袁烽，張立名/

磚的數字化建構

袁烽，張立名/

磚的數字化建構所表達的是如何將傳統(tǒng)材料磚進行當代應用。其中核心驅動力有兩點：數字化方法將對磚的傳統(tǒng)性的理解推向了新的美學目標；數字化工具的發(fā)展使磚模塊本身走向更加復雜的模數與材料性能目標。磚的數字化建構是連接傳統(tǒng)與未來的橋梁。

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1“綢墻”建成效果

2 絲綢肌理的轉譯過程圖解

1 磚的傳統(tǒng)性與文化性

“建筑開始于兩塊磚被仔細地擺放在一起?！?/p>

——密斯·凡·德·羅

磚，以及與之對應的建造方式——砌筑——的出現與發(fā)展，幾乎與建筑的出現與發(fā)展同步進行。“整個建筑史發(fā)展到現在（許多建筑技術到現在有所突破）為止，建筑只有3種基本方式：一是先造出骨架和框架，然后再覆蓋上外表；另一種是把一塊塊建筑材料堆砌起來的砌筑式；而第三種則是將前兩種方法混合起來的混合式”[1]。而磚石的砌筑作為一種最為簡單直接的與重力對抗的方法，自然而然地從人類早期就成為了最主要的建造方式。

磚與砌筑的發(fā)展伴隨著人類文明的發(fā)展而不斷地生長與完善，至今已成為一個龐大的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)深受文化與地域的影響，表現出極強的傳統(tǒng)與文化特征：從磚的材料方面，西方一系列古代教堂建筑用石材制磚來表達一種對永恒的追求，而在東方，以粘土為主要材料的磚，以及磚本身在以木材為核心的建造體系內的輔助地位，表現著“不求原物之長存”、“安于新陳代謝之理，以自然生滅為定律”的觀念[2]；從磚的尺寸方面，古羅馬的長磚，形體較為扁長，這樣的形體有利于提高磚的抗壓能力，從而可以用來建造高大的建筑[3]，而在古代中國，為了加強墻的整體性而發(fā)展出了各種搭接形式，致使磚的長寬高比例需要滿足某種比例來對不同的搭接形式具有廣泛的適應性，到漢代的時候，磚的長寬高比例已經接近現代磚的常用比例4:2:1。從磚的砌筑方式方面，由于大空間尺度的教堂在古代西方建筑中的主導地位，磚石的砌筑方式一直在向更大的尺度與跨度方向努力，從而產生了一系列經典的磚石砌筑的拱圈與穹頂，而在古代中國，磚的砌筑以更精美的墻身與更好的墻身整體性為目的，產生了在重要傳統(tǒng)建筑墻體中常見的“磨磚對縫”、“磨磚勾縫”等砌筑手法[4]，以及在普通民居中順丁結合的砌筑手法。地域與文化的差異對磚的發(fā)展自始至終都在產生著重要的影響，這種長久的影響使得磚成為了一種文化符號，表現出強大的傳統(tǒng)與文化的屬性，這種文化的傳承體現了磚在建構文化中不可取代的重要作用。

2 磚的數字化建構——從傳統(tǒng)性到當代性的轉譯

磚的建構文化屬性，在當代建筑實踐中依然受到很多建筑師的青睞，但對于其傳統(tǒng)性在當代建筑中該如何呈現這一問題，當代的建筑師依然存在著不少迷茫。這種迷茫來自于磚與磚建筑由于長久的發(fā)展已經形成了一個龐大的系統(tǒng)，在這樣一個系統(tǒng)中找到一個從傳統(tǒng)性到當代性進行轉譯的突破點并非一件容易的事，若無法有一個深刻或全面的把握，這種轉譯就極容易變成或是流于形式的模仿與重復，或是缺乏人文關懷的摧枯拉朽的再造，無法給出令人信服的答案。[5]

