段雪昕

[英]沙杰·布尚

數(shù)字技術(shù)現(xiàn)已滲透到生活的方方面面，也為社會(huì)帶來(lái)了持續(xù)的加速發(fā)展，而在過(guò)去的十年里，建筑師對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)和建造這一主題也進(jìn)行了大量的研究。扎哈·哈迪德建筑事務(wù)所（Zaha Hadid Architects，簡(jiǎn)稱ZHA）的計(jì)算與設(shè)計(jì)研究組（Zaha Hadid Architects Computation and Design Group，以下簡(jiǎn)稱ZHACODE）也是這一研究領(lǐng)域中重要的先鋒隊(duì)伍。去年是ZHACODE 成立十五周年，研究組是由帕特里克·舒馬赫（Patrik Schumacher）、尼爾斯·菲舍爾（Nils Fischer）和沙杰·布尚（Shajay Bhooshan）于2007 年在倫敦建立的。在2000 年千禧年那段時(shí)間里，尤其是在英國(guó)，像是一個(gè)為技術(shù)慶祝的時(shí)間點(diǎn)，英國(guó)政府為迎接21 世紀(jì)興建了許多千禧年標(biāo)志性建筑，像是羅杰斯的千禧穹頂（Millennium Dome），福斯特的千禧橋（Millennium Bridge）。同時(shí)期，很多建筑事務(wù)所也開(kāi)始成立特殊計(jì)算小組，比如福斯特的專業(yè)建模研究組（Specialist Modelling Group）。ZHA 的規(guī)模雖然在當(dāng)時(shí)沒(méi)有很大，但也已經(jīng)非常知名，并且在中國(guó)也開(kāi)始有大型的項(xiàng)目，基于整個(gè)社會(huì)技術(shù)發(fā)展的大背景，以及公司本身也是在那時(shí)開(kāi)始快速發(fā)展，越來(lái)越需要成立一個(gè)研究組，對(duì)當(dāng)下項(xiàng)目的應(yīng)用進(jìn)行探索，繼而探索未來(lái)。ZHACODE 就是在這樣的一個(gè)大背景下成立的。研究組主要通過(guò)數(shù)學(xué)幾何學(xué)進(jìn)行建筑實(shí)驗(yàn)和探索，以找到建筑問(wèn)題在物理上、經(jīng)濟(jì)上可行的解決方案，然后將從研究中獲得的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目。正是這種探索的實(shí)驗(yàn)精神，使得他們一直處于行業(yè)和學(xué)術(shù)界的最前沿。

一、研究譜系與設(shè)計(jì)基因

對(duì)于ZHACODE 來(lái)講，一個(gè)核心關(guān)鍵詞就是創(chuàng)新，而為數(shù)字時(shí)代的建筑創(chuàng)作提供創(chuàng)新的建筑知識(shí)有兩方面需求：一方面與設(shè)計(jì)和建造技術(shù)相關(guān)，另一方面與設(shè)計(jì)本身的概念相關(guān)。前者涉及計(jì)算機(jī)和機(jī)器的知識(shí)、材料性能、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等，而后者涉及的是空間組織、設(shè)計(jì)風(fēng)格、理論學(xué)派等知識(shí)。帕克里特·舒馬赫則主張?jiān)谠O(shè)計(jì)概念中納入計(jì)算工具和科學(xué)方法，通過(guò)開(kāi)發(fā)計(jì)算基礎(chǔ)，將科學(xué)方法統(tǒng)一到一個(gè)建筑知識(shí)的框架中，這也是研究組工作的目標(biāo)。

基于此ZHACODE 的研究線可以分為兩大主線。第一大主線是與內(nèi)容創(chuàng)造（Content Creation），即設(shè)計(jì)幾何相關(guān)的，包括殼體結(jié)構(gòu)、可展開(kāi)的曲面、空間結(jié)構(gòu)等二十幾個(gè)小類別。第二大主線是與內(nèi)容交付（Content Delivery），即建造制造相關(guān)的，包括機(jī)器人輔助制造、增材制造等十幾個(gè)小類別。并且針對(duì)每個(gè)新的概念和想法，ZHACODE 基本都會(huì)沿著一條“概念—原型（prototype）—裝置—項(xiàng)目”的流程進(jìn)行探索。在充分地了解先驅(qū)所做過(guò)的相關(guān)探索后，產(chǎn)生回應(yīng)當(dāng)下問(wèn)題的新的概念，有了初步理論概念后，首先會(huì)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域通過(guò)各種課程或工作坊的形式進(jìn)行原型研究，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)性的裝置進(jìn)行實(shí)際建造中的探索，經(jīng)過(guò)一系列從理論上和實(shí)踐中的探索后，最后才是將一系列新的方法運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中（圖1）。

圖1： ZHACODE 內(nèi)容創(chuàng)造（Content Creation）與內(nèi)容交付（Content Delivery）研究譜系圖表

在ZHACODE 不同的研究工作中，起始點(diǎn)都是“站在巨人的肩膀上”進(jìn)行探索，許多先驅(qū)的作品都對(duì)ZHCODE 的研究產(chǎn)生了巨大的影響，這些巨人不僅來(lái)自建筑領(lǐng)域的，還有來(lái)自數(shù)學(xué)，物理，計(jì)算機(jī)等各學(xué)科領(lǐng)域的，如弗雷·奧托（Frei Otto）、費(fèi)利克斯·坎德拉（Felix Candela）、塞德里克·普萊斯（Cedric Price）、約瑟夫·奧爾德斯（Joseph Alders）、霍夫曼和羅恩奇（Huffman & RonResch）等。也許影響最深遠(yuǎn)的先驅(qū)之一是雷和查爾斯·埃姆斯（Ray and Charles Eames）。他們可以說(shuō)是在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，最早開(kāi)始投入時(shí)間和精力在研究如何與軟件一起協(xié)同工作的（Neuhart J，Eames C，Eames R，et al，1989 年），他們?cè)谑褂肕athematica 軟件所作出的努力，就像我們現(xiàn)在使用各種不同設(shè)計(jì)軟件所作的努力一樣。

而ZHACODE 的運(yùn)作模式可以概括為三個(gè)角色：教育者、咨詢者和合作者。教育者主要負(fù)責(zé)學(xué)術(shù)環(huán)境中教授課程，比如設(shè)計(jì)工作營(yíng)，他們?cè)贏A，UCL 等多所學(xué)校教授工作營(yíng)，已累計(jì)超過(guò)四十多個(gè)不同的設(shè)計(jì)工作營(yíng)。而這些學(xué)術(shù)環(huán)境都可以作為正在進(jìn)行的計(jì)算方法的研究與原型建造的測(cè)試平臺(tái)。第二種角色，作為內(nèi)部顧問(wèn)，或短暫或長(zhǎng)期地加入公司的實(shí)際項(xiàng)目中，傳授新的設(shè)計(jì)方法、在項(xiàng)目中使用新的設(shè)計(jì)工具，并同時(shí)隨著項(xiàng)目的進(jìn)展繼續(xù)開(kāi)發(fā)和研究。作為合作者的第三種角色是與不同的技術(shù)專業(yè)團(tuán)隊(duì)，如三維打印公司，機(jī)械臂制造商等，進(jìn)行合作研究，深入了解當(dāng)下最前沿的技術(shù)。

