數(shù)字建造的線性建筑實(shí)踐：以傘亭為例

曾忠忠

張波

一、數(shù)字建造旋風(fēng)中的迷思

數(shù)字建造所掀起的旋風(fēng)既是視覺的，也是理論的。當(dāng)我們并不陌生的數(shù)字模型附加建造、經(jīng)濟(jì)等信息，加上形體生成技術(shù)和建筑打印技術(shù)的加持，一直延伸到建筑物生成，形成連通設(shè)計(jì)至建成的全過程范式[1]（圖1）。數(shù)字模型不再只為設(shè)計(jì)師分擔(dān)煩瑣計(jì)算、信息存儲、圖像和模型制作等任務(wù)，甚至也不僅是一種設(shè)計(jì)推敲工具，而成為設(shè)計(jì)的運(yùn)算結(jié)果和建造依據(jù)—數(shù)字建造影響下的作品視覺上的夸張性和自生形性幾乎使這種范式的先鋒性不證而自明[2]。從1977 年至今的出版物中，一批有先鋒意識的設(shè)計(jì)師已經(jīng)籍由數(shù)字建造流程完成了成熟的作品[3][4]（圖2、圖3）。建筑師欣喜之余，也因其變革的顛覆性感到無所適從，體現(xiàn)在三種迷思中。

圖1： 由機(jī)械臂輔助建造建筑構(gòu)件

圖2： 布加纖維館（ICD/ITKE 斯圖加特大學(xué)）

圖3： 烏鎮(zhèn)“互聯(lián)網(wǎng)之光”博覽中心紅亭

第一，“自生形性”帶來設(shè)計(jì)師角色迷思。通過簡單的參數(shù)設(shè)定和調(diào)整，數(shù)字模型的形態(tài)生成比起設(shè)計(jì)師的構(gòu)思要迅速得多、豐富得多、復(fù)雜得多[5]（圖4）。這帶來的問題是：數(shù)字建造是否意味著未來可以由機(jī)器“自動”生成建筑？建筑師會不會變成“多余人”？大多數(shù)建筑師在數(shù)字建造的范式中，應(yīng)該處于何種地位？[6]

圖4： 基于參數(shù)調(diào)整生成的多種建筑

第二，“非線性”帶來類型適用性迷思。由于“非線性建筑”充分發(fā)掘和展示了數(shù)字建造的潛力[7]，這使得人們不自覺地將數(shù)字建造和非線性設(shè)計(jì)相等同；掩蓋了數(shù)字建造范式從性能模擬、數(shù)控建造[8]等方面沖擊既有設(shè)計(jì)過程的廣泛潛力。鑒于在可以預(yù)見的未來，大多數(shù)的建筑仍然會以“線性”的邏輯和面貌出現(xiàn)，數(shù)字建造對于“線性設(shè)計(jì)”的觸動性問題就顯得更具有緊迫性。

第三，數(shù)字“可能性”帶來廣泛建造性迷思。作為一種新的設(shè)計(jì)范式，必然應(yīng)該具備普遍的適用性。[9]而作為一種連通建造過程的范式，數(shù)字建造概念和建造有關(guān)的種種特性是相對模糊的。當(dāng)數(shù)字模型成為一種貫通設(shè)計(jì)、制造、裝配的媒介，建造的精度、效率、深度等概念應(yīng)該成為聚焦討論的內(nèi)容。以此為基礎(chǔ)，數(shù)字建造對于整個(gè)建筑業(yè)（而不僅僅是創(chuàng)造過程）的撬動值得關(guān)注。

