浅谈数字化技术影响下的当代建筑设计

林欣荷

（福州大学至诚学院， 福建 福州 350002）

0 引言

如今,在科技进步的大背景,尤其是以数字化技术为核心的推动下,传统的生产技术、人们的生活与思维方式被彻底变革。这些新的技术向传统的理论与实践发起了冲击与挑战，促使建筑设计的手段、创意、形态和建造方式都有很大程度的变革。

1 数字化建筑技术概念

建筑设计行业拥有悠久的历史，发展到今天所包含的技术要求越来越高。建筑设计的方向不再是传统简单的平面生成，其空间结构和表皮肌理都趋向复杂化，所以利用数字化技术推进项目的各个环节是近年来建筑业不断被推崇的方向。

从广义上来讲，数字化建筑技术(Digital Design Technology)，是将各项复杂多变的建筑信息转化为数字输入计算机，利用电脑优于人类的计算和数据处理功能(Computation)，将数据生成特定的逻辑，处理解决建筑中某些问题所提出的方法[1]。目前，数字化建筑技术可以拆分为数字化设计(Digital design)和数字化建造(Digital Fabrication)两部分。

2 数字化技术对建筑设计工作的价值

建筑设计在不同的历史阶段、生产水平，制图的流程和手段有很大的区别。过去，建筑师仅能依靠自身有限的水平完成整个设计的构思，从抽象概念到草图成果，这些想法和思路的实现包含诸多的实际工作，需要大量时间来完成，经常使得建筑师耗费精力，灵感消失，存在诸多的不足。数字化技术的出现，为设计师们提供了新的设计媒介和方法，建筑设计成果逐渐由二维图纸转变为三维立体模型，为设计师提供灵感，绘制图纸，梳理思维，且可以不断提升技术水平以改善先进的结构体系和设计。目前已广泛渗透各国建筑行业为设计师提供新的方向与高度。

3 数字化技术辅助下的建筑设计与建造

3.1 操作与互动

传统设计中，建筑师习惯于利用草图和模型来协助推敲设计方向。二者在初期辅助建筑师的设计思维，获得设计灵感有一定帮助，但是进入深入优化阶段显得后劲不足。草图绘制受到设计师自身的手绘能力的限制略显不便，实体模型虽更加直观但制作耗时长且修改不易。伴随数字化技术的介入，建筑师可以在计算机建模的基础上发现空间关系与建筑形体的不足进行快速直观的修改，推进设计的深度。在这样的设计流程中，建筑师与数字化设计手段能够建立良好的互动关系，使得建筑设计中对绘制图纸技巧的要求降低，让建筑师能集中精力研究建筑本身的可行性和设计的创造性上。

3.2 场地分析预测

在进行建筑设计之前，建筑师都会以实地勘探的方法，了解项目所处的自然环境及文化背景，比如场地的地形、地貌做出专业的基地分析。传统场地调研中，地质状况复杂的项目对于建筑师的设计来说有一定的难度，需要综合考虑不同元素来解决场地问题。日前，设计师可以将数字资料输入计算机，利用OpenSite Designer 等软件来处理算法模拟设计场地，评估整体项目以及地形地貌情况以避免决策上的重大失误。

3.3 计算机软件对思维概念的启发

传统的建筑设计由设计师在脑中构思大致的方向、结构和形体，随后利用手绘图纸辅以文字解释等方式来阐述设计成果，依据此法，设计师所能传达的内容非常有限，需要专业人员进行深度解析才能理解原本的设计理念。近年来，各类建模及参数化软件取得突飞猛进的成果后，极大地刺激了建筑师的创造性思维，对于设计的表达也有了很好的辅助，建筑师们开始尝试抛弃原先单纯对传统工具的模仿，根据不同项目特点，结合计算机程序及人脑的经验将设计逻辑化，以数理逻辑、几何形态为基础，为创造性思维带来新灵感。目前，数字化技术应用已突破仅是辅助设计的范畴，建筑师可以直接利用软件进行创作与构思，计算机内在的逻辑或某种语法的可能性可以视为设计概念的起点，由此产生大量崭新的建筑形态、结构，颠覆了传统建筑的审美认知。

3.4 数字化技术影响下的空间与立面

现代建筑中，建筑的空间结构和形体是两个重要元素，结构图底的转变，墙体解放使得立面不再受最初的美学所影响和制约，而是与内外空间关系相关。随着设计空间趋向复杂与多样化，建筑师对抽象空间的把握受限，需要利用数字化模型以及渲染模拟技术来推敲完善。例如，使用AutoCAD 绘制平面图底，再用SketchUP/Rhino 等软件建模，最后导入各类渲染软件展现设计成果。数字化技术影响下，各类软件从辅助绘图转向辅助设计的阶段，建筑师可以利用软件辅助推敲场地与建筑形体的关系来确定最终的造型，实现空间与形体关系的和谐统一，帮助建筑师改变先表皮后空间的设计习惯，使得建筑形式更加自由化

3.5 数字化技术影响下建筑形态的演变

数字化技术的更新促使建筑师对空间形态的把握创造更加多元。在传统建筑流程中，建筑师完成造型设计的力量有限，难以创造实现较为复杂的建筑形体，而异形建筑的施工过程也步履艰难，导致过去建筑形态呈现较为单 一的形态。近年来，数字化技术的兴起使得复杂不规则的建筑形体有了理论和技术的支撑，通过数据分析运算，建筑师可以精准地控制几何形态的数理逻辑，并且选用较为优越的设计方案实施建造，至此，许多看似不可能的建筑构想成为现实。

