王月濤，仲美玲，鄭斐*

1 操作與編織

操作與交流是人類存在的基本方式，人在操作實踐中形成了對于事物的體驗、認識，并通過對操作行為及內容的反思形成了圖式、流程及語言，可進行表征和交流活動。作為實踐活動中事物創(chuàng)造和實驗的方法，操作及其表征具有基礎性意義。早在古希臘，天文學家克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemy）就將宇宙視為假想性的操作，開啟了早期人類對操作基礎作用的樸素認識。隨后的歷史發(fā)展中，強調實踐基礎性作用的哲學，也在不同程度上對操作實踐有所關注和闡釋。在近現(xiàn)代科學、哲學發(fā)展的影響下，操作作為一個核心概念，在各種研究目的驅使下獲得了科學家、管理學者、認知和行為心理學家的普遍關注（表1）。物理學家珀西·威廉斯·布里奇曼（P. W. Bridgman）的操作主義在本質上即是主張將物理概念還原到操作來定義的哲學。他認為：概念是構成科學理論的基本單元和普遍觀念，是一種被對象化和固定化的認知，只有還原到基本“操作”上，才能取得其存在的堅實基礎[1]。誠然，布里奇曼的理論因具有強烈的還原主義色彩，忽視了人的主觀能動性而受到爭議，但不可否認，其對操作于科學和實踐基礎性作用的強調對科學發(fā)展的引導是基本正確的。1970年代后，操作作為一個普遍的概念及精神，融入進了科技文化的血脈中，在各種關于程序、算法及人對事物操作的表征研究中時時閃現(xiàn)。在科學文化的語境中，操作一般是指人使用工具完成特定的實踐（或實驗）所采取的一系列動作和步驟。從一定意義上講，數(shù)字化算法也是操作，采用計算機所理解的方式把完成某個特定任務需要遵循的正確步驟記錄下來，再選擇合適的編程語言對其加以數(shù)字化及程序化的表征和描述，即可形成算法[2]。

表1 各歷史時期不同領域對于操作的認識，仲美玲繪制

作為一種實踐操作方式，編織也是人的基本存在方式，貫穿于人類社會的始終。在人類造物實踐中，“編織”是充盈著人類智慧的由點、線到面進而圍合成體的組織技法，多用于器物及織物的編制。同時，它又作為一種傳統(tǒng)操作技藝，與建筑表皮的形式創(chuàng)造具有天然聯(lián)系。戈特弗里德·森佩爾（Gottfried Semper）認為，傳統(tǒng)編織與建筑四要素中的圍護結構密切相關[4]，建筑最早的特征就是人類為了御寒保暖覆蓋在身上的毛皮或織物，而圍護結構“墻體”即是在編織物的基礎上演變而來。1990年代以來，數(shù)字技術與各學科之間相互滲透融合，利用計算機軟件可以探索不同形式建筑表皮的生成演變規(guī)律，將建筑問題抽象為數(shù)理模型，再基于既定規(guī)則自發(fā)生成各種合理的圖示化方案，不同程序設定規(guī)則通過改變設計過程的某一環(huán)節(jié)進而可對建筑形式產生約束。建筑編織表皮亦可看作“編織操作”的圖示化表達結果，編織與圖示間的匹配關系以人在三維空間中的操作為紐帶，通過不同操作行為內化下的認知結構與內容，以設計理念、方法的形式表征在設計者的創(chuàng)作思想中，經過提煉及數(shù)字化表征形成編織程序和算法，應用于建筑表皮設計實踐中，可形成特定的建筑編織表皮設計方法，這具有本質上的合理性（圖1）。

圖1 人的認知過程與數(shù)字化表皮設計的關系

編織表皮所形成的空間維度提高了建筑表皮的豐富度與表現(xiàn)力，與數(shù)字技術相融合，將編織行為、規(guī)律、步驟和內容，編碼成數(shù)字化的程序算法進而生成建筑表皮，不僅將傳統(tǒng)技藝的精髓深化為表皮設計的算法邏輯，還能在滿足建筑外表皮采光、通風等特定功能的同時最大程度地發(fā)揮其材料特性。不僅僅為建筑表皮設計，甚至為結構、空間設計及其數(shù)控建造提供了一種新方法。

