基于参数化设计下未来可降解材料的建筑全生命周期研究

文／梁变凤 太原理工大学建筑学院 副教授

杜欣格 太原理工大学建筑学院 硕士研究生

王金平 太原理工大学建筑学院 教 授

徐 强 太原理工大学建筑学院 副教授

1 研究前提及背景概述

1.1 垃圾（包含建筑垃圾）产生的问题

目前，垃圾在世界各地的快速增长已经成为一个严重的问题，特别是在东亚其他地区和澳大利亚。垃圾的产生不仅影响了环境，占据了大量的土地空间，还导致了疾病的传播，这对社会十分有害。因此，在一些发达国家，正在积极采取措施对垃圾降解和再利用。为了节约成本，甚至建筑垃圾的回收率也同样非常高。在我国，还存在着建筑垃圾可以随意堆放或掩埋的情况，这对周围的水资源造成了极大的危害，同样的危害也包括空气环境和土壤环境。建筑会诞生、成长，但不会消亡，这是建筑垃圾存在于我们生活当中的根本原因。

从图1 所示的当下社会建筑的“一生”来看，从夯实地基到钢筋铁骨的安装，再到混凝土的浇筑、华丽立面的完成，一座座现代化摩天大楼落成交付使用，使用的过程或许持续70 年，而更多的时候不足50 年，一方面是建筑材料的老化导致的结构问题，更多的是建筑的更新换代速度过于快速，使得建筑往往达不到使用年限便弃之不用，出现了一片又一片的“鬼城”；另一方面，是机械化的暴力拆除与人工的拆除，直至大厦变成了一摊建筑垃圾及其带来的后续垃圾难以处理等诸多问题。

1.2 关于垃圾整体的数据整理

根据世界各国汇总的垃圾总量数据，2016 年为20 亿吨（图2），数据模型预测到2030 年垃圾总量将达到30 亿吨，而到2050 年将达到35 亿吨，这一数量之巨大让人不禁感叹垃圾存在于我们身边的各个地方，如果不加以处理，世界将会出现诸多不可预测的可怕变化。在这种情况下，可降解材料领域应运而生①。

而各大洲（或大区）对世界垃圾总量的“贡献”也不同（图2），较为落后的中东、非洲国家，每人每天产生的垃圾大概在0.5kg 左右，而在拉丁美洲、北美、南亚、欧洲和中亚地区，每人每天产生的垃圾量大概在0.5 ～1kg 左右，最为严重的地区为东亚和澳大利亚，人均每天产生的垃圾可以达到2.5kg，成为了垃圾产生的“震中”地区。

各大区每年产生的垃圾总量也均逐年递增，甚至在非洲大部分地区、南亚地区出现成倍增长的趋势（图2），垃圾降解、新材料的研发将刻不容缓。

图2 当下世界各大洲垃圾产生的数量以及趋势

1.3 建筑垃圾产生的方式

城市一旦消亡，就会被遗弃或摧毁，但现代建筑材料是不可持续的。不像传统的中国建筑，它有新陈代谢和死亡的过程（木材的特性导致）。

无法更新的现代城市将成为未来的建筑垃圾场。最终，这些废墟文明将成为隐藏在自然环境中的废墟。如果我们能利用新的建筑材料让建筑自然死亡，那么建筑的自然死亡在一定的时间内将不会产生任何剩余的建筑垃圾，城市的活力和生活将会更加持久，城市的更新将会更加优化。

城市中建筑的消亡一般存在两种形式：第一种：被战争摧毁。由于战争、自然变化、政治、经济和其他因素，人们最终放弃这座城市。例如战火常年燃烧的中东地区，大量建筑废墟里的建筑垃圾在风沙中暴露。第二种：放弃城市的原因可能是人类文明中产生的一些天灾人祸导致。例如切尔诺贝利核电站事故造就的“鬼城”，数以万计的建筑被遗弃成为废墟（图3）。

