參數化生形在竹構裝置中的應用研究
——以《絲竹尋塢》為例

周于加

（首都師范大學，北京 100089）

中國的竹文化淵遠流長，早在新石器時代便出現了竹材加工及應用的記載[1]。從衣食住行到詩書禮樂，竹作為一種材料和文化早已滲入國人的生活與思維方式中。在國家級非物質文化遺產代表性項目中，與竹相關的有50項，省市級項目更多達數百項，包括絲竹音樂、竹馬舞蹈、竹編工藝、竹建筑技藝等。宋代《營造法式》專列“竹作”篇，竹堂、竹屋、竹房、竹樓、竹館等竹構筑物在北宋以前已有大量的應用。[2]竹速生豐產并可自然降解，是理想的環保綠色建材，在我國得到了廣泛的推廣和應用。目前國內擁有520萬hm2的竹林，有3200萬農民從事竹的生產與加工行業，規模為世界之最。另一方面，近年來隨著設計領域生產數控建造和數字管理等技術不斷升級，使得傳統的竹建造編織等工藝技術得到良好的傳承與創新，并激發了竹構形態自由表達的潛能。竹材因抗壓拉強度高、易彎曲造型等特點，可以借助參數化算法設計更加復雜多樣的造型并輔助加工建造，同時，這也帶來更多新的問題和挑戰。

一、竹構裝置的發展與現狀概述

國內外對竹構設計的研究從未停止。2006年，季正嶸文中提出要探索竹材的建造本質，挖掘竹構實驗意義[3]。2013年，柳菁、張家亮等提出竹材集力學、美學等多方面優勢于一體，是速生豐產、環境友好型的“綠色建材”，是全球能源危機加劇情況下的必然選擇[4]。同年，劉通以“心靈的花園”為例，探索了一條“高技術”的非線性參數化設計方法與“低技術”施工工藝相結合的建造策略，以應對建造環境的條件制約[5]?？梢姅底只槿胫駱嬙O計的道路已展開。2015年，任曉提出國內當代建筑設計研究忽略了建筑在建造技術層面上的思考[6]。2020年，徐钖,劉暉等人就數字化在完成原竹建筑設計過程中實際搭建困難的問題提出了有效的控制方法[7]。近年來，各地為了竹文化更好的傳承與發展，舉辦多項與竹構相關的設計競賽與展覽，如北京林業大學自2019年開始舉辦的“北林國際花園建造節”等。過往四屆競賽作品中，采用參數化設計的隊伍從零星到普及，選手們的設計思維、思考方式發生了很大的轉變。綜上，國內有關竹構的研究與實踐成為熱點的同時與數字化設計的聯系更為密切了。

國外對竹作為建筑材料的研究也未停步，2014年Zhao Zhang Rong 等人提出建立竹材綜合性能實驗標準，可為竹材結構工程提供技術支持[8]。2017年Kristof Crolla，通過ZCB 竹館的設計和施工，提出新型數字設計實踐模式處理現場和材料的不確定性[9]。

綜上，國內外文獻關于竹建筑的研究從推廣到新技術的介入都提出了思考和建議，但關于竹構搭建的問題仍是相關研究討論的重點。

二、參數化思維介入竹構裝置設計與實踐

（一）竹構裝置設計過程

以竹構裝置設計中常采用的竹編表皮設計為例，傳統竹材編織在設計階段難以預計成品模樣，“設計圖”多僅限于編織者腦海中的構想，影響前期設計與交流；竹編工藝通常由竹絲、篾片以挑和壓的方式構成，經緯交織難以變動，影響中后期設計修改。

參數化建模是通過數字化設計軟件與設計形式輸出之間建立參數關系，生成便于靈活調控的計算機模型。其調控的參數可以是與設計相關的各種信息，竹編方式一般有律可循，便于參數的轉換，其編制方法、竹篾交錯方式等均可通過編碼轉換成數字公式，設計者在進行竹構設計時，方可通過修改參數對竹篾的寬窄粗細、疊搭方式、疏密程度等進行調整，規避了新產品預制過程中不好調整的問題，舍去了利用現實材料不斷試驗的過程，省時省力，節約材料；參數化設計方便操控不同形態進行自由組合和搭配，利于竹編表現語言和形態的創新。

“北林國際花園建造節”2020年獲獎作品《莊生夢·迷蝶》（圖1）在設計階段生成殼體結構后，使用參數化設計方式在表皮生成隨機矩陣點，并進行相切圓的生成，最后使用曲面流動（tangent circle generation）將其映射在殼體結構上，形成新穎的竹編表皮。設計利用隨機點陣創造出形態多樣的竹編形式，是對竹編形態、方式的創新；通過對隨機點陣的干預對形態進行相應調整，應證了數字化設計方式對竹編傳統設計階段難以預判結果、不便及時調整形態等問題的解決。

（二）生產過程

竹材手工編織速度慢，具有不確定性；新產品、新型編織方法需面對面傳授，投入大量時間。參數化模型可根據要求生成標準和清晰的設計圖紙，便于工廠根據參數和圖紙提前進行熱彎、編織等程序，利于后續的生產、制作，是提升生產效率和規范化的優選。

第三屆競賽獲獎作品《別有洞天》（圖2），以古典園林中神秘多變的太湖石為設計靈感，利用參數化設計手段、標準單元模數，將數學中的極小曲面（Gyroid minimal surface）作為設計原型，“模擬”太湖石的空間形態。將復雜的孔洞空間濃縮為三種簡易的竹構件，以自由編織的竹篾為覆面。很好的將參數化生形與竹編設計融合在了一起，最終營造出“別有洞天”的秘境花園。因造型基于極小曲面（minimal surface）算法得到，使得結構只需五種不同構件組成（U 形龍骨是長S 型龍骨的一半），最終整個構筑結構僅需區分三種構件，極大減少了材料制作的難度。搭建時間控制在三天半以內，精準且快速，裝置成品也得到很好的呈現。

