劉 瑛，張 慧

(皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

1 背景介紹

目前數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)支持建筑模型的形體生成，并支持基于模擬物理?xiàng)l件(如太陽(yáng)能或結(jié)構(gòu)載荷)的環(huán)境性能分析評(píng)估。這是一種基于環(huán)境性能評(píng)估模擬過(guò)程與數(shù)字性能分析的“形式生成”和“形式修改”模型，性能本身可以成為建筑形式創(chuàng)建的決定因素和方法。數(shù)字設(shè)計(jì)偏離了一種常規(guī)設(shè)計(jì)范式，那就是以建筑師的主觀(guān)偏好、設(shè)計(jì)技能為主導(dǎo)進(jìn)行創(chuàng)作和控制的設(shè)計(jì)過(guò)程，它是在內(nèi)部評(píng)估和模擬過(guò)程中得出的設(shè)計(jì)結(jié)果。本文將以建筑性能設(shè)計(jì)的數(shù)字技術(shù)作為評(píng)價(jià)過(guò)程，模擬建筑形式生成或修改過(guò)程，進(jìn)行研究性探索并提出各種理論假設(shè)。這種基于環(huán)境性能化的建筑生形在實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的同時(shí)，提升了建筑的舒適性和安全性[1]，改善了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷。

環(huán)境性能從70年代開(kāi)始就通過(guò)CAAD技術(shù)應(yīng)用于建筑和工程實(shí)踐中，其應(yīng)用過(guò)程經(jīng)過(guò)了從“形式創(chuàng)造”到“形式發(fā)現(xiàn)”的轉(zhuǎn)變?？傮w而言，數(shù)字設(shè)計(jì)在建筑形態(tài)生成中擁有了尋找形式的能力，以及獨(dú)特的解決方案的能力。建筑師在何種程度上參與到與這些數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)的互動(dòng)中，是建筑生形技術(shù)有待進(jìn)一步研究的地方。建筑設(shè)計(jì)模型如何在設(shè)計(jì)的早期階段結(jié)合空間幾何框架和其他因素(如結(jié)構(gòu)和材料、物理性能)，也是性能分析──建筑生形研究的基本問(wèn)題。

數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)在建筑生形中的應(yīng)用集中體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，綜合起來(lái)可以作為一種技術(shù)手段來(lái)確定當(dāng)前的建筑形式。

(1)幾何模型能夠根據(jù)評(píng)價(jià)過(guò)程的進(jìn)展進(jìn)行轉(zhuǎn)換和生成：評(píng)價(jià)過(guò)程可以與幾何模型集成，從而在幾何模型中完成修改、生成過(guò)程。這些評(píng)價(jià)可能是單一標(biāo)準(zhǔn)(如結(jié)構(gòu)性能、太陽(yáng)能負(fù)載、聲學(xué)性能)，或包括多個(gè)性能和優(yōu)化因素的多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估。

(2)基于性能的設(shè)計(jì)：建筑師作為數(shù)字設(shè)計(jì)各種過(guò)程的協(xié)調(diào)者，或作為迭代遺傳算法模型生成和修改的參與者，與數(shù)字媒體技術(shù)具有交互性。

在過(guò)去的十多年中，許多重要建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)都在尋找形體過(guò)程中普遍受到了計(jì)算性能模擬結(jié)果的影響。通過(guò)結(jié)構(gòu)和各種環(huán)境形式分析優(yōu)化結(jié)果，成為數(shù)字設(shè)計(jì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)的一大貢獻(xiàn)，并成為具有先進(jìn)性的工程項(xiàng)目的組成過(guò)程。在研究數(shù)字技術(shù)參與建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的理論后發(fā)現(xiàn)，目前這一領(lǐng)域的發(fā)展既需要弄清其理論基礎(chǔ)，也需要推進(jìn)其相關(guān)技術(shù)的研究。過(guò)去許多重要的成果，為未來(lái)在基于環(huán)境性能的建筑生形設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展提供了經(jīng)驗(yàn)。最后，本文想通過(guò)建筑設(shè)計(jì)生形的方法和技術(shù)實(shí)踐，研究該領(lǐng)域的潛在發(fā)展問(wèn)題和舉措，通過(guò)研究提出了一種環(huán)境性能設(shè)計(jì)生形的實(shí)驗(yàn)方法。

