基于环境性能化的建筑生形研究

刘 瑛，张 慧

(皖江工学院，安徽 马鞍山 243002)

1 背景介绍

目前数字设计技术支持建筑模型的形体生成，并支持基于模拟物理条件(如太阳能或结构载荷)的环境性能分析评估。这是一种基于环境性能评估模拟过程与数字性能分析的“形式生成”和“形式修改”模型，性能本身可以成为建筑形式创建的决定因素和方法。数字设计偏离了一种常规设计范式，那就是以建筑师的主观偏好、设计技能为主导进行创作和控制的设计过程，它是在内部评估和模拟过程中得出的设计结果。本文将以建筑性能设计的数字技术作为评价过程，模拟建筑形式生成或修改过程，进行研究性探索并提出各种理论假设。这种基于环境性能化的建筑生形在实现节约能源的同时，提升了建筑的舒适性和安全性[1]，改善了传统设计的缺陷。

环境性能从70年代开始就通过CAAD技术应用于建筑和工程实践中，其应用过程经过了从“形式创造”到“形式发现”的转变。总体而言，数字设计在建筑形态生成中拥有了寻找形式的能力，以及独特的解决方案的能力。建筑师在何种程度上参与到与这些数字设计技术的互动中，是建筑生形技术有待进一步研究的地方。建筑设计模型如何在设计的早期阶段结合空间几何框架和其他因素(如结构和材料、物理性能)，也是性能分析──建筑生形研究的基本问题。

数字设计技术在建筑生形中的应用集中体现在以下两个方面，综合起来可以作为一种技术手段来确定当前的建筑形式。

(1)几何模型能够根据评价过程的进展进行转换和生成：评价过程可以与几何模型集成，从而在几何模型中完成修改、生成过程。这些评价可能是单一标准(如结构性能、太阳能负载、声学性能)，或包括多个性能和优化因素的多标准评估。

(2)基于性能的设计：建筑师作为数字设计各种过程的协调者，或作为迭代遗传算法模型生成和修改的参与者，与数字媒体技术具有交互性。

在过去的十多年中，许多重要建筑项目的设计都在寻找形体过程中普遍受到了计算性能模拟结果的影响。通过结构和各种环境形式分析优化结果，成为数字设计对建筑设计的一大贡献，并成为具有先进性的工程项目的组成过程。在研究数字技术参与建筑设计领域的理论后发现，目前这一领域的发展既需要弄清其理论基础，也需要推进其相关技术的研究。过去许多重要的成果，为未来在基于环境性能的建筑生形设计方面的进展提供了经验。最后，本文想通过建筑设计生形的方法和技术实践，研究该领域的潜在发展问题和举措，通过研究提出了一种环境性能设计生形的实验方法。

2 基于性能的模型设计

2.1 基本情况

基于性能的设计通常被认为是一种将建筑性能作为设计指导因素的方法，基于性能的建筑模型可以定义为：利用环境性能模拟来修改几何形状，以达到优化候选设计方案的目的。环境性能一直被认为是建筑设计中的一个重要因素，也是建筑设计价值体系中的一个重要组成部分。被称为“评估辅助工具”的方法和技术是在计算机辅助设计的早期由ABACUS公司开发的CAD，目前被视为开创性的作品，对当代作品仍然具有重要的启发意义[2]。Ecotect analysis是一种可视化生态建筑设计软件，目前已经被广泛地运用于建筑工程实践，尤其是太阳辐射、日照、遮阳、采光、照明灯等方面的模拟分析[3]。

现代的环境性能设计方法与传统的CAD模拟过程有着根本的不同。传统模拟技术的前提是模拟和评估对象本身的性能，前提是它需要有一个较成熟的、具有较高分辨率的模型，因此他们很少被使用在设计早期概念阶段。其建筑生形不是系统直接得到的，而是建筑师不断调整几何设计模型，以适应优化和评估的结果。典型的模拟过程可以说明这种区别，有限元法(FEM)是传统结构设计过程中经常使用的一种用于测试和评估的模拟方法，这种类型的模拟需要前期建立良好的模型。只有在分析了模型结构的稳定性之后，设计才能重新生成。在传统的设计模型中，评价只能为设计提供反复修改的反馈。而环境性能设计未来的方向是，可以提供将性能原则与生形原则相结合的数字设计模型[4],模型的修改直接通过分析和数值结果控制的生成过程自动实现。因而基于环境性能的设计被重新定义为：在性能分析的基础上，可以使用基于性能的模拟修改设计模型，或直接进行数字模拟操作以优化性能而产生相应建筑模型的设计。

