仿生建筑設計中的數字圖解——以類細胞仿生建筑為例

鄒貽權，孟凡凱

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

生物學與技術的結合，是21世紀最大的創新之一。存在于自然界中的生物，大都是歷經漫長歲月演化而形成，在形態功能方面具有一定科學合理性。這些優美生物形態給建筑空間構成和功能布局帶來新的靈感，使得設計師們開始仿照自然界中生物體形態和生長機理來進行建筑設計。隨著建筑行業發展，建筑仿生已逐漸成為一個新課題，受到設計師和建造者的廣泛關注。

1 仿生建筑發展概況

在人類建筑歷史中，很早就已出現模仿自然界生物形態的建筑。例如最古老的建筑——“巢居”，即為古人模仿鳥類筑巢而建造[1](圖1)。西方文藝復興時期出現的希臘柱式，也是對不同年齡、性別的人體形態進行了模擬[2](圖2)。

圖1 “巢居”

圖2 希臘柱式

隨著1960年仿生學的誕生，建筑仿生學作為其子學科之一，逐漸進入人們的視野。它通過對自然界中生物構成規律和生長機理進行研究，來豐富和優化現有建筑設計方法。早在1983年，德國人勒伯多就已編寫《建筑與仿生學》一書，促進了仿生科學與建筑藝術融合發展，且為建筑仿生學奠定了理論基礎[3]。

由于設計方法論與設計工具限制，傳統仿生建筑設計大多是以直覺式設計為主，直接或間接模擬生物形象，往往沒有對其原理進行研究和計算，不能較精確地體現出自然界中生物體構成規律，因此大部分仿生建筑在建筑形式與結構穩定方面都存在一些問題。

到了20世紀中旬，隨著計算機技術發展，人們對數字化理論的研究逐漸興起，建筑設計領域也不可避免受到影響。其中具有重要意義的是美國建筑師格雷格林恩引領的數字化建筑生成設計思想，他認為建筑設計應該既體現設計理念，又響應外部環境影響[4]。這種具有一定仿生傾向的設計思想影響了大量建筑師，建筑設計領域開始嘗試使用仿生算法進行數字化設計。

現階段，建筑仿生學研究大多數內容只是揭示研究方向及發展趨勢，并沒有對某一具體內容進行深入研究，也沒有形成一套系統理論與方法。為了促進建筑仿生學發展，使建筑仿生逐漸脫離單純的感性與概念的層面，開始觸及到對生命特性及生長規律的模擬，就需要將數字化技術手段運用到設計中，探尋一種新型仿生建筑設計方法。

2 “數字圖解”在仿生建筑設計中的應用

作為建筑設計的一種有效手段，“圖解”概念由來已久，最初圖解通常用來表示事物之間的幾何關系或者內在聯系，是一種解釋、分析或演算的工具。隨著建筑學發展，圖解在不同階段被賦予不同功能和屬性。20世紀90年代中期，新一代建筑設計師將數字技術與圖解概念結合起來，利用編程技術將其移植到計算機上，實現圖解工具的數字化操作，成功地創造了新型建筑設計方法，取得革命性進步。

數字圖解具有互動性及對話性的特點，可以被理解為一臺表示各種因素內部關系的機器，將功能需求輸入，經過內部運算，輸出可見形式[5]。對于仿生建筑設計而言，其目的也是通過某種方法，將科學合理的生物特性與生長規律轉化成各種可能的建筑形態，這一點與圖解過程類似。因此，引入數字圖解方法，可以有效防止建筑形式僵化，為設計帶來更多可能性。

對于數字圖解方法的應用，徐衛國在《算法與圖解—生物形態的數字圖解》一文中做了詳細的介紹，他在分析生物形態概念的基礎上，闡述了利用數字圖解將生物形態特征融入建筑設計中的方法[6]。這一新生設計方法顯然為仿生建筑設計提供了全新思路與科學途徑。

在仿生建筑設計中，為使建筑真實模擬自然界生物，首先需要根據生物形態繪制分析圖，從中辨析其關鍵特征點，然后將這些生物形態特征轉化成計算機語言，進而編寫成一套完整算法。通過自動計算就可生成多種不同的形態。在這一過程中再加入某些設計需求與限定條件，并通過測試不斷進行算法優化與迭代，即可從生成結果中找出具有美感的建筑雛形(圖3)。

圖3 數字圖解運用過程圖

3 類細胞仿生建筑設計案例

細胞內膜系統是指細胞質基質中在結構、功能上相關，由膜圍繞而成的細胞器或細胞結構。作為細胞生命活動的集中場所，細胞內膜系統擁有上下貫通的空間組織形態，這使其具有一定流動性與靈活性。這些形態特點同樣是建筑設計目標之一，因此兩者之間存在可類比性[7]。高爾基體是真核細胞中參與分泌活動的重要結構，其形態在細胞內膜系統中具有一定代表性。本節將以高爾基體為例，闡述數字圖解方法的運用過程。