在他們的工作背后，有兩大主要的科學(xué)領(lǐng)域做支撐：形式科學(xué)（如數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理科學(xué)等）與自然科學(xué)（如結(jié)構(gòu)物理、材料科學(xué)等）。他們?cè)谧畛醯?～10 年里一直致力于開(kāi)發(fā)數(shù)字設(shè)計(jì)和建造語(yǔ)言或材料和技術(shù)詞匯，而在近3～5年他們也同步在試圖增加對(duì)社會(huì)科學(xué)的理解，考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)系統(tǒng)等，利用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)關(guān)注更多的社會(huì)問(wèn)題?；诖?，ZHACODE 的研究工作可以分為基于物理的設(shè)計(jì)和基于社會(huì)的設(shè)計(jì)。在本文中，作者將主要關(guān)注基于物理的設(shè)計(jì)。

二、建筑幾何意識(shí)

基于物理的設(shè)計(jì)是關(guān)于使結(jié)構(gòu)、建造以及環(huán)境物理性在設(shè)計(jì)中可見(jiàn)的一個(gè)概念，這也可以總結(jié)為舒馬赫提出的建構(gòu)主義（Schumacher P，2017 年），表達(dá)了建筑與工程的融合，也正如菲利普·布洛克（Philippe Block）所提出的，工程思維可以增強(qiáng)建筑設(shè)計(jì)思維（Block P，2016 年）。ZHACODE 所提出的建筑幾何是指物理和機(jī)器參數(shù)被抽象為幾何屬性，它是具有結(jié)構(gòu)信息、建造意識(shí)和環(huán)境適應(yīng)性的。在ZHACODE 看來(lái)，使用建筑幾何有明顯的益處，在結(jié)構(gòu)、生態(tài)和空間上都更好。他們所謂的更好，也包含了為設(shè)計(jì)師提供更好的自由度，同時(shí)也意味著建筑幾何可以成為不同學(xué)科間人們協(xié)作的共同工具。因?yàn)榕c純數(shù)字的表達(dá)相比，幾何可以讓人們直觀地理解，需要區(qū)分的是，相較于純數(shù)學(xué)學(xué)科意義上的幾何概念，建筑幾何更具物理意義。為說(shuō)明ZHACODE 如何不斷地將建筑與建筑幾何的技術(shù)方面聯(lián)系起來(lái)，本文將從三個(gè)關(guān)鍵層面進(jìn)行解釋，這三個(gè)層面分別是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)，通用的幾何語(yǔ)言，以及累積與協(xié)作設(shè)計(jì)。

1.計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)是一種將物理學(xué)嵌入幾何中的融合設(shè)計(jì)。就像服裝設(shè)計(jì)師知道織物的懸垂性一樣，計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)可以幫助建筑師在數(shù)字環(huán)境中捕捉所謂的直覺(jué)。一個(gè)經(jīng)典的例子是貝塞爾（Bezier）樣條曲線，它類似于一個(gè)可以懸掛重量的物理彈性桿，當(dāng)涉及數(shù)字方面時(shí)，它就被抽象為一個(gè)幾何工具，當(dāng)你在Rhino 軟件中繪制NURBS 曲線時(shí)，它的物理特性是被隱藏的。因此，計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)是物理和建造的幾何設(shè)計(jì)。通常被稱為建筑幾何的一些引領(lǐng)者，如赫爾穆特·波特曼（Helmet Portman）、菲利普·布洛克、阿希姆·門格斯（Achim Menges）等，將這一理念拓展到建筑的規(guī)模，環(huán)境物理性可以被直觀地捕捉，使設(shè)計(jì)師能夠直接運(yùn)用并釋放潛在的表達(dá)潛能。

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域表達(dá)幾何有三種主要方式：NURBS、網(wǎng)格（Mesh）和圖像。ZHACODE 主要使用的是網(wǎng)格，之所以更偏愛(ài)使用網(wǎng)格，其中一個(gè)原因是因?yàn)檫@與建筑的“表達(dá)”（articulation）有關(guān)。例如，在幕墻優(yōu)化和板塊劃分時(shí)，與NURBS相比，網(wǎng)格曲面在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域更容易將物理的相關(guān)屬性與其幾何屬性相關(guān)聯(lián)，在使用網(wǎng)格曲面時(shí)，建筑幾何體更容易“意識(shí)到”物理的力，并“意識(shí)到”它們將是如何可以被建造出來(lái)。

2.通用語(yǔ)言的幾何

第二個(gè)方面是幾何的通用語(yǔ)言性質(zhì)，ZHACODE 認(rèn)為這可以將建筑師、工程師、承包商甚至客戶等多個(gè)利益相關(guān)者統(tǒng)一起來(lái)，因?yàn)橄噍^于理解純數(shù)字和分析技術(shù)，絕大多數(shù)人都更容易直觀地理解幾何。例如，牛頓最著名的發(fā)明之一可能就是軌道的橢圓性質(zhì)。這純粹是基于幾何證明，它是基于幾何和三角形的簡(jiǎn)單性質(zhì)。將同樣的概念擴(kuò)展到建筑中，就像這些幾何方法應(yīng)用的著名先驅(qū)安東尼·高迪（Antonie Gaudi）一樣，因?yàn)樗\(yùn)用了基于幾何計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法，他能夠用非常簡(jiǎn)單的圖形方法來(lái)計(jì)算拱門的穩(wěn)定性，所以他繪制的這些三角形將有助于深入了解結(jié)構(gòu)的行為?；趲缀蝸?lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)使事物在物理建構(gòu)的建筑學(xué)中更接近可見(jiàn)。

建筑幾何所指的不僅涉及結(jié)構(gòu)意識(shí)，還包括建造意識(shí)、材料意識(shí)等。正如上面所提到的，高迪除了通過(guò)幾何計(jì)算來(lái)計(jì)算其結(jié)構(gòu)行為之外，圣家堂還有很多關(guān)于他的聰明之處，比如切割石頭，以及以結(jié)構(gòu)上有意義和高效的方式排列石頭（Burry M，2003 年）。所以根據(jù)ZHACODE 的定義，如果建筑師的設(shè)計(jì)需要工程師進(jìn)行后期的單獨(dú)有理化，那么這就不是一個(gè)所謂的建筑幾何，這只是一個(gè)純粹的幾何表達(dá)。具有結(jié)構(gòu)與建造意識(shí)的網(wǎng)格曲面或幾何體才是建筑幾何。

3.長(zhǎng)期積累與協(xié)作設(shè)計(jì)

