張燁，劉嘉玲，許蓁/ZHANG Ye,LIU Jialing,XU Zhen

1 數(shù)字時代的設計思維和設計方法

計算機輔助設計（computer aided design）提高了設計效率與設計精度[1]，賦予了建筑更多形式可能性。然而，數(shù)字化設計在趨于非標準化、建構復雜化和形式曲面化的同時，由于缺少對物質性能的關注，導致部分作品片面地追求形式感，材料、結構、建造方式等要素淪落為形式的附庸。然而，建筑中的各個要素之間并不是獨立或靜止的，因此有必要探究各項性能要素如何被運算、優(yōu)化、整合，并反饋到建筑設計中[2]，實現(xiàn)性能信息、設計決策、建造技術之間的協(xié)同。

1.1 建筑物質性能缺失的危害

前數(shù)字時代，數(shù)字化設計更多的只是將形式表達計算機化[3]。在設計思維上，以弗蘭克·蓋里（Frank Gehry）、扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）為代表的雕塑化設計派，以及以彼得·艾森曼（Peter Eisenman）、克雷格·林恩（Greg Lynn）為代表的圖解理論派，都采用了基于計算幾何的設計方法。在設計工具上，Rhino、Maya 等參數(shù)化軟件的建模方法是建立在Nurbs 曲面或多邊形網(wǎng)絡（Ploygon Mesh）幾何邏輯上的，并不能夠比傳統(tǒng)的二維圖紙表達出更多的物質性。數(shù)字化設計被狹隘地理解為用各種參數(shù)來定義一個形體。形式生成與結構性能、材料性能、建造性能相脫離，這導致了許多問題：

首先，對材料性能和建造性能的忽視拉大了電子模型與實際作品間的差距。在計算機屏幕上，建筑師可以自由地建出復雜的具有曲線的幾何形體，并在模型上渲染任意的材料貼圖。但在實際建筑中，建筑并不是自由懸浮的，而是受到材料的重量、推力和阻力等因素的制約[4]。性能和形式的脫節(jié)加重了實際作品脫離建筑師掌控的問題。

第二，脫離性能的數(shù)字化設計降低了加工精度并加重了施工難度。數(shù)控加工技術的發(fā)展使建造從標準化發(fā)展到定制化，從模數(shù)化發(fā)展到模塊化[5]。但在此過程中，由于缺乏對材料復雜性能的認知和處理技能[6]，缺乏對于結構表現(xiàn)與建造方式的深入思考，在非線性作品中，施工過程愈加被動、低效、高價，并且精確性難以保證。

第三，形式與性能的脫離導致建筑形象同質化加劇。隨著手工制造被機械制造和數(shù)字制造所取代，不同特性的材料經(jīng)過相同的加工程序，被批量生產(chǎn)成固定尺寸的規(guī)格構件使用在建筑中。材料的各異性（personality）和文化的地域性往往被忽視。

基于以上原因，有必要在數(shù)字化設計與建造過程中關注建筑的物質性能。數(shù)字技術不僅實現(xiàn)了建筑形式和空間上的突破與創(chuàng)新，更為各項性能的分析、模擬和優(yōu)化提供了保證?？梢哉f，數(shù)字技術的發(fā)展正在促進著設計思維和設計方法的變革。

1.2 從主觀決策、算法生成到性能驅動的設計思維

在數(shù)字技術的支持下，建筑設計的思維正逐漸從主觀決策和算法生成發(fā)展到“性能驅動設計”（performance oriented design）思維。主觀決策思維完全依賴于建筑師個人的審美與經(jīng)驗，未能最大化地發(fā)揮材料、結構、建造方式等因素對于建筑可能性的影響；生成設計思維單純基于算法得出形式（form making），未能發(fā)揮建筑師對設計和建造過程的控制作用。性能驅動設計則是從各要素的能動性中找到形式（form finding），它從根本上顛覆了“先設計形式，再分析結構，最后填充材料”的序列式工作模式，從而兼顧建筑設計的創(chuàng)新性和合理性[7]，提高復雜建造的精確性和高效性。