2 基于性能的模型設(shè)計(jì)

2.1 基本情況

基于性能的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是一種將建筑性能作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)因素的方法，基于性能的建筑模型可以定義為：利用環(huán)境性能模擬來(lái)修改幾何形狀，以達(dá)到優(yōu)化候選設(shè)計(jì)方案的目的。環(huán)境性能一直被認(rèn)為是建筑設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，也是建筑設(shè)計(jì)價(jià)值體系中的一個(gè)重要組成部分。被稱(chēng)為“評(píng)估輔助工具”的方法和技術(shù)是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的早期由ABACUS公司開(kāi)發(fā)的CAD，目前被視為開(kāi)創(chuàng)性的作品，對(duì)當(dāng)代作品仍然具有重要的啟發(fā)意義[2]。Ecotect analysis是一種可視化生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件，目前已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于建筑工程實(shí)踐，尤其是太陽(yáng)輻射、日照、遮陽(yáng)、采光、照明燈等方面的模擬分析[3]。

現(xiàn)代的環(huán)境性能設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的CAD模擬過(guò)程有著根本的不同。傳統(tǒng)模擬技術(shù)的前提是模擬和評(píng)估對(duì)象本身的性能，前提是它需要有一個(gè)較成熟的、具有較高分辨率的模型，因此他們很少被使用在設(shè)計(jì)早期概念階段。其建筑生形不是系統(tǒng)直接得到的，而是建筑師不斷調(diào)整幾何設(shè)計(jì)模型，以適應(yīng)優(yōu)化和評(píng)估的結(jié)果。典型的模擬過(guò)程可以說(shuō)明這種區(qū)別，有限元法(FEM)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常使用的一種用于測(cè)試和評(píng)估的模擬方法，這種類(lèi)型的模擬需要前期建立良好的模型。只有在分析了模型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性之后，設(shè)計(jì)才能重新生成。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型中，評(píng)價(jià)只能為設(shè)計(jì)提供反復(fù)修改的反饋。而環(huán)境性能設(shè)計(jì)未來(lái)的方向是，可以提供將性能原則與生形原則相結(jié)合的數(shù)字設(shè)計(jì)模型[4],模型的修改直接通過(guò)分析和數(shù)值結(jié)果控制的生成過(guò)程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因而基于環(huán)境性能的設(shè)計(jì)被重新定義為：在性能分析的基礎(chǔ)上，可以使用基于性能的模擬修改設(shè)計(jì)模型，或直接進(jìn)行數(shù)字模擬操作以?xún)?yōu)化性能而產(chǎn)生相應(yīng)建筑模型的設(shè)計(jì)。

2.2 基于環(huán)境性能的建筑設(shè)計(jì):在當(dāng)前實(shí)踐中的進(jìn)展和貢獻(xiàn)

