建筑材料的计算机模拟及其对当代设计美学的影响1.doc
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1、精品论文推荐建筑材料的计算机模拟及其对当代设计美学的影响1曾坚 1,苏毅 11 天津大学建筑学院,天津(300072)摘 要:近年来,利用计算机模拟建筑材料性能的方法,已在一些建筑设计过程中得到了初步应用。本文介绍了与建筑材料的视觉、受力、可加工性、经济性、热工和能耗等 5 种性 能有关的计算机模拟程序的基本情况和在建筑设计过程中的应用案例;并探讨了计算机建筑 材料性能模拟程序对当代设计美学的影响。关键词:计算机模拟、材料、性能、设计美学 中图分类号:TU-81.引 言材料是建筑物赖以存在的物质基础,是设计思考的重要内容。1建筑材料及其构造方式与建筑师使用的辅助设计思考的工具之间存在着密切的联
2、 系我们不难从历史上艾森曼(Peter Eisenman)十号住宅的白墙与卡板纸模型,从密斯(Mies van der Rohe)的范斯沃斯别墅的大面积透明玻璃与他细弱游丝的铅笔草图,从格雷夫斯(Michael Graves)波特兰市政厅外墙缤纷的涂料与他稚拙的彩色铅笔画,从弗莱 奥 拓(Frei Otto)的世博会德国馆与肥皂膜找形模型之间,获得关于这种相互影响与依存的联 系的直观感受。2而近年来,针对建筑材料各方面特性的计算机模拟程序在设计过程中得到了初步应用。这些软件具有什么样的功能,在哪些建筑的设计过程中得到了应用,以及它们对当代设计美 学有怎样的影响呢?2.计算机模拟建筑材料性能软件
3、的发展概况2.1 模拟软件概况“计算机模拟”是采用数量关系描述现实世界中物质的特性,用数学公式概括物质间作 用的规律,预测物质系统在一定条件下会做出如何反应的一段计算过程。模拟软件(或其他 用途的计算机软件)大致都可认为由三个层次构成核心算法、功能实现和人机界面。核 心算法多为物理和数学家所提供;功能实现也就是“编程”用各种类型的计算机语言, 从高执行效率的汇编语言至各种方便简捷的高级语言,建立输入和输出参数间的联系;而人 机界面则是给与软件运行以视觉化的环境,让它能为使用者所理解和操作,近来越来越多的 艺术家、心理学家和建筑师也加入开发人机界面的工作中。3模拟程序如果具有了接近真 实的人机界
4、面和自然的交互感,就自然而然地进入了“虚拟现实”的领地。4用于模拟建筑材料性能表现的软件有多种类型,大致可分为:针对视觉属性的模拟、针 对力学性能的模拟、针对可加工属性的模拟、针对热工和能耗的模拟、针对建筑经济性的模 拟等。2.2 视觉属性的模拟视觉属性在对材料感官认识中占有很重要的地位。任何一种视觉属性如颜色、光泽、1 本课题得到教育部博士点基金项目(20050056031)资助。- 17 -凹凸、颗粒、透明(光)、镂空、虹彩、纹理等都与“光”密不可分。而“光”对建筑艺术本身亦起着支配性的作用柯布西耶(Le Cobusier)在走向新建筑中写道“建筑就是 量体在阳光下精巧、正确、壮丽的一幕戏
5、”, 路易斯 康(Louis Kahn)也曾说“太阳一直不 曾明白它是何等伟大,直到它射到了一座房屋的侧面”。5第一种对漫射材料视觉属性的计算方法,是朗伯(Johann Heinrich Lambert)1760 年左 右对“光度学”的研究中发现的。朗伯因为一件事而感到困惑太阳,虽然是球体,但中 央和边缘的亮度看上去却是相同的,更像个平面圆盘;经过思考,他提出了“朗伯余弦定 律”漫射体表面发出的与法线方向成特定夹角的光强,等于法线上的光强乘以该夹角的 余弦。6今天的 Maya 等三维软件中还包括这个最古老的“Lambert”材料,用来模拟均匀 漫反射、漫透射和漫发射材料的效果。7朗伯反射体的亮
6、度只与光源有关,与观察角度无 关。建筑中采用的石膏板、粉刷白墙、毛玻璃的毛面等也可近似地被看作“朗伯体”。而对有光泽材料的计算机视觉模拟,最早是由裴祥风(Bui Tuong Phong)1973 年在犹 他大学(University of Utah)实现的。他将材料的光照效果分为互不影响、相互叠加的三部 分:高光(Specular)、漫射光(Diffuse)和环境光(Ambiant)。漫射光和环境光都满足上面提 到的朗伯定律。而高光部分的亮度,与光线的镜面反射角方向及物体的光滑程度都有关系, 这就形成了今天在 3ds Max 软件中我们常常会用到的“Phong”材质。“Phong”材质适于 表