解決這個問題的出路到底在哪里？縱觀建筑風格與思潮的發(fā)展歷史，不難發(fā)現的一點是：風格與思潮的改變只是表象，其背后的設計方法和工具的變革才是影響建筑范式變革的決定性因素。譬如文藝復興背后的透視學，巴洛克建筑背后的切石法，還有現代主義背后克林·羅的“透明性”概念性驅動下的軸測畫法。就這一點上來說，磚的發(fā)展也并不例外。[6]

基于這一點，磚的數字化建構所期望的就是一種基于新的設計方法與工具的從傳統(tǒng)性到當代性的轉譯。數字化手段帶來的是設計思想與工具的革新，在新的思想與工具的驅動下，使得建構邏輯向多維度和高復雜性進化，完成源于根本的形式轉移。

2.1 美學性能的轉譯

當代的建筑實踐中，磚的應用一度被新的建構方式拋棄，這是在不斷有新的結構系統(tǒng)出現的背景下的必然結果。隨著磚擺脫了作為結構系統(tǒng)而存在的種種限制，磚可以從材料性能的角度去發(fā)展其特質。在這個基礎上，其美學性能可以得到全新的表現。在磚的砌筑中，主要表現在不同砌筑邏輯所形成的不同表面肌理，傳統(tǒng)的砌筑邏輯主要為“順”與“丁”的組合方式，雖然在長期的發(fā)展過程中總結出了三順一丁、五順一丁、梅花丁等經典組合方式，但究其本質，磚與磚之間只有平行與垂直兩種關系。在上海AU SPACE廠房改造和蘭溪亭項目中，“綢墻”和“水墻”的設計代表了我們基于數字化方法和工具，建立超越平行與垂直的邏輯系統(tǒng)，在磚的美學性能方面新的嘗試。

上海AU SPACE廠房改造項目位于上?！拔寰S空間”創(chuàng)意產業(yè)園區(qū)，該園區(qū)前身是建于1940年代的上海華豐第一棉紡織廠。面對這個曾經出產大量棉紡織品的工業(yè)場地，我們對建筑的形象改造做出的設計決策是：使用最樸實而具有工業(yè)色彩的材料——混凝土空心磚來實現像織物一般的柔順感，這種意象首先表達了我們對場所歷史的回應，再者希望突破傳統(tǒng)磚墻橫平豎直、棱角分明的表現效果。因此對絲綢質感的表現，成為了思考的出發(fā)點。

在整個設計思考的過程中，數字化方法和工具

從兩個方面對我們的思路產生著重要影響：首先是思考的切入點，打破磚的傳統(tǒng)材料表現并非一件容易的事，其難點在于磚以及磚墻的意象在長時間的發(fā)展過程中，已經在人的心中根深蒂固。橫平豎直的邏輯體系代表了一種非此即彼的傳統(tǒng)思維，而數字化方法的顯著特征是非線性與連續(xù)性，“是”與“否”并非全部的答案，在“是”與“否”之間，還存在著很多的可能性。這種思考方式成為我們能在設計意圖上突破傳統(tǒng)磚墻意向桎梏的最重要的思想基礎。

另一方面，數字化方法實現的核心在于將一切設計元素轉化為數據進行統(tǒng)籌、整理與聯(lián)系，這使得絲綢與磚墻這兩個本毫無聯(lián)系的設計元素之間產生相互轉譯成為可能。我們提取絲綢質感中的灰度及空心混凝土磚的旋轉角度作為轉譯的媒介，在灰度與角度之間建立數學聯(lián)系，從而完成這個轉譯過程，在磚墻上實現絲綢的效果[7]（圖1、2）。

在四川成都蘭溪亭項目中，我們試圖對中國傳統(tǒng)江南園林做全新的演繹，這種演繹不只局限于常規(guī)的空間組織和建筑形體設計方面，我們希望在建筑的表皮中引入傳統(tǒng)江南園林中代表性的符號來實現別具一格的隱喻。因此，我們選擇了“水”這一靈動、自然的元素作為磚墻表皮期望表達的意向。這一設計出發(fā)點促成了“水墻”這一設計的產生。首先，我們運用算法捕捉水在時間維度上趨于靜止時的瞬間狀態(tài)，將其抽象為矢量路徑，運用數字化手段在矢量圖形和磚的排列邏輯間建立幾何聯(lián)系，將矢量路徑對磚的排列進行干擾，從而完成水紋到實體建筑語言的轉譯。最終，青磚這一在中國傳統(tǒng)建筑中普遍使用的建筑材料和極其常見的錯縫砌筑法成為我們轉譯的媒介，特殊的空縫砌筑形式在厚重的墻體中實現了輕盈通透的流水視覺效果（圖3、4）。

