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两年前小i写过一篇关于结构参数化的推文《结构黑科技—结构参数化》,主要介绍了参数化在国内外结构设计中的一些应用场景,在当时有数万的阅读量,说明大家对于参数化这个话题非常感兴趣。

一晃两年过去了,结构参数化这个概念越来越火,仿佛一夜之间大家都在做参数化或在做参数化的路上。小i在这两年也阅读交流了更多的参数化理论、亲手实践了更多的参数化项目,自然也对结构参数化有了更多思考,今天就通过本文和大家做一些交流——结构参数化这条路,咱们结构人怎么走?

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开篇首先介绍一个人,一个外国人,一个在建筑参数化领域响当当的人——Patrik Schumacher(帕特里克·舒马赫)。他是ZHA事务所合伙人、扎哈过世后事务所的新负责人,参数化主义建筑先锋人物。由于他对参数化主义的推崇,他在建筑设计界可谓毁誉参半,支持他的说他是“参数化引路人”,反对他的说他是“那只参数化猴子”。今天小i关于参数化的思考主要基于他的文章以及公开演讲。

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Patrik Schumacher 帕特里克·舒马赫

要说结构参数化首先就要说清楚建筑参数化,因为结构专业是没法脱离建筑专业独立存在的。作为抛砖引玉,下面小i就用一点篇幅,介绍一下patric关于参数化主义的一些观点,作为后文论述背景的同时也希望引发大家的思考。

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Patrik Schumacher 关于参数化主义的著作


1

参数化和参数化主义


首先要明确指出参数化(Parametric)不等同于参数化主义(Parametricism)。

参数化是指应用电脑参数化工具进行设计,可以应用于任何的建筑风格,在操作层面上只是提高了建筑师的建模造型能力,同时加快了建筑师的作图速度而已。本质上是解决技术问题的工具,可以认为是CAD的升级版,这也正是我们对于参数化的常规认识。

而参数化主义是一种建筑思想和建筑风格,Patrik Schumacher(2010)对于这个新的概念,分别从理念和实践两个方向进行了诠释。

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在理念层面,传统建筑设计中建筑形体通常是通过对“规则几何体”如圆柱,方块,球形等等,进行切割、融合、扭曲等操作而得到的。这并非因为它们具有强大的优越性,而究其根源是受制于客观技术条件一种退而求其次的选择。那些规则的几何形体是手绘最能实现的形体,是设计师最容易掌控表达的形体。因而以传统形体为设计基础而形成的“合理性”,正是对那种受制客观条件的适应。

这种思维进而决定了人类世界,在相当长的历史时期所创造的各种相关产品,都遵循这种规则模式相互适应。进而形成了在此框架内对“和谐”和对“功能”的理解,比如既然房子是规则形体,家具也更容易出现规则形体,以适应易于安放和利用空间的功能,由此塑造了今天大家习以为常的眼前的“人类世界”。

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参数化主义中摒弃简单的几何体

而在参数化主义的设计中,对于基本设计元素的形体认识,转移到了通过“电脑脚本语言”(computer script)来表现生成,形态出现了难以具体描述的不规则Nurbs曲面,Nurbs曲线,团点,颗粒等等。通俗的讲,就是我们能够看得见的“奇形怪状”。这种表象背后,是建筑设计观的突破和对功能更新层次的理解和追求。参数化主义风格,是基于我们观察和认识世界的一个全新角度。

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参数化主义在实践层面,每一个建筑设计中的基本元素都是以建筑师设定的几何参数,通过电脑脚本语言控制形态生成逻辑自动生成的,逻辑是其形态构建的灵魂。在具体操作上,不像传统建筑设计,参数化主义设计中,建筑师不画平面图,而是直接以三维为基础,做空间,做造型。在基本形体框架内,结构,形体,功能慢慢被精确完善。参数化主义风格的建筑师直接设计的不是外观,而是设计的“数字逻辑”,这种数字逻辑通过电脑运算转化成了三维模型和效果图,进而再以三维参数化模型为基础生成平面和剖面,这对设计模式的一个颠覆。

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参数化主义在自然中寻找形态生成逻辑

关于参数化和参数化主义,Patrik还举了一个案例,福斯特的大英博物馆虽然也应用了数学化表达和参数化技术制图,创造出了新颖变化的几何形体,但终究没有打破旧的思维模式,无论如何制图,都仍然维持着成熟的现代主义风格,这与参数化主义的形体有着明显的区别。