在過(guò)去的十多年中，一系列的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目直接或間接地利用了數(shù)字技術(shù)進(jìn)行基于環(huán)境性能的設(shè)計(jì)，這些項(xiàng)目現(xiàn)在已經(jīng)廣為人知。比如：大倫敦當(dāng)局總部大樓(2002年)和瑞士再保險(xiǎn)大廈(2004年)由諾曼·福斯特及其合作者和奧雅納的建筑師設(shè)計(jì)；ZED項(xiàng)目由Future Systems設(shè)計(jì)(1995年)；格拉茨藝術(shù)館由彼得·庫(kù)克和科林·福涅爾設(shè)計(jì) (2000—2003年)。這些項(xiàng)目主要以數(shù)字績(jī)效分析，包括設(shè)計(jì)建模(參數(shù)化設(shè)計(jì))技術(shù)為工作重點(diǎn)，結(jié)合環(huán)境性能分析和參數(shù)建模。在這些項(xiàng)目中，環(huán)境性能模擬與關(guān)聯(lián)建模和參數(shù)化設(shè)計(jì)并行使用，以?xún)?yōu)化其性能。項(xiàng)目工作組成的一個(gè)基本因素是參數(shù)化建模系統(tǒng)的存在，在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，想象的幾何形式允許建立幾何模型各元素的依賴(lài)關(guān)系或相互依賴(lài)關(guān)系，從而控制這些對(duì)象在保持拓?fù)涮卣飨罗D(zhuǎn)換的行為。瑞士再保險(xiǎn)大廈的設(shè)計(jì)過(guò)程具有標(biāo)志性意義：它通過(guò)人機(jī)交互過(guò)程控制的參數(shù)化設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化性能，建筑外形和表皮根據(jù)結(jié)構(gòu)性能和風(fēng)荷載進(jìn)行了修改。瑞士再保險(xiǎn)大廈擁有完善的設(shè)計(jì)流程，并詮釋了數(shù)字環(huán)境性能設(shè)計(jì)的許多重要方法。在討論參數(shù)化環(huán)境設(shè)計(jì)過(guò)程的細(xì)節(jié)時(shí)，艾什使用了“活的模型”[5]這個(gè)詞語(yǔ)描述了在參數(shù)化設(shè)計(jì)環(huán)境中，想象的幾何形式與生成組件間的交互潛力，參數(shù)修改的順序可以由相互依賴(lài)關(guān)系決定。

當(dāng)前方法的前沿性毋庸置疑，發(fā)展在于如何通過(guò)評(píng)價(jià)分析和優(yōu)化技術(shù)來(lái)修改參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。除此之外，還有大量的理論和方法涉及到將計(jì)算方法應(yīng)用到設(shè)計(jì)生形中的可能性，如眾所周知的遺傳算法。然而它們?cè)诮ㄖ到y(tǒng)中的應(yīng)用，特別是在基于環(huán)境性能的系統(tǒng)中并不是很多。參數(shù)系統(tǒng)和聯(lián)想幾何建模器是在生成組件中使用基于圖形的關(guān)聯(lián)幾何建模器開(kāi)發(fā)的。第一次迭代(生成和測(cè)試)后的參數(shù)修改仍然由設(shè)計(jì)人員操作完成，生形系統(tǒng)在應(yīng)用于建筑問(wèn)題方面有其局限性。由于生形系統(tǒng)需要一種強(qiáng)大的媒體形式，它們不一定能適應(yīng)大范圍的建筑領(lǐng)域問(wèn)題。而形狀語(yǔ)法[6]可能是一個(gè)例外，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，特別是與生形描述相關(guān)的問(wèn)題。生形系統(tǒng)是未來(lái)建筑敘述系統(tǒng)發(fā)展的重要組成部分，但目前仍處于發(fā)展階段。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)和關(guān)聯(lián)建模

通過(guò)調(diào)研建筑性能化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，為重新定義當(dāng)前的研究方法提供了一個(gè)概念框架。

3.1 建筑設(shè)計(jì)中的拓?fù)淠Ｐ?/h3>

建筑體系中基于性能的設(shè)計(jì)已被證明依賴(lài)于系統(tǒng)背后模型的形式和技術(shù)。Burry的元模型是一個(gè)拓?fù)淠Ｐ?，它在支持轉(zhuǎn)換屬性的同時(shí)保持基本的依賴(lài)關(guān)系常量。這種將結(jié)構(gòu)關(guān)系和建筑關(guān)系中存在的特質(zhì)放在首位的能力，使得拓?fù)浣＜夹g(shù)成為了性能建筑設(shè)計(jì)的必要組成部分之一。由于傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)建模在本質(zhì)上趨向于類(lèi)型學(xué)，新的建筑體系和結(jié)構(gòu)問(wèn)題的建模方法正在興起。