2.2 性能美學的轉譯

將磚的文化屬性與功能屬性分離成為一種被普遍認可的手法，這是否意味著磚的結構功能已經走向了終結，磚結構已經失去了存在于當代的意義，這并不盡然。在上海諾華制藥總部基地的項目中，我們對這一問題做出了回應。在這一項目的外墻設計中，我們依然選擇磚作為主要材料，并在磚的砌筑邏輯的建立上延續(xù)了在“綢墻”和“水墻”中使用的基于數字化方法與工具的設計手法，利用變化的磚的空縫砌筑來達到柔順的漸變效果。不同的是，這一次磚不再作為單純的表現材料，而是通過位于3個不同層次的磚與磚之間基于幾何操作的連接設計與結構性能模擬和優(yōu)化，讓磚承擔了部分的結構作用。

蛇形的外墻環(huán)繞在3棟服務用房外圍（圖5），使得這面外墻并沒有絕對的內表面和外表面之分，這就導致之前用到的在內表面建造結構層來支撐墻體、結構與磚墻分開處理的做法在這個項目中并不適用，因此在這個項目中，結構功能必須由磚墻本身承擔。

在傳統(tǒng)的磚建筑中，磚墻能有良好整體性的核心在于錯縫搭接。在這個設計中，磚墻的紋理已經被設計好了，在不改變已完成的紋理的前提下，我們無法通過在縱向上增加錯縫搭接來增強墻體結構強度，因此，解決方案需要在另外的維度上尋找。最終，我們的做法是磚墻內部加入了一層三角形的空心砌塊（圖7），這一做法有兩方面的意義：首先，三角形砌塊的斜向拼縫和磚塊的水平拼縫之間并非平行關系，這樣就在墻身厚度的維度上創(chuàng)造了錯縫搭接，從而增強墻體的結構性能；另一點，磚墻的結構設計中需要在磚的拼縫之間埋入鋼筋來增加墻體結構強度，由于這面磚墻的設計的紋理是較為特殊的斜向紋理，若使用傳統(tǒng)的橫向埋設鋼筋方式，則鋼筋必定會在空縫砌筑留下的縫隙中露出來，這會對最終的效果產生無法容忍的影響。因此，鋼筋埋設的方向需要順著磚墻的紋理斜向埋設，而單純靠橫向鋪設的磚，無法與斜向埋設的鋼筋組合為一個整體，因此，將橫向鋪設的磚用砂漿固定在三角形空心砌塊的兩邊，借助三角形空心砌塊完成橫向磚與斜向鋼筋的連接，同時，通過幾何操作，中間層的三角形空心砌塊正好被兩邊的矩形磚擋?。▓D8），在絲毫沒有影響想要達到的設計效果的前提下，完成了墻體的結構功能。之后，再通過數字化手段對中間層所用到的三角形空心砌塊的尺寸進行擬合，最終，由于磚墻使用到的本就是尺寸統(tǒng)一的磚，再加上其砌筑方式本身高度的邏輯性，中間層的三角形空心砌塊被擬合為統(tǒng)一尺寸，大大降低了這種結構設計的實現成本。

設計完成后，我們運用有限元分析軟件對墻體的抗壓能力和穩(wěn)定性進行了模擬（圖9），結果也表明了中間層的三角形空心砌塊墻體展現出了十分良好的結構性能，其與兩邊磚墻的完美契合關系也保證了這個設計的美學追求。數字化思想與手段的介入和恰到好處的幾何操作，我們將兩者融合起來，試圖在這一作品中對傳統(tǒng)磚墻的結構性能解決手段進行一個更多維度的詮釋與轉譯，表達我們對性能美學的理解與追求。

