仿生建筑設(shè)計(jì)中的數(shù)字圖解——以類細(xì)胞仿生建筑為例

鄒貽權(quán)，孟凡凱

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

生物學(xué)與技術(shù)的結(jié)合，是21世紀(jì)最大的創(chuàng)新之一。存在于自然界中的生物，大都是歷經(jīng)漫長歲月演化而形成，在形態(tài)功能方面具有一定科學(xué)合理性。這些優(yōu)美生物形態(tài)給建筑空間構(gòu)成和功能布局帶來新的靈感，使得設(shè)計(jì)師們開始仿照自然界中生物體形態(tài)和生長機(jī)理來進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。隨著建筑行業(yè)發(fā)展，建筑仿生已逐漸成為一個新課題，受到設(shè)計(jì)師和建造者的廣泛關(guān)注。

1 仿生建筑發(fā)展概況

在人類建筑歷史中，很早就已出現(xiàn)模仿自然界生物形態(tài)的建筑。例如最古老的建筑——“巢居”，即為古人模仿鳥類筑巢而建造[1](圖1)。西方文藝復(fù)興時(shí)期出現(xiàn)的希臘柱式，也是對不同年齡、性別的人體形態(tài)進(jìn)行了模擬[2](圖2)。

圖1 “巢居”

圖2 希臘柱式

隨著1960年仿生學(xué)的誕生，建筑仿生學(xué)作為其子學(xué)科之一，逐漸進(jìn)入人們的視野。它通過對自然界中生物構(gòu)成規(guī)律和生長機(jī)理進(jìn)行研究，來豐富和優(yōu)化現(xiàn)有建筑設(shè)計(jì)方法。早在1983年，德國人勒伯多就已編寫《建筑與仿生學(xué)》一書，促進(jìn)了仿生科學(xué)與建筑藝術(shù)融合發(fā)展，且為建筑仿生學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)[3]。

由于設(shè)計(jì)方法論與設(shè)計(jì)工具限制，傳統(tǒng)仿生建筑設(shè)計(jì)大多是以直覺式設(shè)計(jì)為主，直接或間接模擬生物形象，往往沒有對其原理進(jìn)行研究和計(jì)算，不能較精確地體現(xiàn)出自然界中生物體構(gòu)成規(guī)律，因此大部分仿生建筑在建筑形式與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面都存在一些問題。

到了20世紀(jì)中旬，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，人們對數(shù)字化理論的研究逐漸興起，建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域也不可避免受到影響。其中具有重要意義的是美國建筑師格雷格林恩引領(lǐng)的數(shù)字化建筑生成設(shè)計(jì)思想，他認(rèn)為建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該既體現(xiàn)設(shè)計(jì)理念，又響應(yīng)外部環(huán)境影響[4]。這種具有一定仿生傾向的設(shè)計(jì)思想影響了大量建筑師，建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域開始嘗試使用仿生算法進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)階段，建筑仿生學(xué)研究大多數(shù)內(nèi)容只是揭示研究方向及發(fā)展趨勢，并沒有對某一具體內(nèi)容進(jìn)行深入研究，也沒有形成一套系統(tǒng)理論與方法。為了促進(jìn)建筑仿生學(xué)發(fā)展，使建筑仿生逐漸脫離單純的感性與概念的層面，開始觸及到對生命特性及生長規(guī)律的模擬，就需要將數(shù)字化技術(shù)手段運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，探尋一種新型仿生建筑設(shè)計(jì)方法。

2 “數(shù)字圖解”在仿生建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

作為建筑設(shè)計(jì)的一種有效手段，“圖解”概念由來已久，最初圖解通常用來表示事物之間的幾何關(guān)系或者內(nèi)在聯(lián)系，是一種解釋、分析或演算的工具。隨著建筑學(xué)發(fā)展，圖解在不同階段被賦予不同功能和屬性。20世紀(jì)90年代中期，新一代建筑設(shè)計(jì)師將數(shù)字技術(shù)與圖解概念結(jié)合起來，利用編程技術(shù)將其移植到計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)圖解工具的數(shù)字化操作，成功地創(chuàng)造了新型建筑設(shè)計(jì)方法，取得革命性進(jìn)步。

