数字化时代背景下的建筑设计

　　引言

　　随着数字技术和信息技术的不断发展，计算机技术已经广泛应用于各行各业，传统的手工作业模式也转向计算机操作。同样，在建筑行业数字化技术已经被广泛应用，虽然现阶段国内数字化技术发展还不是非常成熟，成功实施的数字化建筑也寥寥无几，但国内建筑行业已经认识到数字化在建筑中的重要作用，并且在努力发展数字化建筑，各个高校也在注重数字化建筑设计这方面的教学研究，可以说数字化建筑将是即将到来的建筑界的一次重大变革。

　　1数字化建筑设计

　　在人们普遍的认知中，曲线形、异形的建筑造型似乎已经成为了数字化建筑的一种标准[1]；参数，具有可调节建筑形式的建筑物也可称为数字建筑设计；或者利用计算机代码、程序完成的建筑，但这些普遍说法都太过于片面，其原因在于它们都停留在表面，是根据数字化设计过程或结果进行反向推理得到的结果。从狭义上讲，数字建筑设计是要使用更加具有针对性的数字化软件，运用强大的逻辑运算与数字化思维而产生的建筑设计。从建筑的实用性角度出发，数字化建筑应该具有合理、严谨的理论与方法，同时对于建筑设计的整个周期能够进行有效的科学计算、归纳、推理、优化、分析与反馈，甚至通过数字化技术来提高建筑全生命周期的能效性。传统设计过程中，建筑师承担着汇总各种信息，包括场地、功能、形态等，并将这些因素整合在一起来产生设计方案，这个过程依赖建筑师个人的思维方式、审美水平与文化修养等，因此设计结果会有很大的个人倾向与不确定性。而数字化设计则是一种新的设计方式，设计的呈现不再仅仅基于设计师的主观思考，而是通过对所有的因素进行计算机严谨的逻辑计算来得出最优解，建筑师可以在多种结果中进行选择，从而完成设计。而数字化设计所依附的工具已经不同于以往所有的工具，它本身就可以运行、思考和判断，是辅助人们思考，作为人类大脑的延伸而存在的，可以进行大量人脑所无法进行的复杂运算，是建筑设计进阶的新工具，所以应该对其进行新的审视与判断。

　　从数字架构的定义来看，它可以分为数字化设计和数字化建设。数字化建造是更容易理解的，现实的建筑因为有更好的建造方法与建造工艺使得建造效率更高，建造工艺更精细，美学效果更好，而且一些凭借传统建造方法无法实现的建筑也在新的数字化技术的支持下得以建成。著名案例包括ETH支柱、ETH直升机摆砖、BIM技术、3D混凝土印刷技术、3D打印技术等。而数字化设计也存在一个虽然比较过时但仍旧正确的概念，指将建筑设计的信息通过数字表示出来，而不是通过传统的草图、模型或者口述等方式。而所谓的数字化设计的一个比较普适的解释则是利用计算机优于人类的计算和数据处理功能，针对建筑中某一个或者某一些问题提出解决方案的设计方法，是以现代先进的计算机图形技术、网络技术、虚拟现实技术、数据库技术等数字化技术为主要方法，进行数据处理，并根据相关设计规范建立对应的数字模型的过程。

　　2数字化建筑发展要求

　　数字建筑不仅是一种趋势，而且是建筑设计发展的必然过程。对于建筑师而言，这是对传统建筑设计过程的革新和运动，笔者希望在建筑设计过程中采用一种新的设计理念来思考建筑设计的问题。这种新的设计理念可以在建筑设计之初通过数字化运算将问题尽可能地呈现出来，进而提出最优解。数字化建筑的发展不仅影响着建筑师的思维方式，同时还促使建筑师朝着绿色建筑、可持续发展、协同设计等新技术及方向的转变。其影响主要表现在四个方面。

　　2.1建筑信息立体化表达

　　在传统的建筑设计中，建筑师通常借助SU、3Ds Max、Rhino等常见的建模软件来实现一些复杂的建筑形体，但建筑的结构、材料、指标等信息在建筑模型中往往无法清楚地呈现。随着数字化技术的发展，伴随而来的Revit建筑信息模型能够很好地将建筑的几何形图与各个构件联系起来，准确地完成建筑平、立、剖及建筑结构、材料及细部表达。此外，数字化技术的使用不仅打破了传统平面流线分析的方法，同时还通过对虚拟场景的渲染、漫游等手段创造性构筑出建筑立体行为流线，使建筑内外环境得到真实的呈现，从而使建筑得到更清楚的表达。

　　2.2建筑形态的多样化

　　在数字化建筑设计方法到来之前，非线性的建筑体型往往很难做到体型与结构的完美衔接，建筑师通常采用简单的几何形体来“呼应”环境因素，这就造成了一种“为了适应建筑而改造环境”的现象。随着数字技术进入建筑领域，建筑师不仅能在复杂的环境因素中进行思考，同时还能使建筑复杂的形体结构与建造分析变得简单与高效。此外，建筑师还通过引入参数和算法来形成与环境相适应的建筑形体，并通过数字化分析来验证建筑的可行性。这样一来，过去那些似乎不可能完成的建筑复杂形体成为可能，各式各样的建筑应运而生，带来建筑形态多样化。