例如，善于运用参数化手段的建筑大师扎哈·哈迪德将早期杂乱的建筑风格转向大体量、极具流线和曲面的形态特征。她所设计的作品通过独特的设计方式进行展现（图1），如流线型的曲面表皮，利用软件对建筑复杂精准的结构进行测算，借助建筑外表皮对建筑结构进行支撑，让建筑空间能够呈现出更加完整的几何效果，具有很高的艺术价值[2]。

图1：北京大兴国际机场（扎哈·哈迪德设计）

3.6 数字化辅助在绘图上的优势

近几百年，建筑行业主要以手工绘制建筑图纸为主，随着计算机技术提高，设计人员从传统机械性绘图的艰辛中获得了解放，建筑行业逐渐向电子出图的可视化方向发展。数字化技术提供的绘图平台大大缩短了设计周期，在保留设计灵感，提高工作效率和绘图质量方面也有不可小觑的作用。与传统的手工绘图相比，计算机制图高效的数据处理能力能提升绘图速度和出图的精度，同时使用各类建模软件能够很好地完成从二维图形到三维空间的转化。例如Rhino，SketchUp 和Maya 等建模软件和3D 渲染软件为设计师提供真实清晰的图像，并确保图纸细节完整，提升了建筑设计的整体水平。

3.7 数字化技术对建筑方案的优化功能

一般来说，初步的建筑设计图纸通常依赖于建筑师自身的想象力和大量的工作经验得出，在每个环节肯定存在不足之处。因此，方案优化是设计过程的一项中心环节，使用数字化技术的辅助功能，可以快速修正图纸，不断地根据外部环境来改变建筑物的组合方式，有效进行整体调整，统一设计成果的材质、功能、布局、造型等。同时，在不断优化调整中，设计师们也能够根据数字化技术提出的各项数据来调整分析建筑的合理性。

如今，用于建筑设计的辅助软件主要有绘图类、建模类与编辑类来互相协调完成建筑设计图纸等成果。当草图制作完成后，利用数字化技术，可以将设计的项目置于场地进行环境模拟分析，利用计算机给出的数据辅助判断现有设计是否符合场地要求，从而在设计阶段给予建筑师修改方案的机会而不必在后续建造过程中消耗额外的精力与费用去解决缺漏。

3.8 数字建造 （细部（构造、材料）与）

自九十年代来，机械化技术转向数字化技术的过渡，改变了工业领域的根本模式，建筑数字化更新了人们对建造的理解，传统的手工艺操作逻辑被输入计算机，利用算法和数据来制定一套完整的流程，将过去手工建造的方式和数字建构融合在一起。[3]数字技术下的空间可以实现无限的多样性，有助于异形及复杂构造进行快速、准确的建筑制作。同时，由于计算机的控制，整体建筑只需要在必要的地方使用材料，实现更少的用料和更低的自重。目前，除了传统的浇灌倒模方式，数字化技术在前言建造平台上主要提供了3D打印、机械臂及数控机床技术：

1）3D 打印

3D 打印技术由于利用特定的材料和胶水制造，故而在模型制作过程中可以掩盖很多结构和交接的问题，进行快速制模辅助设计。此外，3D 打印技术的进步也促使3D 渲染和3D 建模技术不断更新完善，设计师能够在3D 空间中准确地重新创建对象。2019年蓬皮杜中心在“生活的结构”展览中的两座3D 打印生命雕塑（图2）即采用大尺度、高精度的3D 打印技术进行计算、设计并制作。

2）机械臂技术

在数字化的进步下，建筑师与机械设备之间的关系在蓬勃发展，2006年，苏黎世联邦理工学院进行了人工到数字制造之间的探索，利用机械臂与砖来制造编程墙(图2)。与传统泥工不同，机械臂无需进行手工测量，它可以以不同的方式定位每个单独的砖块,通过定义墙壁的几何形状和构造逻辑，设计师能对机械臂进行有序的组织，从而排列出最终编程墙的造型。

3）CNC 技术

数控机床技术(CNC)系统最早应用于航天领域，自1990年代中期才逐渐引入建筑行业，它具有强大的数控切割功能，可以用于木材，复合材料，塑料等切割，随着数控机床技术的不断发展，它改变了建筑领域设计和建造的方式（图2），由于其具有极高的精确度，在建造的过程中无需螺丝或可见的金属制品就能保持结构的坚固性，非常易于建造和拼装。

图2：数字化建造实践

4 结论

在社会新的发展时期，数字化建筑技术日趋完善，为建筑界带来了更多的可能性和实现的途径，极大地推进了建筑设计的发展。日前，建筑的完善不仅可以依靠建筑师个人的能力，还能通过现代科技、及不断更新的计算机软件辅助技术等为建筑师提供整体化、多角度的思维方向以及图纸模型的技术实现，通过数字化技术，设计师能利用计算机进行建筑的分析、设计和优化来完成建筑的平面及三维成果，使整个设计流程更加科学合理。利用不同的运算法则建筑的形体和空间更加复杂多变，颠覆了传统建筑设计中靠人脑和纸上研究所不能达到的创新高度。数字化技术促使现代建筑设计的思想和方法有了极大的转变，建筑师可以通过算法设计、数字化建造技术等方面获得新的视野。此外，各类计算机辅助软件的诞生在提升工作效率和精度、降低工程的成本、建筑制图、设计成果上带来了翻天覆地的变化。因此，在未来建筑设计中应充分融合应用数字化技术，使得高端制造化建筑、大数据与人工智能想结合，带领建筑行业走向新的高度。