图3 建筑消亡的两种方式

城市从诞生的那一刻开始，就要开始衰落，这只是个时间问题。当城市的衰落开始了，人口开始锐减，大量的建筑物进入无人居住的荒芜之境。最终，大量的空置城市形成。

城市一旦消亡，就会被废弃或摧毁，但现代建筑材料大都是不可持续的。不像传统的中国建筑，它经历着新陈代谢和死亡，无法更新的城市将成为未来的垃圾场，最终，这些废墟文明将成为隐藏在自然环境中的废墟。如果未来我们能让建筑自然死亡，在一定的时间内，没有任何剩余的垃圾，城市的活力和生活将会更加持久。

1.4 垃圾的分类和筛选

笔者按比例列出世界上常见的垃圾类型，发现比例越大，垃圾输出越多。此外，目前的垃圾类型被重新划分为六类，包括玻璃、塑料和其他工业合成垃圾（定义为极端难降解的分类）。将厨房垃圾分为六类，我们选择其中四类进行了测试和模拟。

如图4 所示，其中有41%的垃圾是玻璃制品、塑料制品以及其他难以降解的材料制品，它们的自然降解年限往往超过500 年，属于极难降解的材料；其中4%的垃圾是金属制品，它们属于很难自然降解的材料，往往都超过200 年；2%的垃圾是橡胶制品，其自然降解年限在80 年左右；木制品也占了2%的比例，自然降解年限在15 年上下；纸制品的降解一般在4 个月左右，比较短，也占据了17%的垃圾总量；占比最大的是我们日常生活中脱离不开的厨余垃圾，占比为44%，自然降解的年限在3 个月左右，是自然降解速度最快的一类垃圾。试想若我们可以合理地利用这部分厨余垃圾，将之变废为宝，既可以处理大量的垃圾，也可以产生极易降解的建筑材料。

图4 垃圾的分类和筛选

笔者继续将厨余垃圾细分为常见的6类垃圾，分别为：废弃的果壳谷壳（厨房垃圾谷壳片，不易使用到新材料中，容易被分解）、废弃的蔬菜（厨房垃圾蔬菜，不容易使用到新材料中，不易收集）、剩余的谷物和果皮（果皮垃圾，使用方便，易分解）、蛋壳和动物骨头（蛋壳骨垃圾，易收集，可分解），以此来看，果皮和蛋壳骨垃圾可以成为新材料的原材料是有理可依的。

根据两例人工骨、蛋壳复合材料和蘑菇菌丝体生物砖的实验结果，提出了上述假设，建筑本身可以有自己的生命，即选用建筑材料时使用自然可降解材料，而不是不可降解的材料，如钢筋混凝土。

（1）现代的“骸骨”之城

骨骼中蛋白质和矿物质的比例几乎是一样的。矿物质可以使骨骼坚硬，蛋白质可以使骨头坚硬。在剑桥大学的生物工程专业学院，Michelle Oyen博士正在她的实验室中探索制造人造化合物的方法，比如骨骼和蛋壳。一旦成功，这种化合物就可以作为一种全新的建筑材料，组合使用与自然形成的动物胶原蛋白，形成一个网格，而这个网格会比传统动物骨骼更为坚固，并可作为一种节能建筑材料，从而达到保护环境的效果。

Michelle Oyen 博士作为研究的领导人，掌管着生产人造骨头和蛋壳样品的实验室。Michelle Oyen 博士和她的研究团队发现：如果将胶原蛋白制造的骨头和蛋壳混合起来，就会得到一种“晶格型结构（attice-type structure）”，这种结构比单纯的人造骨头或蛋壳更强。此外，这个团队还尝试了利用合成蛋白和高分子聚合物来替换天然胶原蛋白，这对大规模生产新材料或进一步提升强度也是有帮助的②。

人造骨头和蛋壳可以在正常室温下利用动物界中被大量抛弃的胶原蛋白制造出来，不仅如此，把整个制造过程规模化以用于大量生产也并不难。

（2）真菌类生物砖

这种生物砖（图5）它可以生长成轻而坚固的砖，并且发挥的作用与普通建筑用砖相同。具体的方法是将蘑菇菌丝体与干草混合，谷壳和其他农业废料（例如之前提到的果皮），倒进他们设置好的模具，等待几天，然后就会得到坚固耐用、轻巧环保、极易于自然降解的生物降解砖。这种生物砖属于耐火材料，而且不易发霉，而且它是一种轻质、可生长、可再生和可降解的环保新材料。它可以取代塑料领域中的塑料包装、建筑材料等。