二、傘亭案例

本案以一座小型建筑“傘亭”為例，考察“線性設(shè)計(jì)”的數(shù)字建造過程。該項(xiàng)目是北京交通大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院空間擴(kuò)展工程的一部分。在北京市內(nèi)嚴(yán)格的建設(shè)控制條件下，只能選擇教學(xué)樓南側(cè)的一塊寬7m、長64m 狹小地塊，根據(jù)前期的師生公眾參與，建造一處以展覽、交流性質(zhì)為主的開放構(gòu)筑物（圖5）。該項(xiàng)目依循數(shù)字建造的原則于2018 年5 月完成了設(shè)計(jì)建造。此后多次被邀請參加全國專業(yè)的木構(gòu)展覽（如中國建筑科技館展出的“木構(gòu)新景：從材料、建構(gòu)到雙碳背景下的新未來”“數(shù)字建造+設(shè)計(jì)邏輯”廣州、深圳、武漢等城市等專業(yè)展覽），獲得了國內(nèi)國際多個(gè)專業(yè)獎(jiǎng)項(xiàng)（如中國優(yōu)秀木結(jié)構(gòu)工程獎(jiǎng)、美國景觀協(xié)會建成榮譽(yù)獎(jiǎng)、優(yōu)秀建筑獎(jiǎng)等），也受到了國際主流設(shè)計(jì)刊物的關(guān)注（如Landscape Architecture Magazine雜志主編專門在該刊2020 年第1 期撰文介紹），顯示出一定的類型代表性。

圖5： 傘亭區(qū)位

本文從以下七個(gè)階段中，考察下數(shù)字建造過程中設(shè)計(jì)媒介、工具、人三者之間的關(guān)系（圖6）。

圖6： 傘亭數(shù)字建造平臺

1.基地?cái)?shù)字化

對基地環(huán)境進(jìn)行三維掃描、清理后建立場地信息Rhino 模型，充分反映了場地的復(fù)雜性。精確還原教學(xué)樓邊僅7m 寬的地塊上11 棵高度約14m 的闊葉楊樹及基地南緣8 棵高度達(dá)10m 的銀杏樹，準(zhǔn)確定位8 個(gè)需要隨時(shí)打開檢修的污水井（圖7）。

圖7： 基地信息

2.多方案比較

團(tuán)隊(duì)前期設(shè)計(jì)了22 個(gè)方案，包括：集裝箱建筑7 個(gè)，混凝土建筑3 個(gè)，裝配式木制建筑8 個(gè)，非裝配式木制建筑4 個(gè)。比起單純模擬空間感受的3D 建模，數(shù)字建造平臺在方案階段實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)決策，將形態(tài)和空間評估置于造價(jià)、建造、時(shí)間等評估因素下（圖8）。排除造價(jià)昂貴的集裝箱方案（單方5000 元，近200 萬元的總價(jià)）、建造時(shí)間相對長的混凝土方案（施工作業(yè)需2 個(gè)月周期，干擾正常的教學(xué)秩序）、場地氛圍薄弱的折板方案，最終選定單方造價(jià)2000 元、生產(chǎn)運(yùn)輸及建造可控制在一個(gè)月內(nèi)完成的膠合木裝配式“線性”方案。

圖8： 多元方案比較

3.方案確定性

本案趣味在于，在約400m2的狹小場地中，將19 棵樹木全部保留，于樹木和8 個(gè)污水井（及其管道）的復(fù)雜條件中發(fā)展出合宜形式。以與樹林共生為造型出發(fā)點(diǎn)，本案的確定性既包括網(wǎng)格形和網(wǎng)格尺寸的設(shè)計(jì)，也包括設(shè)計(jì)建造合理性的結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)。經(jīng)過不同網(wǎng)絡(luò)形的對位、核對、調(diào)整，確定了垂直柱支起等邊三角形組成的六邊形傘的方案。以三角形為基本模塊劃分場地，2.5m 的等邊三角形網(wǎng)絡(luò)能保證結(jié)構(gòu)柱基礎(chǔ)避開樹干及管井。傘亭的二級主梁將六邊形傘連接成一個(gè)整體；最后確定屋頂?shù)牟馁|(zhì)，增加副梁（圖9）。