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应用了参数化手段的网壳并不是参数化主义建筑


2

建筑参数化与结构设计的矛盾


建筑参数化主义作为一种新兴建筑流派,Patrik也总结了其设计时需要遵循以下的基本设计原则: 基本设计元素,即构成建筑的基本组成部分的形体是软性,灵活,具有智能化的延展性,可塑性。同时,在不断演进的组织体系中,建筑之间,建筑内的各子系统间,以及到最基本的设计元素,都遵循连续渐变和关联原则。换言之,传统建筑设计是在比如矩形,正方形,三角形和圆形等最基本的几何体基础上进行设计,参数化主义正是要杜绝这些固定僵化的几何形体,避免尖锐的直角,直线,死角,同时避免简单重复,和建筑各组成部分之间封闭孤立,无逻辑关联的各自为政。

参数化主义消极的原则(禁忌):
没有僵硬的形式
没有简单的重复
没有孤立的,不相关的元素的拼贴

参数化主义积极的原则(教条):
所有形式均为柔软的
所有系统连续渐变
所有系统关联


而反观结构设计呢?SOM的合伙人William F. Baker也曾总结过结构设计应该遵循的原则:正确估量结构的尺度(Understand the issue of scale);明确的构思(Clear Idea);合理的结构体系(Rational system);结构材料的高效利用(Efficient use of structural materials);简单且快速的施工(Simple and fast to construct )。这些结构设计原则在我们以往的结构设计当中,毋庸置疑都是极为正确的,也是结构工程师在设计当中必须考虑的。但当将其与参数化主义设计原则比对时,矛盾由此产生。

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Baker 关于结构设计的准则在传统结构设计中毋庸置疑

在结构的规范体系中,很重要的一条就是结构的体型应该尽量简单、对称、规整,为此我们还规定了各种参数来判别结构的水平与竖向不规则程度,如有竖向不规则还需要进行抗震审查。那么按照参数化主义建筑中所要求的没有简单重复、模糊空间(没有明确的梁、板、柱)、不使用简单的几何体等原则设计出的结构,在结构规范体系中基本是没有任何生存空间的。偶尔一两个大项目还可以通过设计人员和专家共同努力实现,但如果大批量出现参数化风格的建筑,对规范必将是挑战,同时结构工程师必将有反弹。

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没有了典型的梁柱如何利用规范

对结构分析手段同样是挑战,现在大家熟悉的设计软件和流程,标准层、梁、柱、板,建筑提资结构建模,建完不能大改等等,在参数化设计背景下必将大改,分不清哪里是墙哪里是板怎么建模?壳体如何分析如何配筋?弯弯曲曲的曲柱如何设计?建筑每天变化上百个模型结构如何配合?这些都是结构设计层面,以现有手段看起来根本没法解决。

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传统的设计方法对于参数化风格建筑是否适合

同时参数化风格建筑中所要求的柔软且不重复的造型,没有一个标准块,在施工中必然面对造价超高工期超长的窘境。因为现今施工体系还是标准化体系(福特体系),施工流程就和流水线一样,用标准化来提高效率降低成本,而个性化建筑(后福特体系),在现今大环境下看起来完全没有办法实现。如ZAHA设计的奥运会主场馆,即便是在工业化程度极高的日本,也面临无法实现需要简化的命运。

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日本奥运会主场馆ZAHA方案

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日本奥运会主场馆隈研吾施工图


可见结构设计在结构规范、结构分析手段、施工建造技术各方面好像都与结构设计已有体系和理念相悖,参数化风格建筑如想落地,必然也跳不开结构工程师的支持。结构设计实际是参数化风格建筑无法逾越的鸿沟。

那么是否二者必将对立而无转机呢?可能也不是。


3

建筑参数化与结构设计的统一


翻看建筑思想史其实与人类思潮是息息相关的,同时更与结构技术发展史密不可分的。如下图从文艺复兴到新古典主义时期,人类社会经历了从早期资本主义到资产阶级资本主义的转变,资本变得更加集中新技术也层出不穷,当时结构材料主要采用砖石和木材等天然材料,结构设计理论也刚刚启蒙,更多的还是工匠的经验。