性能信息不是簡單的作為與前期設計脫節(jié)的后期評價指標，而是相互影響并驅動設計的。性能信息包含結構性能、材料性能、建造性能、環(huán)境性能和行為性能等。性能驅動設計通過將各項性能的信息作為設計參數(shù)參與決策生成過程，進而驅動形式設計，優(yōu)化建造邏輯，最終實現(xiàn)將信息分析、有限元模擬、計算機模型建設和機器人制造統(tǒng)一起來的數(shù)字信息鏈。

2 基于結構性能的數(shù)字化設計

在數(shù)字性能化設計中，結構性能導向的設計方法起步最早。它是指在建筑設計過程中通過模擬、運算和優(yōu)化結構性能特性，尋找空間形態(tài)和結構合理關系的設計方法[8]。與長久以來結構性能僅被用作實現(xiàn)建筑師形式夢想的“后合理化”（postrationalisation）[9]計算不同，數(shù)字時代的結構性能化設計打破了結構的被動局面。建筑師在設計的初始階段就主動考慮結構性能，建立從性能計算到設計策略[10]的新流程，從而實現(xiàn)形與力的雙向交互。

在20 世紀，建筑結構通常被分成框架、空間網(wǎng)架等不同的結構類型來進行分析。然而，數(shù)字時代的建筑結構通常具有獨特而復雜的行為，很難被單純地歸于某個特定類型。21 世紀初，克勞斯·布林格（Klaus Bollinger）、曼弗雷德·格羅曼（Manfred Grohmann）、奧利弗·泰斯曼（Oliver Tessmann）等人提出應該基于個案（individual case）而不是基于已有原型（established archetype）去分析建筑的結構性能。此后，建筑師和工程師開始根據(jù)個案的結構性能進行計算和模擬，并在這一過程中調整設計方案使其更加合理化。

基于個案的結構性能生形的發(fā)展得益于層出不窮的數(shù)字工具的開發(fā)[11]，結構導向的設計方法不斷被開發(fā)成軟件插件形式植入到設計平臺中，如grasshopper 中根據(jù)力學找形的kangaroo、模擬結構受力殼體找形的Rhinovault、對模型進行結構分析模擬的millipede、對結構變形與受力狀況分析模擬的karamba 和基于雙向漸進結構優(yōu)化法進行結構拓撲優(yōu)化的Ameba 等。其中丹尼爾·派克（Daniel Piker）開發(fā)的Kangaroo 工具包，是基于“粒子—彈簧”的動態(tài)平衡找形法，能夠使參數(shù)模型根據(jù)外部約束進行實時調整[12]，幫助建筑師設計出新穎又高效的結構形式。謝億民團隊開發(fā)Ameba 拓撲優(yōu)化軟件，是基于雙向漸進結構優(yōu)化法（BESO），通過對初始設計區(qū)域施加力學等邊界條件能夠快速優(yōu)化生形，得到耗材最少、形式最有效的途徑。這些數(shù)字工具幫助建筑師在三維建模環(huán)境下增加結構性能的思考，尋找受力形態(tài)合理且符合建筑美學的建筑方案，使建筑作品更具有結構邏輯性。

在建筑設計實踐中，大多通過數(shù)字運算和力學模擬優(yōu)化兩種類型來實現(xiàn)結構性能的數(shù)字化生形。前者得益于圖解靜力學與計算機技術和數(shù)字化生形設計的結合；后者是基于物理力學模擬和拓撲結構優(yōu)化的性能生形[11]。常見的結構優(yōu)化方法有推力線網(wǎng)絡分析法（thrust network analysis，TNA）、漸進結構優(yōu)化法（evolutionary structural options，ESO）、雙向漸進優(yōu)化法（the Bidirectional ESO，BESO）等。TNA 是菲利普·布洛克團隊基于圖解靜力學原理開發(fā)的拱殼結構優(yōu)化方法[9]，它通過力密度計算，能夠得到不同尺度殼體對應的內(nèi)力分布，并建立結構邊界條件與建筑幾何形式的實時關聯(lián)。ESO 和BESO 算法通過將結構體離散成一個個單元體進行分析，計算材料最需要的生長部位，去除應力低于一定閾值的部位，從而獲得一個表面應力分布均勻的合理形態(tài)[13]。