2.2 基于环境性能的建筑设计:在当前实践中的进展和贡献

在过去的十多年中，一系列的开发项目直接或间接地利用了数字技术进行基于环境性能的设计，这些项目现在已经广为人知。比如：大伦敦当局总部大楼(2002年)和瑞士再保险大厦(2004年)由诺曼·福斯特及其合作者和奥雅纳的建筑师设计；ZED项目由Future Systems设计(1995年)；格拉茨艺术馆由彼得·库克和科林·福涅尔设计 (2000—2003年)。这些项目主要以数字绩效分析，包括设计建模(参数化设计)技术为工作重点，结合环境性能分析和参数建模。在这些项目中，环境性能模拟与关联建模和参数化设计并行使用，以优化其性能。项目工作组成的一个基本因素是参数化建模系统的存在，在参数化设计中，想象的几何形式允许建立几何模型各元素的依赖关系或相互依赖关系，从而控制这些对象在保持拓扑特征下转换的行为。瑞士再保险大厦的设计过程具有标志性意义：它通过人机交互过程控制的参数化设计来优化性能，建筑外形和表皮根据结构性能和风荷载进行了修改。瑞士再保险大厦拥有完善的设计流程，并诠释了数字环境性能设计的许多重要方法。在讨论参数化环境设计过程的细节时，艾什使用了“活的模型”[5]这个词语描述了在参数化设计环境中，想象的几何形式与生成组件间的交互潜力，参数修改的顺序可以由相互依赖关系决定。

当前方法的前沿性毋庸置疑，发展在于如何通过评价分析和优化技术来修改参数化设计模型。除此之外，还有大量的理论和方法涉及到将计算方法应用到设计生形中的可能性，如众所周知的遗传算法。然而它们在建筑系统中的应用，特别是在基于环境性能的系统中并不是很多。参数系统和联想几何建模器是在生成组件中使用基于图形的关联几何建模器开发的。第一次迭代(生成和测试)后的参数修改仍然由设计人员操作完成，生形系统在应用于建筑问题方面有其局限性。由于生形系统需要一种强大的媒体形式，它们不一定能适应大范围的建筑领域问题。而形状语法[6]可能是一个例外，因为它们已经广泛应用于建筑设计，特别是与生形描述相关的问题。生形系统是未来建筑叙述系统发展的重要组成部分，但目前仍处于发展阶段。

3 参数化设计和关联建模

通过调研建筑性能化设计的现状，为重新定义当前的研究方法提供了一个概念框架。

3.1 建筑设计中的拓扑模型

建筑体系中基于性能的设计已被证明依赖于系统背后模型的形式和技术。Burry的元模型是一个拓扑模型，它在支持转换属性的同时保持基本的依赖关系常量。这种将结构关系和建筑关系中存在的特质放在首位的能力，使得拓扑建模技术成为了性能建筑设计的必要组成部分之一。由于传统的建筑设计建模在本质上趋向于类型学，新的建筑体系和结构问题的建模方法正在兴起。

3.2 参数化设计和关联建模

重新考虑拓扑和非欧几里得几何作为数字设计的方法论基础，有助于探索新的几何可能性。在这个新兴背景下的建筑设计中，计算几何、参数模型和关联模型是强有力的设计工具。数字环境的拓扑效应使得几何结构的参数能够重新配置，参数几何可变性这一属性有力地促进了参数化设计与基于性能的设计之间的共生关系。在参数化设计中，明确了对象之间的关系，建立了不同对象之间的相互依赖关系。对象属性一旦发生变化，就可以通过激活这些属性轻松地转换和操作其他对象。不同的属性标准值可以产生多种变化，同时保持拓扑关系的必要条件。关联参数技术(生形组件、数字参数等)提供了设计媒体环境，设计者可以在用户定义的框架内定义几何结构的一般属性。