3.1 形態特點

高爾基體由扁平膜囊和大小不等的囊泡組成，扁平膜囊是其最富特征性的結構組分。通過原型分析圖(圖4)，得到其形態特點如下：1)高爾基體的主體是扁平膜囊，膜囊中間隨機出現不規則孔洞；2)多層扁平膜囊之間、囊泡與扁平膜囊之間均靠孔洞相連接；3)孔洞形態上下放大，中間縮小，是呈啞鈴型的空間形體；4)各孔洞之間如果相距較近，則會連接在一起生成復雜的空間曲面。

圖4 高爾基體形態圖

3.2 算法程序研究

根據以上特點，可以看出，要模仿高爾基體形態，關鍵點在于研究出孔洞形態的生成規律。這種孔洞形態是高爾基體在外部細胞液壓力和膜囊張力共同作用下形成的表面積最小的曲面形態，由此可以聯想到利用極小曲面來模擬這一形態。極小曲面是指在以給定曲線為邊界、加入外界條件的情況下，面積最小的曲面，其造型優美，空間層次豐富，力流傳遞直接，具有極強的可塑性。

關于極小曲面的算法生成，一般可以按照初等數學函數表達式分為兩種——顯函數表達式法和隱函數表達式法[8]。以顯函數表達式為基礎，探尋極小曲面的參數化生成算法，對于建筑設計師來說更加容易實現。該類算法以微分法為基礎，將空間曲面分為N個等分，并將等分點按照確定的顯函數表達式進行變化，連接起來形成面，再對這個面進行一定的平滑處理。具體的算法生成步驟見圖5。

圖5 極小曲面算法生成步驟

圖6 GHPython代碼

圖6所示的是基于GHPython制作的極小曲面生成工具，通過改變f端輸入的顯函數公式、level端輸入的細分份數、c端輸入的常數，可以得到多種不同的極小曲面(圖7)。同時，目前已有不少Grasshopper的插件，如MininalSurfaceCreator等，包含了生成極小曲面的功能。依據不同的算法，生成的極小曲面也不盡相同，建筑設計師可以通過改變參數與算法，不斷優化，從而得到想要的造型。

圖7 多種類型的極小曲面

解決生成極小曲面的關鍵性問題后，即可按照以下步驟完成對高爾基體形態的模擬(圖8)：

1)建立分層折疊的曲面，并留出空隙，以此模擬高爾基體堆疊的膜囊；

2)在初始的扁平膜囊層間隨機畫出若干線段，作為膜囊間孔洞的基準軸；

3)以基準軸端點為中心，在原始扁平膜囊上做閉合曲線，曲線形狀隨意，但不能自交，且各曲線之間也不相交，各自獨立；

4)利用自制的Python電池或極小曲面生成插件，在對應的閉合曲線之間做極小曲面，改變生成算法，選擇最合適的極小曲面造型；

5)刪除閉合曲線內的扁平膜囊，使生成的極小曲面與原扁平膜囊共同形成新的連續曲面；

6)得到最終的高爾基體模型。

圖8 高爾基體形態生成步驟

3.3 建筑實例

通過對上述高爾基體形態生成算法進行改寫，可進一步得到造型豐富的形體，它可用于各種由面圍合成的、重復性較強的三維空間結構，使其具有韻律感。利用該算法，可以將單純而規則的空間變為復雜而具有變化的空間，將僵硬而無機質的空間變為柔軟的有機空間。

位于臺灣的臺中大都會歌劇院是日本著名建筑師伊東豐雄的作品(圖9)。其內部結構系統，是一個由三度空間曲面構成，猶如迷宮般連續的空間組織，具有與細胞內膜系統相似的形態特點。文章對內膜形態算法生成的建筑雛形進行了深化，即得到了類似于臺中大都會歌劇院的造型(圖10)。

圖9 臺中大劇院模型

圖10 高爾基體算法生成的模型

由此可見，作為細胞內部機能組織一部分的細胞內膜系統，在建筑形態、空間構成等領域的仿生上具有現實借鑒意義，同樣也能為建筑設計師帶來全新設計靈感。

4 總結

將數字技術運用至仿生建筑設計中，利用Grasshopper等參數化設計工具與編程技術，可以將“數字圖解”、“算法”與“設計”相結合，彌補傳統設計方法中不能較精確體現自然界生物體構成規律的缺陷。通過類細胞仿生建筑中數字技術的應用方式及案例分析，證明了仿生學與數字技術共同作用于建筑設計領域，可以將生物形態特征轉化為建筑設計形體，提供邏輯性更強、形式更多樣的設計方案，極大豐富了建筑設計的形式創造領域。但與此同時，該方法的局限性在于形式生成規則具有特殊性，沒有上升到普適性的程度，同一算法用于不同條件的形式生成將產生一系列相近的結果，如何解決這一問題還需要各領域技術的密切融合與深入發展。