟得到。断面构件通常是作为结构构件出现，由于形态的非线性特点，要求我们寻找易于加工成弧形的坚硬承重材料或者便于镂空加工的板材。2）嵌片（tessellating）将完整的几何形体拆分成易于加工的细分面，在工厂批量加工生产完成后在现场装配完成。东京空域（airspace tokyo）的双层外壳采用了铝和塑料合成材料，通常这些材料用于大型公告牌的制作。3）折叠（folding）将二维平面构件如木板或铝板弯折加工成三维的几何形体，或将三维形体在特定框架中折叠组合得到需要的形体。PTW 建筑事务所的天堂入口展亭（entry paradise pavilion），通过展开的特质尼龙膜结构折叠组装而成空间的曲面喇叭状连接物。4）等高成形（contouring）通过等距高度上的断面薄片叠加而成。当然，通过数控加工机床（CNC machine tools）的平行加工模式或者3D 打印机加工完成的建筑构件也在这一类中。最典型的便是3D 打印机所使用的材料以及用于数控加工机床加工的材料，它们不限于传统材料，弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等都可供选择。Urban A&O 工作室的骨墙（bone wall）正是通过五轴CNC 对中密度压型板材的加工组装而成。5）发泡（forming）通过大量的细分构件的组合装配完成，构件的成形方式可以为C N C 刻模浇筑而成。这里所说的筑模材料显然不是混凝土之类的传统材料，佛罗伦西亚皮塔（Florencia Pita）的展品爱丽丝（Alice）便是通过将PETG 混合黄色乙烯基材料，往数控机床加工好的模具中倒模而成。所有这些都告诉我们，材料的创新并不是单一的发现过程，需要结合实际建造需要去发掘，创造更廉价、高效的材料或者寻求贵重、稀缺材料的替代品。示意图 创盟国际图6、7、8、9、10、11、12三、材料创新带动下的数字建造1.传统材料革新模式发现与突破除了新开发的材料，如化学合成材料等，更多用于建造的是传统材料以及在其基础上发展而来的新性能及新用法，这一过程看似简单，实际需要对某一种材料有深刻、透彻的了解才可能作出革新。是不是可以改变混凝土的透明度和颜色、是不是可以改变塑料的形状以适应多变的环境等类似的话题充盈建筑师的耳畔，这要求建筑师对材料的易变性、复合性、不透明性、透明性等性能熟知，并在此基础上思考是否可以通过内外因的直接刺激（如光、热、机械力）来催生一种新型的适用于实际建造需要的材料。当然社会的分工决定了建筑师已不是材料的发明者，而是材料的发现与使用者。正如旧时代人们需要从自然环境中寻找可用于建造的材料一样，如今的建筑师要学会在各个专业内发现可直接应用或经过简单加工便可使用的材料。就像人们看到帆船想到用帆布搭建简易帐篷慢慢发展到现在多种多样为建筑广泛使用的膜结构，材料的革新是在不断的发现与突破中慢慢发展的。2.传统材料革新实践材料的价值高低并不在于新旧，一个好的建筑师可以通过特定的建造方法给一种普通材料以新的生命。近年来，笔者在数个实际建筑项目中对砖这种传统材料的创新使用让我们对传统材料革新有了新的认识。四川成都非物质文化遗产园兰溪亭墙体采用传统烧制的青砖，用新的砌砖工艺对面向园林的墙进行透空处理，展现在光影下，砖的纹理具有水的流动感（图6）。采用钢木结构，根据现代结构材料特性，展示传统木结构建筑的美学特性。同一园区中的土楼的曲线墙体亦采用传统烧制的青砖，运用挑砖、切砖及模数化的方法，用参数化手段使曲面墙体在光照下，从底部到顶部发生各种渐变，产生由方到圆、由直到曲、由光滑到凹凸等新的视觉效果。建筑的外窗采用钢板外框，更使自然光线透过厚砖墙投射进来。近来为各大网络及媒体报道的上海五维创意园绸墙（图7）的设计出发点更是使用最传统、最便宜的空心混凝土砌块体，力图表达具有丝绸质感的丝缎效果。