參數化表皮設計中基於性能的洞口生成
文章摘要
數字技術日漸成為影響建築最終效果的重要設計工具，並改變著建築的設計和建造過程。當前很多建成作品均是通過參數化方法來生成表皮的整體形態、部件、洞口和細節，再將其材料化（即能夠以現實材料進行建造）。隨著建築技術的發展，環境要素（光、熱、空氣等）逐漸參與到設計過程中，成為產生或發展建築表皮形態的新依據。通過三個案例的比較研究，介紹了參數化表皮設計中形態、構造、技術等因素如何進行有效的整合或轉譯，並討論了基於性能生成參數化形態時洞口這一關鍵要素的設計策略。
參數化表皮設計中基於性能的洞口生成
Performance-Based Generation of Openings in Parametric Surface Design
姜俊成 KANG Junsung | 上海交通大學設計學院，福迪食餐飲管理（上海）有限公司
劉士興LIU Shixing|上海交通大學設計學院
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為深入理解參數化方法如何將建築表皮的形態與性能相結合，並將其運用到洞口的設計策略中，本文選擇了三個典型案例，分析其表皮及洞口設計中形態產生的方法、性能的具體要求和限制條件、所提取的參數、所運用的設計軟體（工具）以及實現的方式，並試圖比較三者之異同，以期為未來的表皮設計提供參考。
一 複合生態屋
複合生態屋（Para-Eco House）是2012年同濟大學參加國際太陽能十項全能競賽的作品。針對西班牙馬德里乾熱且西晒嚴重的氣候條件，設計者採用了「……主動式和被動式有機結合的複合生態體系。這一體系被概括為外圍的參數化能源表皮和生活空間的溫控維護表皮，它們分別完成生產能源和保溫維護的不同職責，並將從室外自然空間到室內人工空間界定為全開放、半自主、全自主性的三層界面」。
▲ 複合生態屋外觀（同濟大學團隊，2012年）
1 策略
儘管其「最外層的適應性能源界面主要包括西立面複合生態表皮和屋面太陽能系統」，但僅就其西立面的複合生態表皮而言，參數的來源是基於立面上的風壓分布。而其中關鍵的步驟就是參數（風壓數值）如何產生並向表皮形態轉譯。
▲形體分解示意
根據設計者提供的圖解，其由數值向形態轉化的設計策略可以解讀為：先通過分析軟體（Ecotect）模擬出特定地域氣候條件下的垂直風壓數據，生成該立面上的風壓雲圖，並按照數值範圍近似分成四個區域；再利用參數化工具（Grasshopper）根據分區形成四種單元洞口尺寸；立面形態則是通過滿鋪的菱形網格來實現單元構件，並延伸至外層圍合界面的其他部分。簡而言之，即：風壓值（數據生成）—雲圖（圖像生成）—分區（差異化）—洞口（體現差異）—單元構件（整體形態）。
▲垂直風壓差數據轉化成表皮形態
值得注意的是，上述過程中，無論是風壓分區的邊界線、洞口所隱含的單元網格，還是單元構件的簡化形式，都與菱形網格體系的選擇有關。因此，這個等距的網格體系是參數向形態轉譯時產生外層立面形象的整體控制要素。也正是由於這步操作，原本體現風壓強度的技術參數經過圖像化和幾何操作之後，轉換為形態要素，進而失去了參數的技術特徵。
2 洞口設計
案例中的洞口設計是形態操作的進一步深化。四種不同尺寸的洞口均位於單元網格的中心位置，而其形態和大小的控制，同樣可藉助於菱形網格體系的幾何操作來實現：在菱形單元的每邊中點附近選取距離相等的點，按同一方向（左側或右側）與其相隔的頂點相連，形成了中間的菱形洞口，並通過每個頂點的位置移動調整洞口的大小。
▲洞口的形成
基於上述操作，將抽象的菱形網格賦予厚度（材料的厚度與網格的厚度）之後，設計者還考慮了洞口的開口大小與電池板、綠化的結合。沿菱形接近水平方向的邊在洞口外側設置最大面積的電池板，以獲得最好的太陽輻射；兩側空餘部分作為通風口，保證了表皮的通風效果；立體綠化則布置在內側兩個邊上。