數(shù)字圖解具有互動性及對話性的特點(diǎn)，可以被理解為一臺表示各種因素內(nèi)部關(guān)系的機(jī)器，將功能需求輸入，經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算，輸出可見形式[5]。對于仿生建筑設(shè)計(jì)而言，其目的也是通過某種方法，將科學(xué)合理的生物特性與生長規(guī)律轉(zhuǎn)化成各種可能的建筑形態(tài)，這一點(diǎn)與圖解過程類似。因此，引入數(shù)字圖解方法，可以有效防止建筑形式僵化，為設(shè)計(jì)帶來更多可能性。

對于數(shù)字圖解方法的應(yīng)用，徐衛(wèi)國在《算法與圖解—生物形態(tài)的數(shù)字圖解》一文中做了詳細(xì)的介紹，他在分析生物形態(tài)概念的基礎(chǔ)上，闡述了利用數(shù)字圖解將生物形態(tài)特征融入建筑設(shè)計(jì)中的方法[6]。這一新生設(shè)計(jì)方法顯然為仿生建筑設(shè)計(jì)提供了全新思路與科學(xué)途徑。

在仿生建筑設(shè)計(jì)中，為使建筑真實(shí)模擬自然界生物，首先需要根據(jù)生物形態(tài)繪制分析圖，從中辨析其關(guān)鍵特征點(diǎn)，然后將這些生物形態(tài)特征轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語言，進(jìn)而編寫成一套完整算法。通過自動計(jì)算就可生成多種不同的形態(tài)。在這一過程中再加入某些設(shè)計(jì)需求與限定條件，并通過測試不斷進(jìn)行算法優(yōu)化與迭代，即可從生成結(jié)果中找出具有美感的建筑雛形(圖3)。

圖3 數(shù)字圖解運(yùn)用過程圖

3 類細(xì)胞仿生建筑設(shè)計(jì)案例

細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)是指細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中在結(jié)構(gòu)、功能上相關(guān)，由膜圍繞而成的細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)。作為細(xì)胞生命活動的集中場所，細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)擁有上下貫通的空間組織形態(tài)，這使其具有一定流動性與靈活性。這些形態(tài)特點(diǎn)同樣是建筑設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，因此兩者之間存在可類比性[7]。高爾基體是真核細(xì)胞中參與分泌活動的重要結(jié)構(gòu)，其形態(tài)在細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)中具有一定代表性。本節(jié)將以高爾基體為例，闡述數(shù)字圖解方法的運(yùn)用過程。

3.1 形態(tài)特點(diǎn)

高爾基體由扁平膜囊和大小不等的囊泡組成，扁平膜囊是其最富特征性的結(jié)構(gòu)組分。通過原型分析圖(圖4)，得到其形態(tài)特點(diǎn)如下：1)高爾基體的主體是扁平膜囊，膜囊中間隨機(jī)出現(xiàn)不規(guī)則孔洞；2)多層扁平膜囊之間、囊泡與扁平膜囊之間均靠孔洞相連接；3)孔洞形態(tài)上下放大，中間縮小，是呈啞鈴型的空間形體；4)各孔洞之間如果相距較近，則會連接在一起生成復(fù)雜的空間曲面。

圖4 高爾基體形態(tài)圖

3.2 算法程序研究

根據(jù)以上特點(diǎn)，可以看出，要模仿高爾基體形態(tài)，關(guān)鍵點(diǎn)在于研究出孔洞形態(tài)的生成規(guī)律。這種孔洞形態(tài)是高爾基體在外部細(xì)胞液壓力和膜囊張力共同作用下形成的表面積最小的曲面形態(tài)，由此可以聯(lián)想到利用極小曲面來模擬這一形態(tài)。極小曲面是指在以給定曲線為邊界、加入外界條件的情況下，面積最小的曲面，其造型優(yōu)美，空間層次豐富，力流傳遞直接，具有極強(qiáng)的可塑性。

關(guān)于極小曲面的算法生成，一般可以按照初等數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式分為兩種——顯函數(shù)表達(dá)式法和隱函數(shù)表達(dá)式法[8]。以顯函數(shù)表達(dá)式為基礎(chǔ)，探尋極小曲面的參數(shù)化生成算法，對于建筑設(shè)計(jì)師來說更加容易實(shí)現(xiàn)。該類算法以微分法為基礎(chǔ)，將空間曲面分為N個等分，并將等分點(diǎn)按照確定的顯函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行變化，連接起來形成面，再對這個面進(jìn)行一定的平滑處理。具體的算法生成步驟見圖5。