圖9： 傘亭設(shè)計(jì)方案的推敲步驟

4.結(jié)構(gòu)的演化

結(jié)構(gòu)深化采用Grasshopper 作為Rhino的可視化編程插件，包含有建筑的參數(shù)信息，通過參數(shù)修改完成建筑形態(tài)的更進(jìn)。采用3D3S 進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力模擬分析（圖10），將柱跨由8m 變更為6m，并調(diào)整主次梁關(guān)系，形成新的建造框架（圖11）。

圖10： 傘亭受力分析

圖11： 最終傘亭方案結(jié)構(gòu)各部分的對應(yīng)關(guān)系

5.“裝配的演習(xí)”

數(shù)字建造平臺提供“裝配的演習(xí)”，不僅從空間創(chuàng)造和構(gòu)筑物本身的比例對單元傘跨度大小、主次梁厚度、傘柄木柱的高度、拼裝木柱膠合木單元片厚度進(jìn)行調(diào)整（圖12）；也對這些構(gòu)建的裝配關(guān)系給予檢驗(yàn)。本案金屬鏈接件片狀部分需插入木梁中，同時(shí)要滿足水平面上六個(gè)軸線向度；“裝配的演習(xí)”能夠有效避免細(xì)部可能發(fā)生的裝配打架，最終發(fā)展出新型的六邊形飛翼五金連接件（圖13），將“隱藏五金件翼、半現(xiàn)聯(lián)結(jié)邏輯”的建構(gòu)意味展現(xiàn)（圖14）。

圖12： 單元傘亭細(xì)部設(shè)計(jì)

圖13： 梁柱細(xì)部分解示意圖

圖14： 剖面示意圖

排水問題，模擬了六個(gè)向度的L 形木單元1%的坡度，雨水通過中間“傘柄”流到下層架空的地基，成為地下水補(bǔ)充。照明電路則遵循隱藏的思路，在不改變每片木梁完整性的前提下，將電路完全隱藏在中間的“傘柄”核內(nèi)（圖15）。

圖15： 電與水系統(tǒng)示意圖

6.機(jī)器臂打印

工廠用無紙數(shù)字模型直接導(dǎo)入膠合木切割系統(tǒng)，計(jì)算操作順序切割。傳統(tǒng)的人工切割L 形片狀柱難以做到每片柱子完全一致，鉆取螺栓孔洞也存在誤差：幾層誤差疊合起來，不得不在組裝現(xiàn)場進(jìn)行切割調(diào)整，耗時(shí)且細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也無法實(shí)現(xiàn)。機(jī)械臂切割精度達(dá)到0.1mm，同類構(gòu)件保持高度一致，細(xì)部實(shí)現(xiàn)具有保障。本案的L 形片狀柱，一名工人一天生產(chǎn)2 根；一個(gè)機(jī)械臂則全天可生產(chǎn)10 根，加工效率提高5 倍。構(gòu)件盡可能工廠預(yù)制，一周內(nèi)生產(chǎn)72 片L形片狀柱，130 根梁，243 根龍骨，12 根立柱；焊接完成五金件99 個(gè)，配套螺桿2380 套。

7.現(xiàn)場裝配

傘亭施工流程包括：構(gòu)件編號、運(yùn)輸、裝配。組裝內(nèi)容包括：柱點(diǎn)定位、翼梁安裝、主梁安裝、次梁安裝、屋頂防腐掛板安裝、屋頂三角玻璃板安裝、防水卷材安裝和玻纖板安裝。細(xì)部設(shè)計(jì)考慮了木材在氣候、運(yùn)輸條件下的形變，在加工階段預(yù)留了誤差范圍，裝配實(shí)現(xiàn)了一次成功。數(shù)字模型方便施工人員查詢模型信息，執(zhí)行施工程序，成為與客戶和工廠溝通的介質(zhì)，從屋頂坡度到材料選擇，數(shù)字模型的設(shè)計(jì)選擇范圍詳細(xì)入微，便利了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)把控與工廠對構(gòu)件的高精度制造，極大程度地提高了現(xiàn)場施工效率。最終，在預(yù)先埋好的12 個(gè)混凝土樁上，僅花費(fèi)10 天就完成了現(xiàn)場裝配。