3“水墻”全景

4“水墻”局部放大圖

3 低技建造——磚的數字化建構的本土實現

數字化建構包括兩方面的意義：數字化設計與數字化建造，前者為虛擬世界中的邏輯建立與形態(tài)生成，后者為前者在現實建造中的實現。建筑作為一個實體，某種程度上來說，后者的重要性甚至大過前者。在理想狀態(tài)下，數字化設計與數字化建造之間應該是順滑的無縫對接關系，3D打印設備、CNC機床和機械臂等高精度的數控加工設備可以直接讀取在數字化設計階段生成的數據信息，然后轉化為機械動作，從而完成對實體材料的加工。而在建筑領域，建筑本身尺度相比工業(yè)設計或機械制造領域的產品就較為巨大，在一個較大尺度的環(huán)境下，實現大批量高精度的數控建造本就是一個巨大的難題。再者，在中國，數控加工技術在建筑施工領域的推廣程度遠比數字化設計手段在建筑設計師中的普及程度要落后的多。短期內，這都是無法回避的現實，因此，磚的數字化建構需要一種具有本土適應性的方法來實現。

中國建筑施工現狀無法改變，那么從設計端出發(fā)，降低設計的實現門檻是唯一的出路。自古中國匠人之間就有“變造”一說，即依據建造的實際情況對“規(guī)矩”進行一定的變通。譬如，宋代的《營造法式》中雖然對模數制定了嚴密的規(guī)定，但工匠們基本不會在不同的地方做出尺寸完全相同的斗拱。這種方法同樣可以運用在我們的實踐中。

在“綢墻”這一項目的前期設計中，空心混凝

土磚的旋轉角度是通過灰度連續(xù)變化的圖片來控制的，這樣的結果就是空心混凝土磚的旋轉角度呈現各不相同、連續(xù)的變化狀態(tài)。這樣的狀態(tài)使得在施工初期遭遇巨大的困難，每一塊磚的旋轉角度都不同，全部用手工砌筑完成的話，施工成本不可估量。因此我們必須返回設計階段，重新優(yōu)化磚旋轉角度的確定邏輯。減少旋轉角度是最直接的解決手段，但減少旋轉角度就意味著最終效果的妥協(xié)，這兩者之間必須找到一個合適的平衡點。數字化設計基于數據和邏輯的生形手段在尋找這個平衡點的過程中發(fā)揮了很大的優(yōu)勢，即時可見的特點也能夠使一系列的修改結果快速直觀地呈現給建筑師，便于篩選和判斷。

最終，我們將所有的旋轉角度擬合為12個角度來進行實際建造（圖10），同時，為了方便施工工人操作，我們制作了6個模板，讓工人用來做12個角度的磚的定位（圖11）。在設計階段的效果把控和制作模板來保證定位的精確性，使得最終的建成效果滿足了預期，并且整個建造成本也被控制在了一個可以接受的范圍內。

在蘭溪亭項目的“水墻”的建造中，由于有了之前“綢墻”的經驗，我們在設計階段便直接對磚與磚之間的空縫尺寸進行了擬合，最終擬合為5種錯縫尺寸，并也同樣預先制作了5種模板，通過這5種模板數值的排列實現磚墻肌理的變化，從而達到預期的水紋效果（圖12）。

