淺談數(shù)字化技術影響下的當代建筑設計

林欣荷

（福州大學至誠學院， 福建 福州 350002）

0 引言

如今,在科技進步的大背景,尤其是以數(shù)字化技術為核心的推動下,傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術、人們的生活與思維方式被徹底變革。這些新的技術向傳統(tǒng)的理論與實踐發(fā)起了沖擊與挑戰(zhàn)，促使建筑設計的手段、創(chuàng)意、形態(tài)和建造方式都有很大程度的變革。

1 數(shù)字化建筑技術概念

建筑設計行業(yè)擁有悠久的歷史，發(fā)展到今天所包含的技術要求越來越高。建筑設計的方向不再是傳統(tǒng)簡單的平面生成，其空間結構和表皮肌理都趨向復雜化，所以利用數(shù)字化技術推進項目的各個環(huán)節(jié)是近年來建筑業(yè)不斷被推崇的方向。

從廣義上來講，數(shù)字化建筑技術(Digital Design Technology)，是將各項復雜多變的建筑信息轉化為數(shù)字輸入計算機，利用電腦優(yōu)于人類的計算和數(shù)據(jù)處理功能(Computation)，將數(shù)據(jù)生成特定的邏輯，處理解決建筑中某些問題所提出的方法[1]。目前，數(shù)字化建筑技術可以拆分為數(shù)字化設計(Digital design)和數(shù)字化建造(Digital Fabrication)兩部分。

2 數(shù)字化技術對建筑設計工作的價值

建筑設計在不同的歷史階段、生產(chǎn)水平，制圖的流程和手段有很大的區(qū)別。過去，建筑師僅能依靠自身有限的水平完成整個設計的構思，從抽象概念到草圖成果，這些想法和思路的實現(xiàn)包含諸多的實際工作，需要大量時間來完成，經(jīng)常使得建筑師耗費精力，靈感消失，存在諸多的不足。數(shù)字化技術的出現(xiàn)，為設計師們提供了新的設計媒介和方法，建筑設計成果逐漸由二維圖紙轉變?yōu)槿S立體模型，為設計師提供靈感，繪制圖紙，梳理思維，且可以不斷提升技術水平以改善先進的結構體系和設計。目前已廣泛滲透各國建筑行業(yè)為設計師提供新的方向與高度。

3 數(shù)字化技術輔助下的建筑設計與建造

3.1 操作與互動

傳統(tǒng)設計中，建筑師習慣于利用草圖和模型來協(xié)助推敲設計方向。二者在初期輔助建筑師的設計思維，獲得設計靈感有一定幫助，但是進入深入優(yōu)化階段顯得后勁不足。草圖繪制受到設計師自身的手繪能力的限制略顯不便，實體模型雖更加直觀但制作耗時長且修改不易。伴隨數(shù)字化技術的介入，建筑師可以在計算機建模的基礎上發(fā)現(xiàn)空間關系與建筑形體的不足進行快速直觀的修改，推進設計的深度。在這樣的設計流程中，建筑師與數(shù)字化設計手段能夠建立良好的互動關系，使得建筑設計中對繪制圖紙技巧的要求降低，讓建筑師能集中精力研究建筑本身的可行性和設計的創(chuàng)造性上。

3.2 場地分析預測

在進行建筑設計之前，建筑師都會以實地勘探的方法，了解項目所處的自然環(huán)境及文化背景，比如場地的地形、地貌做出專業(yè)的基地分析。傳統(tǒng)場地調(diào)研中，地質(zhì)狀況復雜的項目對于建筑師的設計來說有一定的難度，需要綜合考慮不同元素來解決場地問題。日前，設計師可以將數(shù)字資料輸入計算機，利用OpenSite Designer 等軟件來處理算法模擬設計場地，評估整體項目以及地形地貌情況以避免決策上的重大失誤。

3.3 計算機軟件對思維概念的啟發(fā)

傳統(tǒng)的建筑設計由設計師在腦中構思大致的方向、結構和形體，隨后利用手繪圖紙輔以文字解釋等方式來闡述設計成果，依據(jù)此法，設計師所能傳達的內(nèi)容非常有限，需要專業(yè)人員進行深度解析才能理解原本的設計理念。近年來，各類建模及參數(shù)化軟件取得突飛猛進的成果后，極大地刺激了建筑師的創(chuàng)造性思維，對于設計的表達也有了很好的輔助，建筑師們開始嘗試拋棄原先單純對傳統(tǒng)工具的模仿，根據(jù)不同項目特點，結合計算機程序及人腦的經(jīng)驗將設計邏輯化，以數(shù)理邏輯、幾何形態(tài)為基礎，為創(chuàng)造性思維帶來新靈感。目前，數(shù)字化技術應用已突破僅是輔助設計的范疇，建筑師可以直接利用軟件進行創(chuàng)作與構思，計算機內(nèi)在的邏輯或某種語法的可能性可以視為設計概念的起點，由此產(chǎn)生大量嶄新的建筑形態(tài)、結構，顛覆了傳統(tǒng)建筑的審美認知。