面对这样一堆在中国农村或工业厂区中常见的空心混凝土砌块单调的形式、并不赏心悦目的颜色、可以预想到的施工与操作的难度建筑师希望能用新技术创造出与传统有别的形式，让传统的空心混凝土砌块焕发新的活力。同时，其质感粗糙的材料特质也与老工业厂房非常契合。3.从材料特性出发，分类解读材料创新随着新材料日新月异的涌现，我们将众多的材料根据其最终所呈现的状态简单归纳为以下几种：1）过度型材料（ultraperforming）材料的革新总是通过突破极限产生的，过度型材料通过对材料的再加工使得材料呈现更坚硬、更轻、更耐久等优良特征。虽然相对来说也更贵，但是它所能达到的效果无法替代。精选纸业（Precious Pieces）通过羊皮纸加入桑树纤维而生产出更大、更精美的人造纸墙（图8）。根据需求，纸墙的纹理可以被生产成不同肌理，用于住宅隔墙、展厅展墙，亦可嵌入玻璃作为屏风。2）多维材料（multidimensional）材料的物理属性是三维的，我们可以将一些平时被我们看作是平面的板材通过叠加、垒砌等方法达到结构上的稳定，形成一种全新的多维材料。斯蒂芬妮戴维森（Stephanie Davidson）设计的陶瓷墙（图9），通过熔铸的方法形成自然柔和的形式，并非雕刻而成，很难复制。用于墙面装饰，可以是单块形体的突变，也可以是大幅图案的分割块，丰富多变，可塑性强，个性突出。3）再利用材料（repurposed）通俗一点就是废旧材料再利用，通过简单的加工给材料新的功能、新的生命。丽莎岩本的光纤室装置（图10），使用光纤材料，目的是将室外的光线通过光纤引入室内，光纤被装成自由的形态，光线柔和地洒入，形成独特的光线效果。夜晚，人造光源的引入更是可以产生虚无缥缈的感觉，还可根据主人的喜好，随时调换颜色。4）重组材料（recombinant）通过两种或多种材料的混合形成新材料，优势互补。一种名为Litracon 的半透明混凝土材料（图11）是将光纤和混凝土混合而成，既可以作为承载构件，又有透光的功能，唤起我们对材料的重新思考。如内里奥克斯曼的“笛卡尔蜡”（图12）就是被设计用来取代活组织的多种功能的一种材料。这种材料能够对于结构和环境因素作出反应，20个固定大小的树脂外表皮组装成一个连续统一的系统，具有刚性或灵活性等多样特征。树脂外表皮是结构性复合材料，是液态树脂的混合物。它是一个连续的肌理系统，这种肌理表皮更生态，并且能够与所在环境互动，它会根据基地的温度和光照调整自己的透明度，会在需要支撑的位置加厚。5）智能材料（intelligent）可以感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的具有智能特征的材料。O M A 设计的Prada 专卖店的室内墙体（图13）由聚亚安酯材料熔铸而成，模具由C N C 加工雕刻而成，通过镂空形成虚与空的对比，让光线可以从空隙中透射出来，材质呈现出半透明状，在没有光源的时候展现出丰富的层次感。6）转变材料（transformational）一种可以自由变换形式的材料，当然需要在内力或机械力的作用下改变它的形态。MIT 建筑实验室的超表面庇护装置（aegis hypro-surface）（图14），可通过机械抓手对三角钢片进行固定；可以通过机械杆件的运动形成动态的表皮；通过后台计算机的操控，表皮形态可以根据人或物的接近做出相应的反应，或凹进或凸出，赋予坚硬冰冷的钢片动态的质感，转变人们对它的一贯认识。7）界面材料（interfacial）这类材料可以通过视觉上的错觉创造一种虚拟的感觉，它介于虚拟与现实之间。借助三维虚拟技术，内里奥克斯曼将二维的小尺度构件形象化，重构成三维大尺度拓扑形态，使材料呈现出压力、张力、热流、温度变化等形态（图15）。她的光线展示装置（raycounting）（图16