图5 生物砖具体培育流程

2 类型演化与分析

2.1 模拟插件以及试验介绍

2.1.1 参数化设计以及使用的插件

建筑的形体表现是存在各层次联系的数据结构的空间化的版本，其中的各个部分之间发生着无数复杂的数字化联系，如何在一开始设计的时候就对这些联系进行合理的预期，然后对设计过程本身进行设计是当代建筑师所面对的课题，而建筑参数化设计正是对设计过程的合理化努力中产生的数字化设计手段[1]。这也是笔者此次设计需要涉及的设计手段。

“参数化设计的结果往往是一个对几何形体的过程化的算法描述，在马克.诺瓦克的‘算法奇现’里建立起了‘现实中互不关联但是为无数变量所约束的数学模型与生成过程……每个变量与过程如同一个特定的插槽一样对应于一种外力影响下的形体，这种对应既是统计学意义上的也是动态的’③。在诺瓦克的探索中，他将从前对物体形态操作上的关注渐渐转移到对于关系、范畴、级别更高的量度乃至曲面空间的操作上来。由此可知，参数化的设计方法并不是要去预示一种恒态的形体，而是如布里演示的那样，去创造一种‘同质异形体’——具有并不恒定的空间或拓扑描述但却具有恒态的特征。”[2]

此次设计使用的插件有根据双向渐进结构优化法（BESO）的拓扑优化设计插件，使用者可根据设计需要将机械等边界条件应用于初始设计区域，并通过软件计算进行优化。在进行计算时，设计区域会演变成变形虫（阿米巴原虫）的各种形状，最终得到合理的传力和仿生形状。

所以我们想通过蛋壳的实际实验和插件算法模拟蛋壳形态的过程，验证插件与蛋壳降解模拟的相关性。利用插件不同母体形态获得不同条件下的模拟结果——“小单体”空间，并对其采光、通风、流动性和私密性进行评价。

2.1.2 蛋壳试验及其算法模拟

我们通过试验进行蛋壳与酸浸时，大量的气泡出现在蛋壳表面，然后同类型缺口出现，紧接着蛋壳变软，在微观层面上，有一定相关的形态学变化，可以用模拟算法来进行建筑模型的构想塑造。

将部分蛋壳切断，进行荷载实验。结合对蛋壳承载的插件仿真实验，发现算法中蛋壳碎裂的形状和形状变化的形状均为三角形。

在算法仿真中，以矩形、壳形和三角形为母形（图6 上），以不同支座和不同受力组合为条件，进行形状仿真，选取相同状态下不同迭代的仿真结果（图6 下），最后，根据所得到的空间对特征进行了分析，所得空间形态的改变结果会在后面展示。

图6 以三种形体为基础的模拟试验

2.2 所选基地概述以及Revit 建模

2.2.1 基地选址原因

所选基地位于上海市静安区宝昌路与宝源路交汇处，周围的地区是城市中典型的城中村，生活和环境都存在着很大的问题。

通过对当地居民住房需求的分析，得出了三套适应性住房类型，形成了三套独立的低层住宅建筑。建筑材料是之前所设想的材料，不同的功能空间在房屋类型中对应着前一种“小单体”空间的特点，用阿米巴插件通过模拟建筑自身的新陈代谢，从而来模拟未来70 年的三种建筑的形状，通过对最终形态面积和私密性分析，得出几十年后的建筑形态已经不适合居住的结论。

