數字化設計與建造技術在景觀中的應用研究*

The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture

金云峰 楊玉鵬

JIN Yunfeng, YANG Yupeng

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數字化設計與建造技術在景觀中的應用研究*

The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture

金云峰 楊玉鵬

JIN Yunfeng, YANG Yupeng

摘 要在信息技術迅猛發展的背景下，設計領域中數字化及建造技術的應用從僅關注數字概念設計發展到更加關注“從虛擬設計到實體建造”的完整過程。結合同濟大學數字建造技術的相關研究成果，探究了形態自生成技術、人機交互技術、環境性能分析技術、數控加工技術（CNC）以及傳統材料多維表達技術等數字化設計與建造技術在景觀實踐中的應用。

關鍵詞風景園林；數字景觀；數字設計；數字建造；技術方法

金云峰, 楊玉鵬. 數字化設計與建造技術在景觀中的應用研究[J]. 西部人居環境學刊, 2016, 31(01): 95-100.

* 高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室自主與開放課題（2015KY06）；同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司重點項目研發基金

Abstract:With the rapid development of information technology, application of digital and fabrication technology in design develops from only focusing on the digital concept design to paying more attention to the "integrity of the process from virtual design to building entity". Based on the result of Tongji University digital fabrication technology research, this study explores the application of digital design and fabrication technology such as Autogenic Forms technology, Human-computer Interaction technology, Analysis of Environmental Performance technology, Computer Numerical Control Technology (CNC) and Traditional Materials Multi-dimensionality Expression technology in the practice of Landscape Architecture.

Keywords:Landscape Architecture; Digital Landscape Architecture; Digital Design; Digital Fabrication; Technical Method

1 從數字設計到數字建造

受到20世紀60年代以來的相對論、語言學、混沌理論、新幾何學、系統論、涌現理論影響，數字技術在設計中的應用由早期的計算機輔助建筑圖紙繪制逐漸向計算機輔助設計（Computer Aided Design）轉變。有關景觀的數字技術研究開始興起，研究初期主要關注宏觀景觀系統的數字化分析與模擬，研究角度側重于規劃設計過程的前期分析[1-3]；隨著GIS（Geographic Information System，地理信息系統）、參數化設計，運算生成設計，BIM （Building Information Model，建筑信息模型）等數字技術的發展[4]，越來越多的學者開始關注數字化設計技術在景觀中的應用[5-7]，但研究多停留在概念設計階段，較少涉及數字化設計的實現手段。

近年來，隨著信息技術的發展，數字技術已經能夠實現一切實體性、物質性的現象與代碼（Code）之間進行編碼、壓縮、傳輸、轉換的可能[8]。設計領域的數字化技術也開始從僅關注數字概念設計到更加關注“從計算機輔助虛擬設計到計算機輔助實體建造CAM（Computer Aided Manufacturing）”的完整過程[9]。借助三維打印機、數控機器人等輔助建造設備，設計師可以在短時間之內完成更為復雜精準的空間建造，其真實的空間尺度以及快速的建造過程使得設計的推敲變得更為方便與直觀，從而大大提高設計的效率與質量。因此，文章①以同濟大學數字設計與建造的相關研究成果為基礎②，通過探究不同數字設計與建造技術在景觀中的應用，為數字化技術與景觀設計實踐的有效結合提供有益思考。

2 同濟數字設計與建造技術

“數字模擬設計”是同濟大學建筑與城市規劃學院學科重點發展方向之一，自2012年起，學院基于自身數字化平臺進行一系列數字化設計與建造研究。通過建設數字設計研究中心，引進與開發彩色三維打印機、激光粉末燒結系統、五軸CNC數控機床、激光切割機以及高精度Kuka機械臂組成的機器人等先進的數控加工設備[2]，為數字化設計與建造研究創造了良好的硬件條件。同時，在與國內外學校合作教學過程中，學院開展了數字設計與建造的研習班與工作營等學術活動。在教學與研究過程中注重對學生真實建造過程中邏輯性思維以及數字化建構意識的培養，強調將數字化技術應用于從環境分析到虛擬信息轉譯進而到數控機器構建的整個實踐過程。