三、數(shù)字成為場所

經(jīng)歷了Rhino、3D3S、BIM、切割模型文件等多重?cái)?shù)字模型演化，一個(gè)線性的數(shù)字建造最終變成現(xiàn)實(shí)。傘亭的建成為校園保留了自然元素，創(chuàng)造了富于儀式感的空間，成為全天候向公眾開放的日常生活場所。林間隱榭、亭亭于此，“傘亭”之名由此而生并在校內(nèi)流傳。白天，樹林中柔和的光線從傘間傾瀉而下，師生在展廳中坐而論道，討論交流（圖16）。夜晚降臨，開放的展廳釋放柔和的光線，就像燈火引蟲一般吸引路人駐足（圖17～圖20）。

圖16： 傘亭模型與現(xiàn)場對比

圖17： 傘亭夜景

圖18： 樹木穿過傘亭

圖19： 設(shè)計(jì)課評圖

圖20： 秋日傘亭

四、結(jié)語：線性建筑的數(shù)字建造前景

從本案來看數(shù)字增強(qiáng)的意義不僅是生形推導(dǎo)的先進(jìn)性，還包括數(shù)字模型迭代信息的豐富性、建造內(nèi)容對于設(shè)計(jì)前端的回饋—后者對于“線性建筑”尤為重要。借用安托萬·皮孔提出的人與機(jī)器混合的“賽博格”（cyborg）概念[10]，設(shè)計(jì)師所面臨的創(chuàng)作環(huán)境和創(chuàng)作媒介逐漸合一。本案數(shù)字模型所迭代的材料、結(jié)構(gòu)、造價(jià)、建造精度等信息擴(kuò)展了建筑形態(tài)元素的深度，從后端到達(dá)前端，成為設(shè)計(jì)構(gòu)思的新來源。袁烽認(rèn)為，建筑師將使用數(shù)字增強(qiáng)的“手”來塑造世界[11]。這種塑造力在本案中不僅體現(xiàn)在“非線性建筑”的強(qiáng)烈視覺沖擊力上，也體現(xiàn)在“線性建筑”的設(shè)計(jì)和建造品質(zhì)提升中（圖21）。數(shù)字建模信息隨設(shè)計(jì)過程迭代增生：從材料選擇、結(jié)構(gòu)深化、細(xì)部設(shè)計(jì)等方面獲得了決策確定性。[12]木材機(jī)械臂的加工特性能反饋到設(shè)計(jì)構(gòu)思前端，使得細(xì)部亦較好貫徹。這是對于第一個(gè)迷思的回饋。

圖21： 建造流程圖

人機(jī)關(guān)系的核心在于人和機(jī)器之間對于設(shè)計(jì)決定權(quán)“起意”的爭奪[13]。本案的“起意”如保留樹林的決定、有層次的主次梁設(shè)計(jì)、六邊形金屬連接件的新細(xì)部均來自于設(shè)計(jì)師的決斷，而不是程序的“自動”生成。沒有這些 “起意”，而全部交付于模型自生成，其“線性造型”恐怕基本等同于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品選樣[14]。這個(gè)意義上，設(shè)計(jì)師的作用類似造型軟件設(shè)定方向和條件的程序架構(gòu)師。如果說“非線性”的“起意”來源于生形程序帶來的形體和空間沖擊；“線性”建造避免重復(fù)沉悶，仍然需要設(shè)計(jì)師不斷探索微妙的“起意”。本案中，軸線方位、軸向尺寸、主次梁形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸等內(nèi)容的反復(fù)比較，是人機(jī)合一緊密工作中設(shè)計(jì)師“起意”決策的體現(xiàn)。在人機(jī)協(xié)同的“賽博格”中，只有設(shè)計(jì)師不斷“起意”，設(shè)計(jì)才能不懼于已有模式下的機(jī)器強(qiáng)大生成能力，指引出新的生成邏輯范式。雖然在理論上“合意”機(jī)制可以被通過編程完成的新程序所不斷取代；實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于方案生成的豐富性和發(fā)散性，無論多么強(qiáng)大的機(jī)器生成機(jī)制，“起意”的決策并不能被替代。在享受數(shù)字生形的強(qiáng)大功能時(shí)，對于“起意”身份的保護(hù)和探索是設(shè)計(jì)師身份的榮耀所在[15]。