目前，多位建筑師已經(jīng)通過數(shù)字運算的方法完成了結構生形的實踐項目。扎哈·哈迪德事務所設計的倫敦奧運游泳館和MAD 建筑事務所設計的哈爾濱大劇院將殼體作為結構原型完成了大跨度的空間設計。袁烽設計的江蘇省園藝博覽會主題館將結構性能作為驅動設計的重要元素，使其在方案設計的初期參與形式?jīng)Q策，最終實現(xiàn)了空間曲面網(wǎng)殼體系從生形、優(yōu)化到建造的全數(shù)字流程。在結構生形階段，該設計首先通過建筑邊界生成平面網(wǎng)格，確定6 個邊界支點和1 個內(nèi)部支點，在RhinoVAULT 中通過數(shù)字模擬生成自由形式的殼體結構，最終通過形態(tài)擬合將曲面網(wǎng)格重新劃分。在模擬和優(yōu)化階段，方案通過數(shù)字運算模擬單向連續(xù)單向剛節(jié)點的受力情況，實現(xiàn)網(wǎng)格密度、方向和形態(tài)的求解與優(yōu)化。最后在結構原型指導下進行制造和裝配，木結構網(wǎng)格分為主次兩個方向，主梁方向的構件采用通長連續(xù)曲梁，次梁方向的構件采用短直梁與主梁相接[14]（圖1）。

1 袁烽團隊設計的江蘇省園藝博覽會現(xiàn)代木結構主題館運用RhinoVAULT 進行結構找形（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻[14]）

力學模擬優(yōu)化法則是通過對復雜的力學環(huán)境進行簡化，為設計生形提供了合理的力學依據(jù)和結構參照[11]。例如磯崎新設計的卡塔爾國際會議中心，其入口平臺的對稱支柱應用了拓展的漸進結構優(yōu)化法（EESO）技術[15]，從而在節(jié)省材料的同時得出結構最優(yōu)的拓撲形狀。方案首先確定平臺施加的荷載和支撐點；再通過Ameba 軟件將結構細分成定量的有限元方格體塊，在滿足給定荷載情況下，保留高效的體塊單元，刪除材料低效單元；最后將模型進行多次迭代和逐步收斂，得到受力合理的有機形態(tài)（圖2）。

2 卡塔爾國際會議中心利用EESO算法進行結構優(yōu)化（繪制：劉嘉玲，改繪自https://ameba.xieym.com）

3 基于材料性能的數(shù)字化設計

在將算法轉換成真實對象和空間的過程中，材料發(fā)揮著巨大作用，成為代碼與實體之間的橋梁[16]。21 世紀初，邁克爾·漢塞爾（Michael Hensel）和阿希姆·門格斯（Achim Menges）等建筑師開始在計算機模型中嵌入材料特性，并探索其如何影響建筑的幾何行為（geometric behaviour）、制造約束（manufacturing constrains）和裝配邏輯（assembly logics）。之后的十幾年來，針對建筑材料各方面特性的計算機模擬程序在設計過程中得到了初步應用。數(shù)字時代的材料創(chuàng)新主要包括材料性能與數(shù)字建造技術的整合、材料動態(tài)行為研究及其數(shù)字化模擬、新合成材料的研發(fā)和優(yōu)化等。