▲ 日照輻射角與自然冷卻的效果
3 材料化
材料化是將圖形的抽象思考和上述技術問題的綜合解決方案落實的過程。與傳統建造方式不同，其表皮實現體現了製造和拼裝的思路，這也是參數化方法中的關鍵一步。設計者借鑒了中國傳統建築中的（平面）榫卯連接方式，將菱形單元構件分解為四個部分逐步完成：左側、上部的楔體為封閉的；右側和底部的楔體預留出放置綠化的槽；牆體上的特殊部位（與地面的接合處、轉角處、與頂面的接合處）都根據連接的可能性和整體形態的要求進行了針對性的處理；屋面的菱形網格則通過兩側附加的骨架加以強化。這些獨特的設計，恰恰是材料化過程中有效的組成部分。
▲ 表皮單元體的操作
4 適應性
複合生態屋的表皮設計不僅呈現了性能參數轉譯成形式語言後程序性的設計過程和思考方法，還體現了設計成果針對不同氣候特徵的適應性。儘管生態屋中將其作為外層功能性的表皮，並未用作圍合室內空間的界面，但當用於室內空間時，它可以通過調整表皮的厚度和洞口的大小，在溫度、日照、風力等氣候要素各不相同的地區建造。
▲ 適應不同氣候的表皮設計
二 東京空域
「初版」東京空域（Airspace Tokyo）的建築師為増渕大（Hajime Masubuchi），後續改造的立面設計則是由湯姆·福爾德斯（Thom Faulders）於2007年完成。該項目是位於東京近郊的一座四層建築，原來僅作為業主的住宅，其四周植有茂密的綠化。項目擴建時將綠化剷除，並將底層作為攝影工作室，二到四層作為住宅。由於開放式的平面布局會影響住宅內部的私密性，因而業主要求對住宅部分的外立面進行覆蓋。
1 策略
表皮的設計試圖回應原有的綠化，以樹冠中樹枝重疊的形態作為表皮的原型，並藉助於Voronoi工具控制整個表皮的生成，以達到透光和阻擋視線的雙重效果。
▲ 東京空域外觀（Faulders Studio，2007）
作為圖形操作的一種手段，Voronoi圖的生成原理是對標準幾何體系中的胞點（vertex，又稱控制點）、邊界、細胞（cell，或稱單元、區域）等基本元素進行一系列有序操作。其細胞的大小、形態及分布規律，受到胞點之間距離差異的影響，進而使得細胞的密集程度也有所不同。胞點按照圓形、螺旋形等分布規律所產生的Voronoi圖形，其形態關係清晰可辨。
▲不同的胞點分布規律所生成的Voronoi圖形
2 洞口設計
在東京空域中，Voronoi生形的策略通過以下抽象的幾何操作逐步形成了設計的洞口：①根據室內平面布局中採光和視線的要求調整胞點的位置，進而調整細胞的大小及其所形成多線條連接的圖形；②給邊界線賦予寬度，對面積較大的洞口，其邊緣線的寬度適當增加，以適應表皮的整體剛度要求；③在線段較多的交點處，對相鄰邊緣線進行倒角處理，以形成接近圓洞的效果，並增加交點處的強度；④兩層不同形態的表皮疊加，進一步強化了視覺複雜性和外部視線的遮擋效果。
▲ 洞口設計
3 材料化
Voronoi圖形生成後，為了使圖形轉換成可建的材料，除了賦予其材料厚度、確定加工方式（採用鋁塑板切割），還進行了以下操作：①沿樓層標高處伸出水平鋼骨架，沿牆體軸線位置伸出豎向鋼骨架，構成支撐整個表皮的主要結構體系；②表皮背板上按照指定間距（多為450 mm）沿邊界線方向布置金屬片，以豎向細金屬線固定，巧妙地隱藏了連接的節點。
▲ 結構
經過這些巧妙的洞口設計和材料化操作，利用光線（採光）和控制視線的要求與獨特的視覺效果同時得以實現。與複合生態屋一樣，這種由「原型—抽象圖形—幾何操作—結合性能要求的變形—材料厚度—分層—結構/連接」的思考路徑，是參數化表皮設計中從構思到落實過程中常見的一種模式。
當然，與圍合性表皮不同，在此類開放性洞口中，由於不必考慮絕熱、防水等密封因素，所以洞口形態能更加多樣。
三 阿斯塔納新國家圖書館