基地区以宝山路为界。宝昌路片区是上海典型城中村的代表，有大量的移民和许多老上海人，居住环境差、居住面积小、乱建现象严重、建筑改造率也高。

2.2.2 Revit 建模

利用Revit 建立以三种不同人群为前提的三套不同的户型所构成的建筑楼体。A 类型户型包括3个卧室、2 个卫生间、一个客厅和厨房，针对的是家中有老人的住户，可以满足两世同堂甚至三世同堂家庭的居住需求；B 类型户型是标准的两室一厅的安排，针对的是三口之家的一般家庭单位设置；C 类型是出租型户型，针对外来工作、上学等流动人群设置，包括2 间卧室，1 间厕所和1 个厨房。

3 楼体降解模拟的过程

3.1 第一阶段（住宅阶段）

第一年，宝山路所在的村庄是上海市一个混乱、复杂、熙熙攘攘的角落。这座城市正在迅速发展，周围是高端住宅区和繁华的商业中心。这里的景色与整个城市的景色不协调，房屋古老低矮、办公楼外观单一破旧、店铺凌乱零散。低收入人群从事普通工作，他们的需求是不同的，但是他们都有信心去争取更好的生活。我们的建筑，在这个复杂的区域，承担着住房的任务，为不同的人群提供不同的空间需求。在这个平凡的年代、平凡的地方给这些平凡的人一个不平凡的家，使命虽小但伟大。

3.2 第二阶段（住宅阶段结束后的自我降解过程）

70 年来，城中村经历了拆迁和新建。许多建筑面临老旧问题，有一小部分正在被拆除。一些现代建筑出现在这个曾经的老地方。在拆建过程中，建筑的自我降解代谢空间有了很大的变化，分区在建筑物内已经消失了，墙的承载也是一个问题，建筑失去了原有的居住价值，这时便体现了其交替的使命，在接下来的三十年中，建筑将继续自我代谢，建设将进行人工干预，建设菌丝体的生物砖，从而创建新的建筑使命。

如图7 所示，在70 年使用年限过后，楼体无须拆除，只需多年材料的自我降解便可以形成新的建筑形体，并且在一定的人为改造后便可以重新投入使用，赋予它新的功能使命，完全不会产生多余的建筑垃圾。虽然有一些结构的部分缺失，但是它依旧可以行使其他的建筑功能。

图7 第二阶段建筑的降解展示

3.3 第三阶段（商业模式的展开）

在第100 年，现代化的城市已经饱和。城市中没有了从前村庄的迹象，这里熙熙攘攘，繁荣昌盛。

这个时代迎来了建筑的又一次重生，将菌丝体生物砖建筑与三个独立的个体结合在一起，形成一个整体，成为一个充满活力的商业中心。楼体自然降解形成的完全开放的第一层空间和漫游的商业流线是一种对旧时代的怀旧，也是符合时代要求的混合产业分布，这是一种全新的建筑使命的诠释（图8）。

图8 第三阶段商业内部效果展示

商业空间一层迎合了当地零售商业模式和当地居民精神生活的需求，形成了线下活动场所与跳蚤市场相结合的商业形态。建筑位于道路十字路口，北侧和东侧向城市完全开放，增强了人们活动的自由，改善了商业氛围。

3.4 第四阶段（商业模式结束后的继续降解）

在200 年的发展之后，自我新陈代谢的高层建筑开始在城市中出现，现代建筑已经成为老建筑。建筑在自我更新和新陈代谢的过程中形成了巨大的支柱骨架结构，菌丝体生物砖已经自我降解殆尽。它在社会的快速发展过程中已成为一个社区的避风港，这个区域内静静地躺着过去的生活和记忆里发生的故事，它逐渐成为一个具有仪式感的纪念性建筑，成为一个地区内的纪念碑，承载着过去百年的人们的记忆和经历，在快节奏的现在社会中成为不可获缺的心灵净化所。

如图9 所示，它在数百年的降解过程中，变成了没有承载功能的纪念碑，给予人们难得的缅怀过去的机会，这是这个时代不可或缺的。

图9 第四阶段纪念建筑效果展示

3.5 第五阶段（降解完成）

在第300 年，城市的所有建筑都能够自我更新和新陈代谢。我们的建筑最终会降解退化，不留痕迹，这就完成了我们起初设定的目标。

建筑的一生（图10）从起初的住宅楼逐渐变为商业建筑，最终变为具有纪念意义的纪念碑廊，建筑的功能随着时间变化，并且在最后不产生任何建筑垃圾，这就是我们所构想的未来建筑材料的自我代谢。在这种模型中，建筑不再是严格的垂直与水平，可受环境力影响而变形的表皮、拓扑实体、进化算法等手段体现着时间因素在建筑设计中所起到的作用[3]。

