基于技术美学的建筑形态数字化设计

刘 伟，魏大森，姚竞波

(长安大学 建筑学院，陕西 西安 710061)

0 引 言

数字技术已经向各领域广泛延伸与应用，从简单的辅助制图拓展到数字化设计，再到当今“元宇宙”的概念延伸，建筑设计也被推向了数字化的历史进程。从建筑最为重要的空间形态方面来看，越来越多的建筑师和工程师开始使用计算机的“非物质”逻辑去解决实际建造的“物质”问题[1-8]。人们正在逐步利用数字化设计手段来实现建筑形态、空间、结构、功能以及文脉等诸多因素的有机统一，在已有的研究中，对数字化建筑形态设计中的算法生成及数字建造等方面较为深入，如英国著名建筑批评家尼尔·林奇在《非物质化过程》一文中详细阐述了数字化被融入到建筑领域中的过程，并提出“数学建构学”。清华大学徐卫国教授提出了“参数化非线性建筑设计工具箱”，同济大学袁烽教授建立了面向数智建造的“数字未来”工作营。数字化设计的实质是通过定义底层参数或算法编程的类型、内容并制定逻辑算法来进行运算、找形以及控制建造的设计过程，不能仅仅将其视为建筑设计的新潮工具，从而忽略其美学意向乃至文化内涵方面的意义。对于建筑空间形态及表皮界面的塑造，数字化设计可以表达出更为鲜明的“技术美学”特征，本文旨在进行数字化设计与建筑美学的关联探讨与价值认同研究。

1 技术美学

1.1 数字化技术的应用

建筑学是技艺结合的学科，其中“技术”在建筑设计中属于工程科学范畴，它包含了建造、构造、材料等不同构筑技术，而艺术是广泛的人类活动，它涉及创造性的想象力，旨在表达技术熟练程度、美感、情感力量或观念，人们对建筑艺术的不断追求也是达到更高层次——建筑文化的必经之路。基于计算性设计思维的数字建筑设计表达范式正在促使传统建筑形态建构与环境物质呈现技术不断迭代，并向基于“形式/性能”的多元与聚合的建筑智能化设计工作流迈进。这也为建筑学带来了更具生成逻辑的设计方法，虽然海量的信息流转为建筑的生成积聚了巨大的能量，但数字化技术始终遵循于数理逻辑，彰显出更为理性的设计步骤。

从技艺结合的角度来看，数字化设计无疑是最为有效的促成工具。首先在技术层面，计算机强大的数字处理能力为求解复杂性科学问题提供了技术支持。随着建筑设计变得越发复杂与综合，例如许多大型公共建筑的空间形态已经不能被以往的初级软件所精确掌控，而多项专业和工种也面临着设计平台无法协同的问题。数字化技术可以为建筑这样的复杂对象提供一个系统化、高效率的设计平台。在建筑空间形态的塑造中，很多设计机构已经运用基于力学原理和学科交叉的的找型方法，以及数字软件强大的计算及模拟功能，为建筑设计达成多目标优化结果，例如通过进化式算法获取最符合受力性能的结构形态和最为节材的表皮形式，并可通过软件模拟进行建筑物的性能及运营模拟。

1.2 建筑美学的拓展

建筑美学一直是人们所探讨的根本问题，技术美学则有别于哲学美学，必须由抽象上升至具体，从不同层次上揭示建筑之美与审美规律，把握设计观念的发展与更新。数字时代的建筑形态美学则突破了传统建筑美学的局限，以新的视角阐述了建筑审美观念的改变。当代工程建筑学倡导“工程引导意匠”“技术转化诗意”[9-10]，这其中的“意匠”与“诗意”无疑是对建构思想的现代转译。建构即为“真实与诗意的建造”，“真实”强调于技术应用的科学性，这为数字化技术的应用提供了最佳的创作舞台，而“诗意”则将建筑设计的宗旨升华至艺术审美。