在2009年阿斯塔納新國家圖書館競賽中，BIG的設計方案為地下3層、地上9層的複雜形態，總面積為3.3萬㎡。其主要設計概念是蒙古游牧民帳篷的傳統圖案，同時利用表皮達到遮陽和調節室內光環境的作用。儘管該方案最終並未獲實施，但其利用參數化方法將形態、流線、結構、細節和光線控制相結合的設計思路值得借鑒。
1 策略
整個方案借鑒莫比烏斯環的形態，形成了循環的空間結構，融合了環形流線、圓形大廳、拱門和蒙古游牧民帳篷的概念。
▲ 阿斯塔納新國家圖書館效果（BIG，2009）
在整體形態的限制之下，通過菱形的曲面細分，將兩個莫比烏斯環相扣形成的連續表皮轉化為扭轉的網格體。其參數化操作的構想是：先利用Ecotect模擬分析太陽光對錶皮的影響，再將模擬結果通過Grasshopper進行參數設置，按照對遮陽與採光的需要程度確定表皮上的開口方式。
▲ 表皮生成
2 洞口設計
上述案例中，洞口設計是解決採光與遮陽問題的關鍵。由於一年中不同時間段陽光投射到洞口上的角度不同，按照從4月9日—9月5日計算的光強度，500+是最強的部分，140是最弱的部分。而對於四個點（A，B，C，D）組成的洞口而言，S點是控制其尺寸的關鍵點。通過調整S點的位置，可形成不同大小的洞口。黑色的部分是洞口，白色的部分是鋼結構。這樣的處理可以平衡採光和遮陽的關係，使得每個菱形單元格既可以提供自然採光，又可以隔離太陽的直射光線，從而保證室內環境達至最優化，並達到節能的效果。
▲ 不同角度的洞口處理
3 材料化
由於項目處於方案階段，故表皮的深化設計並未完成。但其材料化的思路是：採用類似玻璃幕牆的做法，將菱形單元轉化成框架式表皮結構，再通過三角面的平板玻璃實現細部的轉折。由於每個單元的尺寸、角度各不相同，會使每個構件和玻璃的尺寸都不一致，需要精確的定位和專門的定製。這樣一來，建造成本無疑會大大增加，對施工精度的要求極高，再加上底部結構的懸挑也碰到了很大的困難，所以方案最終未能實施。
▲ 表皮構造形成過程
四 小結
三個案例的設計暗含著這樣的邏輯：在設計基於性能的參數化表皮時，建築師首先要在性能、數值（數據）、圖形之間建立起一系列互相對應或影響的聯繫，按照這些聯繫的規律來控制單元構件的形態和組織方式，進而生成表皮的整體形態，並通過相應的幾何操作形成洞口（即圖形的抽象操作）；然後，對洞口的位置、大小、形態及其與附屬功能設施的結合進行整合；最後，再將抽象圖形賦予材料，並結合材料的特性設定適宜的構造做法（即材料化）。
▲ 三個案例的分析比較
在這個過程中，洞口設計往往會成為參數化表皮中性能與形態結合的關鍵點。洞口的布局、單元形態和組織關係的實現，會藉助於複雜幾何關係的操作，這是對錶皮的整體形態進行細分並出現洞口的關鍵一步。與傳統設計方法中的繪製不同，其位置和大小的確定，不僅依賴於常規的採光、結構限制、視覺效果等模糊判斷，更需要藉助於一組相互關聯、易於調整且精確控制的參數來實現。
在設定這類參數時，性能及其相關數據既可以成為表皮細分時幾何操作的參考（如複合生態屋和東京空域），也可以直接成為控制洞口變化的依據（如阿斯塔納新國家圖書館），進而通過數據的轉譯來設定或干預形態操作的規律性。除了本文列舉的案例，大量已經建成或正在研究的參數化表皮都經歷過這一規律性的設計過程。
「數字設計方法與工具」
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1. 姜俊成，劉士興. 參數化表皮設計中基於性能的洞口生成[J]. 新建築，2018（4）：4-8.
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7.華好，李飈，盧德格爾·霍夫施塔特. 運算化住宅設計——從科研到教學[J]. 新建築，2018（4）：34-39.
參考文獻、圖片來源及全文詳情請查閱《新建築》2018年第4期（總第179期）。
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