第三方面就是在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，實(shí)踐領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累以及同其他行業(yè)的密集合作研究，跨學(xué)科的研究有助于建筑學(xué)學(xué)科的進(jìn)步。就像克里斯·威廉姆斯（Chris Williams） 與 諾 曼· 福 斯 特（Norman Foster）在大英博物館屋頂上的合作一樣，這使得工程師和建筑師都能接觸到復(fù)雜的數(shù)學(xué)。最初的原理文件對(duì)于建筑師來(lái)說(shuō)幾乎不可能理解消化，但威廉姆斯幫助非數(shù)學(xué)學(xué)科的人獲得了這些復(fù)雜的信息（Williams C J K，2001 年）。就像安德魯·維特（Andrew Witt）在建筑的機(jī)器認(rèn)識(shí)論中介紹的，早在18 世紀(jì)19 世紀(jì)就已經(jīng)發(fā)明的用于構(gòu)建復(fù)雜曲線的繪圖工具（Drawing Devise）一樣，人們不需要精通數(shù)學(xué)幾何，也不需要了解物理學(xué)的所有知識(shí)，就能繪制復(fù)雜的曲線和幾何圖形，因?yàn)橄嚓P(guān)的知識(shí)已經(jīng)被這些具有幾何約束的繪圖工具所捕捉（Witt A，2010 年）（圖2）。這與ZHACODE 所做的類似，通過(guò)向歷史先驅(qū)學(xué)習(xí)，加之與不同學(xué)科專業(yè)的人合作，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為幾何和簡(jiǎn)單直觀的設(shè)計(jì)工具，使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或其他學(xué)科的知識(shí)和信息變得可用（Bhooshan S，2016 年）。

圖2： 用于構(gòu)建復(fù)雜曲線繪圖工具發(fā)明

三、結(jié)構(gòu)與建造意識(shí)的幾何

對(duì)于ZHACODE 來(lái)說(shuō)，真正重要的不是技術(shù)本身，但他們之所以熱衷于了解技術(shù)，是為了探索特定結(jié)構(gòu)條件下的空間解決方案。他們從根本上感興趣的是探索設(shè)計(jì)空間本身，就像是弗雷·奧托（Frei Otto）在20 世紀(jì)60 年代與他的工程師和數(shù)學(xué)家在基于張力的空間設(shè)計(jì)上所做的探索一樣。而針對(duì)結(jié)構(gòu)和建造約束，ZHACODE 所采取的主要策略簡(jiǎn)單講其實(shí)就是移動(dòng)網(wǎng)格面上的控制點(diǎn)，直到可以滿足特定的幾何條件。但關(guān)鍵就在于如何移動(dòng)這些控制點(diǎn)以及其背后控制原因的巧妙性。ZHACODE 的研究項(xiàng)目不勝枚舉（圖3），在下文中，作者選取了一些典型的項(xiàng)目進(jìn)一步地詳細(xì)解釋各研究主題背后的巧思，盡管在文中將研究線歸類為建筑幾何的結(jié)構(gòu)意識(shí)與建造意識(shí)，但所有的項(xiàng)目其實(shí)與這兩個(gè)方面都相關(guān)。

圖3： ZHACODE 研究代表項(xiàng)目時(shí)間圖表

1.結(jié)構(gòu)意識(shí)的幾何

在結(jié)構(gòu)意識(shí)的幾何（structure-aware geometry）的探索中，本文將會(huì)以殼體結(jié)構(gòu)（shell structure）為線索來(lái)展開(kāi)說(shuō)明ZHACODE 在這方面的研究?！袄こ尚汀保ā癋abric forming”）以及拉膜生成混凝土殼體結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜的曲率，良好的曲面質(zhì)量，擁有易于運(yùn)輸?shù)哪０宀牧希档统杀痉矫娑挤浅Ｓ袃?yōu)勢(shì)，這些優(yōu)點(diǎn)都為人們研究此領(lǐng)域提供了持續(xù)探索的動(dòng)力，回顧歷史也已有大量的相關(guān)研究和文獻(xiàn)，尤其是集中在施工方法或“找形”的設(shè)計(jì)方法上，包括力密度法（Schek，1974 年）、動(dòng)態(tài)松弛法（Day，1965 年）等。然而，上述的研究無(wú)論是從方法上還是軟件方面，依然都不容易被建筑師所使用，所以導(dǎo)致不容易被納入建筑幾何被建筑師在設(shè)計(jì)過(guò)程中所考慮。所以ZHACODE 團(tuán)隊(duì)一直都在不斷地探索并形成一套軟件工具，從而使得材料的自然物理特性可以引入到建筑幾何中，供建筑師在早期的設(shè)計(jì)階段就可以使用。

在眾多結(jié)構(gòu)意識(shí)幾何的第一批研究中，其中一個(gè)是在2010 年印度AA 訪問(wèn)學(xué)校工作營(yíng)上進(jìn)行的研究，這也是使用織物尋找殼體結(jié)構(gòu)形狀的常用策略之一，如上文所講，移動(dòng)曲面上的控制點(diǎn)是關(guān)鍵策略，人們需要做的只是以特定的方式沿著固定軌道拉伸同一塊布料，然后在其表面上澆筑混凝土，最后成形的幾何就是既具有物理意義又具有建造意義的。這個(gè)工作營(yíng)是純手工完成的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有任何數(shù)字工具可以協(xié)助。但這是一個(gè)非常有用的例子，展現(xiàn)了不一定需要在高科技環(huán)境中才能交付這些復(fù)雜的幾何曲面，在那時(shí)，只需要幾天的勞動(dòng)和十幾天的時(shí)間。這種純手工的探索，可以說(shuō)為數(shù)字設(shè)計(jì)和建造方面奠定了很好的基礎(chǔ)（圖4）。

圖4： 2010 年印度AA 訪問(wèn)學(xué)校工作營(yíng)

在最新的關(guān)于拉膜生成混凝土殼體結(jié)構(gòu)的探索中，2019 年完成的KnitCandela可以算是非常成功的代表，這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的展亭裝置，位于墨西哥當(dāng)代藝術(shù)大學(xué)博物館內(nèi)，是一種基于超輕針織模板的雙曲面薄殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入新的計(jì)算設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新的針織模板技術(shù)，重新設(shè)計(jì)其創(chuàng)造性的混凝土外殼結(jié)構(gòu)，也是向建筑師和工程師費(fèi)利克斯·坎德拉（Felix Candela）的致敬（圖5）。薄殼結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)勢(shì)，比如流暢的曲面線條，大跨度的空間和輕便省料的結(jié)構(gòu)，就像雞蛋殼，握住它時(shí)就算用很大的力也不會(huì)輕易碎掉，薄薄一層卻可以承受這么大的壓力，這也是為何建筑師在不斷地追求“像蛋殼一樣的混凝土”。同樣的，KnitCandela 也是對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)的一種挑戰(zhàn)，50m2重量約5t 的雙曲面薄混凝土外殼，是用僅55kg 的KnitCrete 織物模板支撐，有趣的是，其實(shí)這55kg 的織物模板是設(shè)計(jì)師在瑞士完成后用兩個(gè)行李箱從瑞士帶到墨西哥的。而且織物模板上的設(shè)計(jì)圖案，不僅是裝飾線條，這些線條其實(shí)是幾何中的作用力線，在編織的過(guò)程中會(huì)換一種材料進(jìn)行加強(qiáng)，很巧妙地將結(jié)構(gòu)信息融入到設(shè)計(jì)當(dāng)中。而且，整個(gè)設(shè)計(jì)到建造的過(guò)程也可以充分地展現(xiàn)多地多專業(yè)的協(xié)同合作，一種合著模式的設(shè)計(jì)，這個(gè)項(xiàng)目結(jié)合了位于倫敦的ZHACODE 設(shè)計(jì)技術(shù)，位于瑞士的BRG 計(jì)算結(jié)構(gòu)性能技術(shù)以及數(shù)字建造技術(shù)，還有位于墨西哥當(dāng)?shù)氐氖┕ぜ夹g(shù)。設(shè)計(jì)到完工僅兩個(gè)半月，而最后在現(xiàn)場(chǎng)施工僅用了約兩周，可以說(shuō)是在緊湊的時(shí)間、有限的空間和最低的預(yù)算內(nèi)完成建造，而整個(gè)造型最后之所以能做到如此輕巧，并非是因?yàn)榭椢镞@種材料，而是因?yàn)榻ㄖ缀伪旧恚靡环N巧妙地方式組織了這些材料，才使得整體結(jié)構(gòu)更加輕巧。