有關景觀的數字設計與建造中，依據“綜合運用，有效實踐”的教學思想[10]，將仿生學、互動性數字設計、適應性環境科學、機械設計與制造以及材料學等跨專業的學科知識創造性地融入到數字化設計與建造過程中，初步形成了基于形態自生成技術、人機交互技術、環境性能分析技術、數控加工技術（CNC）以及傳統材料多維表達技術的數字化設計與建造方法。

2.1 基于形態自生成技術的數字建造

仿生學屬于生物科學與技術科學之間的邊緣學科。一些關于植物和動物在幾百萬年進化過程中形成的應對外界復雜條件的“自我組織”、“自我生長”功能，實際上是超越了人類自身在此方面的技術設計方案。而基于形態自生成技術的數字化建構，正是通過分析生物過程和結構規律，以此為設計原型通過數字技術進行模擬與建構[11]。

“天棚與景觀”空間裝置作為“數字花園”這一教學實驗模型的一部分，在上海當代藝術館中構建與展出。其通過對自然界中蜘蛛網以及其他膜結構的構成邏輯進行研究，進而探索在極小曲面邏輯中重新分配肥皂泡和蜘蛛網所表現出的效能來進行景觀建造的可能性[12]（圖1）。在確定織物材料與白色塑料材料的前提下，通過數字化建模與構建營造出其頂部天棚結構以及底部石筍景觀（圖2）。

圖1　“天棚與景觀”構件分析與邏輯推演過程Fig.1 “ceiling and landscape” component analysis and logical deduction process

圖2　“天棚與景觀”建成實景Fig.2 “ceiling and landscape”

圖3　蠶絲單元構建Fig.3 silk unit construction

“蠶絲混凝土”亭則通過對蠶繭微觀空間結構構成規律以及宏觀表皮生成特點的模仿，使用液態加熱的塑料材料在Kuka機械臂的協助下，自主構建蠶絲單元（圖3），最終構建了一個以人體為尺度蠶繭拱形結構（圖4）。

圖4　“蠶絲混凝土”建成實景Fig.4 real built of “silk concrete”

2.2 基于人機交互技術的數字建造

數字化技術的發展正在突破傳統的靜態景觀設計與建造的限制，通過對景觀環境的分析以及使用者行為的研究，可以實現人與景觀空間的互動。基于人機交互技術的數字建造，首先確定互動系統的主體控制器（初級控制器以Arduino硬件平臺為主），進而選定傳感器（Sensors）和效應器（Effectors），通過傳感器將外界物理條件按照一定的規律轉換成電信號以便控制器控制輸出，進而實現互動功能。

“機械花園”受到“涌現理論”的啟發，對簡單的個體金屬花朵進行設計，通過個體的組合營造整體花園的變化形態，最終產生可以與觀賞者互動的模擬自然界花開花落的景象（圖5）。在花朵個體的結構設計中，“機械花園”采用被動柔性結構依附于主動機械的結構的構件組合方式，通過主動機械機構的形態變化壓彎被動結構構件，進而帶動柔性金屬花瓣的形態變化，實現花朵的開合。“數字花園”為了實現花園與參觀者的互動，設計以Arduino控制器作為花園裝置的“大腦”，數字編采用了開源代碼的編寫方式，這樣設計的工具包在保證花園能夠與體驗者互動的同時，也能夠根據環境變化產生新的響應方式，從而適應觀賞者的多種行為方式，實現“數字花園”的自我學習與互動[13]。

圖5　“機械花園”與觀賞者互動實景Fig.5 “mechanical garden” and the viewer interaction

“力之動態”的空間構筑則探索了使用者行為與構筑物本身力學結構的變化關系之間進行互動的可能性。裝置運動的基礎是每一個構件單元旁邊設置的感應器，通過對互動行為的數字編程，感應器接收到互動行為發生的信號時會產生不同的電流變化，進而加熱連接構件的金屬彈簧，金屬彈簧遇熱產生長度變化進而實現裝置整體形變。在每根桿件內部裝入LED燈具，當形變發生時電腦控制中心的Arduino控制器便能感知到每根桿件的壓力數據，從而控制構建單元LED的亮度變化，進而實現整體裝置形態與亮度的互動變化[13]（圖6）。