兩面磚墻的數字化建造的實現采用的都是相同的思路，最終的結果都是設計向技術水平不足的施工進行一定的妥協(xié)，雖然這種妥協(xié)經過嚴格的控制，達到了幾乎不影響最終建筑所呈現的效果的地步，但這只是一種面對特殊情況的應急與變通的處理手法，從理想的數字化建構的角度來說，這種手法難以讓人信服，因為它失去了理想的數字化建構所應有的連續(xù)性、一體性和精確性。這種缺失的根本原因在于數控加工工具、工藝和技術在建筑領域的應用還不成熟。面對這種不成熟，妥協(xié)與變通可以是一時性的解決手段，但這遠不是應該達到的目標?？上驳氖?，數字化建造領域的研究者們從未停止過研究的腳步。小尺度的3D打印技術、CNC機床加工、機器人建造等技術經過這幾年的發(fā)展已經日趨成熟，逐漸開始擺脫小尺度的束縛，向正常尺度建筑的建造發(fā)起挑戰(zhàn)：斯圖加特大學的阿希姆·門杰斯（Achim Menges）教授基于對節(jié)肢動物骨骼的研究，運用機器人編織建造出了效果令人驚嘆的臨時展館作品；上海盈創(chuàng)裝飾設計工程有限公司所開發(fā)的3D房屋打印技術已經實現了24小時內3D打印出10棟200m2的建筑。數控加工技術的將會帶來工具的革新，而工具的革新才會成為推動數字化建構的核心力量。

5 上海諾華制藥總部基地全景

6 墻體內斜向支撐結構圖解

7 墻體分解圖解，左上到右下依次為：支撐結構，內層三角形空心砌塊，外層磚墻，整體組合

8 三角形空心砌塊與磚墻之間尺寸關系

9 結構性能模擬

4 磚的數字化建構的未來發(fā)展

其一，磚原型的多樣化開發(fā)。磚的規(guī)格如今已經十分豐富，從標準磚規(guī)格到各種尺寸的空心磚規(guī)格，磚的原型依然是一個立方體，從磚誕生以來這一原型都未產生變化。誠然，易于加工和砌筑是方塊磚能長久占據主導地位的主要原因，但從建筑設計師的角度來說，是否易于加工和砌筑不是我們在設計的過程中需要考慮的全部內容。在數字技術的支持下，無論是在虛擬層面的設計操作，還是在現實層面的實體操作，突破立方體的原型限制，開發(fā)更多種形式的磚原型以滿足特殊的效果追求，這些都是可以在一個成本可控的范圍內完成的。在諾華制藥服務用房的項目中，我們就使用了三角形的空心砌塊來滿足結構設計需求，這是設計師與材料供應商密切交流與協(xié)作的結果。

其二，制磚材料與工藝開始向可持續(xù)性和性能化方向發(fā)展。從傳統(tǒng)的粘土磚，到如今混凝土、頁巖、陶瓷、海泥、天然砂、工業(yè)廢料、垃圾焚燒爐渣等眾多的制磚材料，制磚材料的發(fā)展正在給磚帶來本質性的變化。首先，磚作為一種普遍使用的建材，其可持續(xù)性受到極大的關注，粘土磚的取締和眾多可再生材料磚的出現可以證明這一點。除了材料的發(fā)展，制磚工藝也在向低碳的方向發(fā)展，譬如如何減少制磚過程中高溫煅燒的程序以減少熱排放等。其次，由于制磚材料的多樣性和制磚工藝的提升，磚的性能得到了很大的拓展。在力學性能得到很大提升的同時，磚開始具備一些其他的特殊性能，如保溫隔熱、耐腐蝕性、透氣透水等。