3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)和關(guān)聯(lián)建模

重新考慮拓?fù)浜头菤W幾里得幾何作為數(shù)字設(shè)計(jì)的方法論基礎(chǔ)，有助于探索新的幾何可能性。在這個(gè)新興背景下的建筑設(shè)計(jì)中，計(jì)算幾何、參數(shù)模型和關(guān)聯(lián)模型是強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)工具。數(shù)字環(huán)境的拓?fù)湫?yīng)使得幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)能夠重新配置，參數(shù)幾何可變性這一屬性有力地促進(jìn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)與基于性能的設(shè)計(jì)之間的共生關(guān)系。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，明確了對(duì)象之間的關(guān)系，建立了不同對(duì)象之間的相互依賴(lài)關(guān)系。對(duì)象屬性一旦發(fā)生變化，就可以通過(guò)激活這些屬性輕松地轉(zhuǎn)換和操作其他對(duì)象。不同的屬性標(biāo)準(zhǔn)值可以產(chǎn)生多種變化，同時(shí)保持拓?fù)潢P(guān)系的必要條件。關(guān)聯(lián)參數(shù)技術(shù)(生形組件、數(shù)字參數(shù)等)提供了設(shè)計(jì)媒體環(huán)境，設(shè)計(jì)者可以在用戶(hù)定義的框架內(nèi)定義幾何結(jié)構(gòu)的一般屬性。

3.3 基于性能設(shè)計(jì)中的交互設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)數(shù)字媒體形狀和形式的靜態(tài)坐標(biāo)被建造拓?fù)淠Ｐ偷挠?jì)算動(dòng)態(tài)所取代，這些技術(shù)開(kāi)辟了數(shù)字設(shè)計(jì)無(wú)限的可能性。這種互動(dòng)性和參數(shù)轉(zhuǎn)換性的結(jié)合控制了在設(shè)計(jì)形成過(guò)程中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)分離變化的干擾，與參數(shù)生形概念相關(guān)的性能包括適應(yīng)性、變化性、連續(xù)性和聯(lián)合性。

設(shè)計(jì)操作是一個(gè)不斷發(fā)展變化的差異數(shù)據(jù)實(shí)體設(shè)計(jì)，它指的是拓?fù)湫问降淖兓?，而不是傳統(tǒng)的形式組成(形式重復(fù))。隨著設(shè)計(jì)從紙面?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)表現(xiàn)邏輯中解放出來(lái)，形式的概念轉(zhuǎn)化為生形的概念。如今設(shè)計(jì)者與計(jì)算建模的動(dòng)態(tài)機(jī)制進(jìn)行交互、控制和調(diào)節(jié)，包括目前動(dòng)畫(huà)和參數(shù)化技術(shù)中存在的生形過(guò)程。如何以及為什么進(jìn)行交互仍然是基于性能的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心問(wèn)題。元模型能夠直接響應(yīng)性能分析的數(shù)據(jù)輸入，并避免設(shè)計(jì)者的干預(yù)嗎?設(shè)計(jì)師應(yīng)該在哪里、什么時(shí)候以及如何干預(yù)數(shù)字設(shè)計(jì)過(guò)程仍然是基于性能的設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要挑戰(zhàn)的問(wèn)題。