建筑形态中的传统美学体现于秩序、比例、序列等形式美法则，而近年来，更多的建筑以丰富的空间与流畅的非线性形态展现出崭新的造型风格与美学意向。这起源于传统欧氏几何建筑形态的单一创作手段、审美原则，但该建构体系已不完全适用于今日复杂多样的建筑形态。20世纪以来，随着混沌、分形等科学概念被发现，人类对自然规律的认识不再满足于简化的近似解，众多的非线性现象唤醒了人们意识深处的自然情怀与多元审美，哲学家吉尔·德勒兹(Gilles Deleuze)提出的褶子、游牧等理论被视作非线性建筑“圣经”[11-14]。建筑的空间形态也开始向着更流动、模糊、复杂的方向发展。

从建筑形态塑造的诗意角度来看，数字化设计方法不仅可以塑造流畅动感的形态来满足日益丰富的审美意向，更重要的是还可以利用数字化设计中的强大工具来提升建筑形态塑造的合理方法。虽然越来越多的建筑空间变得新颖且多元，由算法生成所获取的形态与表皮更为丰富甚至异样，但它们都可以清晰地表达出数字科技的严谨性和数字美学的艺术性。因而，数字化设计过程中的数理逻辑才是美学意向的关键所在，例如在参数化建模程序中使用数学函数曲线控制建筑曲面中的关键结构线形态，不仅可以通过参数精确高效地控制异形形态尺度，更能将函数曲线的几何美与非线性曲面建筑的流线美相结合，使得丰富的建筑形态具备理性的生成逻辑。

2 数字化形态建构

2.1 非线性建筑形态

纵观世界，越来越多的建筑形态设计趋向于自由流转或生态有机的表现方式，其新颖奇异的外部形态甚至充满着未来的科幻感。这些非线性的空间形态正是建立在建筑的曲面异形造型的发展与空间结构体系的发展之上。曲面异形建筑以其非线性的设计理念以及三维曲面的外部造型给人留下深刻印象，其通过连续、流动的外观，塑造了简洁、流畅、优美的几何形态。例如国际建筑大师哈迪德所设计的Bee’ah沙迦零耗能总部，BIG建筑事务所设计的爱彼博物馆等，中国著名建筑师袁烽所设计的南京欢乐谷入口，马岩松及其团队设计的哈尔滨大剧院等项目(图1)，都运用了数字化设计中的塑形理念和方法，这些基于非线性设计理念所诞生的建筑形态营造了诗意灵动的空间。相对于传统笛卡尔坐标下的欧式几何形态，非欧几何与空间曲面能够更好地将建筑作为一种抽象符号，表达出更明晰的建筑性格。同时非线性的建筑重返自然形态，能和周边场地环境更为融合，形成流畅动感的地景效果。这类数字化美学所营造的建筑形态也往往给人较大的视觉冲击，其所带来的“网红打卡”效应为城市或地区的经济发展提供了帮助，其艺术感染力已经掩盖了部分功能性的不足。同时，非线性形态的建筑同样具有明确直观的功能要求，其空间形态拓扑于明晰的几何形式，这也为数字化设计提供了形态生成的逻辑关系以及诸多可量化的参数。利用综合各类函数关系和参数变量，可以建立相关的脚本程序，并通过“几何推演”和“数形联动”方式演绎出建筑丰富的外部形态与表象肌理。

图1 当代建筑展现出的非线性设计形态

以空间曲面为主要塑型特征的建筑通常从动感流畅的形态设计理念出发，结合场地环境、使用需求、空间塑造等因素，以计算机辅助设计软件为工具，通过对三维虚拟建筑模型的不断优化调整，得出最终成果。由于非线性建筑的空间复杂性，建筑师在最初阶段主要是通过抽象的、非标准化的草图表达出自己的构想，进而通过设计软件搭建出具体的、具有数据信息的三维模型，这一过程是连接抽象理念与现实建构之间的重要纽带，也是非线性设计的技术重点。由于传统建模软件的局限性，在建模过程中引入数学分析工具的软件被越来越多的建筑师使用，如基于非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Spline)建模的Rhinoceros,以及3DMAX、Maya、CATIA等软件，其强大的3D图形绘制与计算能力使空间几何形体的建造成为可能[15-17]。对于非线性空间曲面建模，相较于复杂抽象的形体，更重要的是形体背后的合理性与逻辑性。基于一个几何原型的拓扑形态可以产生无数类型(图2)，如何通过设计软件的模拟优化，找到最合理化表达设计理念以及与环境场地、建构过程、经济成本、空间尺度达到共同和谐的形态，这就是非线性设计的关键技术所在。同时，基于空间曲面形态在不同空间点的多变性，如不同位置曲面幕墙的结构单元及尺寸数据数目繁多，通过技术手段优化建构构件模数，可以对降低异形曲面建筑的施工难度和工程造价起到重要作用。

