随着现代主义建筑的繁荣发展, 很多建筑师逐步摆脱了传统建筑形式的束缚, 创作出既适应社会工业化生产条件和要求, 又具有全新设计美学特点的崭新建筑。现代主义设计思潮和工业化生产方式将建筑与结构分割成两个独立的专业, 明确的专业分工一方面大大提高了生产效率, 另一方面也让建筑师与结构师在各自道路上渐行渐远, 甚至走向彼此的对立面。幸运的是, 借助近年快速发展的数字技术, 结构设计开始主动介入建筑创作过程, 建筑表现结构之力, 结构成就建筑之美。建筑与结构相互表达, 相辅相成, 结构功能与建筑形式互相促进, 催生出建筑与结构浑然天成的一体化设计方法, 产生了一系列优秀的建筑作品。

建筑是艺术和技术的统一载体, 是人类物质与精神相结合的产物, 建筑需要技术的支持, 同时又需要艺术来表达情感。功能是建筑的本体, 技术则是建筑实现的有力手段。好的建筑应当具有强烈的场所精神, 跟当地传统文脉与审美习惯融为一体, 建筑被赋予某种文化特征, 也兼具艺术属性。而这一切的实现都离不开建筑技术, 技术又总是以自身的进步不断应对建筑功能、文化的挑战, 不断支持和体现美的艺术。特别是以电子计算机为基础的数字技术, 其出现与繁荣发展为建筑技术注入了全新活力, 对优化建筑的功能和实现建筑的文化属性与艺术价值作出了重要的贡献。

航空航天、船舶汽车、精密机械等高端制造业以其复杂而精确的加工要求为人称道, 而在其背后提供支撑的正是数字技术。在高端制造业, 数字技术早已经遍地开花, 取得了丰硕成果。如NURBS三维建模技术、一体无模成形技术、非线性静/动力分析、流体力学模拟、数控机床加工在很多领域也已相对普及, 结构拓扑优化、金属3D打印及机器人智能加工也逐渐开始规模应用 (图1~3) 。

工业技术在发展, 建筑师的思想也在不断寻求突破, 一些先锋建筑师主动向制造业学习。弗兰克·盖里借用飞机制造领域的CATIA软件, 成功地完成了巴塞罗那奥运会“鱼形雕塑”的设计与建造 (图4) ;扎哈·哈迪德主持设计的广州歌剧院 (图5) , 利用数控机床技术, 完成了芭蕾舞排练厅的室内一体成型建造。随着向其他行业的学习以及建筑业自身的发展, 数字建筑技术也有了长足的进步。如2012年竣工的凤凰国际传媒中心 (图6) , 项目引入Rhino、Grasshopper参数化编程及BIM技术, 建筑师与结构工程师、幕墙设计师密切配合, 实现了常规技术无法实现的文件数据传递, 极大地提高了设计产品的精度, 顺利完成了复杂异形建筑的建造控制, 该项目也是国内大型设计院采用BIM+参数化设计的一次大胆尝试。

(1) 数字技术对建筑功能的影响

建筑最基本的要求是要满足使用者需求, 包括空间的布局、交通流线、采光通风、隔热保暖、空气流通、视听感受等, 数字技术通过全新的编程手段与精准量化分析, 优化建筑空间品质、提升建筑功能的使用体验。以剧院观众厅设计为例, 传统设计中, 观众厅视线分析截取典型剖面, 通过舞台与座位的连线来人工判断观众厅的视线优劣。但在实际工程中, 观众厅功能空间复杂, 典型剖面很难反映全部空间座位视线效果, 而且分析质量好坏很难量化, 视线分析品质因人而异, 差异很大。而借助Grasshopper插件及Python编程语言, 根据规范设定采样点, 通过距离和角度加权评价方法, 则可精确获得观众厅每一个位置的视线品质量化指标, 并能够以直观的云图展示分析结果, 以此优化功能空间。数字技术实现了复杂空间视线功能的精确量化评价与可视化分析, 从而提升了建筑空间品质 (图7, 8) 。