3.4 生形模型的優(yōu)化

馬卡維(Malkawi)教授對(duì)當(dāng)前可利用的建筑和工程環(huán)境績(jī)效評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了全面的回顧。他說(shuō):“為了將這些常規(guī)的工具使用從分析轉(zhuǎn)向分析和綜合，正在進(jìn)行一項(xiàng)利用優(yōu)化進(jìn)展的新研究?！盵7]相對(duì)于性能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，如何在元模型參數(shù)中直接利用性能參數(shù)作為數(shù)據(jù)輸入也同樣具有研究潛力。此外，如何將優(yōu)化技術(shù)和多種標(biāo)準(zhǔn)集成到參數(shù)模型的形式修改過(guò)程中，以控制修改過(guò)程，這些問(wèn)題是基于環(huán)境性能的建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的根本條件。

支持“基于性能的生形”系統(tǒng)的發(fā)展將需要新的方法來(lái)生成建筑模型，以及與環(huán)境分析相關(guān)的研究領(lǐng)域的新成果。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，下面研究打算討論三種可能用到的模型:拓?fù)湎到y(tǒng)(如參數(shù)系統(tǒng))、生成系統(tǒng)(如遺傳算法)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(動(dòng)畫(huà))作為設(shè)計(jì)生形的模型。為了證明基于性能的設(shè)計(jì)生形研究方法，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)關(guān)于動(dòng)畫(huà)模擬的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究案例。

4 基于生形設(shè)計(jì)的動(dòng)畫(huà)模擬案例

在環(huán)境性能設(shè)計(jì)中，對(duì)象是通過(guò)模擬其性能來(lái)生形的。在我們的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的定義和特征是應(yīng)用外力的數(shù)字模擬來(lái)驅(qū)動(dòng)形態(tài)生成，這項(xiàng)工作的目標(biāo)是探索性能模擬過(guò)程是如何產(chǎn)生設(shè)計(jì)的。為了演示該方法，提出了一個(gè)在數(shù)字設(shè)計(jì)工作室的研究框架中完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，用開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)模擬來(lái)生成設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 基于性能設(shè)計(jì)的生成實(shí)驗(yàn)

給定的任務(wù)是設(shè)計(jì)一種可以保護(hù)建筑物不受陽(yáng)光照射的建筑表皮，它由一個(gè)整合了兩層的表皮組成。內(nèi)層是支撐外部皮膚表層的結(jié)構(gòu)性骨架(見(jiàn)圖1)。外層是一個(gè)由集成的動(dòng)態(tài)鱗片組成的單元表層皮膚(見(jiàn)圖2)，集成鱗片通過(guò)操作成為可伸縮的動(dòng)態(tài)單元。最后，墻壁整體的設(shè)計(jì)應(yīng)使傳感器激活嵌入在內(nèi)層骨架中的結(jié)構(gòu)，以支持和調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和測(cè)量的通路(見(jiàn)圖3)。

圖1 建造內(nèi)部結(jié)構(gòu)墻

圖2 外部皮膚層由動(dòng)態(tài)尺度結(jié)構(gòu)組成

圖3 兩層建筑表皮墻

4.2 主要研究方法

基于性能的生形設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的是研究和探索將仿真作為生成設(shè)計(jì)工具的方法、動(dòng)畫(huà)作為模擬，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)生成的形式以及幾何框架支撐自動(dòng)生形的必要條件，嘗試基于性能的設(shè)計(jì)生形，研究形式效果的可視化和生形過(guò)程的程式化。

4.2.1 仿真作為生成性設(shè)計(jì)工具

如上所述，數(shù)字環(huán)境中的仿真工具目前被用于測(cè)試、評(píng)估和修改虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中的原型[8]，它們還支持快速的設(shè)計(jì)反饋和設(shè)計(jì)修改過(guò)程。這些仍然是基于以人為中心的設(shè)計(jì)方法，其中設(shè)計(jì)師、工程師評(píng)估模擬結(jié)果并相應(yīng)地修改設(shè)計(jì)。接下來(lái)這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的目的是研究如何將設(shè)計(jì)生形作為仿真過(guò)程的組成部分來(lái)操作。在介紹了與該方法相關(guān)的概念之后，會(huì)進(jìn)行了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究。

