建筑空間的數字化建造

丁俊　宋曉真

摘 要：數字技術帶來了新型的生產條件，給設計和建造方式都帶來了新型的變化，在建造方式和加工技術上產生了新的變化，對其進行分析能夠為因應新型條件，探尋更多設計創作的可能性。

關鍵詞：設計方式；設計特點；建造方法；加工技術

1 相關背景

數字時代，技術的進步和美學的發展都為數字建造帶來了巨大的推動力。眾多藝術家通過數字編程的方式創造生成式藝術作品。各種各樣豐富的視覺藝術及各種因應感官的藝術作品為人們帶來了全新的體驗。面對時代的改變、技術的進步和美學的發展，數字建造順勢盛行。建筑師弗蘭克·蓋里（Frank Gehry）和蓋瑞格·林（Greg Lynn）作為先行者為我們帶來了數字建造的新形式，由計算機控制制造建筑組件的方式為人們帶來了前所未有的新的建筑形態可能性。此后越來越多的建筑師開始打破傳統建筑嚴格的幾何形式，開始以前所未有的方式進行設計。

2 設計方式

數字建造運用計算機控制的工具將數字設計變成了物理實體。這種方式對設計也產生了新的影響。設計方式上產生了從數字化到物理化再到數字化的轉換過程。首先，是設計的前期階段，設計師們可以利用各種軟件進行設計推敲，尤其是目前編程類原理的介入，設計師們開始廣泛運用Grasshopper之類的軟件，通過參數控制生成多種不同的設計結果，從而方便人們進行設計選型。在數字化軟件過程中由于存在虛擬推敲的制約性，設計師可以通過制作物理模型進行設計推敲，從而對數字化階段的設計制圖進行反饋并做出設計修改。在設計不斷修正和完善之后，設計師可以借助于數控技術進行十分精確的數字化建造。整個過程都是以數字化為主導的，這些不同于以往任何時候的設計過程。總而言之，這種新型技術條件導致設計過程的數字化和設計對象的數字化。

3 設計特點

首先，數字化建造是去中心化的。在這種生產條件下，大型工廠已經不再是必需的。相反的，技術已經本土化了。產品信息可以非常迅速快捷地傳遞。現在是世界化的設計、本土化的制造，這已經完全有別于工業化大批量生產時代。其次，數字建造的包容性。數控設備往往可以同時完成多種不同規格和類型產品的制造，從而占用更少的資源和空間，不必像工業化大批量生產那樣要求每一種產品都需要找到一個工廠進行生產。另外，數字建造是十分低廉的。數字建造條件下，關于產品運輸以及前期設計的費用都被節省下來，成本將集中在原材料和運轉數字建造設備的能源損耗。工業化時代的產品供應鏈極大地左右了產品的價格。一個產品的成本就可能包括開采礦藏、運輸原材料、運轉機器、市場運作等各個環節，這樣由社會分工和產業鏈導致的零碎分割導致成本的上升。數字建造是可以滿足用戶定制的。網絡正在革新信息傳播的媒介，用戶可以自己創作信息內容。傳統媒介，如電視、報紙和無線電等等通常是一種單向通道，這使其容易成為信息的消費者而非創作者。但是通過博客、維基百科等等，任何人都可以發布信息。數字化制造代表了以用戶為中心的革命，人們不再需要購買大批量化生產產品，而是可以將自己的創意融入定制化產品之中。

4 建造方法

關于數字建造的方式和手段目前呈現出不同的說法，但是基于建造工具和技術的限制，大致都大同小異。例如，由英國曼徹斯特建筑學院的Nick Dunn在2012年出版的《建筑中的數字建造》（Digital Fabrication in Architecture）一書提出的五種方法是比較常見的說法。

（1）等高線法（Contouring）。通過等距高度上的斷面薄片疊加而成。當然，通過數控加工機床（CNC machine tools）的平行加工模式或者3D打印機加工完成的建筑構件也在這一類中。最典型的便是3D打印機所使用的材料以及用于數控加工機床加工的材料，它們不限于傳統材料，彈性伸縮、高性能復合、熔模鑄造等都可供選擇。Urban A&O 工作室的骨墻（bone wall）正是通過五軸CNC對中密度壓型板材的加工組裝而成。

（2）折疊法（Folding）。將二維平面構件如木板或鋁板彎折加工成三維的幾何形體，或將三維形體在特定框架中折疊組合得到需要的形體。PTW建筑事務所的天堂入口展亭（entry paradise pavilion），通過展開的特質尼龍膜結構折疊組裝而成空間的曲面喇叭狀連接物。

（3）成型加工法（Forming）。通過大量細分構件的組合裝配完成，構件的成形方式可以為CNC刻模澆筑而成。這里所說的筑模材料顯然不是混凝土之類的傳統材料，佛羅倫西亞·皮塔（Florencia Pita）的展品愛麗絲（Alice）便是通過將PETG混合黃色乙烯基材料，往數控機床加工好的模具中倒模而成。

（4）切片法（Sectioning）。通過一系列縱斷面的組合形成整體框架，斷面的尺寸、形狀、空間節點均通過三維模擬得到。斷面構件通常是作為結構構件出現，由于形態的非線性特點，要求尋找易于加工成弧形的堅硬承重材料或者便于鏤空加工的板材。

（5）鑲嵌法（Tiling）。將完整的幾何形體拆分成易于加工的細分面，在工廠批量加工生產完成后在現場裝配完成。東京空域（airspace tokyo）的雙層外殼采用了鋁和塑料合成材料，通常這些材料用于大型公告牌的制作。

5 加工技術

在目前數字化時代，數控技術開始越來越占據主導地位。數控機床、激光切割機、機械臂等數字化的生產技術出現以后，精確制造復雜形體的零部件變得簡單可行。

目前數字化的加工和建造技術主要包括在毛坯上采用去材法加工的數控機床切削加工，毛坯等材加工等鑄造、鍛造及模具成型（注塑、沖壓等）技術，用成型材料作增材法加工的快速成型制造技術三大類。對于建筑建造領域，也有人開始嘗試采用，以適應建筑形體日趨復雜的變化趨勢。數控機床是一種被機械行業廣泛使用的加工設備，建筑行業也開始使用，它以計算機程序指令控制加工過程的各種動作和運動參數，可以對多種人工合成和天然材料進行加工，可以高精度地加工外形復雜的工件。

另外，還有快速成型技術。在計算機的控制下快速成型機的成型頭選擇性地固化一層層的液體材料。快速成型技術是近年來工業界大力發展的一種新型制造技術，突破了“毛坯—切削加工—成品”傳統的零件加工模式，與傳統的切削加工方法相比，快速成型加工具有很多優點。例如，可迅速制造出自由曲面和更為復雜形態的零件，并且零件的復雜程度和生產批量與制造成本基本無關；非接觸加工、無振動，噪聲和切削廢料；加工效率高，可實現完全自動生產等等。

6 結語

數字化建造代表了未來建筑設計與建造的發展趨勢，新型技術對于傳統的思維方式產生了挑戰，從圖紙到建造都成為數字化控制。這就對我們設計師的設計思維和工作方式都提出了新的命題，新型技術希望能夠更好地創造合理完善的空間。

作者簡介：丁俊（1982—），男，蘇州工藝美術職業技術學院。

宋曉真（1981—），女，蘇州工藝美術職業技術學院。