　　2.3项目施工的精准化

　　数字化技术除了为建筑本身带来革新，同时还使项目施工朝着高效、精准化的方向发展。从建筑设计到施工甚至到后期物业管理，数字化设计方法实现了全程可视化的操作流程。同时，包括开发商、设计方以及管理人员在内的所有人员都可以通过数字化技术来了解项目进程中的各个节点与建筑信息，进而做出合理、科学的决策，避免设计施工中的重大错误，提高工程效率。

　　3数字化建筑发展机遇与挑战

　　3.1机遇

　　随着复杂性设计思维的发展，建筑师已经不能仅仅依靠传统设计模式来传达设计思想和表现设计成果。将参数和几何控制技术引入建筑设计领域不但可以清楚地传达建筑师的设计逻辑，同时还能使建筑更好地与周边环境相结合，建筑师可以通过设计程序的逻辑运算，输入相应的参数就可在变化中生成建筑形态，甚至是一些可以控制但是不可预知的建筑形态。在建造方面，数字化技术已经在一定程度上解决了标准化与单独定制的矛盾，参数化手段的使用使得可以生产复杂和复杂设计的大规模生产，并且大大降低了施工成本，提高了生产效率并降低了生产成本。

　　3.2挑战

　　虽然目前国内对于数字化建筑的研究与学习热情都空前高涨，然而现实状况却是真正被实施建造的数字化建筑方案屈指可数，其中存在的问题可以从设计过程的几个步骤中来分析。首先是数字化建筑设计的基本过程：（1）前期调研获取有关地形、地域文化等信息；（2）从数字化研究中获得有关信息；（3）使用数字软件选择建筑结构，表格等，过滤信息，逻辑操作等，并获得“建筑信息模型”[2]。从这些步骤中可以发现：首先是前期的调研所获得的信息可能不全面且不准确，或者对于信息所进行的数字化过程不够科学、精确，这些原因都会导致原始信息不能准确地运用到设计中，或使得最终建筑不能正确地反馈原有的地形信息。其次，在数字化过程中，在不增加合理结构参数的情况下过度追求建筑造型的新颖性，最终导致建筑造型缺乏合理的结构支撑，无法进行施工。最后许多数字化建筑方案对于建造施工的要求太高，然而在实际的施工过程中必然存在一些误差，这些误差有些是偶然造成的，如天气原因、温度原因，有些则是不可避免的，所以一旦数字化设计方案太过复杂，对施工要求太过精细与严格，传统的施工与建造方式无法完成。这些存在的问题也促使设计者努力寻找办法解决，从而促进数字化建筑的发展。因此，在未来的数字设计过程中，设计者可能不得不为某些数据提供一些可控错误，而不是提供完全准确的数据。这样可以保证在施工过程中可以有一些可控的误差，方便施工。

　　4数字化建筑实例——以广州歌剧院为例

　　广州歌剧院位于珠江之滨，方案在设计初期便放弃了传统的几何造型，沿用扎哈一贯的设计风格，在新的参数化条件下，建筑由连续的曲线、曲面组成，相互之间充满联系。两块砾石状的建筑形态，充满流动性，可塑可延展[3]；两个体块关系既不完全相似，又不完全相反，两者之间既具有差异性，又能看出同属一个整体，两者融合（图1）。建筑整体以融入自然为出发点，通过数字化手段使建筑模拟自然地形，通过对建筑虚拟场景的渲染体验与反馈，打破传统建筑与景观的界限，将景观渗透到建筑形体与建筑空间中，并通过自由的建筑轮廓，实现建筑与环境的交融。

　　在参数化利用方面，建筑物的外壳采用镶嵌细分的技术，使得形式的极端自由变得相对理性。利用三点一面的原理将大面积复杂的曲面分解为多个细小的平面，这一表皮的实现要得益于数字技术的发展使得零件非标准化和定制化生产成为现实，若无参数化的支撑，大量不同尺寸的构建的生产也将不可能实现。

　　同时建筑内部延续外部的设计手法，整个内部空间以拓扑和非欧几何体扭曲折叠而成，并在参数与算法的调试中，找到剧场曲面空间中视线设计与声学传导的最优解。剧场内外空间运用材料的变化实现了建筑内外环境的数据额交流，与地景环境一同营造出和谐的动态空间。

　　此外，数字化技术的使用使建筑在室内实现了无缝空间的效果。这在很大程度上仰仗于GRG室内建筑材料的数字化加工与装配，当然也依赖于其事务所所做的对于计算机软件编程的研究。歌剧院的声学设计在国内也是首屈一指的，它是国内唯一不用安装反声板，完全依赖建筑设计来实现完美声学效果的剧场。

　　为了实现这一目标，公司通过一系列参数链接程序脚本，对几何内部空间和声学进行测试。表面设计中的凸凹参数对应于声学声波的聚焦和扩散，均匀分级的三维皮肤使用参数来控制其开口和深度，以此满足吸声的要求[5]。由于剧场各个空间对吸声的要求不同，反映在外观上则是表皮的开口密度与大小深度的变化，因此也形成了一种韵律感。在整个设计中，参数化作为一个整体协调的系统，可操作又灵活，同时又整合了声学要求、建筑表皮、建筑形态以及建造的问题。

　　结语

　　在科技日新月异的今天，数字化建筑越来越受到建筑界的关注，数字化设计也已经取得极大的发展，在这样的时代背景下，设计师应将数字化更好地为建筑所用。虽然处在数字化超前于设计理论的时代，但设计的本质是由设计师主导，所以应该寻找机会，合理有效地控制数字基础，不能让数字化束缚思想。