圖5： KnitCandela 項(xiàng)目

其實(shí)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院建筑技術(shù)研究組（ETH-BRG）的合作可以追溯到12年前，自2010 年起，BRG 就與ZHACODE展開(kāi)了緊密合作，一起探索為自由曲面引入結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算工具和方法。與上文所述的拉伸力為主的薄殼結(jié)構(gòu)相對(duì)的另一大類就是純壓縮的結(jié)構(gòu)。在2015 年石亭（Stone Pavillion）實(shí)驗(yàn)性的展亭項(xiàng)目中（圖6），ZHACODE 與BRG 一起探索這種純壓縮的薄殼結(jié)構(gòu)的形式可能性，這個(gè)項(xiàng)目很好地將兩方合著者獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。一方面，繼承了BRG 在純壓縮結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)方法的多年創(chuàng)新研究；另一方面，結(jié)合了ZHACODE 在空間與建筑美學(xué)的設(shè)計(jì)語(yǔ)言。雙方一起探索了參數(shù)化主義建筑風(fēng)格的結(jié)構(gòu)性（Bhooshan V，Reeves D，Bhooshan S，et al，2018 年）。

圖6： ZHACODE 與BRG 合作的純壓縮結(jié)構(gòu)石亭項(xiàng)目

隨后雙方又一起于2017 年在上海DigitalFuture 的設(shè)計(jì)工作營(yíng)上，使用RhinoVAULT 插件和學(xué)生們一起探索，基于ZHACODE 的多邊形建模的代碼與BRG 推力線網(wǎng)絡(luò)分析（Trust Network Analysis）相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出新的幾何圖形，通過(guò)改變輸入的幾何圖形，去理解力圖將如何改變或發(fā)展，然后再將他們細(xì)分為小的板塊進(jìn)行三維模型的打印，以模擬建造的邏輯。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)的方式深入理解結(jié)構(gòu)與幾何形式之間的關(guān)系，探索新的有結(jié)構(gòu)意識(shí)的幾何形式。如圖7 中所示，打印模型是由小的板塊拼裝在一起，模型沒(méi)有使用膠水固定，完全是靠最頂部的那根紅線“系”在一起，如果剪斷紅線，整個(gè)結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌，這也證明了整個(gè)幾何體是純壓縮受力的。通過(guò)控制幾何圖形，其實(shí)就是在同步控制結(jié)構(gòu)中的壓縮力線，進(jìn)而得到更為有效的薄殼結(jié)構(gòu)。這也是ZHACODE想建立的對(duì)建筑幾何與結(jié)構(gòu)意識(shí)的理解，并通過(guò)工作營(yíng)的形式將研究灌輸給學(xué)生，讓他們?cè)谠O(shè)計(jì)領(lǐng)域中繼續(xù)探索。

圖7： 2017 年上海DigitalFutures 工作營(yíng)其中一組學(xué)生的成果

而在最新的雙方合作項(xiàng)目—2021年底在威尼斯雙年展展出的Striatus 人行天橋—可謂是當(dāng)代數(shù)字設(shè)計(jì)的一個(gè)重要里程碑，它是首座三維打印的無(wú)鋼筋砌塊拱形人行天橋，而且它也是干組裝的，沒(méi)有使用任何砂漿或任何膠水（圖8）。從其名字Striatus（可譯為帶條紋的），就可以非常直觀看出其結(jié)構(gòu)和建造邏輯，混凝土在打印時(shí)是垂直于主要結(jié)構(gòu)受力面的，從而創(chuàng)造了一個(gè)純壓縮的“條紋狀”結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是憑借其建筑幾何造型獲得的，而非像傳統(tǒng)混凝土受力那樣憑借材料堆積和材料自身的強(qiáng)度獲得的。由于混凝土砌塊被巧妙精確地放置，可以使得力在純壓縮受力中傳遞。作為高性能的建筑幾何（high performance geometry），此設(shè)計(jì)可以說(shuō)是達(dá)到了低耗能、低碳、薄而輕的結(jié)構(gòu)，并且具有高強(qiáng)度，大跨度和高耐久性的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)項(xiàng)目也是雙方與incremental3D（in3D）一起合作研究的項(xiàng)目，而所有這一切也都是站在巨人的肩膀上實(shí)現(xiàn)的，不僅是由目前的團(tuán)隊(duì)完成的，而是一項(xiàng)長(zhǎng)期累積的研究發(fā)展。從2009 年菲利普·布洛克開(kāi)創(chuàng)性的提出推力線網(wǎng)絡(luò)分析（TNA），到基于此發(fā)展的RhinoVAULT 設(shè)計(jì)工具，使得設(shè)計(jì)師可以方便地將結(jié)構(gòu)約束融入設(shè)計(jì)初期，再到隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，可以在實(shí)際建筑中更廣泛地實(shí)現(xiàn)，是經(jīng)過(guò)不同研究者的多代更迭，才打破了傳統(tǒng)的從設(shè)計(jì)到建造的線性模式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)建造一體。

圖8： 2021 年Striatus 人行步橋的設(shè)計(jì)模型與建成后照片

2.建造意識(shí)的幾何

關(guān)于建造意識(shí)的幾何（Fabrication-aware Geometry），下文將用曲面折紙和三維打印這兩個(gè)研究主題為例來(lái)展開(kāi)介紹如何將建造的屬性融入到建筑幾何當(dāng)中。曲面折紙?jiān)诂F(xiàn)代歷史中最早始于包豪斯，后來(lái)一些數(shù)學(xué)家和藝術(shù)家，像是羅恩·萊斯赫（Ron Resch）和大衛(wèi)·哈夫曼（David Huffman）都對(duì)這一領(lǐng)域的進(jìn)步作出了很多的貢獻(xiàn)，而赫爾穆特·波特曼也正在運(yùn)用數(shù)字工具來(lái)拓展這個(gè)領(lǐng)域（Demaine E D，Demaine M L，Koschitz D.，2011 年）。從 物 理 上 來(lái)說(shuō)，這非常簡(jiǎn)單，只需在紙上劃線并進(jìn)行折疊，然后就可以自然地得到個(gè)三維曲面?；诤?jiǎn)單的原則和前人的研究，在2012 年ZHACODE 與35 名印度學(xué)生共同完成了一次放大版的研究—曲線折痕折疊式雕塑（Curved Crease Folded Sculpture，圖9），隨后基于此在AADRL 的工作營(yíng)也是手動(dòng)地進(jìn)行了從二維到三維的轉(zhuǎn)換，然后放大到金屬板、塑料板等。不同的是，在印度工作營(yíng)蛋形雕塑探索的基礎(chǔ)上，除了繼續(xù)探索不同的二維圖案如何可以轉(zhuǎn)化為新穎的三維幾何形狀和形式外，更進(jìn)一步的是需要考慮結(jié)構(gòu)受力，做到一件能夠承受正常使用時(shí)產(chǎn)生的作用力的家具（圖10）。