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石材教堂

到现代主义建筑时期,工业革命爆发,流水线式的生产方式带来了经济与技术效率的成倍提高,钢、混凝土等现代材料也随之出现,并且迅速替代了天然材料的位置,结构设计也开始理论化,当计算机出现之后,更是使得结构计算能力上了一个新台阶。

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现代主义建筑时期的建筑

现代社会发展更加迅速,五年前也没有人相信出门只要手机可以不要钱包;人们对于个性化的追求也日益强烈,参数化风格的建筑开始屡次中标;结构设计方法也逐步开始迭代,结构参数化设计的理念最早出现于2008年,10年时间已经得到众多关注,并有越来越多的工程师试着将其应用于实际项目。

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结构参数化的时间线

因此,我们有理由相信参数化主义风格所面临的技术挑战,有可能会在社会和技术发展的过程中在方方面面得到解决,我们不应该由于现在的困难,而武断的判断其必然没有未来。

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参数化时期的建筑有其特有的风格

同时更重要的是参数化风格建筑在其实践当中,逐渐也找到了与结构的契合点。

参数化的应用方法在早期主要是折叠主义(Foldism)和集群主义(Swarmism)。折叠主义即采用有逻辑生成的自由曲面来构造建筑的造型,造型本身是通过参数化工具生成的,满足参数化主义柔软且连续渐变的原则。

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折叠主义(Foldism)的连续壳体

针对折叠主义结构设计早期是利用三维工具完成几何建模,拟合出建筑复杂的曲面;而后有些工程师更进一步,在建模中采用参数化编程的手段,将结构杆件与建筑表皮之间建立起逻辑关系,这样当建筑表皮发生变化时,结构的几何模型甚至计算模型可以跟随发生变化,做到快速响应。同时也利用三维手段给施工单位提供空间定位点,使得无法用平面表达的结构可以通过三维进行表达。这是结构参数化应用的初级阶段,小i称其为结构参数化1.0.

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对于大跨与高层建筑表皮的结构线逻辑生成

集群主义通过研究个体与群体之间的关系,利用参数化模拟与分析人流的流向、空间划分是否合理、各个区域的热力值等,主要应用于城市和景观设计设计,这里不再展开。

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集群参数化

而参数化主义最新的风格则是建构主义(Tectonism)。建构主义与结构受力、工程制造、环境等各方面因素息息相关,Patric指出“构造主义意味着以工程和制造为基础的形式发现和优化过程的风格提升”。以往建筑参数化中建筑的优化主要集中于对于造型和空间的优化,而在建构主义中,在初期建筑造型当中就可以加入其与结构效率(如应变能)、施工难度(如标准化板块)、环境影响(光照度等)各种参数的逻辑关系,而后利用计算机算法对建筑造型进行优化,通过调整参数的影响因子来调整最终的优化结果。

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在某项目中方案阶段
通过参数化工具研究支撑位置的性能点,
参数化研究梁、墙、柱与结构刚度敏感度的关系,
参数化研究塔冠开孔率对经济性影响
参数化结果与结构计算软件拟合良好
方案阶段为建筑师提供更多的参考


结构设计早期对于建构的应用可以追溯到高迪的逆吊法,圣家族大教堂的造型可以说就是设计师通过寻找压力线得出的;而后到坎德拉对于混凝土自由曲面壳体的实践,奥托对于张力结构的实践,主要是采用计算加试验的方法,由于基于结构合理性的找形,结构变得异常轻薄;现代基于结构计算机技术以及参数化技术的发展,工程师可以协助建筑师完成自由曲面的找形。对于结构工程师不止需要三维建模,而更需要结构参数化计算、参数化找形优化、构建参数化逻辑,此时结构设计已由被动的接受造型转而成为主动参与造型,小i称其为参数化2.0.

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高迪的圣家族大教堂是建构主义的早期实践

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奥托对于形与力的实践

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瞑想の森自由曲面应用了自由曲面的结构找形优化

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通过找形找到重力下的纯受压壳体


基于建构主义(Tectonism),建筑参数化主义与结构设计实现了一定程度的统一。那么作为结构工程师的我们,在参数化的浪潮中,应该处于什么位置?有什么机遇又有什么挑战呢?


