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        仿生建筑設(shè)計中的數(shù)字圖解——以類細(xì)胞仿生建筑為例

        2020-04-02 02:48:32鄒貽權(quán)孟凡凱
        關(guān)鍵詞:高爾基體圖解曲面

        鄒貽權(quán),孟凡凱

        (湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430068)

        生物學(xué)與技術(shù)的結(jié)合,是21世紀(jì)最大的創(chuàng)新之一。存在于自然界中的生物,大都是歷經(jīng)漫長歲月演化而形成,在形態(tài)功能方面具有一定科學(xué)合理性。這些優(yōu)美生物形態(tài)給建筑空間構(gòu)成和功能布局帶來新的靈感,使得設(shè)計師們開始仿照自然界中生物體形態(tài)和生長機理來進行建筑設(shè)計。隨著建筑行業(yè)發(fā)展,建筑仿生已逐漸成為一個新課題,受到設(shè)計師和建造者的廣泛關(guān)注。

        1 仿生建筑發(fā)展概況

        在人類建筑歷史中,很早就已出現(xiàn)模仿自然界生物形態(tài)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(fù)興時期出現(xiàn)的希臘柱式,也是對不同年齡、性別的人體形態(tài)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(xué)的誕生,建筑仿生學(xué)作為其子學(xué)科之一,逐漸進入人們的視野。它通過對自然界中生物構(gòu)成規(guī)律和生長機理進行研究,來豐富和優(yōu)化現(xiàn)有建筑設(shè)計方法。早在1983年,德國人勒伯多就已編寫《建筑與仿生學(xué)》一書,促進了仿生科學(xué)與建筑藝術(shù)融合發(fā)展,且為建筑仿生學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)[3]。

        由于設(shè)計方法論與設(shè)計工具限制,傳統(tǒng)仿生建筑設(shè)計大多是以直覺式設(shè)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(xiàn)出自然界中生物體構(gòu)成規(guī)律,因此大部分仿生建筑在建筑形式與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面都存在一些問題。

        到了20世紀(jì)中旬,隨著計算機技術(shù)發(fā)展,人們對數(shù)字化理論的研究逐漸興起,建筑設(shè)計領(lǐng)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(lǐng)的數(shù)字化建筑生成設(shè)計思想,他認(rèn)為建筑設(shè)計應(yīng)該既體現(xiàn)設(shè)計理念,又響應(yīng)外部環(huán)境影響[4]。這種具有一定仿生傾向的設(shè)計思想影響了大量建筑師,建筑設(shè)計領(lǐng)域開始嘗試使用仿生算法進行數(shù)字化設(shè)計。

        現(xiàn)階段,建筑仿生學(xué)研究大多數(shù)內(nèi)容只是揭示研究方向及發(fā)展趨勢,并沒有對某一具體內(nèi)容進行深入研究,也沒有形成一套系統(tǒng)理論與方法。為了促進建筑仿生學(xué)發(fā)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(guī)律的模擬,就需要將數(shù)字化技術(shù)手段運用到設(shè)計中,探尋一種新型仿生建筑設(shè)計方法。

        2 “數(shù)字圖解”在仿生建筑設(shè)計中的應(yīng)用

        作為建筑設(shè)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(guān)系或者內(nèi)在聯(lián)系,是一種解釋、分析或演算的工具。隨著建筑學(xué)發(fā)展,圖解在不同階段被賦予不同功能和屬性。20世紀(jì)90年代中期,新一代建筑設(shè)計師將數(shù)字技術(shù)與圖解概念結(jié)合起來,利用編程技術(shù)將其移植到計算機上,實現(xiàn)圖解工具的數(shù)字化操作,成功地創(chuàng)造了新型建筑設(shè)計方法,取得革命性進步。

        數(shù)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(nèi)部關(guān)系的機器,將功能需求輸入,經(jīng)過內(nèi)部運算,輸出可見形式[5]。對于仿生建筑設(shè)計而言,其目的也是通過某種方法,將科學(xué)合理的生物特性與生長規(guī)律轉(zhuǎn)化成各種可能的建筑形態(tài),這一點與圖解過程類似。因此,引入數(shù)字圖解方法,可以有效防止建筑形式僵化,為設(shè)計帶來更多可能性。

        對于數(shù)字圖解方法的應(yīng)用,徐衛(wèi)國在《算法與圖解—生物形態(tài)的數(shù)字圖解》一文中做了詳細(xì)的介紹,他在分析生物形態(tài)概念的基礎(chǔ)上,闡述了利用數(shù)字圖解將生物形態(tài)特征融入建筑設(shè)計中的方法[6]。這一新生設(shè)計方法顯然為仿生建筑設(shè)計提供了全新思路與科學(xué)途徑。