圖9： 2012 年在班加羅爾（Bangalore）與學(xué)生一起制作的曲線折痕折疊式雕塑

圖10： 2013 年AADRL 學(xué)生（Julian Lin，Henry David Louth，Yang Du，Guillermo Oliver）設(shè)計(jì)的曲線折疊座椅（Rocking chair by curved origami）

這種從二維到三維的轉(zhuǎn)換，雖然可以簡(jiǎn)單并直觀地通過(guò)手工快速完成和測(cè)試，但卻不容易被數(shù)字化。所以在各個(gè)學(xué)術(shù)工作營(yíng)中的實(shí)驗(yàn)，都是先用小的紙張進(jìn)行測(cè)試后，再進(jìn)行等比例放大到金屬板或塑料板上進(jìn)行折疊。而ZHACODE 也是基于此一直在努力利用Maya 或Rhino 將這種直覺(jué)帶入數(shù)字領(lǐng)域，試圖將物理的直覺(jué)捕捉轉(zhuǎn)化為幾何的運(yùn)算，ZHACODE 將其背后的數(shù)學(xué)知識(shí)簡(jiǎn)化為可操作性的數(shù)字工具，用一句話概括，就是在一個(gè)平面上圍繞一個(gè)頂點(diǎn)的所有角度加起來(lái)都需要等于360°，這意味著可以將其展平。我們可以看到這背后，并沒(méi)有瘋狂的數(shù)學(xué)計(jì)算，通過(guò)一點(diǎn)編程，只要移動(dòng)面上的控制點(diǎn)來(lái)確保滿足這兩點(diǎn)條件即可（所有面都是平的和所有頂點(diǎn)的角度加起來(lái)都是360°）?？梢钥闯雠c之前的原則一樣，移動(dòng)網(wǎng)格面上的控制點(diǎn)直到滿足特定條件的設(shè)計(jì)思想在此也適用 （Bhooshan S，Bhooshan V，ElSayed M，et al，2015；Bhooshan S，2016 年）。

除了在學(xué)術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行探索外，這項(xiàng)研究也在不同的裝置中進(jìn)行實(shí)際建造的探索，在2012 年威尼斯雙年展的Arum 裝置項(xiàng)目中，曲面折疊的工藝變得復(fù)雜許多，因?yàn)樗枰瑫r(shí)展開(kāi)400 多個(gè)面板，并且所有邊界都需要對(duì)齊，但兩個(gè)需要滿足的幾何條件還是一樣的。所以整個(gè)設(shè)計(jì)生成過(guò)程其實(shí)就是從概念的三維網(wǎng)格面生成相應(yīng)的控制點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，然后再不斷地移動(dòng)所有控制點(diǎn)并同步進(jìn)行計(jì)算，直到所有的控制點(diǎn)都滿足幾何條件，最后直接生成一個(gè)可展開(kāi)的二維平面幾何圖形。在這個(gè)裝置中，可以看到曲面折疊的潛力，它提供了一種可以通過(guò)曲面折疊幾何找形的設(shè)計(jì)方法，并且這個(gè)設(shè)計(jì)方法可以同時(shí)將建造的約束條件融入其中，是可以擴(kuò)展放大到建筑空間尺度的（圖11）。

圖11： Arum 裝置曲面控制點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)與2012 年威尼斯雙年展Arum 裝置照片

從最開(kāi)始的蛋形雕塑，到曲面折疊家具座椅，再到裝置展亭，不僅是從規(guī)模上的增長(zhǎng)，更多的是看到數(shù)字建造逐漸變得主流和可被接觸到，而ZHACODE 在曲面折紙研究主題的關(guān)鍵貢獻(xiàn)主要在于提供了一種可擴(kuò)展的、便于探索的數(shù)字方法，完成了對(duì)參數(shù)化技術(shù)的描述，以便可以直接從數(shù)字生成的幾何中生成建造的數(shù)據(jù)。

另一個(gè)值得一提的關(guān)于建造意識(shí)的幾何研究線，則是最近ZHACODE 在開(kāi)發(fā)的三維打印混凝土的研究線?；炷寥S打印并非什么新想法，但ZHACODE 的創(chuàng)新性在于如何生成這些三維打印的形狀，驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題在于如何理解三維打印，尤其是以一種直觀的方式在打印混凝土中，理解材料在三維打印時(shí)的行為。

因?yàn)榇蛴〉男袨槭侵饘由尚螤?，所以為了融合建造與設(shè)計(jì)，第一直覺(jué)自然會(huì)思考到的是，如何讓幾何造型的設(shè)計(jì)生成本身也變成逐層生成的過(guò)程。典型的三維打印過(guò)程是，設(shè)計(jì)師建模一些任意的幾何造型，然后將其隨機(jī)切片成層以進(jìn)行三維打印，打印軟件并沒(méi)有直觀的可視化這些切片。ZHACODE 所做的像是個(gè)反向思維，幾何造型并非任意的形狀，而是約束在設(shè)計(jì)圖層中的，這些圖層也將是之后打印時(shí)機(jī)械臂所遵循的路徑，不僅僅是設(shè)計(jì)的形狀在設(shè)計(jì)過(guò)程中可見(jiàn)，每一個(gè)切片都是隨著幾何造型的生成而有所設(shè)計(jì)的（Bhooshan S，Van Mele T，Block P，2018 年）。而這些圖層路徑的生成算法是借用了MRI三維掃描技術(shù)的思路，就像在Photoshop中查找邊界，可以將整個(gè)幾何體表示為圖像堆（image stack）。通過(guò)使用圖像技術(shù)而非傳統(tǒng)的典型方式（如NURBS 曲面）表達(dá)幾何圖形，這一點(diǎn)為什么很重要？因?yàn)檫@可以使得在早期設(shè)計(jì)找形的過(guò)程中，自然地將之后的打印路徑進(jìn)行融合，而非傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行隨機(jī)的切片再打印，因此這些路徑圖層已經(jīng)自然地結(jié)合了設(shè)計(jì)意圖和后期制造的約束。而ZHACODE 開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)工具和算法則是給設(shè)計(jì)師操縱這些幾何形狀的機(jī)會(huì)，這套算法是在Rhino 和Grasshopper 中開(kāi)發(fā)的，設(shè)計(jì)師需要做的只是定義頂部和底部，而在這兩者之間所生成的幾何形狀則是從一個(gè)圖像融合到另一圖像的自然結(jié)果（圖12）。雖然這個(gè)過(guò)程聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但它的巧妙就在于設(shè)計(jì)師可以基于此完成各種復(fù)雜的幾何圖形和復(fù)雜的拓?fù)湓煨?。這套方法也在2018 年上海DigitalFutures 的設(shè)計(jì)工作營(yíng)和學(xué)生們一起進(jìn)行了形式上可能性的探索，以及用黏土代替混凝土做了實(shí)際打印的測(cè)試（圖13）。