在數(shù)字化工具的幫助下，材料加工性能與建筑以數(shù)字信息為接口實現(xiàn)了性能參數(shù)與建筑參數(shù)之間的轉化。數(shù)控加工技術的介入使得材料以一種全新的幾何形態(tài)加入到實體建造中。通過對材料加工性能的分析、加工路徑的計算和算法邏輯的代入，建筑師可以控制建造過程，完成建造體系和幾何形式的互動推進。例如紐約普瑞特學院（Pratt Institute）的碳纖維吊燈項目（Carbon-fiber Chandelier Studio Project）。碳纖維聚酯材料具有密度低便于加工、柔軟易成型、成型后硬度高的特性，麥克·塞文（Mike Silver）基于碳纖維聚酯材料的加工特性，編寫了自主軟件來控制數(shù)控機床的加工路徑和泡沫模具的形狀，從而控制碳纖維外殼的曲面形式[17]。在模具制作階段，通過三維建模得到吊燈的形式，用Japhy Bartlett 的專有腳本程序將吊燈形態(tài)進行有理化生成直紋面，模擬15°、30°和45°的不同形態(tài)數(shù)控切割機的切割路徑，將得到的切割路徑輸入數(shù)控泡沫切割機，為了精確地構造所需要的形狀，開發(fā)了新的軟件來協(xié)調機器旋轉床的運動和切割機芯工具端的運動軌跡，利用機器自動切割復雜發(fā)泡聚苯乙烯模具。最后將碳纖維聚酯材料附著在泡沫模具上進行定型，得到精準的復雜幾何形態(tài)（圖3）。

3 碳纖維吊燈項目（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻[17]）

除了材料的加工性能之外，數(shù)字時代的程序編碼也為材料的多樣化行為提供了可計算的平臺，與外部環(huán)境刺激相關聯(lián)的材料動態(tài)行為可以被模擬、分析和轉譯。以木材為例，德國設計學院HfG（Hochschule fur Gestaltung）形式生成和物質實現(xiàn)部門（Department of Form Generation and Materialisation）的史蒂芬·理查德（Steffen Reichert）和阿希姆·門格斯在“響應式結構表皮”（Responsive Surface Structures）項目[18]中利用木材的多樣化行為設計了一個與周圍環(huán)境交互的動態(tài)表皮。當環(huán)境濕度改變時，木材會相應地膨脹或收縮，且變形程度受木纖維方向、木片厚度長度比例等參數(shù)的影響?！绊憫浇Y構表皮”項目通過控制材料參數(shù)決定表皮多樣的形式變化，最終得到一種應對環(huán)境變化且無需額外電子或機械控制的響應式表皮（圖4）。

4 木材響應式結構表皮（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻[18]）

4 基于建造性能的數(shù)字化設計

近15 年來，數(shù)字設計與數(shù)字建造之間的分界逐漸消失，數(shù)字建造的思維也從機器人制造（robotic fabrication）發(fā)展到機器人創(chuàng)意（creative robotics）。設計與建造的關系不再是單方向的影響，建造性能也可以決定設計本身。

機器人在建筑中的使用可以追溯到1980 年代。從那時起，以早稻田建筑機器人集團（Waseda Construction Robot Group）和清水建設（Shimizu Corporation）為代表的日本建筑企業(yè)開始采用機器人技術，在工廠和施工現(xiàn)場均實現(xiàn)了高水平的自動化。這時候的數(shù)字機器人類似于一個大型腳手架結構，整合各系統(tǒng)執(zhí)行不同的操作[19]。2005 年前后，以蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）為代表，機器人技術開始著重于增強創(chuàng)造力，實現(xiàn)新穎的構造策略。隨后，對數(shù)字工具和機器人技術的興趣傳播到其他建筑學校和研究小組，并在2010 年促成了機器人協(xié)會（Association Robots in Architecture）的創(chuàng)立。之后的10 年間，數(shù)字建造的工具從大尺度機器人結構（large scale robotic structure）拓展到可移動機器人單元（mobile robotic units）和飛行機器人（flying robots）；數(shù)字建造的內(nèi)容也從生產(chǎn)定制化構件（the fabrication of components）發(fā)展到現(xiàn)場自主建造（automated modes of on-site construction）。設計與制造的整合（design-fabrication integration）成為未來發(fā)展的重要趨勢之一。