圖6　“力之動態”與研究者互動實景Fig.6 “dynamic of force” interaction with the researchers

2.3 基于環境性能分析技術的數字建造

人體所能感受到的最直接的外部景觀性能指標來源于周邊環境的各項影響因子。基于環境性能分析技術進行的數字建造中將環境因素作為數字設計參數，將環境因素轉化成計算機語言，同時綜合考慮各種因素的影響程度，進而建立數字化景觀形體與環境因素之間的邏輯關系，從而形成以回應周邊環境為設計目的的數字化建造。

“數字花朵”是對環境性能的空間景觀建構探索。通過數學運算與幾何生成在多維空間的迭代中將數學的美融入到了花朵的形態中[3]。通過分析環境周邊遮陽、通風等環境因素，設計將其作為影響因子進行數字化設計的轉譯，利用計算機建立數字花朵的空間美學特征與環境影響因子之間的內在邏輯關系（圖7）。通過對數字花朵的數字建模與實際建造，最終將數字美學、性能化形式、多維度空間、抽象的自然等多種理念呈現出來（圖8）。

圖7　“數字花朵”生成推演Fig.7 “digital flowers” generate deduction

圖8　“數字花朵”建成實景Fig.8 real built of “digital flowers”

“復合生態屋”則是通過室外生態建筑的營建，探討環境因素影響下通過數字化方法進行環境性能設計的可行性[14]。其西立面的表皮設計就是一個用環境性能驅動的算法生成設計的典型應用。使用環境性能分析的軟件對西立面的風壓進行分析，得到各個位置的風壓數據表，在表皮的細分之后對于每個節點的風壓進行參數化的轉譯，最后優化得到三種模制的菱形單元景觀構件（圖9-10）。

圖9　“復合生態屋”構件單元變化Fig.9 changes of “compound ecological house” component unit

圖10　“復合生態屋”西立面Fig.10 “compound ecological house” west facade

2.4 基于數控加工技術（CNC）的數字建造

數控加工技術（Computer Numerical Control, CNC）最早在機械設計與制造領域出現并廣泛應用，其核心工作原理為賦予傳統加工機床一個大腦，使機床變得越來越“聰明”[15]，而數控加工技術與數字化設計相結合則能夠為參數化建構過程中“建造”階段提供平臺。基于數控加工技術的數字化建構在設計之初就以數控加工的思路作為切入點，通過斷面（Sectioning）、嵌片（Tessellating）、折疊（Folding）、等高成形（Contouring）、發泡（Forming）等多種方法，在相應數控設備上實現建造成型。

“集群建造”是一個使用機器人協同技術彎折金屬管并組裝成的3m高的室外景觀展亭（圖11）。320根鋁管通過集群算法生成不同的空間結構，使用兩臺KUKA機器人和RoboTeam創建每根鋁管的非重復結構單元（圖12）。機器人通過KuKaPRC在Rhino/ grasshopper環境下進行編程，參數標識系統準確的確定每根鋁管在設計整體中的位置，這種智能化協同建造保證了整個復雜結構能在短時間內實現。

圖11　“集群建造”建成實景Fig.11 real built of the “cluster building”

圖12　“集群建造”鋁管單元機器人加工Fig.12 “cluster building” aluminum tube processing unit

“數字彎折”則是一組采用數控加工技術建造的曲面景觀坐具。設計以空間弧線為原型，通過空間向量的調整形成三維圓弧，三維圓弧按照一定的規則形成空間單元，進而對空間進行拓撲組合，以滿足不同的城市環境空間需求，從而探討在特定環境中人與景觀環境的關系。在數字建造中，空間單元采用Bi-Arc的方法在數控彎管機上彎折鋼管生成空間曲線（圖13），通過相對簡潔的對空間自由曲線的模擬，各節點銜接進行自然平滑過度，形成一定的幾何美感（圖14）。同時，相比隨意的自由曲線，圓弧曲線的生產制造更加方便，可以適應工業化社會的批量生產。

圖13　“數字彎折”圓弧單元彎折流程Fig.13 “digital bending” unit circular arc bending process

圖14　“數字彎折”建成實景Fig.14 real built of the “digital bending”

通過數字設計的創新，數字化建造技術已經在材料科技上迅速提升了傳統材料進行異形建構的可能性。“機器人木構曲廊”探討了數字化預制技術以及機械臂輔助構筑物精確空間建造的方法。設計以木材作為建構材料，通過數字化的預制以及機械臂的精準組裝來探索復雜的幾何木結構形式（圖15-16）。