图2 基于同心圆形体原型的空间拓扑重构形态

2.2 参数化设计与数字化建构的关系

空间曲面首先以函数曲线的方式呈现，建筑师进一步改变函数曲线的自变量，通过数学逻辑达成建筑形态的艺术性，完成数字化建筑艺术性与技术性的高度结合。通过更为先进的数字建模软件，建筑师可以直接调整三维数字模型的空间尺度来对曲面异形建筑的形态进行直观的优化调整。在此基础上，参数化设计以其通过具体数据对形体的调控被建筑师用来进行空间曲面的形体塑造，参数化设计是通过搭建算法框架，以配置完整的函数或者程序为工具，通过改变输入参数，将不同的参数进行数学运算后进行三维建模，最终得出由初始输入参数进行控制的三维模型(图3)。这一过程将原本主观调整形态过程变为由具体数据精确控制空间形态的数学计算过程，设计者的主观性在设计过程中会受到一定程度的制约，计算机编程成为主要的创作语言，设计者通过寻找“关系”与“规则”，算法成为构筑参数模型形式搜寻与优化的核心内容。参数化平台还可以分析空间几何形态形成的数学原理，将其对应的函数曲线以简洁的形式展现出来，这种数字化的形态表达呈现出一种数形联动的设计协同，表现出了虚拟数字和物质实践的相互融合，通过数学逻辑达成建筑形态的技术美学。

图3 通过改变参数实现数形联动

目前参数化设计软件有以Rhinoceros平台为基础的Grasshopper插件和基于CATIA平台的Dgital Project插件以及基于REVIT平台的Dynamo插件等，多个参数化设计软件相比，以Rhinoceros(以下简称RH)/Grasshopper(以下简称GH)软件最具优势。GH是基于Visual StudioXamarin平台进行开发，并可用C#、Python、C、C++等语言面向不同的操作系统进行深度研发，其开放性使得GH的拓展性极强，具有大量实用的插件对建筑设计进行模拟与优化，以GH为平台开发的有对建筑环境进行温度、湿度、太阳辐射以及日照分析的Ladubug、Honeybee，基于结构动力学模拟的Kangroo(图4)，用于有限元分析力学模拟的Karamba3D，用于几何面分隔单元以及与Excel等软件进行联动的Lunchbox等[18-20]。丰富的插件使得GH功能十分强大，其基于数据结构的建模逻辑可以精确控制非线性曲面的设计过程，并且各类分析工具能够通过数学运算得出的可视化结果反作用于建筑形态的优化调整。

图4 基于Kangroo插件的张拉膜结构形体优化调整

基于RH/GH平台，建筑师可以对异形空间曲面的几何要素进行函数构建，通过调整初始参数来获得与抽象建筑理念相匹配的建筑形态，实现三维数字模型的数形联动，同时，可以通过各类插件对三维数字模型进行建筑信息分析，进一步通过调整函数的形式或数据的结构对建筑形体、建筑构件尺寸进行优化。本文所分析的3个设计案例均基于RH/GH平台，将数字化的设计过程与抽象化的设计理念相互融合，通过参数化的方法进行设计和优化，体现出基于技艺美学的数字化非线性建筑形态设计优势。

3 设计实践

3.1 函数构建在空间曲面中的应用

本案例为针对长沙市特殊教育学校学生的日常休闲活动及丰富校园空间进行的构筑物方案设计，建设场地为校园教学楼之间绿地内的半圆形硬质地面。在设计之初考虑到特殊学校学生的特殊性，其存在听力障碍、视力障碍以及智力障碍等，从特殊学生的心理建设角度出发，提出通过塑造可与自然环境相交互的流动空间，以令人愉悦的空间氛围来激发儿童的交往活动与想象力。因此方案设计要打破传统空间构筑物横平竖直的框架线条，通过曲面流动的形态创造流转灵动的内部空间与外部造型(图5)，在创造校园艺术空间的同时，增加特殊儿童的自主探索能力与交往积极性。

