周于加

（首都師范大學(xué)，北京 100089）

中國的竹文化淵遠流長，早在新石器時代便出現(xiàn)了竹材加工及應(yīng)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(zhì)文化遺產(chǎn)代表性項目中，與竹相關(guān)的有50項，省市級項目更多達數(shù)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(gòu)筑物在北宋以前已有大量的應(yīng)用。[2]竹速生豐產(chǎn)并可自然降解，是理想的環(huán)保綠色建材，在我國得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。目前國內(nèi)擁有520萬hm2的竹林，有3200萬農(nóng)民從事竹的生產(chǎn)與加工行業(yè)，規(guī)模為世界之最。另一方面，近年來隨著設(shè)計領(lǐng)域生產(chǎn)數(shù)控建造和數(shù)字管理等技術(shù)不斷升級，使得傳統(tǒng)的竹建造編織等工藝技術(shù)得到良好的傳承與創(chuàng)新，并激發(fā)了竹構(gòu)形態(tài)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(shù)化算法設(shè)計更加復(fù)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(zhàn)。

一、竹構(gòu)裝置的發(fā)展與現(xiàn)狀概述

國內(nèi)外對竹構(gòu)設(shè)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(zhì)，挖掘竹構(gòu)實驗意義[3]。2013年，柳菁、張家亮等提出竹材集力學(xué)、美學(xué)等多方面優(yōu)勢于一體，是速生豐產(chǎn)、環(huán)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(shù)”的非線性參數(shù)化設(shè)計方法與“低技術(shù)”施工工藝相結(jié)合的建造策略，以應(yīng)對建造環(huán)境的條件制約[5]。可見數(shù)字化介入竹構(gòu)設(shè)計的道路已展開。2015年，任曉提出國內(nèi)當(dāng)代建筑設(shè)計研究忽略了建筑在建造技術(shù)層面上的思考[6]。2020年，徐钖,劉暉等人就數(shù)字化在完成原竹建筑設(shè)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(fā)展，舉辦多項與竹構(gòu)相關(guān)的設(shè)計競賽與展覽，如北京林業(yè)大學(xué)自2019年開始舉辦的“北林國際花園建造節(jié)”等。過往四屆競賽作品中，采用參數(shù)化設(shè)計的隊伍從零星到普及，選手們的設(shè)計思維、思考方式發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變。綜上，國內(nèi)有關(guān)竹構(gòu)的研究與實踐成為熱點的同時與數(shù)字化設(shè)計的聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)，可為竹材結(jié)構(gòu)工程提供技術(shù)支持[8]。2017年Kristof Crolla，通過ZCB 竹館的設(shè)計和施工，提出新型數(shù)字設(shè)計實踐模式處理現(xiàn)場和材料的不確定性[9]。

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

二、參數(shù)化思維介入竹構(gòu)裝置設(shè)計與實踐

（一）竹構(gòu)裝置設(shè)計過程

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

參數(shù)化建模是通過數(shù)字化設(shè)計軟件與設(shè)計形式輸出之間建立參數(shù)關(guān)系，生成便于靈活調(diào)控的計算機模型。其調(diào)控的參數(shù)可以是與設(shè)計相關(guān)的各種信息，竹編方式一般有律可循，便于參數(shù)的轉(zhuǎn)換，其編制方法、竹篾交錯方式等均可通過編碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字公式，設(shè)計者在進行竹構(gòu)設(shè)計時，方可通過修改參數(shù)對竹篾的寬窄粗細、疊搭方式、疏密程度等進行調(diào)整，規(guī)避了新產(chǎn)品預(yù)制過程中不好調(diào)整的問題，舍去了利用現(xiàn)實材料不斷試驗的過程，省時省力，節(jié)約材料；參數(shù)化設(shè)計方便操控不同形態(tài)進行自由組合和搭配，利于竹編表現(xiàn)語言和形態(tài)的創(chuàng)新。

“北林國際花園建造節(jié)”2020年獲獎作品《莊生夢·迷蝶》（圖1）在設(shè)計階段生成殼體結(jié)構(gòu)后，使用參數(shù)化設(shè)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(jié)構(gòu)上，形成新穎的竹編表皮。設(shè)計利用隨機點陣創(chuàng)造出形態(tài)多樣的竹編形式，是對竹編形態(tài)、方式的創(chuàng)新；通過對隨機點陣的干預(yù)對形態(tài)進行相應(yīng)調(diào)整，應(yīng)證了數(shù)字化設(shè)計方式對竹編傳統(tǒng)設(shè)計階段難以預(yù)判結(jié)果、不便及時調(diào)整形態(tài)等問題的解決。