图10 建筑的一生效果展示

4 利用BIM 建模概述的优点

BIM建模是当下建筑从业者都积极追寻的，因为其便捷的形式和高效的工作效率是我们所认可的，它的存在可以帮助我们进行精细化建筑设计，也可以让我们脑洞大开，利用BIM 技术来完成人们脑海中的构想，它有很多的优点。

4.1 可视化建筑模型

BIM 软件所建立的3D 立体模型即为设计结果，若需要各种平立面图、3D 模型或其他图说，都可以由BIM 模型产出，也因为各图说皆是由同一个模型产出，其图说都是相互关联的，在任何视图上对模型做更改，马上可以在不同视图相关联的地方做连动，也因为是3D立体模型呈现，各阶段工程人员可以更容易了解其设计。

4.2 双向关联的面向对象

BIM 软件通过参数关联的技术进行3D 建模，模型中，所有的构件都存在着关联，牵一发而动全身。

4.3 整合式相关信息

在BIM 模型中，有关建筑工程所有基本对象的相关参数都存放在统一的数据库中。

4.4 贯穿整个生命周期

（1）规划设计：利用三维模型的技术和详细信息，进行设计、结构分析、体积分析、传热分析、干涉碰撞等设计分析，在三维模型的基础上增加时间，模拟施工顺序并纳入造价预算，成为造价估算的5D 模型，使业主了解整个项目的需求和预算。

（2）承包施工：直接使用BIM 模型，导入4D 概念，建立施工计划顺序，可以辅助施工过程管理，包括施工进场、采购、工程规划和排序，进行成本控制和资金使用分析、材料的订购和交付以及部件的制造和安装，模型还包含详细的对象信息，可以为承包商提供施工、材料信息和数量校对。

（3）运行维护：在建筑物模型中建立建筑物内各种设备的模型，并对今后的维护工作进行详细的数据和数据输入，相关管理部门可使用已建立的完整BIM 模型了解相关管理工作的进度和责任安排，维护人员还可以通过模板了解进度计划和职责划分信息。

这些优点都可以帮助我们以极高的完成度去完成我们的设计，也希望今后越来越多的软件可以互相协同，便于建筑师更好地实现一个个较好的概念和构想。

结语

利用算法模拟实验可以用最快最多的可能性去得到我们所想要的实验结果，这给了我们更多的可能去设想我们的设计的变化与可能，这是未来设计师们开拓设计思路、提供更多设计灵感的源泉所在，希望今后可以有更多相关的算法提供给建筑设计师们，为世界带来更多的巧夺天工之作。也就是说，建筑师作为体现时代精神的艺术家，在数字时代的大潮中必须更新自己的知识结构，才能设计出表现时代精神的作品。毫无疑问，建筑师的知识结构面临着更新，传统的知识不是被舍弃了，而是加入了新的知识。建筑是时代特征的表象，建筑师必须紧跟时代[4]。

参数化设计为建筑师的工作方式和思维方式提供了新鲜的血液。它在建筑设计中表现为对复杂形状的控制能力的加强，但参数化的影响远远大于此，并带来了派生的设计方法、自上而下的思想和自然的设计观。复杂性科学的建筑渗透方法提供的是整体、复杂性的科学,是数字化的建筑，有着非常深刻的问题，所以很长时间内，数字技术、参数化设计都将成为建筑学关注的重点之一，建筑师们也还有很长的路要走。

注释：

①引自世界银行公开数据，2018年。

②引自https://www.163.com/digi/article/BQLDA56K00 162OUT.html。

③引自Kolarevic Branko,Architecture In The Digital Age。

图片来源：

文中所有图片均为作者自绘