图5 构筑物方案效果图

结合场地分析与设计理念，方案确定为以空间曲面结合空间网格与伞状支承结构的非线性设计形式，将抽象的概念草图转化为可实际搭建的现实方案成为了技术性与艺术性结合的重点，考虑到对于空间曲面形态的精确把握，方案采用RH/GH平台进行三维建模模拟。在本设计方案中，利用GH搭建具体的函数曲线调控建筑结构与形态尺度(图6)，同时存备三维数据信息以便于空间曲面数字化施工建构，实现非线性数字化的数形联动过程。

图6 从概念草图到全参数化程序的形体构建

在分析空间曲面的几何要素时，将其定义为由两段二维曲线与两段三维曲线作为几何边框构成的曲面。首先建立平面二维曲线，确定构筑物在平面上的投影范围，而后通过GH平台中的函数运算将二维曲线重构为三维空间曲线，两段空间曲线分别由累积正弦波函数与三阶贝塞尔函数曲线进行生成，将两段二维平面线作为截面线，两段空间曲线作为轨迹曲线，通过双轨扫掠(Sweep)构成空间曲面(图7)。最后结合使用者的活动尺度对生成的空间曲面进行调整优化，对空间曲面的设计增加技术性与逻辑性。

图7 构筑物方案生成示意图

累积正弦函数F(t)为

三阶贝塞尔函数为

F(t)=p0(1-t)3+3p1t(1-t)2+

3p2t2(1-t)+p3t3

式中：t为点在数值区间的映射；p0、p1、p2、p3均为三阶贝塞尔曲线控制点。

在本设计方案中，函数成为完全客观化的形态构筑逻辑，在一个恰当的时间点参与建筑体的生成步骤之中，到后期不断与设计理念结合，逐步营建出空间氛围和知觉体验，建筑艺术与结构技术也在调整与优化的过程中达成了平衡。这种依靠前期的建筑思感进行创作，并在后期通过工具合理化的生成式设计，让结构理性融入整个建筑创作的过程中。在追求建筑高效能与结构兼容性的今天，函数模式的引入无疑让造型艺术与结构技术更加高效地交织在一起。

3.2 参数化程序优化非线性建构形态

此设计案例为一座村民活动中心方案设计，综合考虑村民日常行为模式及游客活动需求，以乡村传统院落为原型，通过塑造开放性公共空间的模式为使用者提供活动场所。考虑到场地在山地，建构屋面也拟合山体态势，通过数字化的曲线形体与传统的矩形形体的联动，营造出丰富的内部空间与流动的建筑形式(图8)。方案将传统建筑形态与数字化的设计手法相结合，在设计过程中搭建参数化程序模拟屋面变化角度与位置，通过反复对比找到最优方案形态，同时对空间曲面形态屋面进行结构形式的探索，将曲面形态与空间结构相结合，使结构体系满足非线性形式的需要。整个设计使用全参数化控制，通过调节几何原型的各项参数优化建筑形态与结构，用参数化的建构逻辑实现抽象的设计理念，实现建构艺术性与技术性的结合。

图8 活动中心方案效果图

通过分析，初步确定方案为以椭圆形内边与矩形外边形成空间曲面屋面形式的建筑母体，通过椭圆形倾斜角度与位置的不同与进行空间变化后的矩形外边缘构成不同的空间形态，进而营造出诗意的建筑形式。具体设计方法为：搭建GH参数化建模程序，将非线性椭圆形内边与线性矩形外边等分点，将点在直线上的位置进行区间映射，而后使用函数进行点的坐标位移，并对位移后的点进行连线，重构出空间中的几何图形，而后对曲线和直线上的点进行连线，通过放样(Loft)的方式生成空间曲面，并通过点与点之间连线的位移生成对曲面屋面起支撑作用的空间网架结构(图9)，提高建筑形式与结构之间的联动性与逻辑性。