3.4 數(shù)字化技術影響下的空間與立面

現(xiàn)代建筑中，建筑的空間結構和形體是兩個重要元素，結構圖底的轉變，墻體解放使得立面不再受最初的美學所影響和制約，而是與內(nèi)外空間關系相關。隨著設計空間趨向復雜與多樣化，建筑師對抽象空間的把握受限，需要利用數(shù)字化模型以及渲染模擬技術來推敲完善。例如，使用AutoCAD 繪制平面圖底，再用SketchUP/Rhino 等軟件建模，最后導入各類渲染軟件展現(xiàn)設計成果。數(shù)字化技術影響下，各類軟件從輔助繪圖轉向輔助設計的階段，建筑師可以利用軟件輔助推敲場地與建筑形體的關系來確定最終的造型，實現(xiàn)空間與形體關系的和諧統(tǒng)一，幫助建筑師改變先表皮后空間的設計習慣，使得建筑形式更加自由化

3.5 數(shù)字化技術影響下建筑形態(tài)的演變

數(shù)字化技術的更新促使建筑師對空間形態(tài)的把握創(chuàng)造更加多元。在傳統(tǒng)建筑流程中，建筑師完成造型設計的力量有限，難以創(chuàng)造實現(xiàn)較為復雜的建筑形體，而異形建筑的施工過程也步履艱難，導致過去建筑形態(tài)呈現(xiàn)較為單 一的形態(tài)。近年來，數(shù)字化技術的興起使得復雜不規(guī)則的建筑形體有了理論和技術的支撐，通過數(shù)據(jù)分析運算，建筑師可以精準地控制幾何形態(tài)的數(shù)理邏輯，并且選用較為優(yōu)越的設計方案實施建造，至此，許多看似不可能的建筑構想成為現(xiàn)實。

例如，善于運用參數(shù)化手段的建筑大師扎哈·哈迪德將早期雜亂的建筑風格轉向大體量、極具流線和曲面的形態(tài)特征。她所設計的作品通過獨特的設計方式進行展現(xiàn)（圖1），如流線型的曲面表皮，利用軟件對建筑復雜精準的結構進行測算，借助建筑外表皮對建筑結構進行支撐，讓建筑空間能夠呈現(xiàn)出更加完整的幾何效果，具有很高的藝術價值[2]。

圖1：北京大興國際機場（扎哈·哈迪德設計）

3.6 數(shù)字化輔助在繪圖上的優(yōu)勢

近幾百年，建筑行業(yè)主要以手工繪制建筑圖紙為主，隨著計算機技術提高，設計人員從傳統(tǒng)機械性繪圖的艱辛中獲得了解放，建筑行業(yè)逐漸向電子出圖的可視化方向發(fā)展。數(shù)字化技術提供的繪圖平臺大大縮短了設計周期，在保留設計靈感，提高工作效率和繪圖質(zhì)量方面也有不可小覷的作用。與傳統(tǒng)的手工繪圖相比，計算機制圖高效的數(shù)據(jù)處理能力能提升繪圖速度和出圖的精度，同時使用各類建模軟件能夠很好地完成從二維圖形到三維空間的轉化。例如Rhino，SketchUp 和Maya 等建模軟件和3D 渲染軟件為設計師提供真實清晰的圖像，并確保圖紙細節(jié)完整，提升了建筑設計的整體水平。

3.7 數(shù)字化技術對建筑方案的優(yōu)化功能

一般來說，初步的建筑設計圖紙通常依賴于建筑師自身的想象力和大量的工作經(jīng)驗得出，在每個環(huán)節(jié)肯定存在不足之處。因此，方案優(yōu)化是設計過程的一項中心環(huán)節(jié)，使用數(shù)字化技術的輔助功能，可以快速修正圖紙，不斷地根據(jù)外部環(huán)境來改變建筑物的組合方式，有效進行整體調(diào)整，統(tǒng)一設計成果的材質(zhì)、功能、布局、造型等。同時，在不斷優(yōu)化調(diào)整中，設計師們也能夠根據(jù)數(shù)字化技術提出的各項數(shù)據(jù)來調(diào)整分析建筑的合理性。