“數(shù)字孿生”可以改變從文藝復(fù)興開始設(shè)計(jì)與建造的長久分離，所謂“頭腦與雙手的分離”“思考者不建造，而建造者不思考”的狀態(tài)[16][17]。在傘亭的實(shí)踐中，數(shù)字模型的貫穿性將建造內(nèi)容向前推到設(shè)計(jì)階段，帶來了設(shè)計(jì)精度提高的保證，通過迭代豐富建造信息的模型，設(shè)計(jì)組能夠通過“建造演習(xí)”反復(fù)推敲，從而帶來構(gòu)件尺寸和細(xì)部設(shè)計(jì)提升的可能。數(shù)字技術(shù)是為建筑師“重新賦能”的重要工具，它讓從“工匠”這一身份中剝離出來的建筑師重新奪回建構(gòu)內(nèi)容的話語權(quán)[17]。這也是對于第二個(gè)迷思的解答。

在傘亭項(xiàng)目中，“線性建筑”在建造性上顯示出不亞于“非線性建筑”的潛力。本案數(shù)字模型所迭代的材料、結(jié)構(gòu)、造價(jià)、建造精度等信息不僅促使了設(shè)計(jì)的變革，也在建筑實(shí)現(xiàn)的各環(huán)節(jié)在多樣性、深度、精度、效率上展示出先進(jìn)性。傘亭項(xiàng)目倒逼制造企業(yè)升級了生產(chǎn)線，從半手工半機(jī)器走向了全智能數(shù)字生產(chǎn)線，貫穿了設(shè)計(jì)—機(jī)械臂生產(chǎn)加工—施工的全過程?；趥阃ろ?xiàng)目開發(fā)的數(shù)字平臺獲得了國家發(fā)明專利（專利號ZL2019 10635037.4）。制造企業(yè)從順應(yīng)設(shè)計(jì)的角度完成數(shù)字平臺的迭代改造，展示了關(guān)于當(dāng)代木構(gòu)的建造提升和技術(shù)生產(chǎn)能力。這都顯示出數(shù)字建造的“線性建筑”對于整個(gè)建設(shè)市場的撬動作用。這是對于第三個(gè)迷思的展望。

我們有信心，數(shù)字建造的范式以其深刻性和先進(jìn)性在“線性建筑”之中發(fā)生更大的作用。數(shù)字工具將設(shè)計(jì)模塊更加集成，構(gòu)建出更加清晰、多樣、高效的“必然世界”；設(shè)計(jì)師在新的人機(jī)關(guān)系中仍具有不可取代的“起意”領(lǐng)域[18]。數(shù)字賦能下的“起意”責(zé)任不斷定義數(shù)字工具的適配方向，不斷地與“必然世界”建立張力，創(chuàng)造出更多的“自由世界”[19]。數(shù)字工具作為一種富含信息、人主導(dǎo)的智能體能夠不斷發(fā)展，建筑師職業(yè)并不會消亡，而是找到能夠協(xié)調(diào)數(shù)字工具的職業(yè)身份角色，促使施工與制造產(chǎn)業(yè)的升級，使這一古老職業(yè)不斷呈現(xiàn)出新的媒介、方法、面貌。