（二）生產(chǎn)過程

竹材手工編織速度慢，具有不確定性；新產(chǎn)品、新型編織方法需面對面?zhèn)魇?，投入大量時間。參數(shù)化模型可根據(jù)要求生成標(biāo)準(zhǔn)和清晰的設(shè)計圖紙，便于工廠根據(jù)參數(shù)和圖紙?zhí)崆斑M行熱彎、編織等程序，利于后續(xù)的生產(chǎn)、制作，是提升生產(chǎn)效率和規(guī)范化的優(yōu)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(shè)計靈感，利用參數(shù)化設(shè)計手段、標(biāo)準(zhǔn)單元模數(shù)，將數(shù)學(xué)中的極小曲面（Gyroid minimal surface）作為設(shè)計原型，“模擬”太湖石的空間形態(tài)。將復(fù)雜的孔洞空間濃縮為三種簡易的竹構(gòu)件，以自由編織的竹篾為覆面。很好的將參數(shù)化生形與竹編設(shè)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(jié)構(gòu)只需五種不同構(gòu)件組成（U 形龍骨是長S 型龍骨的一半），最終整個構(gòu)筑結(jié)構(gòu)僅需區(qū)分三種構(gòu)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(nèi)，精準(zhǔn)且快速，裝置成品也得到很好的呈現(xiàn)。

三、參數(shù)化設(shè)計實踐：竹構(gòu)裝置《絲竹尋塢》

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

（一）設(shè)計概念

《絲竹尋塢》旨在以抽象絲竹樂器“箜篌”的形態(tài)為空間載體，在竹結(jié)構(gòu)的中間部分設(shè)置互動裝置，頂面懸掛竹簾，撥動竹簾使其碰撞發(fā)出竹音，創(chuàng)造出隨風(fēng)出現(xiàn)的竹間碰撞之聲，并以竹音為線索，引導(dǎo)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(shè)計過程

題目定好后，設(shè)計團隊化意為形，將箜篌外輪廓形態(tài)進行提取和抽象（圖4），獲取裝置框架的大致形態(tài)，并在rhino 中模擬出來（圖5）。后根據(jù)裝置框架的形態(tài)和“竹音”的主題相結(jié)合考慮，設(shè)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(shè)計者只能在平面圖和以往的竹構(gòu)裝置上看到其展示或應(yīng)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(jīng)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(zhuǎn)化為參數(shù)，帶入到rhino 模型中。

正弦波是各種復(fù)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(tài)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(shù)字化，計算出對應(yīng)緯篾正弦波形態(tài)的函數(shù)方程并將代表水平方向范圍的變量x的數(shù)列代入其中，得到y(tǒng) 方向的數(shù)列后再根據(jù)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(tài)看不清楚等狀況，經(jīng)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(yīng)相（flow along surface）于框架曲面上，便完成了竹編參數(shù)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(diào)整以控制緯篾波動的幅度；經(jīng)緯篾的寬窄粗細與間距的變化可隨時進行調(diào)試（圖7）。設(shè)計者能夠在調(diào)試后得到及時的反饋，及時調(diào)整隨參數(shù)變化而變化的模型形態(tài)。經(jīng)過不斷的調(diào)試，最后定下經(jīng)緯篾厚度均為5 毫米，緯篾寬10 毫米、經(jīng)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(zhǔn)備階段，筆者通過參數(shù)化模型快速取得了所需材料的各項數(shù)據(jù)，并以該模型為基礎(chǔ)繪制了主架構(gòu)竹筒的熱彎圖紙，據(jù)此進行材料的選購即制作，極大的減少了材料數(shù)據(jù)采集和估算的時間。在現(xiàn)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(shù)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(shè)計團隊發(fā)現(xiàn)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(jù)絞編法，緯篾需扭轉(zhuǎn)于經(jīng)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(shè)經(jīng)篾間距近；北京天氣干燥，竹篾水分蒸發(fā)降低，使其變脆，更易斷裂，導(dǎo)致緯篾難以順利扭轉(zhuǎn)。最后，竹編師傅和設(shè)計團隊根據(jù)現(xiàn)場各種因素對竹篾間距進行了修改和調(diào)整（圖10），搭建出滿意效果（圖11）。

可見，參數(shù)化模型可快速提供模型數(shù)據(jù)，方便構(gòu)建材料的準(zhǔn)備及裝置的搭建。在進行參數(shù)化生形的過程中，需更多考慮構(gòu)成材料的性能及季相變化，竹子的彈性、密度等都應(yīng)通過編碼轉(zhuǎn)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(jié)

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(shù)字化“合作”的優(yōu)勢。參數(shù)化生形使竹構(gòu)裝置設(shè)計概念、手法得到了進一步的創(chuàng)新、發(fā)展，有效提升了竹構(gòu)設(shè)計的可能性、可控性和設(shè)計制作效率；竹材則由其材料特性為實現(xiàn)多樣的參數(shù)化模型提供了更多機會。這些成果為竹作為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的傳承與發(fā)展做出了巨大貢獻。另外，在本次設(shè)計研究中也發(fā)現(xiàn)，竹構(gòu)構(gòu)建模塊化可減少搭建難度，但竹作為非標(biāo)準(zhǔn)化材料，仍有著節(jié)點不易處理的問題；數(shù)字化生成的新型編織方式各異，需現(xiàn)場固定搭建部分易有誤差。數(shù)字化模型應(yīng)根據(jù)竹材特性精細化建模，再根據(jù)現(xiàn)場情況進行實時調(diào)整，以實現(xiàn)復(fù)雜竹構(gòu)的搭建。