3.3 基于性能设计中的交互设计

传统数字媒体形状和形式的静态坐标被建造拓扑模型的计算动态所取代，这些技术开辟了数字设计无限的可能性。这种互动性和参数转换性的结合控制了在设计形成过程中产生结构分离变化的干扰，与参数生形概念相关的性能包括适应性、变化性、连续性和联合性。

设计操作是一个不断发展变化的差异数据实体设计，它指的是拓扑形式的变化，而不是传统的形式组成(形式重复)。随着设计从纸面传统的设计表现逻辑中解放出来，形式的概念转化为生形的概念。如今设计者与计算建模的动态机制进行交互、控制和调节，包括目前动画和参数化技术中存在的生形过程。如何以及为什么进行交互仍然是基于性能的设计系统的核心问题。元模型能够直接响应性能分析的数据输入，并避免设计者的干预吗?设计师应该在哪里、什么时候以及如何干预数字设计过程仍然是基于性能的设计系统需要挑战的问题。

3.4 生形模型的优化

马卡维(Malkawi)教授对当前可利用的建筑和工程环境绩效评估系统进行了全面的回顾。他说:“为了将这些常规的工具使用从分析转向分析和综合，正在进行一项利用优化进展的新研究。”[7]相对于性能驱动设计，如何在元模型参数中直接利用性能参数作为数据输入也同样具有研究潜力。此外，如何将优化技术和多种标准集成到参数模型的形式修改过程中，以控制修改过程，这些问题是基于环境性能的建筑设计发展的根本条件。

支持“基于性能的生形”系统的发展将需要新的方法来生成建筑模型，以及与环境分析相关的研究领域的新成果。为了实现这一目标，下面研究打算讨论三种可能用到的模型:拓扑系统(如参数系统)、生成系统(如遗传算法)和动态系统(动画)作为设计生形的模型。为了证明基于性能的设计生形研究方法，接下来的实验提出了一个关于动画模拟的动态实验研究案例。

4 基于生形设计的动画模拟案例

在环境性能设计中，对象是通过模拟其性能来生形的。在我们的实验中，设计的定义和特征是应用外力的数字模拟来驱动形态生成，这项工作的目标是探索性能模拟过程是如何产生设计的。为了演示该方法，提出了一个在数字设计工作室的研究框架中完成的实验项目，用开发动态模拟来生成设计的方法进行实验。

4.1 基于性能设计的生成实验

给定的任务是设计一种可以保护建筑物不受阳光照射的建筑表皮，它由一个整合了两层的表皮组成。内层是支撑外部皮肤表层的结构性骨架(见图1)。外层是一个由集成的动态鳞片组成的单元表层皮肤(见图2)，集成鳞片通过操作成为可伸缩的动态单元。最后，墙壁整体的设计应使传感器激活嵌入在内层骨架中的结构，以支持和调节动态运动和测量的通路(见图3)。

图1 建造内部结构墙

图2 外部皮肤层由动态尺度结构组成

图3 两层建筑表皮墙

4.2 主要研究方法

基于性能的生形设计实验的目的是研究和探索将仿真作为生成设计工具的方法、动画作为模拟，驱动自动生成的形式以及几何框架支撑自动生形的必要条件，尝试基于性能的设计生形，研究形式效果的可视化和生形过程的程式化。

4.2.1 仿真作为生成性设计工具

如上所述，数字环境中的仿真工具目前被用于测试、评估和修改虚拟设计环境中的原型[8]，它们还支持快速的设计反馈和设计修改过程。这些仍然是基于以人为中心的设计方法，其中设计师、工程师评估模拟结果并相应地修改设计。接下来这个设计实验的目的是研究如何将设计生形作为仿真过程的组成部分来操作。在介绍了与该方法相关的概念之后，会进行了一个设计实验研究。