以本文作者在日本東京大學參與的“工具指導建筑設計”（Tool Operated Choreographed Architecture) 為例，該項目通過人機協(xié)作（Human-Machine Collaboration）的建造模式，探討了建造性能與建造方法、工具、邏輯決定形式的可能性。項目研發(fā)了可以快速擠壓成型的泡沫作為建造材料，設計并制作擠壓泡沫的手持打印器。建造人員手持泡沫打印機器并揮動手臂，同時通過Kinect 對人動作的路徑進行掃描，在grasshopper中實時生成動作路徑所對應的幾何形狀。在此過程中打印器壓出的泡沫冷卻成型，因此手臂運動的路徑?jīng)Q定每個構件的形狀，泡沫擠出的速度決定構件的粗細程度。構件數(shù)據(jù)和組合順序決定了數(shù)字模型的整體形式，在GH Python 進行優(yōu)化后，數(shù)據(jù)將反饋到建造人員的運動路徑上。該項目通過定義建造路徑和安裝邏輯來調整最終方案，建造性能直接影響了方案的幾何形狀（圖5）。

5 數(shù)字模擬的建筑形式通過建造路徑和安裝邏輯調整方案（繪制：張燁，圖片來源：東京大學數(shù)字建造研究室）

建造性能不僅能夠給設計以反饋從而調整設計方案，甚至可以指導機器人通過深度學習來進行自主設計。目前，麻省理工、蘇黎世聯(lián)邦理工和普林斯頓等一些高校和研究小組已經(jīng)在這方面取得初步成果。例如普林斯頓大學進行的“基于隨機裝配和深度學習的木結構設計”（Design Natural Wood Log Structures with Stochastic Assembly and Deep Learning）項目。該項目首先掃描原木得到相應的3D 模型，并提取樹干和樹枝軸線數(shù)據(jù)，計算樹枝分叉角度來推測彎矩承載能力。然后，對多維數(shù)據(jù)進行組合，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNNs）得到自主決策搭接方案。最后，根據(jù)方案得出機器人運動路徑并完成搭建[20]（圖6）。

6 機器人自主裝配原木（繪制：劉嘉玲，改繪自參考文獻[20]）

5 性能導向的數(shù)字設計與建造實踐

5.1 天津大學數(shù)字化設計與建造教學

在新工科教育理念和建筑行業(yè)人才新需求的背景下，天津大學建筑學院對設計課程教學體系進行了調整和創(chuàng)新，將數(shù)字技術對建筑學的沖擊引入課程設置中，以更好地應對未來建筑產(chǎn)業(yè)智能化和信息化的特征。學院積極響應教育部自2017 年啟動的以“新理念、新模式、新質量、新方法、新內(nèi)容”為核心的新工科[21]建設，提倡跨學科的研究。通過和信息和自動化學院、材料學院、軟件工程學院、機械學院等多個專業(yè)展開交叉合作，將單純的建筑設計拓展到性能分析，媒體呈現(xiàn)，智能建造等領域，以培養(yǎng)適應數(shù)字時代的復合型工科人才。

學院采用“以數(shù)字化研究所為核心，以數(shù)字化專題課程為載體向各年級滲透發(fā)展”的模式，兼顧了數(shù)字專題教學的獨立性和普適性。數(shù)字化專題系列課程包含了算法與生形、基于性能的數(shù)字化設計與建造、可感知城市、智能建造驅動下的裝配式建筑等內(nèi)容（圖7）。

7 天津大學數(shù)字化設計和建造課程體系（繪制：許蓁）

5.2 性能導向的數(shù)字化建造案例

在數(shù)字化設計系列課程中，本文作者帶領本科生四年級學生開展了“性能導向的數(shù)字化設計與建造”的設計專題。該課題從整合材料特性、結構表現(xiàn)、建造方式與空間形態(tài)設計的角度，以數(shù)字為媒介，將建筑的幾何形式作為性能參數(shù)的物質呈現(xiàn)，并實現(xiàn)從性能設計到具體建造這一由虛到實的跨越過程。