4.2.2 利用動(dòng)畫(huà)作為仿真工具

根據(jù)林恩(Lynn)的觀(guān)點(diǎn)，形狀可以在動(dòng)態(tài)的環(huán)境中生成。在他的方法中，“設(shè)計(jì)的環(huán)境”可能成為驅(qū)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為靜態(tài)形式的積極因素。林恩是第一個(gè)將動(dòng)畫(huà)作為設(shè)計(jì)工具進(jìn)行演示的人，并將其傳統(tǒng)角色從形式表現(xiàn)的媒介轉(zhuǎn)變?yōu)樾问缴傻拿浇?。在我們的?shí)驗(yàn)中，環(huán)境(風(fēng))和形式(表面)都是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)畫(huà)不是把設(shè)計(jì)當(dāng)作一種靜態(tài)的形式，而是用動(dòng)態(tài)力的模擬來(lái)產(chǎn)生不斷變化的形式。該設(shè)計(jì)利用動(dòng)畫(huà)來(lái)研究復(fù)雜表皮的運(yùn)動(dòng)：使用3d MAX中的動(dòng)畫(huà)技術(shù)對(duì)仿真過(guò)程及其動(dòng)態(tài)效果進(jìn)行建模(見(jiàn)圖4—5)，幾何模型包括整體效果圖和局部平面圖。表皮的基本單元最初被定義為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的表皮原始平面。我們建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的建模和復(fù)制，并將其與表皮平面進(jìn)行了對(duì)比。這些表皮的鱗片被整合為“局部結(jié)構(gòu)”，以保持母項(xiàng)和子項(xiàng)之間的關(guān)系。全局效果圖(表皮平面)和局部組件(比例)之間的關(guān)系是根據(jù)所需的單元數(shù)、尺寸和幾何參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)創(chuàng)建的，整個(gè)系統(tǒng)定義為一個(gè)三維動(dòng)態(tài)幾何網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖4)。圖形的任何動(dòng)態(tài)移動(dòng)都會(huì)觸發(fā)表皮鱗片的位置和相關(guān)角度變化。在后期階段，通過(guò)在表皮上添加一個(gè)“布反應(yīng)堆”反應(yīng)器，表皮被定義為布料織物。

圖4 激活產(chǎn)生曲面曲率修正的動(dòng)態(tài)模擬

為了研究表皮的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，我們選擇風(fēng)力作為環(huán)境性能物理參數(shù)，利用反應(yīng)器模擬了風(fēng)力動(dòng)態(tài)因素及其對(duì)表面的影響。反應(yīng)器是3DS Max的插件，允許動(dòng)畫(huà)模擬復(fù)雜的物理場(chǎng)景，表面的物理屬性是通過(guò)為表皮指定一個(gè)反應(yīng)器來(lái)設(shè)置的。實(shí)驗(yàn)中的第二個(gè)反應(yīng)堆是“風(fēng)反應(yīng)堆”，兩者都支持布的模擬和風(fēng)的物理行為。通過(guò)指定反應(yīng)器對(duì)表皮進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)置，定義表皮的質(zhì)量、密度彈性、剛度、拉伸和阻尼等物理參數(shù)，以風(fēng)模擬動(dòng)態(tài)環(huán)境并由此產(chǎn)生了表皮的形狀。

第二個(gè)環(huán)境性能物理參數(shù)是光。表皮以下的光照隨著風(fēng)的作用導(dǎo)致鱗片的打開(kāi)或關(guān)閉(見(jiàn)圖5)。在這個(gè)階段啟用了視覺(jué)評(píng)估，以研究表皮幾何形狀和比例位置對(duì)光線(xiàn)穿透的影響。在下一階段，計(jì)劃模擬風(fēng)和照明的情況作為兩個(gè)環(huán)境性能的建筑生形因素。