        在仿生建筑設(shè)計中,為使建筑真實模擬自然界生物,首先需要根據(jù)生物形態(tài)繪制分析圖,從中辨析其關(guān)鍵特征點,然后將這些生物形態(tài)特征轉(zhuǎn)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(tài)。在這一過程中再加入某些設(shè)計需求與限定條件,并通過測試不斷進行算法優(yōu)化與迭代,即可從生成結(jié)果中找出具有美感的建筑雛形(圖3)。

        圖3 數(shù)字圖解運用過程圖

        3 類細(xì)胞仿生建筑設(shè)計案例

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

        3.1 形態(tài)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(jié)構(gòu)組分。通過原型分析圖(圖4),得到其形態(tài)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(xiàn)不規(guī)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(tài)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(fù)雜的空間曲面。

        圖4 高爾基體形態(tài)圖

        3.2 算法程序研究

        根據(jù)以上特點,可以看出,要模仿高爾基體形態(tài),關(guān)鍵點在于研究出孔洞形態(tài)的生成規(guī)律。這種孔洞形態(tài)是高爾基體在外部細(xì)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(tài),由此可以聯(lián)想到利用極小曲面來模擬這一形態(tài)。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(yōu)美,空間層次豐富,力流傳遞直接,具有極強的可塑性。

        關(guān)于極小曲面的算法生成,一般可以按照初等數(shù)學(xué)函數(shù)表達式分為兩種——顯函數(shù)表達式法和隱函數(shù)表達式法[8]。以顯函數(shù)表達式為基礎(chǔ),探尋極小曲面的參數(shù)化生成算法,對于建筑設(shè)計師來說更加容易實現(xiàn)。該類算法以微分法為基礎(chǔ),將空間曲面分為N個等分,并將等分點按照確定的顯函數(shù)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(shù)公式、level端輸入的細(xì)分份數(shù)、c端輸入的常數(shù),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(jù)不同的算法,生成的極小曲面也不盡相同,建筑設(shè)計師可以通過改變參數(shù)與算法,不斷優(yōu)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(guān)鍵性問題后,即可按照以下步驟完成對高爾基體形態(tài)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(zhǔn)軸;

        3)以基準(zhǔn)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(yīng)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(nèi)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(xù)曲面;

        6)得到最終的高爾基體模型。

        圖8 高爾基體形態(tài)生成步驟

        3.3 建筑實例

        通過對上述高爾基體形態(tài)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(fù)性較強的三維空間結(jié)構(gòu),使其具有韻律感。利用該算法,可以將單純而規(guī)則的空間變?yōu)閺?fù)雜而具有變化的空間,將僵硬而無機質(zhì)的空間變?yōu)槿彳浀挠袡C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(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng),是一個由三度空間曲面構(gòu)成,猶如迷宮般連續(xù)的空間組織,具有與細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)相似的形態(tài)特點。文章對內(nèi)膜形態(tài)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(xì)胞內(nèi)部機能組織一部分的細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng),在建筑形態(tài)、空間構(gòu)成等領(lǐng)域的仿生上具有現(xiàn)實借鑒意義,同樣也能為建筑設(shè)計師帶來全新設(shè)計靈感。

        4 總結(jié)

        將數(shù)字技術(shù)運用至仿生建筑設(shè)計中,利用Grasshopper等參數(shù)化設(shè)計工具與編程技術(shù),可以將“數(shù)字圖解”、“算法”與“設(shè)計”相結(jié)合,彌補傳統(tǒng)設(shè)計方法中不能較精確體現(xiàn)自然界生物體構(gòu)成規(guī)律的缺陷。通過類細(xì)胞仿生建筑中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用方式及案例分析,證明了仿生學(xué)與數(shù)字技術(shù)共同作用于建筑設(shè)計領(lǐng)域,可以將生物形態(tài)特征轉(zhuǎn)化為建筑設(shè)計形體,提供邏輯性更強、形式更多樣的設(shè)計方案,極大豐富了建筑設(shè)計的形式創(chuàng)造領(lǐng)域。但與此同時,該方法的局限性在于形式生成規(guī)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(chǎn)生一系列相近的結(jié)果,如何解決這一問題還需要各領(lǐng)域技術(shù)的密切融合與深入發(fā)展。

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