圖12： 任務(wù)圖的合成（Synthesis of taskgraph）

圖13： 2018 年DigitalFutures 三維黏土打印工作營(yíng)其中一組學(xué)生的成果

除了在工作營(yíng)上的探索，在上文中提及的Striatus 人行天橋就是利用這種三維打印技術(shù)，創(chuàng)造了全新的混凝土語(yǔ)言。不同于20 世紀(jì)鑄造式的混凝土語(yǔ)言，ZHACODE 試圖創(chuàng)造一種新的混凝土設(shè)計(jì)語(yǔ)言，把傳統(tǒng)磚石結(jié)構(gòu)中的智慧與新的數(shù)字建造工具相結(jié)合，混凝土材料在這個(gè)語(yǔ)境下，并非是一種連續(xù)的液體根據(jù)模具進(jìn)行灌注，而是被看成“微型的磚石”，被機(jī)械臂打印出來(lái)。創(chuàng)新的關(guān)鍵在于砌塊在兩種不同尺度上的應(yīng)用，一種是砌塊間以僅壓縮受力的布局排列，另一種是砌塊本身在打印時(shí)各層與受力面要盡可能正交。這兩種尺度上的創(chuàng)新使得整體結(jié)構(gòu)不需要任何其他加強(qiáng)筋，而且可以做到50%～60%的中空，精簡(jiǎn)巧妙的設(shè)計(jì)方法起到了事半功倍的巨大作用（圖14、圖15）。正是因?yàn)閆HACODE 結(jié)合新的研究和技術(shù)，創(chuàng)造了新的幾何形狀，對(duì)于ZHACODE 來(lái)講，這也是可持續(xù)性發(fā)展中很重要的一點(diǎn)，創(chuàng)造合適的形狀（appropriate shape），這與材料本身無(wú)關(guān)。合適的形狀將消耗更少的材料，提供更多的強(qiáng)度。在這個(gè)項(xiàng)目中，他們就做到了減少混凝土的碳足跡，并保留混凝土的所有其他好處，例如耐久性和廣泛可用性。實(shí)現(xiàn)了“減量化、再利用、再循環(huán)”（reduce，reuse，recycle）的設(shè)計(jì)原則。關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目，除了結(jié)構(gòu)與建造意識(shí)的建筑幾何，還有一點(diǎn)值得一提，就是通用的建筑幾何起到了促進(jìn)不同專業(yè)間交流協(xié)作統(tǒng)一語(yǔ)言的作用（Bhooshan S.，2017 年），使得多方真正地從設(shè)計(jì)構(gòu)思到最后落地一起合著這個(gè)項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)構(gòu)思過(guò)程中，BRG 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估以及In3D三維打印的約束都會(huì)實(shí)時(shí)的反映到設(shè)計(jì)中，三方一直無(wú)縫地溝通，因?yàn)樵陧?xiàng)目進(jìn)展的6 個(gè)月期間正好是在疫情控制最嚴(yán)格的時(shí)間段里，直到項(xiàng)目完成前，整個(gè)過(guò)程三方從未在線下實(shí)際會(huì)面。這個(gè)項(xiàng)目像是對(duì)協(xié)作設(shè)計(jì)、協(xié)作思維方式的一種致敬。之所以具有協(xié)作性，也正是因?yàn)樗蕾囉赯HACODE 一直強(qiáng)調(diào)的通用的幾何語(yǔ)言，這對(duì)建筑領(lǐng)域有很重要的貢獻(xiàn)，不同于20世紀(jì)的建筑生產(chǎn)方式是依賴于圖紙的，這已經(jīng)與當(dāng)下的數(shù)字設(shè)計(jì)或機(jī)器建造不相適應(yīng)，通過(guò)一種通用的幾何語(yǔ)言，可以使得結(jié)構(gòu)、建造等多方提前融入設(shè)計(jì)。

圖14： 2021 年Striatus 人行天橋混凝土砌塊三維打印

圖15： 2021 年Striatus 人行天橋混凝土砌塊截面

3.建筑幾何的實(shí)踐

通過(guò)所有這些在計(jì)算框架下的開(kāi)發(fā)和對(duì)技術(shù)的研究，逐漸地除了實(shí)驗(yàn)性的展亭裝置項(xiàng)目，這些技術(shù)和方法也在ZHA 很多實(shí)際建筑項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，其中最能描述他們研究成果和精神的就是2016 年完成的位于倫敦的科學(xué)博物館中的數(shù)學(xué)展館設(shè)計(jì)（圖16）。此項(xiàng)目可以說(shuō)是對(duì)研究組在建筑幾何的設(shè)計(jì)方法、跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、創(chuàng)新性等各方面的最好總結(jié)。展館中有兩個(gè)設(shè)計(jì)特征可以很好地說(shuō)明結(jié)構(gòu)與建造意識(shí)的建筑幾何這個(gè)概念，這兩個(gè)特征分別是中央的膜結(jié)構(gòu)和機(jī)器熱切割混凝土長(zhǎng)凳。

圖16： 倫敦科學(xué)博物館數(shù)學(xué)展館室內(nèi)

展館的主要概念來(lái)源于策展需要將哈德利飛機(jī)放置于畫廊的中心，設(shè)計(jì)的主要概念就來(lái)源于飛機(jī)周圍的氣流模擬，并以此作為空間布置原則（圖17）。中央的膜結(jié)構(gòu)是對(duì)長(zhǎng)期歷史先前經(jīng)驗(yàn)的吸收與轉(zhuǎn)移的研究結(jié)果，通過(guò)使用最新的計(jì)算方法和數(shù)字工具，再次擴(kuò)展了弗雷·奧托的最小面找形（Minimum Surface）的深入研究，首先利用方程代碼做最小面找形，然后根據(jù)實(shí)際織物建造的條件進(jìn)行合理化。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅是數(shù)字上的模擬，團(tuán)隊(duì)依然會(huì)做小規(guī)模的原型物理模型，以更好地了解幾何結(jié)構(gòu)上織物膜的性能和接縫布局。事實(shí)上，正是這種深入了解建造約束的研究模式，使得項(xiàng)目在落地階段可以更好地延續(xù)設(shè)計(jì)意圖。比如，在最開(kāi)始工程方提供的接縫布局只是機(jī)械式的隨意拼接，并沒(méi)考慮幾何曲面本身的優(yōu)勢(shì)，從而導(dǎo)致有很多三角面，也是對(duì)材料的一種浪費(fèi)。正因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的同時(shí)，ZHACODE 有對(duì)工具和制造限制的深入了解，再加上之前積累的關(guān)于織物膜的知識(shí)，他們最后可以推動(dòng)制造商提出更好地接縫布局，推動(dòng)了建造與設(shè)計(jì)的融合（圖18）。