2 數(shù)字技術與建筑表皮編織

2.1 “編織”操作的建筑應用

自然界小到植物葉片脈絡的組織、蜘蛛結網，大到宇宙天體之間無形的力之網絡，均以編織結合成整體的形態(tài)存在。人類在漫長的自然和社會實踐過程中，通過模擬自然界的“編織”操作來制造器物和理解社會關系的組織，似是順理成章之事。其中操作行為背后蘊含著一定的編織規(guī)律，這種規(guī)律可抽象為知識和程序轉移到建筑的建造中，甚至其本身也是歷史上建造建筑的一種方法。建筑中的編織行為可追溯至原始社會由木枝扎結而成的模仿自然形態(tài)的“棚屋”，過渡至農耕社會，則形成了具有編織狀骨架的木骨泥墻、竹編泥墻。到了工業(yè)化時期，新材料與新技術推動機器制造逐漸取代手工編織方式，編織表皮及結構也時常被應用于建筑實踐中[5]。森佩爾的飾面理論、繩結理論、材料置換理論為編織狀建筑表皮設計提供了理論基礎[6]，在他看來，表皮先于結構而存在，作為織編物的替代物，覆蓋層材料逐漸發(fā)展，如木材、石材、金屬、磚等飾面的傳統(tǒng)操作都是模擬編織物格子結構的不同表現(xiàn)[7]。現(xiàn)如今，世界各地不乏用織物形成建筑表皮的傳統(tǒng)存在，進一步證實著森佩爾的觀點，設計者也在創(chuàng)作過程中通過不斷挖掘各種材料的可塑性，將傳統(tǒng)編織方式應用于新建筑的創(chuàng)造。

“編織”作為人類模擬自然、制造器物和適應環(huán)境的操作行為，廣泛悠遠地存在于各地域人民的生產、生活中，融合特定地域的生活方式、行為習慣、審美觀念，結合多變的穿、結、纏、繞等編織手法，形成了較為特定的操作程序和形式結果，這些內容也構成了傳統(tǒng)編織技藝。編織是形式、手法和觀念的統(tǒng)一體，長期“編織”實踐中形成的對于編織的認識、審美等構成了其觀念內容，程序化的編織流程構成了編織的手法，具體的編織形式和形態(tài)特征構成了其符號載體。對傳統(tǒng)編織技藝情感及知識的繼承可發(fā)展為以建模和建構邏輯為主導（即圖案形式和建構過程為主導）的兩種設計模式（圖2），與虛無的觀念及具象的形式相比，處于三維空間中的編織操作，更具靈活性與可描述性。傳統(tǒng)各行業(yè)中編織形式及其操作“手法”也逐漸滲透至建筑建造，應用于空間、形式、結構及表皮設計的各個方面。繼承“法”的層面，賦予一定靈活性的編織操作和程序更易生成多樣的形式效果，這適應了計算機強大的程序化、數(shù)字化、參數(shù)化及處理大數(shù)據(jù)的能力。依賴于算法特點，突破將編織操作應用于建筑設計時的諸多困難和不足，可使編織操作大量應用于建筑設計中，體現(xiàn)最為明確的當屬編織表皮和結構表皮一體化設計。

圖2 傳統(tǒng)編織技藝衍生出的兩種表皮創(chuàng)作模式

2.2 編織表皮的數(shù)字基礎

1980年以來，借助計算機工具的數(shù)字可視化不斷發(fā)展，建筑設計走向參數(shù)化、算法化及程序化，在新的建造工具和材料開發(fā)影響下的設計建造一體化，一定程度上為實現(xiàn)復雜性建筑編織表皮設計和建造提供了技術支撐（表2），編織表皮也越來越多地應用于工程實踐中。在建筑領域，算法設計邏輯的數(shù)字化轉譯是建筑生成的核心，計算機主導下建筑設計以抽象化和可視化的圖示表達各元素間邏輯、聯(lián)系、運轉及衍生過程。建筑表皮創(chuàng)作發(fā)展至今已不僅僅局限于美學層面的形式創(chuàng)造，對新材料與新技術的利用、傳統(tǒng)方法的創(chuàng)新、生態(tài)功能的關注以及設計情感的表達都提出了更高要求。數(shù)字程序及數(shù)控工具協(xié)助下的建筑編織表皮設計，通過巧妙的空間組織從線交疊纏繞的二維平面進入至具有空間深度的三維體系。