如今，用于建筑設計的輔助軟件主要有繪圖類、建模類與編輯類來互相協(xié)調(diào)完成建筑設計圖紙等成果。當草圖制作完成后，利用數(shù)字化技術，可以將設計的項目置于場地進行環(huán)境模擬分析，利用計算機給出的數(shù)據(jù)輔助判斷現(xiàn)有設計是否符合場地要求，從而在設計階段給予建筑師修改方案的機會而不必在后續(xù)建造過程中消耗額外的精力與費用去解決缺漏。

3.8 數(shù)字建造 （細部（構造、材料）與）

自九十年代來，機械化技術轉向數(shù)字化技術的過渡，改變了工業(yè)領域的根本模式，建筑數(shù)字化更新了人們對建造的理解，傳統(tǒng)的手工藝操作邏輯被輸入計算機，利用算法和數(shù)據(jù)來制定一套完整的流程，將過去手工建造的方式和數(shù)字建構融合在一起。[3]數(shù)字技術下的空間可以實現(xiàn)無限的多樣性，有助于異形及復雜構造進行快速、準確的建筑制作。同時，由于計算機的控制，整體建筑只需要在必要的地方使用材料，實現(xiàn)更少的用料和更低的自重。目前，除了傳統(tǒng)的澆灌倒模方式，數(shù)字化技術在前言建造平臺上主要提供了3D打印、機械臂及數(shù)控機床技術：

1）3D 打印

3D 打印技術由于利用特定的材料和膠水制造，故而在模型制作過程中可以掩蓋很多結構和交接的問題，進行快速制模輔助設計。此外，3D 打印技術的進步也促使3D 渲染和3D 建模技術不斷更新完善，設計師能夠在3D 空間中準確地重新創(chuàng)建對象。2019年蓬皮杜中心在“生活的結構”展覽中的兩座3D 打印生命雕塑（圖2）即采用大尺度、高精度的3D 打印技術進行計算、設計并制作。

2）機械臂技術

在數(shù)字化的進步下，建筑師與機械設備之間的關系在蓬勃發(fā)展，2006年，蘇黎世聯(lián)邦理工學院進行了人工到數(shù)字制造之間的探索，利用機械臂與磚來制造編程墻(圖2)。與傳統(tǒng)泥工不同，機械臂無需進行手工測量，它可以以不同的方式定位每個單獨的磚塊,通過定義墻壁的幾何形狀和構造邏輯，設計師能對機械臂進行有序的組織，從而排列出最終編程墻的造型。

3）CNC 技術

數(shù)控機床技術(CNC)系統(tǒng)最早應用于航天領域，自1990年代中期才逐漸引入建筑行業(yè)，它具有強大的數(shù)控切割功能，可以用于木材，復合材料，塑料等切割，隨著數(shù)控機床技術的不斷發(fā)展，它改變了建筑領域設計和建造的方式（圖2），由于其具有極高的精確度，在建造的過程中無需螺絲或可見的金屬制品就能保持結構的堅固性，非常易于建造和拼裝。

圖2：數(shù)字化建造實踐

4 結論

在社會新的發(fā)展時期，數(shù)字化建筑技術日趨完善，為建筑界帶來了更多的可能性和實現(xiàn)的途徑，極大地推進了建筑設計的發(fā)展。日前，建筑的完善不僅可以依靠建筑師個人的能力，還能通過現(xiàn)代科技、及不斷更新的計算機軟件輔助技術等為建筑師提供整體化、多角度的思維方向以及圖紙模型的技術實現(xiàn)，通過數(shù)字化技術，設計師能利用計算機進行建筑的分析、設計和優(yōu)化來完成建筑的平面及三維成果，使整個設計流程更加科學合理。利用不同的運算法則建筑的形體和空間更加復雜多變，顛覆了傳統(tǒng)建筑設計中靠人腦和紙上研究所不能達到的創(chuàng)新高度。數(shù)字化技術促使現(xiàn)代建筑設計的思想和方法有了極大的轉變，建筑師可以通過算法設計、數(shù)字化建造技術等方面獲得新的視野。此外，各類計算機輔助軟件的誕生在提升工作效率和精度、降低工程的成本、建筑制圖、設計成果上帶來了翻天覆地的變化。因此，在未來建筑設計中應充分融合應用數(shù)字化技術，使得高端制造化建筑、大數(shù)據(jù)與人工智能想結合，帶領建筑行業(yè)走向新的高度。