圖17： 數(shù)學(xué)展館設(shè)計(jì)靈感來(lái)源：飛機(jī)的流場(chǎng)模擬

圖18： 數(shù)學(xué)展館設(shè)計(jì)原型的手工模型

另一個(gè)設(shè)計(jì)特征是展館中的16 組熱線切割混凝土長(zhǎng)凳，長(zhǎng)凳的幾何造型繼承了數(shù)學(xué)對(duì)規(guī)則曲面（rule surface）的長(zhǎng)期研究歷史，結(jié)合了當(dāng)代機(jī)器建造的方法（圖19）。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之初就已經(jīng)考慮了機(jī)械臂的路徑軌跡，這些長(zhǎng)凳的幾何造型不是隨意畫出來(lái)的，而是為了配合機(jī)械臂所能做到的限制而設(shè)計(jì)的，長(zhǎng)凳上的每一個(gè)弧面與曲線都是機(jī)器制造與設(shè)計(jì)美學(xué)的結(jié)合。也正是因?yàn)檫@種巧妙地融合，從一個(gè)完整的砌塊到一個(gè)長(zhǎng)凳，僅需7～8 次的切割，在3 分鐘能即可完成，而普通的這種規(guī)模的產(chǎn)品通常需要幾個(gè)小時(shí)才能完成切割。除了大幅度地減少了制造時(shí)間和節(jié)省材料，還有個(gè)優(yōu)勢(shì)就是每個(gè)長(zhǎng)凳都可以有不同的設(shè)計(jì)，因?yàn)閷?duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)，只要在軌跡路徑約束的范圍內(nèi)，調(diào)整曲面弧度與角度，只是調(diào)整了一些參數(shù)，對(duì)于其生產(chǎn)時(shí)間都是一樣的。

圖19： 數(shù)學(xué)展館的熱切割長(zhǎng)凳

在實(shí)際項(xiàng)目中，我們不難看到里面包含了多種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的研究的應(yīng)用，比如數(shù)學(xué)展館的長(zhǎng)凳來(lái)自多年熱線切割的研究，織物膜來(lái)自長(zhǎng)期對(duì)拉伸結(jié)構(gòu)的研究?？梢钥吹阶訸HACODE 成立以來(lái)，前10 年長(zhǎng)期積累的研究與探索，在近5 年，也是在這個(gè)數(shù)學(xué)展館建成后，應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目的規(guī)模也越來(lái)越大。他們?cè)诮Y(jié)構(gòu)與建造意識(shí)的建筑幾何研究的潛力也得到了更大的發(fā)揮，就像這個(gè)預(yù)計(jì)在2023 年完工的西安國(guó)際足球中心，其開(kāi)創(chuàng)性的大跨度雙層正交索網(wǎng)屋面設(shè)計(jì)，極大地降低了二次結(jié)構(gòu)的用量與復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了最小負(fù)載的同時(shí)，最大限度地節(jié)約了材料（圖20）。通過(guò)使用ZHACODE 自己的找形數(shù)字工具，搭建一套各專業(yè)都可以直觀理解的共通的建筑幾何，而非純數(shù)字上的分析，這樣可以更好地與結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行協(xié)作，將各限制條件與參數(shù)輸入到建筑幾何中，進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，從而推動(dòng)技術(shù)上的邊界，做到更輕盈的結(jié)構(gòu)。從上文的實(shí)踐例子中，無(wú)論是小到人行橋的設(shè)計(jì)，還是大到體育館的設(shè)計(jì)，我們可以看到對(duì)于ZHACODE 來(lái)講非常重要的內(nèi)驅(qū)力其實(shí)是“負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)”（Responsible Design）。ZHACODE 的研究和探索不僅確保了ZHA流線性和動(dòng)態(tài)性的建筑幾何是有結(jié)構(gòu)意識(shí)的，具有生產(chǎn)意識(shí)的和具有環(huán)境適應(yīng)性的。更意味著這些幾何能夠真正平衡高性能要求：一方面是建筑物高強(qiáng)度和耐久性的要求；另一方面是低碳排放、低能耗和運(yùn)行能耗的要求。

圖20： 西安國(guó)際足球中心效果圖

四、建筑幾何的下一階段

ZHACODE 研究的很大一部分是基于物理方面的，并將相關(guān)的物理屬性抽象為幾何，因此這可以成為設(shè)計(jì)師與工程師、制造方合作的工具。同時(shí)，這也為他們研究的下一階段提供非常重要的基礎(chǔ)：讓未來(lái)的用戶也提前參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中，讓每個(gè)人都有發(fā)言權(quán)。

他們?cè)?017 年為洪都拉斯的加勒比羅坦島（the Caribbean island of Roatán，off the coast of Honduras）所設(shè)計(jì)的數(shù)字模塊化住宅項(xiàng)目中，就實(shí)現(xiàn)了讓未來(lái)的住戶自己“設(shè)計(jì)”自己未來(lái)的家（圖21）。ZHACODE 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)游戲，或者說(shuō)是類似游戲的數(shù)字建筑平臺(tái)，作為未來(lái)居民的用戶可以登錄到一個(gè)網(wǎng)站進(jìn)入游戲，他們可以選擇未來(lái)家的大小，布置室內(nèi)和家具（圖22）。每個(gè)家庭可以選擇一到五個(gè)體素（voxel），每個(gè)體素約35m2，4m高，人們可以根據(jù)喜好進(jìn)行不同的組合，可以有多達(dá)15000 種不同的變化以滿足不同的需求（圖23）。不僅如此，他們還可以在游戲中四處走動(dòng)，感受從房間中可以看到什么。不同于在二維圖紙上設(shè)計(jì)平面的布局，這更多的是通過(guò)空間體驗(yàn)在做設(shè)計(jì)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)游戲，用戶可以便捷直觀地感受三維空間。游戲結(jié)束后，將根據(jù)相應(yīng)的算法生成建造所需的“圖紙”，直接加工建造。這個(gè)數(shù)字平臺(tái)整合了從設(shè)計(jì)到建造的過(guò)程并且實(shí)現(xiàn)了部件的不同配置，做到了每個(gè)住宅的個(gè)性化建造。