與傳統(tǒng)的建筑設計與建造的簡單線性流程相比，性能導向下的數(shù)字化設計與建造流程更為復合。以建造作品“褶皺”為例，該方案通過“性能與表現(xiàn)”的整合化設計流程[22]，建立了一個符合數(shù)字建造邏輯的多關聯(lián)聚合形態(tài)系統(tǒng)，并依托數(shù)字技術得出各項性能共同作用下的優(yōu)化解，實現(xiàn)從生形（formation）、模擬（simulation）、迭代（iteration）、優(yōu)化（optimisation）到建造（fabrication）的連續(xù)流程[23]（圖8）。

8 傳統(tǒng)的建筑設計和性能導向的數(shù)字化設計（繪制：張燁）

5.2.1 生形

方案最初由揉皺的衛(wèi)生紙得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生紙在受到擠壓揉搓后因具有褶皺變得堅挺這一現(xiàn)象，提出“柔性材料具有作為自身支撐結構的可能”這一想法（圖9）。

9 褶皺的紙張（拍攝：張棲寧，繪制：劉嘉玲）

柔軟的材料能夠形成具有結構強度的三維形態(tài)，是因為原本二維的曲面在力的作用下形成了多個雙向U 型褶皺，凹曲的向斜褶皺（syncline）和凸起的背斜褶皺（anticline）形成連續(xù)的轉折端點，起到支點的作用，并將力沿著兩翼（limb）向下傳遞。材料本身的特性決定了褶皺的波長、波幅、褶皺角、翼間角等參數(shù)，進而決定了擠壓揉搓后的幾何形態(tài)。在方案生形的初級階段，通過物理實驗分析不同柔性材料的特性和對應的幾何形態(tài)（圖10）。

10 不同的柔性材料

5.2.2 模擬和優(yōu)化

在方案的計算機模擬階段，首先將曲面上所有褶皺的兩翼簡化成桿件，褶皺的波長、波幅、褶皺角、翼間角由材料的厚度、柔軟度、重量和桿件的角度、長度、排布方式、密度等參數(shù)決定。然后在Rhino/grasshopper 中建立數(shù)字模型，將柔性材料轉化為多個彈簧形成的網(wǎng)格曲面，借助GH Python編譯桿件的各項參數(shù)數(shù)值與彈簧彈性系數(shù)和受力情況的函數(shù)關系，最終通過計算機模擬出不同參數(shù)下拉力和壓力達到平衡后的曲面形態(tài)（圖11）。

11 褶皺生形的數(shù)字模擬

通過物理模型對比實驗，研究了材料種類及桿件分布特點和數(shù)字模型中各項參數(shù)數(shù)值的對應關系，進而對方案進行優(yōu)化，得到褶皺肌理和整體形態(tài)的優(yōu)化解。首先，方案研究了柔性材料和桿件材料的選擇對形態(tài)的影響。實驗的柔性材料有：不同種類的紙、布、1.5cm 厚的PVC 軟塑料、3cm 厚的PVC 軟塑料和5cm 厚的PVC 軟塑料。實驗結果表明，30mm 厚的PVC 軟塑料和桿件的塑性效果更好，模型建造效果通透性更好。實驗的桿件材料有：木材和鋁。實驗結果顯示，隨著桿件的組合疊加，木材對整體模型重量的改變較大，不能有效作為支撐結構，而空心鋁管的材料密度小且便于加工，更適合作為支撐結構（圖12）。其后，方案研究了桿件的分布特點和褶皺形態(tài)之間的關系。桿件形成的褶皺角影響三維形體的高寬比，桿件的長度影響物體表面褶皺的波幅進而影響結構的強度，桿件的疏密影響褶皺的波長進而影響三維形體的強度和形狀。實驗結果顯示，桿件采取人字形圖案（Herringbone Pattern）[24]有理排布桿件能夠有效控制褶皺肌理和最后的曲面形態(tài)（圖13）。