圖5 極小曲面算法生成步驟

圖6 GHPython代碼

圖6所示的是基于GHPython制作的極小曲面生成工具，通過改變f端輸入的顯函數(shù)公式、level端輸入的細(xì)分份數(shù)、c端輸入的常數(shù)，可以得到多種不同的極小曲面(圖7)。同時(shí)，目前已有不少Grasshopper的插件，如MininalSurfaceCreator等，包含了生成極小曲面的功能。依據(jù)不同的算法，生成的極小曲面也不盡相同，建筑設(shè)計(jì)師可以通過改變參數(shù)與算法，不斷優(yōu)化，從而得到想要的造型。

圖7 多種類型的極小曲面

解決生成極小曲面的關(guān)鍵性問題后，即可按照以下步驟完成對高爾基體形態(tài)的模擬(圖8)：

1)建立分層折疊的曲面，并留出空隙，以此模擬高爾基體堆疊的膜囊；

2)在初始的扁平膜囊層間隨機(jī)畫出若干線段，作為膜囊間孔洞的基準(zhǔn)軸；

3)以基準(zhǔn)軸端點(diǎn)為中心，在原始扁平膜囊上做閉合曲線，曲線形狀隨意，但不能自交，且各曲線之間也不相交，各自獨(dú)立；

4)利用自制的Python電池或極小曲面生成插件，在對應(yīng)的閉合曲線之間做極小曲面，改變生成算法，選擇最合適的極小曲面造型；

5)刪除閉合曲線內(nèi)的扁平膜囊，使生成的極小曲面與原扁平膜囊共同形成新的連續(xù)曲面；

6)得到最終的高爾基體模型。

圖8 高爾基體形態(tài)生成步驟

3.3 建筑實(shí)例

通過對上述高爾基體形態(tài)生成算法進(jìn)行改寫，可進(jìn)一步得到造型豐富的形體，它可用于各種由面圍合成的、重復(fù)性較強(qiáng)的三維空間結(jié)構(gòu)，使其具有韻律感。利用該算法，可以將單純而規(guī)則的空間變?yōu)閺?fù)雜而具有變化的空間，將僵硬而無機(jī)質(zhì)的空間變?yōu)槿彳浀挠袡C(jī)空間。

位于臺灣的臺中大都會歌劇院是日本著名建筑師伊東豐雄的作品(圖9)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是一個由三度空間曲面構(gòu)成，猶如迷宮般連續(xù)的空間組織，具有與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)相似的形態(tài)特點(diǎn)。文章對內(nèi)膜形態(tài)算法生成的建筑雛形進(jìn)行了深化，即得到了類似于臺中大都會歌劇院的造型(圖10)。

圖9 臺中大劇院模型

圖10 高爾基體算法生成的模型

由此可見，作為細(xì)胞內(nèi)部機(jī)能組織一部分的細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)，在建筑形態(tài)、空間構(gòu)成等領(lǐng)域的仿生上具有現(xiàn)實(shí)借鑒意義，同樣也能為建筑設(shè)計(jì)師帶來全新設(shè)計(jì)靈感。

4 總結(jié)

將數(shù)字技術(shù)運(yùn)用至仿生建筑設(shè)計(jì)中，利用Grasshopper等參數(shù)化設(shè)計(jì)工具與編程技術(shù)，可以將“數(shù)字圖解”、“算法”與“設(shè)計(jì)”相結(jié)合，彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中不能較精確體現(xiàn)自然界生物體構(gòu)成規(guī)律的缺陷。通過類細(xì)胞仿生建筑中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用方式及案例分析，證明了仿生學(xué)與數(shù)字技術(shù)共同作用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以將生物形態(tài)特征轉(zhuǎn)化為建筑設(shè)計(jì)形體，提供邏輯性更強(qiáng)、形式更多樣的設(shè)計(jì)方案，極大豐富了建筑設(shè)計(jì)的形式創(chuàng)造領(lǐng)域。但與此同時(shí)，該方法的局限性在于形式生成規(guī)則具有特殊性，沒有上升到普適性的程度，同一算法用于不同條件的形式生成將產(chǎn)生一系列相近的結(jié)果，如何解決這一問題還需要各領(lǐng)域技術(shù)的密切融合與深入發(fā)展。