圖21： 羅坦島住宅設(shè)計(jì)效果圖

圖22： 羅坦島住宅游戲界面

圖23： 羅坦島住宅空間模塊

ZHACODE 致力于讓更多的參與者參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中來(lái)，他們所做的就是設(shè)計(jì)這些空間元件（spatial kit），探索不同類型的可變性。而用戶需要做的就是進(jìn)行不同的組合，就像人們?cè)谝思矣嗁?gòu)家具一樣。ZHACODE 將這種空間元件的思考方式來(lái)規(guī)劃空間，再加上建筑幾何的其他物理屬性參數(shù)，比如考慮環(huán)境性能，建造因素等，最后統(tǒng)一整合到他們搭建的游戲化的數(shù)字平臺(tái)中，就可以使得越來(lái)越多的人參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)參與式設(shè)計(jì)（participatory design）。而從另一個(gè)層面來(lái)講，這也表達(dá)了可持續(xù)設(shè)計(jì)的第二種態(tài)度，除了上文所述的關(guān)于幾何形狀的可持續(xù)，對(duì)于ZHACODE 來(lái)講可持續(xù)性也是關(guān)于吸引人的參與式設(shè)計(jì)（engaging design）。對(duì)于投資者來(lái)說(shuō)，他們可以提前知道正在建造的建筑是受用戶喜歡的，不必在建造后發(fā)現(xiàn)是沒(méi)有市場(chǎng)需求的。而對(duì)于建造方來(lái)說(shuō)，他們所接收到的建造訂單，也都是按需定制的，不會(huì)造成浪費(fèi)?？梢哉f(shuō)，可持續(xù)設(shè)計(jì)在這個(gè)語(yǔ)境下，是指時(shí)間和資源在使用方面都更加高效。

除了游戲技術(shù)慢慢地被引入到建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著過(guò)去5 年區(qū)塊鏈技術(shù)與元宇宙爆發(fā)性的出現(xiàn)，以及當(dāng)前的大型多人在線（MMO）視頻游戲制作技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)的快速發(fā)展，使得網(wǎng)絡(luò)空間成為互動(dòng)豐富的、在社交和感官上都引人入勝的三維空間。換言之，互聯(lián)網(wǎng)也正在慢慢地成為建筑。而在創(chuàng)建賽博物理的建筑平臺(tái)（cyber-physical architectural platform）背景下，ZHACODE 所提倡的建筑幾何更是一種高度相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)范式。與關(guān)注工程和建造的建筑信息建模（BIM）范式不同，建筑幾何（AG）可以與計(jì)算機(jī)輔助形式設(shè)計(jì)（computer aided shape design）、用戶體驗(yàn)分析和其他計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)（computer graphic technologies）更好地結(jié)合起來(lái)。因此，建筑幾何、游戲技術(shù)和元宇宙在底層技術(shù)、對(duì)設(shè)計(jì)師友好的交互設(shè)計(jì)思想等方面非常兼容。

自2020 年 起，ZHACODE 一 直 在 通過(guò)實(shí)驗(yàn)性的項(xiàng)目不斷地發(fā)展空間技術(shù)集（Spatial technology stack）和設(shè)計(jì)程序，并積極地?cái)U(kuò)展到元宇宙相關(guān)的設(shè)計(jì)中。比如2021 年底在邁阿密海灘巴塞爾藝術(shù)展（Art Basel Miami Beach）發(fā)布的NFTism 虛擬美術(shù)館，就旨在探索元宇宙中的建筑與社交的互動(dòng)。而在2022 年發(fā)布的利伯蘭元宇宙（Liberland Metaverse）更是在城市的尺度上進(jìn)行探索，利伯蘭自由共和國(guó)作為目前第三小的主權(quán)國(guó)家，雖然實(shí)體土地僅有7 平方公里，但已經(jīng)吸引了眾多數(shù)字公民（e-citizens）。不同于目前元宇宙的娛樂(lè)與游戲性質(zhì)，利伯蘭元宇宙可以說(shuō)是對(duì)賽博城市的一種真正地探索。它的城市和建筑設(shè)計(jì)具有豐富的互動(dòng)和沉浸式的三維空間環(huán)境。利伯蘭元宇宙試圖將元宇宙和web 3.0 愿景與城市規(guī)劃相結(jié)合，作為一種去中心化的、開(kāi)放參與式的空間技術(shù)和治理技術(shù)的探索（圖24～圖26）。

圖24： NFTism 虛擬畫廊設(shè)計(jì)

圖25： 利伯蘭元宇宙設(shè)計(jì)

圖26： 利伯蘭元宇宙界面

總之，空間技術(shù)集（Spatial Technology Stack）將建筑幾何和游戲技術(shù)統(tǒng)一起來(lái)，可以有力地支持創(chuàng)建環(huán)境，提供新穎、吸引人和有活力的空間用戶體驗(yàn)，而這種以建筑和游戲技術(shù)為動(dòng)力的賽博物理建筑和城市化（cyber-physical architecture and urbanism），對(duì)我們的未來(lái)社會(huì)來(lái)說(shuō)也是至關(guān)重要的。

五、結(jié)語(yǔ)

ZHACODE 就像是一種催化劑，也像是一種轉(zhuǎn)移機(jī)制，不斷地將不同學(xué)科和不同專業(yè)的知識(shí)轉(zhuǎn)移到建筑學(xué)科中。ZHACODE 通過(guò)向先驅(qū)學(xué)習(xí)和多領(lǐng)域合作來(lái)進(jìn)行研究工作，包括殼體結(jié)構(gòu)、曲面折紙、拓?fù)鋬?yōu)化等，都是基于結(jié)構(gòu)、基于材料以及基于建造的，而他們特殊的研究框架還涉及計(jì)算機(jī)圖形、數(shù)字設(shè)計(jì)、機(jī)器人建造技術(shù)，以及游戲引擎和Web 服務(wù)的技術(shù)等。但所有這些研究的核心線索都是建筑幾何，他們通過(guò)建筑幾何利用計(jì)算與數(shù)字技術(shù)為前幾個(gè)世紀(jì)的知識(shí)做升級(jí)。

ZHACODE 所提倡的建筑幾何有諸多優(yōu)勢(shì)，雖然現(xiàn)在大的建筑環(huán)境還是與現(xiàn)代主義保持一致，生產(chǎn)系統(tǒng)還都是以制造直線或矩形為基礎(chǔ)，但隨著前沿技術(shù)不斷地商業(yè)化，這些新形式的數(shù)字設(shè)計(jì)與數(shù)字建造正在慢慢成為主流，這種數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造可以克服20 世紀(jì)建筑的大批量同質(zhì)化生產(chǎn)的貧乏。ZHACODE 將他們的探索不斷地納入ZHA 的設(shè)計(jì)中，以解決建筑環(huán)境的參與性和可持續(xù)發(fā)展的緊迫問(wèn)題。他們的思想、項(xiàng)目和技術(shù)都旨在共同創(chuàng)造一個(gè)適應(yīng)于21 世紀(jì)的建筑—互動(dòng)密集的、體驗(yàn)豐富的、以用戶為中心的、資源利用高效的建筑。

ZHACODE 長(zhǎng)期以來(lái)所作的努力也是在引領(lǐng)建筑師以及與建筑相關(guān)行業(yè)的人們?cè)跀?shù)字技術(shù)上投入精力，無(wú)論他們?cè)谔剿髂囊粔K領(lǐng)域，其主要目標(biāo)都是提高建筑師和更多不同專業(yè)的人對(duì)幾何的理解，因?yàn)槿绻茏屖虑橐詭缀螆D形的形式被人直觀地理解，那么就可以有更多的人加入交流，從而真正做到建立協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，一起推動(dòng)建筑學(xué)科的發(fā)展，為建筑環(huán)境升級(jí)。