12 不同材料和不同桿件材料的搭建實驗

13 桿件不同角度、長度、疏密程度和排布方式的搭建實驗（10-13繪制：劉嘉玲）

最后，綜合材料性能和結構性能，將模擬結果利用遺傳算法進行迭代優(yōu)化，最終找到桿件分布和對應形體的優(yōu)化解。項目在Grasshopper 中編寫程序，模擬整體形式從二維到三維的過程，即不同褶皺肌理所對應的通過桿件的拉力、張力和軟塑料膜的壓力，使曲面從松弛狀態(tài)到收縮穩(wěn)定狀態(tài)的動態(tài)過程。通過遺傳算法，得到構件分布和數(shù)量的最優(yōu)解，使方案在材料性能、結構性能和幾何形式上達到合理的平衡（圖14）。

14 數(shù)字模擬與性能優(yōu)化（繪制：張棲寧）

5.2.3 建造

在建造階段，項目根據(jù)構造條件對細節(jié)進行了深化設計。項目選擇了30mm 厚的PVC 軟塑料作為建造的表皮膜，10mm 空心鋁桿件作為連接構件。在節(jié)點設計上，方案原計劃采用鋼索穿過鋁管的整體連接方法，但建造實驗表明連續(xù)的鋼索使褶皺成型過程中難以均質受力。根據(jù)構造性能，方案最后采取固定鉸接點的方法，將每個節(jié)點處劃分為兩個小鉸點焊接，一個小鉸點連接兩個方向的桿件，桿件之間選擇M6 螺母進行連接，桿件和塑料膜之間選擇M5 螺母進行連接（圖15）。

15 構造優(yōu)化設計（繪制：張棲寧）

在天津大學數(shù)字化建造工廠內(nèi)，師生利用CNC、激光切割機、銑床等工具，加工PVC 軟塑料、鋁桿和木板等材料，通過切銑、攻絲、組裝工藝，實現(xiàn)了構件和節(jié)點的高精度生產(chǎn)，共同完成了125 個節(jié)點構件的制造，并在校園內(nèi)完成作品的搭建。最終構造物的平面尺度約為4m×3.6m，整個建構從定制化加工到組裝僅花費7.5 天的時間。

在“褶皺”中，每個元件的長度和位置都是獨一無二的，這意味著數(shù)字模型和真實模型必須是對應的，否則褶皺的幾何形態(tài)就會出現(xiàn)缺陷，整個系統(tǒng)就會被破壞，因此，利用數(shù)字技術對各項性能進行模擬就顯得尤為重要。方案最終精確的形體無法事先被主觀設定，而是在設計和建造過程中通過對性能的模擬和優(yōu)化，根據(jù)邏輯逐漸推演出來的（圖16）。

16 天津大學建造作品-褶皺（拍攝：張燁，繪制：劉嘉玲）

6 結語

性能導向的數(shù)字化設計與建造既對建筑學本體具有重要意義，成為連接空間、材料、結構、信息和時代需求的樞紐，同時促進了建筑學與其他學科的融合與發(fā)展。對建筑學本體而言，性能化不再是與前期設計脫節(jié)的后評價形容詞，而是建筑要素之間平等并相互影響的設計參數(shù)[13]。通過將性能參數(shù)作為驅動因素在設計的初期階段參與方案設計，能夠幫助建筑師探尋結構輕、耗材少、建造高效的建筑形式和建造途徑。同時，性能導向的設計與建造借助先進技術和數(shù)字運算的支持，在處理建筑復雜性和可持續(xù)性等問題上有望提供更加合理的解決方案。在學科融合上，建筑師不再只考慮建筑形式，而是將數(shù)學、計算機科學、物理力學和材料科學等學科的知識綜合考慮在內(nèi)，因此性能導向下的建筑設計，更具有現(xiàn)實的建造意義?！?/p>