圖15　“機器人木構曲廊”建構流程示意Fig.15 “robot wooden curved corridors” construction process

圖16　“機器人木構曲廊”建成實景Fig.16 real built of the “robot wooden curved corridors”

2.5 基于傳統材料多維表達技術的數字建造

材料的物理屬性是三維的，而通過疊加、堆壘等方法可以使平常被看作是平面的板材達到結構上的穩定，形成一種全新的多維材料。基于傳統材料多維表達技術的數字建造就是將“磚”、“木”、“竹”等傳統材料換成“預制材料系統”，并將“功能”與“性能”融入其中，通過設計一個數字工具包系統來預測材料的表現和組織方式，從而形成一種新的建構設計方法。

“竹編景墻”是以竹片作材料構建的空間多維構筑物，通過研究傳統技藝中的編織手法，進行數字編程與演繹，獲得一個個變化的預制材料單體，最終通過材料單體的組合形成一個完整的竹制構筑物（圖17）。而“機器人陶土打印”則通過對聲學性能的模擬進行數字化幾何生形，利用陶土自身易于塑造的材料特性，進而應用機器人陶土打印的技術模擬傳統陶罐工藝，最終打印建構出近4m高的具有連續變化空腔的聲學立柱（圖18）。

圖17　“竹編景墻”建成實景Fig.17 real built of the “bamboo weaving scene wall”

圖18　“機器人陶土打印”建造過程Fig.18 “robot clay print” building process

3 結 語

在信息化迅猛發展的今天，數字化技術在設計領域的應用早已超出了數字化工具輔助繪圖的初級階段。隨著參數化設計、數字分析與生成技術、BIM技術在設計中的普及，數字化技術中蘊含的復雜性化、關聯化的設計思路與思維邏輯已經開始深入人心。而隨著先進的數控建造設備的研發以及跨學科技術知識的應用，這種數字化的思維方式必將推動設計思路由僅關注數字設計向同時關注數字設計與建造的完整建構過程發展。

景觀的數字設計與建造，通過對環境信息的分析與解讀，將形態自生成技術、人機交互技術、環境性能分析技術、數控加工（CNC）以及傳統材料多維表達技術等應用到整個建構過程中，從而形成回應周邊環境的全新景觀形式。數字建造技術在設計領域中的應用尚處于探索階段。本文所闡釋的景觀中數字設計與建造方法是在對同濟大學已有的數字化建造實踐認識基礎上提出的，構建對象大多集中于環境小品與構筑物，對于整體景觀環境的數字化設計與建造技術方法有待進一步探究。

注釋：

① 本文曾在中國第二屆數字景觀國際論壇做交流。

② 本文案例主要選自“同濟大學高密度人居環境生態與節能教育部重點實驗室”和“同濟大學國家級建筑規劃景觀實驗教學中心”。

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圖片來源：

圖1-2、5-7、8：袁烽，尼爾·里奇. 上海MoCA生活演習展“數字花園”系列作品[J]. 城市建筑, 2012(10): 77-82.

圖3-4、11、1-17：作者拍攝

圖6：同濟大學建筑與城市規劃學院網站. [2013-08-14]. http://news.tongji-caup.org/ news.php?id=3112.

圖9-10：袁烽, 肖彤. 性能化建構——基于數字設計研究中心(DDRC)的研究與實踐[J]. 建筑學報, 2014(08): 14-19.

圖12-14、18：同濟大學建筑與城規學院[EB/ OL]. [2015-07-13]. http://mp.weixin.qq.com/ s?__biz=MzA5MTM2NzYzOA==&mid=2 07128485&idx=2&sn=725728d82c80b95e 954806ad06f9fe84&scene=1&from=single message&isappinstalled=0#rd.

（編輯：申鈺文）

收稿日期：2015-08-05

作者簡介金云峰： 同濟大學建筑與城市規劃學院，教授，博士生導師，jinyf79@163.com楊玉鵬： 同濟大學建筑與城市規劃學院，碩士研究生

DOI:10.13791/j.cnki.hsfwest.20160116

文 章 編 號2095-6304(2016)01-0095-06

文獻標識碼B

中圖分類號TU986