表2 數(shù)字技術影響下的建筑編織表皮設計，仲美玲繪制

以機器學習為代表的人工智能技術的發(fā)展推動著建筑編織表皮設計由人類智能主導下的傳統(tǒng)建筑設計方式向設計與建造一體化的數(shù)字建筑編織表皮過渡。3D打印結構展亭“云亭”中利用機器人模擬人的操作過程編程進而進行空間打印，形成基于同一數(shù)據(jù)流的軟硬件集成操作流程[9]。通過數(shù)理函數(shù)的運算，在計算機控制下可以生成自動將三維形狀轉換為編織機器指令的算法，使得針織機像3D打印機一樣，實現(xiàn)了復雜曲面的三維表皮編織[10]。肖恩·艾哈奎斯特 （Sean Ahlquist ）等學者利用數(shù)學模型對香蕉葉柄結構進行分析，探索力學、材料等性能穩(wěn)定的葉柄編織肌理[11]。這既是實現(xiàn)設計與建造一體化的關鍵，也是建筑表皮數(shù)字化轉型中的重要嘗試。

數(shù)字技術使得編織建筑的交互性與靈活性得到較好的發(fā)展，在敏銳捕捉建筑師設計靈感的同時實現(xiàn)形態(tài)的形象表達。數(shù)字軟件嚴謹?shù)倪壿嬓詫ㄖ砥さ母行哉J知形成一定約束，計算機程序算法量化了建筑表皮設計過程的各種邏輯關系，使得建筑表皮設計方法更為系統(tǒng)（圖3）。理論上，三維空間中任意一種編織操作都是可描述的，可通過參數(shù)和算法生成，但由于實際建造、材料技術及某些編織表皮復雜細節(jié)的限制，建筑編織表皮的實際設計和應用方法也一直處于零星探索中，并未形成較為成熟的軟件和工具。數(shù)字化時代，從實際建筑設計中編織表皮生成方式來看，在建筑作品的輔助設計、參數(shù)化設計和算法生成設計中，還是可以明顯分辨出建模邏輯下以模擬圖案形式為主導的及建構邏輯下依據(jù)建構過程進行算法生形的編織表皮設計方法。依據(jù)操作邏輯提煉算法具有根本性，更能體現(xiàn)數(shù)字化設計的本質特征，而形式描摹的設計方法與建造往往是脫節(jié)的。

圖3 編織、建筑與算法三者間的相互作用及聯(lián)系

3 不同編織操作下的建筑表皮形式

傳統(tǒng)編織器物的表皮建構本身與操作、材料、工藝等密不可分，編織物及其最終紋理圖案的呈現(xiàn)，亦可視作編織操作的結果。鑒于實際建構中多為剛性材料，繼承傳統(tǒng)編織技藝的建筑表皮設計中也存在著大量通過模擬編織物表皮圖案、生成機理，將其抽象成線面交織的生成關系進行建模的方法，實際并無疊壓、穿插關系，更多的是一種數(shù)字化描述，而非生成算法，可將其視為仿擬組合式表皮。而數(shù)字化編織表皮設計的具體操作及流程，往往具有生成復雜建筑編織表皮形式的建構合理性，其算法和控制較為復雜，多和當前使用機控設備的建構實驗相結合。通過對傳統(tǒng)器物編織操作的建構邏輯及生成機制的分析，參考其在各種操作下形成的點、線、面、體的形態(tài)特征，建筑編織表皮的設計方法一般可分為仿擬組合、經緯交錯、排列疊加及彎折纏繞幾種類型。