图9 活动中心方案生成示意图

通过调整参数化建模程序中的参数，可以快速对比不同的空间形态来优化设计方案(图10)，同时也可以调整几何边缘等分点之间的连线实现结构形式与屋面形式的联动，一方面调整建筑形式提高其曲面美感和艺术性，另一方面优化结构与造型的搭接关系。参数化的使用使得整个空间曲面屋面的设计流程更加合理，以点坐标变化为基础，通过参数化建模程序生成最终形态。抽象的建筑形式具备了逻辑性与自洽性，数字化的设计过程为非线性的曲面提供了生成依据，在优美的自然环境中表达出符合时代特征的数字化美学特征。

图10 通过调整中心圆的位置与倾斜角度生成的不同建筑形态

3.3 参数化程序对建筑形态及表皮的整体调控

建筑形态过于复杂也会带来美学失衡及结构弊端，所以大量公共建筑的外部形态更为遵循“几何构成+精彩表皮”的设计语言。数字化设计为此类方案也提供了更为实效和精彩的演绎。例如在青岛理工大学临沂校区体育馆设计方案中，考虑到体育建筑对于校园以及周边城市区域空间品质的提升、建筑本身的纪念性与地标性以及体育赛事及观赛看台对空间的要求，建筑设计方案采用了非线性的空间几何形态和流线型的表皮幕墙来营造新颖、充满活力的建筑造型。对于由空间曲面构成的非线性形体在设计过程中搭建参数化建模程序，通过函数控制空间曲面几何构成要素的方式，对曲面形态进行塑造与调整优化。同时，利用参数化平台对建筑立面的数值细分与尺度控制，塑造与建筑形态相融合的表皮肌理，通过数字化的手法使建筑表皮生成逻辑与建筑形体生成逻辑高度关联，最终共同构成和谐统一、流动共生的建筑造型(图11)。

图11 体育馆方案效果图

此方案的表皮幕墙与建筑整体形态均通过数学函数曲线生成，通过改变参数数值，就能将函数曲线作为曲面构成要素坐标计算工具，实现对非线性空间曲面及空间渐变表皮的创造及优化，最终达成符合设计理念的艺术性形态，实现对形体及表皮设计过程的技艺结合。

在设计过程中，建筑外围护边缘在地面上的投影为形态控制的几何原型曲线，搭建函数构型程序，对几何原型曲线进行等分，将等分点的坐标进行函数曲线计算下的位置调整，进而生成构成空间曲面形态的结构曲线，而后对结构曲线进行放样(Loft)生成最终的空间曲面(图12)。

图12 通过函数调整生成的空间曲面的形态

函数f(t)计算公式为

f(t)=[cos(t)r+r]+z

式中：t为点在数值区间的映射；r为曲线顶点高度；z为曲面上边线底端与下边线高差。

在生成空间曲面的基础上，继续对空间曲面进行细分，调整RH中曲面U、V的结构线，将曲面分割为等距的曲面单元，而后通过函数曲线映射的方式在二维平面生成对应曲面单元的渐变表皮单元，最后将表皮单元通过Surface Morph电池在对应的三维空间曲面上生成最终的表皮幕墙(图13)。同时，屋面的“鲨鱼鳍”状天窗其渐变的开窗高度同样通过正弦函数进行形态上的调整(图14)。这种数字化构型的表皮构型呈现出一种匀质但非标准化的表皮形态，也展现出技术美学的鲜明特征。

图13 表皮单元与曲面单元

图14 通过函数调整生成的天窗尺度与形态

4 结 语

(1)对于随时代技术发展涌现出的非线性形态建筑，在设计时应充分遵循数理逻辑，以理性技术促成诗意建构，避免毫无逻辑的异形形态所造成的功能空间不适、结构体系繁琐、材料运用浪费等问题。

(2)在进行非线性形体设计时，应使用数字化设计工具对建筑形态与表皮进行精准调控，通过调整曲面结构线的空间位置坐标与尺寸数据来生成空间曲面，以实现异形建筑形体设计逻辑的自洽性。

(3)搭建参数化建模程序生成数字化模型对于空间曲线的形态调整是兼具准确性与高效性的设计过程。数学函数工具可以很好地为空间曲面进行找型及优化，实现对非线性形态的精准调控，为当代技术美学视域下的建筑形态设计达成塑造目标。