(2) 数字技术对建筑经济的影响

受技术的限制, 复杂建筑建造难度高、出错返工率高、容易超预算、建筑成本不可控, 而数字技术的出现则为这一难题提供了可行的解决方案。以建筑信息建模技术 (BIM) 为例, 由于几何构件的多维信息可通过BIM数据精确描述, 并实现不同软件平台的数据无缝对接, 设计建造出错概率被大大降低。上海中心大厦基于BIM的三维管线综合模型 (图9) 中, 错综复杂的机电设备与结构互相穿插, 却能轻易通过软件检测存在的碰撞, 极大减少了结构与机电设备设计中的错、漏、碰、缺, 减小返工, 节省造价;而在上海交响乐团音乐厅项目中, 通过结构形态优化技术 (图10) , 以最低应变能为目标找到了在设计边界条件下最优的几何形态, 实现了最大的结构效率, 减少了材料消耗, 降低了造价。

(3) 数字技术对建筑形式的影响

数字技术的发展为复杂建筑设计与建造提供了强有力的技术支持, 解放了建筑师的创作思路, 使建筑外观丰富、多样, 也给人们带来了新的审美感受 (图11~13) 。

随着计算机技术的飞速发展, 市场上的软件工具百花齐放, 过去工程设计实现了从图板到计算机的飞跃, 而今天工程设计也正从二维走向三维, 从直线到曲线, 从单一到复杂, 从图纸表达到三维信息表达, 从图纸交付到无纸化模型交付 (图14, 15) 。

(1) 严谨的设计逻辑

上海中心大厦 (图16) 外幕墙的数字化设计, 对自由曲线和形体进行严格的数学定义, 保证设计成果由点到面到体具有精确的三维信息。上海中心大厦借助参数化技术, 以圆为基础, 利用数学语言对每一段曲线、圆弧进行精确的描述, 同时对竖向收进以及每层的旋转角度进行精确的数学表达, 从而使得复杂的几何形体呈现清晰的设计逻辑, 并带来便捷的可修改性 (图17) 。

(2) 建筑结构一体化形体生成设计

超高层建筑风荷载是结构设计的重要影响因素之一, 为了减小水平风荷载对建筑的影响, 建筑和结构等专业从方案开始密切合作, 通过数字技术获得一系列符合力学特性的方案模型, 同时结合数值风模拟与物理风洞试验, 经过多次迭代优化, 最终确定从塔楼底部到顶部旋转角度为120°、收缩比例为55%的方案, 既有效减小风振作用, 节约造价, 又得到了婀娜多姿的建筑曲线 (图18~20) 。

上海中心大厦

业主:上海中心大厦建设发展有限公司

建设地点:上海市

方案设计:Gensler建筑设计事务所

施工图设计:同济大学建筑设计研究院 (集团) 有限公司

建筑面积:约53万m²

建筑高度:632m

结构高度:580m

设计时间:2006~2008

建成时间:2016

(3) 人机互动的设计优化

通过参数定义及算法编程, 上海中心大厦实现了参数驱动下的建筑、结构、幕墙的自动修改:建筑专业通过优化获得新的形体;幕墙、结构专业根据形体数字模型, 迅速进行表皮、结构深化设计与调整。通过Rhino与SAP2000平台, 实现幕墙、结构随形而动, 从而实现了高效的人机协作 (图21~23) 。

(4) 多专业协同设计

上海中心大厦的设计中, BIM技术的运用使得各专业实现了“三维协同”设计, 从而带来全新的工作模式。在三维协同状态下, 各专业工程师可以基于同一个建筑信息模型完成设计成果的交流与传递。以塔冠设计为例, 建筑专业利用参数化技术生成塔冠 (图24) , 并导出几何信息到Excel表格;钢结构通过编程读取Excel几何数据, 生成钢结构模型;幕墙专业根据钢结构的模型数据进行深化设计, 建立精细的幕墙构件 (图25) 。该项目通过BIM平台, 实现了建筑、结构、幕墙专业数据的无缝对接与土建、机电的协同设计 (图26) , 建造过程如图27所示。

(1) 体系——基于参数化方法的多方案比选

参数化技术带来更丰富的结构形式, 参数化工具赋予了结构方案更多的可能性, 在该项目中, 拱、网壳、桁架、拉索等多种结构形式通过参数化方法可以快速建立并进行详细的参数调整与比较 (图28~33) 。

(2) 形态——性能导向的结构找形

项目中通过Grasshopper脚本编程生成结构几何, 而由算法控制的结构几何又可快速响应建筑曲面的修改变化。由于复杂结构几何通过少量简单参数控制, 结构优化变得简单可行。以应变能作为弹性体系刚度的综合指标, 在建筑给定的可行空间中搜索造型关键控制点的最优位置, 借助通用优化算法来寻找这一多参数优化问题的一个较优解, 获得优化的结构形状 (图34, 35) 。