3.1 “仿擬組合式”編織表皮

仿擬組合式表皮借鑒了編織物的圖案形式及其視覺效果，將塊狀單元進行重復排列組織以形成特定的圖案肌理（圖4），或在特定網狀肌理圖案基礎上以數(shù)字化手段將其圖形信息提取至數(shù)字軟件中，轉化為表皮模型，這兩種方式普遍存在于建筑表皮設計實踐中。確定表皮模型基本形式后，可結合Rhino與Revit等參數(shù)化軟件完成表皮曲面建模，再與機器人技術結合完成數(shù)控建造。天津中鋼國際廣場的外表皮通過Grasshopper建立網狀單元，根據(jù)距干擾線的遠近調整縮放比例形成不同大小的六邊形，由算法程序計算出的“不連續(xù)”的六邊形單元層層疊加，排列出看似連續(xù)的整體（圖5）。

圖4 常見的圖案肌理，仲美玲改繪自：https://www.xiaohongshu.com/discovery/item/6013f5c5000000000101 faae?source=question

圖5 中鋼國際廣場的外立面表皮形式及生成，來源：劉峰,劉文標.建筑表皮的數(shù)字重構.2011年全國高等學校建筑院系建筑數(shù)字技術教學研討會論文集,2011

首爾紡織企業(yè)Kolon辦公樓的立面表皮（圖6）設計中，相互連接的“遮陽傘”單元進行排列組合形成類似于編織物形態(tài)的外表皮形式，漂浮在玻璃幕墻之外的傘狀組合單元由高技術材料——纖維增強聚合物（FRP）制成，提高材料抗拉強度的同時大大降低了辦公樓的能耗。由于這類表皮就其本身而言它更傾向于對編織物形態(tài)的追求，缺少對編織手法操作及規(guī)律的繼承，故將其視作一種仿擬組合的編織表皮形式。

圖6 首爾紡織名企 Kolon辦公樓外立面表皮形式，來源：https://www.archdaily.com

3.2 “經緯交錯式”編織表皮

經緯交錯疊壓是編織中通過線性材料的相互交織和掩壓形成器物表面的一種常用手法，通過構件的連接編織成經緯交錯的網狀形式，平紋、斜紋、緞紋都是這種編織操作所形成的圖案結果。傳統(tǒng)紡織技術發(fā)展史中，通過經緯線按一定規(guī)律相互疊壓的操作形成了各具特色的紋理，其歷史起源、編織規(guī)律及圖案變式如下表（表3）。

表3 不同形式經緯交錯表皮的歷史起源、編織規(guī)律及圖案變式，仲美玲繪制

據(jù)此方式形成的建筑編織表皮設計中，建筑師依據(jù)特定條件和理念，形成對表皮肌理效果的初始判斷和選擇，而后通過掃描將目標圖案掃描進CAD，或以手工操作的形式來編織和調整圖案，形成模型和圖紙。在參數(shù)設計影響下，有時也依據(jù)建筑師的設想按照表皮編織所形成的規(guī)律，直接生成表皮的經緯線，然后調整其位置和參數(shù)，進而形成建筑表皮。通過參數(shù)化軟件形成的表皮，可直接導入與其配合的Honeybee、Ladybug、 Butterfly軟件中，依據(jù)現(xiàn)實條件，對其性能進行模擬優(yōu)化。通常情況下，經緯表皮編織較為適合形成平整和小型器物表皮的設計和制造，為了貼合特定的曲面，經緯線易發(fā)生較大變形，破壞了其力學性能，極易產生皺紋、局部滑動等缺陷，甚至導致分裂與分層等故障[12]。為了解決這些難題，已有學者基于編織物及曲面表面動力學特性，從建構的角度出發(fā)，發(fā)展出一種基于拓撲學的網格生成算法，通過偏微分方程將曲面分解為四邊形編織單元，創(chuàng)建出兩組相交的經緯線，獲得與輸入表面共形的編織結構，形成了自由曲面編織表皮的生成設計算法（圖7）。韓國首爾東大門設計廣場（圖8）利用數(shù)學原理將建筑的曲面生成問題轉化為一系列計算機算法程序，該算法可以在不同因素作用下將曲面細分至適宜建造的單元尺度，將二維圖面信息轉換成三維立體設計，較好解決編織表皮與不規(guī)則曲面形體的擬合問題[13]。這種表皮因其組成表面有曲直之分，縱橫向條帶單元交織方式與銜接形式等各不相同，在外觀形式表達及操作建造過程上均存在較大差異，但其整體可歸結為以經緯線交錯組織為肌理的經緯交錯式編織表皮。