其三，磚的機器人砌筑。在前文提到的“綢墻”和“水墻”兩個案例中，為了方便建造，我們不得不將連續(xù)變化的角度或尺寸擬合為幾個角度或尺寸，這是設計向施工條件的妥協(xié)。如果可以使用機器人代替人工來進行砌筑，那么，機器人基于數據的精確操作可以使這種妥協(xié)變得不必要。近年來，使用機器人進行磚的砌筑工作的相關研究已經取得一定的成果。倫敦大學學院（University College London）的哈立德·阿什雷（Khaled Elashry）和魯艾里·格林（Ruairi Glynn）在2014年“建筑、藝術與設計中的機器人制造（Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design）”國際會議上發(fā)表了他們在使用機器人進行磚砌筑方面的研究成果。他們在參數化設計平臺Grasshopper上編寫了將工業(yè)機器人KUKA與三維建模軟件Rhino連接起來的插件—Scorpion，從而實現了將虛擬模型的位置數據導入到數控加工設備中這一關鍵程序。機器人在讀取到磚的位置數據之后，經過適當的機器人工作路徑優(yōu)化調整，機器人便能將磚塊精準地放置到目標位置（圖13）。磚的砌筑除了要將磚塊擺放到正確的位置，還需要在磚表面涂上適量的砂漿，由于砂漿并非有固定形態(tài)的固體，其操作難度遠比磚塊要大得多。面對這一問題，哈立德·阿什雷和魯艾里·格林也給出了他們的解決方案。他們開發(fā)了一套自適應系統(tǒng)，這套系統(tǒng)的核心在于一個加裝在機器人工具頭上的具有厚度感應功能的相機，這個相機會在機器人對每一個磚塊完成第一次砂漿涂抹之后掃描砂漿的涂抹情況，將掃描結果通過編寫好的Processing程序呈現轉化為點云反饋到Grasshopper中，在Grasshopper中對涂抹結果進行判斷并給機器人發(fā)出修正命令，機器人收到命令之后再對已經涂抹的砂漿進行調整（圖14）。他們對其開發(fā)的這一套機器人砌磚系統(tǒng)進行了現場展示，證明了這一套系統(tǒng)有良好的可行性[8]。由此可見，機器人砌磚是具有可操作性和可行性的，而且其在精確定位方面具有人工不可能達到的水平。隨著機器人在建筑建造領域不斷深入和廣泛的運用，磚的機器人砌筑將對磚的建構邏輯與方式產生革命性的影響，這也必定是未來磚的數字化建構的重要發(fā)展趨勢。

5 結語

磚的建構文化屬性是其如今存在于建筑領域的重要原因之一，磚的數字化建構方法將磚的傳統(tǒng)性延續(xù)至當代乃至未來，并找到符合時代特征的表現手段。我們已經用實踐證明這種手段能夠使磚這樣的傳統(tǒng)材料表達出強烈的當代性，而這種手段還并未得到充分的開發(fā)。數字化思想還可以進一步深入到對磚的抽象理解中，對其提出新的詮釋；數字化工具還有極大的挖掘與研究空間，設計方法、建造工具的革新必將為磚的數字建構的帶來更多的可能性與可行性。

10 外墻單元與建造輔助模板

11 使用模板輔助施工

12 磚墻紋理模數變化圖解

13 使用機器人進行磚的砌筑

14 砂漿厚度掃描與分析

[1] 施楚賢. 砌體結構理論與設計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003：16.

[2] 梁思成. 中國古代建筑史[M]. 北京：生活·讀書·新知三聯(lián)書店，2011：17.

[3]卡雷斯·瓦洪拉特，鄧敬. 對建構學的思考——在技藝的呈現與缺席之間[J]. 時代建筑，2009(5)：132-139.

[4] 中國科學院自然科學史研究所. 中國古代建筑技術史[M]. 北京：科學出版社，1985：433.

[5] 袁烽，林磊. 中國傳統(tǒng)地方材料的當代演繹[J]. 城市建筑，2008(6)：12-16.

[6] 袁烽. 數字化建造——新方法論驅動下的范式轉化[J]. 時代建筑，2012(2)：74-79.

[7] 袁烽. 綢墻——柔軟的建構實踐[J]. 時代建筑，2011(2)：106-113.

[8] Khaled Elashry, Ruairi Glynn．An Approach to Automated Construction UsingAdaptive Programing[C]．//Wes McGee , Monica Ponce de Leon. Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014．Switzerland: Springer International Publishing, 2014：51-66.

Digital Tectonics of Brick

Philip F. YUAN, ZHANG Liming

Digital tectonics of brick is a design methodology approaches to the contemporary application of traditional material. The key driven forces based on two points : the digital methodology is leading to a new aesthetics based on the materiality of brick; with the development of digital tools, the module of brick becomes more complex and better performance of material. Digital tectonics of brick is bridging the tradition and future.

brick, digital tectonics, low-tech fabrication, aesthetic performance, performance aesthetics, future brick tectonics

同濟大學建筑城規(guī)學院，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點實驗室

2014-06-21