三、參數化設計實踐：竹構裝置《絲竹尋塢》

2020年的北京國際設計周中，以“中國傳統工藝振興”為主題的設計展——《為健康生活方式而設計》大展于2020年9 月在北京中華世紀壇開展。作為北京國際設計周中的第三屆非遺板塊的設計展，該展更是以傳統工藝走向現代生活為核心，運用生活美學和社會學研究傳統工藝的現實意義，希望能引領健康的生活方式，樹立健康生活觀。竹編作為中國傳統手工藝、中國國家級非物質文化遺產，又有著綠色環保等材料特點，是本次展覽的一大亮點——該展預計在入口處設立一座竹構裝置。

（一）設計概念

《絲竹尋塢》旨在以抽象絲竹樂器“箜篌”的形態為空間載體，在竹結構的中間部分設置互動裝置，頂面懸掛竹簾，撥動竹簾使其碰撞發出竹音，創造出隨風出現的竹間碰撞之聲，并以竹音為線索，引導參觀者尋音探境（圖3）?！敖z弦曼妙沁心田，竹音繚繞五千年”。竹音繞耳，豁然開朗，既非竹來眼里，也非眼到竹邊，只是一心所在，似有所悟。

（二）設計過程

題目定好后，設計團隊化意為形，將箜篌外輪廓形態進行提取和抽象（圖4），獲取裝置框架的大致形態，并在rhino 中模擬出來（圖5）。后根據裝置框架的形態和“竹音”的主題相結合考慮，設計出形式似聲波的、以絞編法為參考的編織方式（圖6）。方案初期，設計者只能在平面圖和以往的竹構裝置上看到其展示或應用的竹編工藝織法，難以想象其附著在裝置主框架上的效果，竹篾的寬窄以及經緯篾之間的距離也因此難以抉擇，直至將竹篾的寬窄和交錯方向轉化為參數，帶入到rhino 模型中。

正弦波是各種復雜聲波的基本單元，是最簡單卻最純粹的聲音波動形式；其形態成對稱波浪線狀，起伏有致，組合起來十分生動。因此，我們選擇了正弦波作為裝置的覆面。首先，將緯篾形狀數字化，計算出對應緯篾正弦波形態的函數方程并將代表水平方向范圍的變量x的數列代入其中，得到y 方向的數列后再根據緯篾間的間距和錯位距離將其進行陣列，進而得到一組在平面上擺放著的緯篾模型。因緯篾選擇了波動起伏的正弦波狀，為防止編織面雜亂、緯篾形態看不清楚等狀況，經篾則選擇了在有一定間距的情況下直接連接編織面兩端框架的最近點。最后，將生成的緯篾模型應相（flow along surface）于框架曲面上，便完成了竹編參數化模型的制作。在這個過程中，正弦曲線y=Asin(ωx+φ)+k 中的定量A、ω 和φ均可在grasshopper 中進行調整以控制緯篾波動的幅度；經緯篾的寬窄粗細與間距的變化可隨時進行調試（圖7）。設計者能夠在調試后得到及時的反饋，及時調整隨參數變化而變化的模型形態。經過不斷的調試，最后定下經緯篾厚度均為5 毫米，緯篾寬10 毫米、經篾寬5 毫米，緯篾最近間距10 毫米、最寬間距25 毫米；緯篾以十根為一組改變錯位方向。

（三）建造過程

在材料準備階段，筆者通過參數化模型快速取得了所需材料的各項數據，并以該模型為基礎繪制了主架構竹筒的熱彎圖紙，據此進行材料的選購即制作，極大的減少了材料數據采集和估算的時間。在現場搭建過程中，主框架已按圖紙熱彎完成，裝置快速安裝成型（圖9），開始覆面竹編部分的制作。因成本、技術等限制，覆面竹編所需材料未進行熱彎，后以“手工彎制”的形式完成。在搭建的過程，設計團隊發現先前所選的竹篾間距放在實際的裝置中存在難以編織的問題：根據絞編法，緯篾需扭轉于經篾間進行編織與造型，而在計算機上進行建模時，選擇的竹篾厚度較大，初設經篾間距近；北京天氣干燥，竹篾水分蒸發降低，使其變脆，更易斷裂，導致緯篾難以順利扭轉。最后，竹編師傅和設計團隊根據現場各種因素對竹篾間距進行了修改和調整（圖10），搭建出滿意效果（圖11）。

可見，參數化模型可快速提供模型數據，方便構建材料的準備及裝置的搭建。在進行參數化生形的過程中，需更多考慮構成材料的性能及季相變化，竹子的彈性、密度等都應通過編碼轉換成計算機可以識別的語言，作為生形時的重要參考。

四、總結

本文所列的三項案例，從意到形再至成品，每一步的跨越都展示了竹材與數字化“合作”的優勢。參數化生形使竹構裝置設計概念、手法得到了進一步的創新、發展，有效提升了竹構設計的可能性、可控性和設計制作效率；竹材則由其材料特性為實現多樣的參數化模型提供了更多機會。這些成果為竹作為非物質文化遺產的傳承與發展做出了巨大貢獻。另外，在本次設計研究中也發現，竹構構建模塊化可減少搭建難度，但竹作為非標準化材料，仍有著節點不易處理的問題；數字化生成的新型編織方式各異，需現場固定搭建部分易有誤差。數字化模型應根據竹材特性精細化建模，再根據現場情況進行實時調整，以實現復雜竹構的搭建。