圖7 四邊形網格編織方法，引自參考文獻[12]

圖8 韓國首爾東大門廣場，來源：http://world1.people.com.cn/BIG5/n/2014/0314/c1002-24636615.html

3.3 “排列疊加式”編織表皮

古建筑中柳條式格心的形成也是一種常見的編織方式，橫欞豎欞直角相交，按一定規(guī)則排列疊加，組合出規(guī)則富有變化的編織圖案，《園冶》中明確列舉了柳條式的格心形式及其變式（圖9）。擴展至現(xiàn)代建筑表皮中，建筑師可在此基礎上進行變化，以“曲面化” “立體狀”等方式進一步表達，這類建筑表皮的形成可以是相同編織單元縱橫延伸的排列組合，也可以不同層次編織單元或不同種材料的堆疊、組織。

圖9 柳條式格心及其變式，來源：侯幼彬.中國建筑美學.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2019

數(shù)字技術影響下，這類建筑編織表皮設計中，建筑師通常會在確定編織單元基本圖案后，將基本構件排列疊加至三維立體狀，再依據(jù)需求進行調整。進而，可采用Grasshopper等數(shù)字軟件對構件生產數(shù)據(jù)進行提取，完成對其切割、鉆孔、銑、連接孔等基本形式的處理，再通過CNC彎曲或機械加工進行排列、扭轉、疊加等變化，同時使用數(shù)控機器人對構件展開部分進行數(shù)字化銑削，形成建筑編織表皮，2015米蘭世博會法國館（圖10）即采用這種方式。有時，編織單元的堆疊、組織也會建立在非線性結構骨架基礎之上，如2010年上海世博會西班牙館（圖11）。2015米蘭世博會中國館與之類似，設計者充分挖掘表皮使用材料的可能性，并通過參數(shù)化來模擬建筑中每個編織節(jié)點的具體尺寸和安裝次序，經歷“概念—設計深化—預制工藝—安裝”的過程直至整個屋面精確地裝配出來。參數(shù)化遮陽竹編條形瓦分為平、切、單折、雙折4種形態(tài)，將竹編表皮“曲面化”，為了在保證平滑度的同時有效避免竹瓦間的疊合沖突，每片竹瓦在三維空間里都進行了微妙的扭轉，在實現(xiàn)數(shù)字建造的同時滿足構件預制規(guī)范化和施工安裝精確化的要求[14]。這類建筑表皮盡管形態(tài)各異，具體操作順序及實現(xiàn)手段也有所不同，其表皮設計總體上采用排列疊加的方式。

圖10 2015米蘭世博會法國館，來源：https://www.XTU Architects/Simonin S.A.S.

圖11 2010上海世博會西班牙館與2015米蘭世博會中國館，11a來源：http://news.sina.com.cn/c/2010-05-20/124620311940.shtml，11b引自參考文獻[14]

3.4 “彎折纏繞式”編織表皮

自然界中鳥巢由細樹枝、草莖、植物纖維等不斷重復地彎折纏繞而成，與蠶及其他昆蟲吐絲纏繞成繭的過程類似，原始社會的棚屋在材料的利用和組織方式上就表現(xiàn)出類似的有意識編織現(xiàn)象（圖12）。數(shù)字技術的發(fā)展極大提高了設計師的造型能力，豐富了復雜建筑表皮的實現(xiàn)方式，設計師可利用先進數(shù)字技術將表皮生成過程與建造手段緊密結合，以建造邏輯為主導的表皮設計方式逐漸發(fā)展。與傳統(tǒng)的絲線纏繞類似，彎折纏繞所描述的算法與數(shù)據(jù)控制下的人類在三維空間中的操作過程，設計者將編織過程及數(shù)據(jù)轉化為數(shù)字化控制程序，使機械臂編織工具與新型建筑表皮材料相結合[15]，特定的機器人技術對材料進行定制化纏繞，將其按照預設順序纏繞在模板上，這種編織結構有兩種建造方式：其一是將工廠中預制好的表皮模塊單元采用特定節(jié)點構造拼裝為整體，其二是將編織結構整體建造完成后采用大尺度機器人裝備將表皮結構纏繞成型[16]。機器設備類型不同其操作工藝也會發(fā)生相應改變。