動(dòng)畫(huà)被用作一種形式生成機(jī)制：表皮及其相關(guān)鱗片的運(yùn)動(dòng)在視覺(jué)上是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致表皮產(chǎn)生了不同的表面曲率。根據(jù)預(yù)先定義的關(guān)系(見(jiàn)圖4)，動(dòng)畫(huà)曲面曲率的任何變化都會(huì)傳播并改變表皮上的鱗片位置和角度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，模擬運(yùn)動(dòng)和外力運(yùn)行產(chǎn)生新的形式。表皮動(dòng)畫(huà)產(chǎn)生了復(fù)雜曲面的變換，曲面的形式實(shí)際上是動(dòng)態(tài)力的結(jié)果。

所需光穿透已知結(jié)果的目的是修改鱗片參數(shù)。在未來(lái)的高階系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，希望實(shí)現(xiàn)由性能模型自動(dòng)驅(qū)動(dòng)的修改。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，希望建立一個(gè)參數(shù)模型來(lái)支持一個(gè)已知形式生成過(guò)程。

圖5 曲面曲率的變化和鱗片組件的修改

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)研究表明性能模擬如何作為一種設(shè)計(jì)工具來(lái)驅(qū)動(dòng)生形設(shè)計(jì)。采用這種基于性能生成技術(shù)的未來(lái)目標(biāo)是，表皮或結(jié)構(gòu)組件的形成可以通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬來(lái)生成。此外，組件化裝配的模擬和分析可能與復(fù)雜的外墻組件，特別是動(dòng)態(tài)組件的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，還可以延伸到包括定量和定性方面的模擬。應(yīng)用時(shí)需要在仿真模型中建立生成性能，這可能包括參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)動(dòng)態(tài)模擬來(lái)調(diào)整表皮元素。

基于性能的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)踐、研究和開(kāi)發(fā)的前沿。隨著它的出現(xiàn)，一種新的成熟度有望超越形式的和幾何的創(chuàng)新，強(qiáng)烈地表達(dá)了人們對(duì)新興數(shù)字技術(shù)的極大興趣。從“形式創(chuàng)造”和“形式發(fā)現(xiàn)”的過(guò)程構(gòu)成了建筑實(shí)踐中范式轉(zhuǎn)變的合理過(guò)程。毋庸置疑的是第一代基于性能的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠闡明概念、研究問(wèn)題和發(fā)展優(yōu)先次序。這些新興技術(shù)為建筑元模型的特性提供了一個(gè)計(jì)算研究的廣泛領(lǐng)域，幾十年的設(shè)計(jì)研究已經(jīng)為我們做好了充分準(zhǔn)備。此外，建筑教育的本質(zhì)將受到這些知識(shí)體系的強(qiáng)烈影響，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者作為數(shù)字設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)者的愿景是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的必要前提。整個(gè)研究過(guò)程中我們一直試圖描繪當(dāng)前實(shí)踐的邊界，包括實(shí)驗(yàn)研究的某些方向，未來(lái)還有哪些與數(shù)字實(shí)踐、方法和技術(shù)相結(jié)合的可能。未來(lái)的發(fā)展方向可能是將性能原理與形狀、結(jié)構(gòu)和材料相關(guān)的幾何原理相結(jié)合的數(shù)字技術(shù)。建筑生形設(shè)計(jì)仍然需要在生成系統(tǒng)中進(jìn)行研究，這些系統(tǒng)不僅具有數(shù)字方式捕捉性能的天賦，而且有可能很好地集成到建筑設(shè)計(jì)的模型中。新的生形方法將建筑和計(jì)算建模的進(jìn)步與模型兼容的修改結(jié)合在一起，這可能成為建筑設(shè)計(jì)計(jì)算未來(lái)的發(fā)展方向?；诃h(huán)境性能化的建筑生形研究在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的思考，也是數(shù)字設(shè)計(jì)研究和建筑專(zhuān)業(yè)變革的動(dòng)力，具有一定的前瞻性。