4

结构工程师何去何从


从以上小i的叙述中可以看到,建筑参数化主义和结构设计实际是既对立又统一的。小i通过与周围朋友聊天以及在网上翻看帖子,发现大家对参数化这个命题观点呈多样性,其中有些小i认同有些则有不认同的观点,篇幅有限,以下列出其中两个观点以及个人看法,与大家进行一些探讨。

观点1:参数化设计只是一种设计工具,不会也不应该带来建筑的革命。当工具转为一种普遍思考方式的时候,这是一种灾难。建筑的魅力很大部分来自于它的不可控部分,过渡理性手段的结果是冰冷的美丽,很美,但丝毫没有生命力。

工具会带来什么?回想一下刚接触微信时,小i认为这只是用流量的短信,再加个语音功能,并不会对我带来任何改变。但是时至今日短信只用于账单通知;我与朋友之间的信息量与之前相比上升了百倍不止;各种微信群大家已经习惯在微信群中@不同人作为工作指令;不在一起的伙伴也可以一起工作,一个固定的工作场所变得似乎不是那么的重要。微信作为一个工具不止改变了我的工作和生活习惯,甚至改变了组织构架。再想一下饿了吗是否有改变你的就餐习惯以及餐馆的盈利模式?淘宝和京东是否改变了实体店的经营方式?李佳琪是否改变了姑娘们口红行业的营销方式?

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李佳琪一场直播上千万的销售额是否触动了大家

因此小i认为从基因上就不同的工具,会改变使用者的思考习惯、工作方式,进而会改变行业传统的认知。参数化工具也促成了建构主义的产生,它并没有局限建筑能动性,相反促进了建筑、结构等专业在更早期的融合,各种参数需要在更早期就考虑进来并构成各种参数之间的逻辑关系,也就避免了无法落地和结构硬做的情况,这将使建筑更加有生命力。

观点2:结构参数化就是Rhino和Grasshopper的快速建模手段。

套用Patric对于参数化和参数化主义的论述,快速建模作为结构参数化的基本应用,属于参数化而非参数化主义,小i将其称为1.0。因为本质上结构的设计习惯和思路都没有变化,只是用新工具减少了重复工作量,原来几个人做的事现在可以一个人做(并且这个人也不会拿几个人的钱),如果沿着不断提高自动化这条路走,结构设计的地位必然也不会有提高,并且很可能被计算机取代。

而在建构主义中,结构参数化迎来了2.0的应用。此时结构工程师就不仅仅是规范翻译者和软件操作者,而对结构工程师提出了更高的要求。首先是对建筑各要素的了解和对建筑美学的认知,以清楚如何在方案阶段与建筑师配合,如何有效提出结构建议;其次是对结构概念的重视,结构不再只盯着规范规定的几个参数,对于千奇百怪的建筑需要从力学本源和结构效率入手,在开始阶段就要有结构概念的把控;最后是对计算机科学与编程技术的学习,传统的软件已无法完全包络非规则的结构,对于建构逻辑需要与建筑师一起编译结构的计算机逻辑和程序。小i认为这样结构工程师也就成为了结构师。

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长沙冰雪世界项目结构布置的自动优化


5

写在结尾


关于结构参数化命题小i有还有很多思考,也有更多的疑问。在日常工作中也有过一些实践。

如在某机场项目,小i就试着改变传统以图形进行交互的方式,改为与建筑师一起在Grasshopper平台上以程序逻辑进行交互,建筑造型、结构建模、结构方案计算、结构方案比选优化都在同一个平台中进行。最终还未建成,但建筑师和小i都觉得配合得很畅快。



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还有在一个项目中小i在结构建模之前试着向建筑师阐述结构杆件的布置方法。为了使建筑师更加容易理解,同时更为了听取建筑意见对结构布置进行优化,在汇报中小i试着通过介绍弦杆、腹杆、联系杆的形成逻辑来替代图形的交互,在短时间内结构更好的理解了建筑造型、建筑也增强了在结构设计中的参与感。

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在某壳体的设计中,为了让建筑师理解结构壳元的受力机制,小i为建筑师提供了主应力线,建筑师很容易就明白了哪里该厚哪里该薄,哪里可以开洞。

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这些项目小i都会在以后的文章中详细与大家分享,小i的参数化思考和实践之路也会继续下去,希望与建筑师、结构师一起沟通交流,一起探讨咱们到底该怎么走。


参考资料

1.沈文. 参数化主义”的崛起–新建筑时代的到来
2. 顾家铭. 后扎哈时代的舒马赫宣言(下)
3. 维基百科.
4.本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站
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