4.2.2 利用动画作为仿真工具

根据林恩(Lynn)的观点，形状可以在动态的环境中生成。在他的方法中，“设计的环境”可能成为驱动信息转化为静态形式的积极因素。林恩是第一个将动画作为设计工具进行演示的人，并将其传统角色从形式表现的媒介转变为形式生成的媒介。在我们的实验中，环境(风)和形式(表面)都是动态的，动画不是把设计当作一种静态的形式，而是用动态力的模拟来产生不断变化的形式。该设计利用动画来研究复杂表皮的运动：使用3d MAX中的动画技术对仿真过程及其动态效果进行建模(见图4—5)，几何模型包括整体效果图和局部平面图。表皮的基本单元最初被定义为一个标准的表皮原始平面。我们建立了一个标准单元的建模和复制，并将其与表皮平面进行了对比。这些表皮的鳞片被整合为“局部结构”，以保持母项和子项之间的关系。全局效果图(表皮平面)和局部组件(比例)之间的关系是根据所需的单元数、尺寸和几何参数之间的关系来创建的，整个系统定义为一个三维动态几何网络(见图4)。图形的任何动态移动都会触发表皮鳞片的位置和相关角度变化。在后期阶段，通过在表皮上添加一个“布反应堆”反应器，表皮被定义为布料织物。

图4 激活产生曲面曲率修正的动态模拟

为了研究表皮的动态运动，我们选择风力作为环境性能物理参数，利用反应器模拟了风力动态因素及其对表面的影响。反应器是3DS Max的插件，允许动画模拟复杂的物理场景，表面的物理属性是通过为表皮指定一个反应器来设置的。实验中的第二个反应堆是“风反应堆”，两者都支持布的模拟和风的物理行为。通过指定反应器对表皮进行物理参数设置，定义表皮的质量、密度弹性、刚度、拉伸和阻尼等物理参数，以风模拟动态环境并由此产生了表皮的形状。

第二个环境性能物理参数是光。表皮以下的光照随着风的作用导致鳞片的打开或关闭(见图5)。在这个阶段启用了视觉评估，以研究表皮几何形状和比例位置对光线穿透的影响。在下一阶段，计划模拟风和照明的情况作为两个环境性能的建筑生形因素。

动画被用作一种形式生成机制：表皮及其相关鳞片的运动在视觉上是动态的，动态运动导致表皮产生了不同的表面曲率。根据预先定义的关系(见图4)，动画曲面曲率的任何变化都会传播并改变表皮上的鳞片位置和角度。在这个实验中，模拟运动和外力运行产生新的形式。表皮动画产生了复杂曲面的变换，曲面的形式实际上是动态力的结果。

所需光穿透已知结果的目的是修改鳞片参数。在未来的高阶系统开发中，希望实现由性能模型自动驱动的修改。为了实现这一目标，希望建立一个参数模型来支持一个已知形式生成过程。

图5 曲面曲率的变化和鳞片组件的修改

5 结 语

实验研究表明性能模拟如何作为一种设计工具来驱动生形设计。采用这种基于性能生成技术的未来目标是，表皮或结构组件的形成可以通过动态模拟来生成。此外，组件化装配的模拟和分析可能与复杂的外墙组件，特别是动态组件的设计密切相关，还可以延伸到包括定量和定性方面的模拟。应用时需要在仿真模型中建立生成性能，这可能包括参数系统响应动态模拟来调整表皮元素。

基于性能的设计已经成为数字设计实践、研究和开发的前沿。随着它的出现，一种新的成熟度有望超越形式的和几何的创新，强烈地表达了人们对新兴数字技术的极大兴趣。从“形式创造”和“形式发现”的过程构成了建筑实践中范式转变的合理过程。毋庸置疑的是第一代基于性能的设计已经能够阐明概念、研究问题和发展优先次序。这些新兴技术为建筑元模型的特性提供了一个计算研究的广泛领域，几十年的设计研究已经为我们做好了充分准备。此外，建筑教育的本质将受到这些知识体系的强烈影响，实现设计者作为数字设计技术开发者的愿景是实现这些目标的必要前提。整个研究过程中我们一直试图描绘当前实践的边界，包括实验研究的某些方向，未来还有哪些与数字实践、方法和技术相结合的可能。未来的发展方向可能是将性能原理与形状、结构和材料相关的几何原理相结合的数字技术。建筑生形设计仍然需要在生成系统中进行研究，这些系统不仅具有数字方式捕捉性能的天赋，而且有可能很好地集成到建筑设计的模型中。新的生形方法将建筑和计算建模的进步与模型兼容的修改结合在一起，这可能成为建筑设计计算未来的发展方向。基于环境性能化的建筑生形研究在建筑设计领域的思考，也是数字设计研究和建筑专业变革的动力，具有一定的前瞻性。