圖12 自然界鳥巢與原始棚屋，12a來源：https://tv.cctv.com/2021/05/01/VIDEulu H7Ao33PGRbx6jO7VS210501.shtml，12b引自參考文獻[5]

湖北宜昌新區(qū)博物館規(guī)劃中，編織表皮由直徑較細的鋁管不規(guī)則交織纏繞而成（圖13），其靈感源于傳統(tǒng)桑蠶，通過參數(shù)化設計生成立面上永不重復的纏繞組合方式并進行1:1的單元重建，調整鋁質桿件的纏繞方式、疏密程度可控制表皮性能。由德國斯圖加特大學計算設計研究所（ICD）建造的纖維涼亭（圖14），以甲蟲雙層鞘翅的生物結構為靈感，采用高強度纖維結構機械臂編織的建構方法。采用編織的建構邏輯按特定算法規(guī)則進行彎折纏繞，兩個系統(tǒng)的六軸KUKA機械臂和能適應所有編織單元需求的可調節(jié)編織工具端，將淺色玻璃纖維和深色碳纖維一根根地編織在一起，上下層纖維緊密纏繞在一起，形成了非常堅固的網狀編織表皮。這類纏繞式表皮因數(shù)字技術操作方法及表皮材料的差異顯現(xiàn)出不盡相同的形式，算法數(shù)據(jù)流程與建造方式的融合使其設計的內容及表達更加自由。

圖13 宜昌新區(qū)博物館外表皮，引自參考文獻[5]

圖14 纖維涼亭外觀（左）細部（中）及機械臂制造（右），來源：https://www.gooood.cn

4 結語

建筑領域的專業(yè)分化使得設計與傳統(tǒng)操作工藝的關聯(lián)性逐漸被忽視，數(shù)字技術推動下編織表皮設計在遵循一定的操作方式完成復雜編織形態(tài)的同時，也必然要深入思考相應的操作邏輯及其背后的本質規(guī)律。材料、技術、工藝等方面的推陳出新使得建筑表皮往往具有更加微妙的美學效果和更加精確合理的結構組織，以建構過程為導向的設計方法向人們展示了超越以往建筑表皮形式設計的新的可能性。從傳統(tǒng)編織實踐操作的角度對編織表皮形式進行歸納與總結，明確傳統(tǒng)編織技藝衍生下以圖案形式和建構過程為主導的兩種表皮設計模式，不僅為建筑表皮生成設計提供了較為全面系統(tǒng)的理論依據(jù)、設計方法，也對傳統(tǒng)編織技藝傳承與保護實踐具有重要的借鑒意義。隨著數(shù)字化程度的加深，編織表皮將發(fā)揮更大的優(yōu)越性，在今后的設計中，設計師可充分挖掘新的編織操作模式及與之相匹配的新材料、新技術，進一步探索編織表皮設計的潛力及局限，促進表皮設計向設計與建造一體化方向發(fā)展。□

注釋

1） 新行為主義心理學：由斯金納等人創(chuàng)立，在約翰·華生舊行為主義心理學基礎上對行為產生過程進一步探索，在通過建立反應—刺激形成行為的傳統(tǒng)觀點中引入“操作”的概念。

2） 發(fā)生認識論：由瑞士心理學家讓·皮亞杰創(chuàng)立，主要對人類的認知、智力、思維、心理的發(fā)生和結構進行研究。認為人可以通過同化或順應的認知過程，對有機體通過感知形成的認知結構或智力結構（即圖示）進行整合或改造。