(3) 建筑与结构一体化设计

由于建筑表皮作为结构设计的输入参数, 结构布置与建筑造型更贴合, 数据资源随时互通, 误差也更为可控。由此, 结构成为建筑的一部分, 富有张力。NURBS技术通过插值方法实现高效的几何计算, 并带来了映射、投影、疏密变化等更丰富多样的结构布置手段, 大大丰富了结构的几何形式 (图36) 。

滇池水上乐园

业主:云南省城市建设投资集团有限公司

建设地点:云南省昆明市

建筑设计:同济大学建筑设计研究院 (集团) 有限公司

总建筑面积:27 492m² (地下建筑面积约27 000m²)

设计时间:2017年至今

(4) 构件——网格几何的一体化设计

虽然参数化设计中编程过程较为耗时, 但编程的成果却大大提高了参数比选的效率。数千构件通过几个参数控制, 而通过修改参数即可迅速实现结构构件的实时更新、便捷高效;结构方案可以实时对比, 实现结构设计的快速决策 (图37) 。

(5) 分析——简捷便利的结构计算

项目中通过三维工具与分析工具之间的数据传递, 实现快速的结构分析。对复杂网壳结构的屈曲问题、缺陷问题、极限承载力问题等进行全方位的分析评估, 保证方案的可行性及结构的可靠性 (图38) 。

(6) 3D打印展示——全方位的数字化体验

3D打印可使人们获得“可触摸”的体验, 更真实地比较方案, 通过3D打印技术所获得的建筑模型, 能够更好地凸显建筑细节和复杂结构, 也更为形象、直观、准确地表达建筑师的设计理念 (图39) , 并可以有效缩短设计周期, 帮助业主更快、更直观地决策, 降低企业开发成本。SLA光固化技术成型速度快、打印精度较高, 耗材包括半透明、不透明、耐高温以及高韧性树脂, 成型后产品外观平滑, 可呈现透明至半透明磨砂状, 同时可配合的后处理工艺较多 (喷漆、电镀等) , 适用于前期方案推敲、小尺寸结构节点研究以及制作复杂异形表皮设计原型等, 可为建筑、结构的创作和展示提供高效、便捷的数字化产品体验。

在数字技术向建筑业渗透的过程中, 建筑设计的出发点从二维发展到三维, 技术束缚越来越小, 技术应用的自由度越来越大, 设计对建造的控制变得精准和简便。数字技术特别是NURBS技术的出现使得对曲线的操作更加容易和直观, 建筑师可以更多地利用曲线这一更自然的元素去表现建筑。金茂大厦造型几乎完全由直线构成, 环球金融中心由直线及少量曲线构成, 而上海中心大厦则完全为一体的曲线, 这三座上海的地标建筑, 很直观地反映出这一时代的潮流。

此外, 数字化设计技术使得设计师可以将更多工作交给机器, 从而更专注于设计目标本身, 减少重复性劳动, 降低个性化产品的设计与制造成本, 有助于建筑向个性化定制迈进。得益于技术发展, 未来建筑可以更有想象力和表现力, 结构可以更加轻、快、好、省, 建造和运营可以更加经济、合理。数字化设计技术结合装配式建筑将使建筑业向高端制造业靠拢, 如无模成型、一体焊接机器人施工、珠宝级打磨等技术在建筑业的应用越来越多、越来越广。

(1) 贯穿建筑生命周期的大数据

数字化设计的基础是数据, 设计阶段的数据不只用于建造, 在建筑运营的全寿命周期中都将发挥作用。从静态的设计数据到动态的运营数据, 将会设计建造出根据运营实况自我调整的建筑。随着数据的积累, 数字设计将从单一建筑到多建筑互动, 数字化建筑也将由此发展为智慧社区, 并最终发展为智慧城市。

(2) 人工智能与建筑业结合的应用

目前国内建筑业处于“手工-工业-智能”演进过程中的工业阶段, 而这一阶段仅仅开始了不到三十年。随着人工智能的发展, 数字化设计技术将从执行端向决策端延伸。今天基于机械算法的软件还需要建筑师进行大量的重复操作, 未来基于人工智能技术的软件会直接向建筑师提供方案供其选择, 而这也绝不是梦想。总之, 建筑数字技术的未来很广阔, 而数字技术也正是建筑业的未来。