7、现塑料这样的光滑材料。8图 1 Phong 材质光照效果示意图随后,为提高计算机运算效率,改善高光形状,1977 年伯苓(James F. Blinn)发明了 Blinn 材质。而为了刻画真实多孔类粗糙材料,如红砖、麻布等的漫反射效果,20 世纪 90 年代,欧仁(M.Oren)和纳亚(S. K. Nayar)通过物理实验改进了 Lambert 材质,形成了 Oren-Nayar 材质。9人们还针对金属板开发了的 Strauss 材质,针对拉丝金属板及纤维类材料开发了各向异 性(Anisotropic)材质,针对透光石材(如汉白玉),开发了在表面以下还能向外反射一部 分光照的 SSS(次表面散
8、射, Sub Surface Scatter)材质。10若为物体选择了合适的材质,在 高阶光照中如在光线跟踪和光能传递算法处理下,可以达到照片般乱真的效果。在一些 “光度学”模拟软件中,如由美国劳伦斯伯克利实验室(LBNL)开发的 Radiance 渲染器, 还可以查得该材质表面在特定光照下,以尼特(nit)为单位的亮度数值。11而要表现大面积建筑材料的视觉效果,情况就要复杂些,例如毛石墙:几何模型中不可 能把每一块毛石都如实绘制出来,因此需采用在平面上贴图(Mapping)的简化办法。而且 我们还注意到:真实的毛石墙,灰缝比毛石要凹入一些,毛石自身也有凹凸变化。视差贴图(Parallax M
9、apping)是实现上述效果的一种特殊贴图方法,它需要在相同位置上重叠的三 幅图片:表面颜色图片、表面深度图片和法线方向图片。12图 2 视差贴图效果(左图:启用视差贴图,右图:未启用视差贴图)过去,得到一幅精美的计算机图像需要花费不短的时间。今天,随着显卡(GPU)性能 的大幅度提高13,以及不少巧妙的算法的提出,渲染所需要的时间也越来越少:一些三维 游戏具有令人惊叹的高真实度的画面效果。ATI 公司在 2006 年度计算机图形学会议 SIGGRAGH 上演示了精细的帕提农(Parthenon)神庙的实时渲染画面,给建筑师留下了深 刻的印象。14当代的一些三维设计软件,也设计为能在工作空间中
10、实时显示光照效果,如 已被微软(Microsoft)公司收购的 Caligary 出品的 TrueSpace 等。15Google SketchUp 软件,为了提高交互性、节省计算量,采用了另一种相反的思路 简化和抽象,只反映材料的基本色彩、组织单元和大明暗面等基本信息,而忽略复杂细碎的光影变化。类似于 Catia 这样以设计自由曲面为特色的三维软件,虽然显示效果看上去非常 朴素,却提供实时镜面成像和斑马线分析功能,便于检查曲面材料间的接缝。它们也受到不 少建筑师的欢迎,可见,材料视觉模拟软件的真实性与交互性,二者都是重要的。162.3 力学属性的模拟选择何种材料才能满足建筑使用的需要,需要知
11、道此材料是否能承担各种可能的应力, 以及材料在此应力下的变形是否在使用者心理的可承受范围之内。一级注册建筑师结构课考试大纲要求建筑师掌握用解析法分析建筑受力情况。这种方法 比较适于分析梁柱层次清晰的正交体系。而对于复杂几何形建筑的设计,目前常采用 FEA (有限元分析,Finite Element Analysis)方法。如妹岛和世(Kazuyo Sejima)在瑞士洛桑高等 工学院(Lausanne EPFL)学习中心(Learning Centre)的设计过程中,引进了有限元分析法 来辅助对形式的思考,设计过程改变了过去“先建筑,后结构”的传统模式,而是建筑设计 与结构设计互相结合。17而
12、对此类建筑形态的优化,可在参数化设计软件中采用目视判断 法和机器优化法进行,机器优化可通过设立一些条件,采用模拟退火算法、混合遗传算法等 方法求解,对矛盾的条件,机器也会给出相对折衷的结果。而在 Catia 平台中,FEA 的计算 值可作为一项设计参数值而被引用。图 3 妹岛和世设计的瑞士洛桑高等工学院学习中心的形象图 4 洛桑高等工学院学习中心设计过程中进行有限元分析的过程图片洛桑高等工学院学习中心建筑外形很平滑,曲线优雅,仿佛漂浮在空中而不被重力束缚 似的在计算机辅助几何设计(CAGD)和结构有限元分析(FEA)的结合下,这样的形 态比采用传统方法更容易成为现实。有限元分析软件过去常需要进
13、行手工网格划分等准备工作,操作比较繁琐;而 Catia 等 设计软件的有限元分析工作台在概念设计阶段中,只需要输入荷载、材料、形状、约束这四 个具有明确工程含义的数据,直观性很强。 18张拉膜建筑所用到的膜材,在理想状态下是等应力极小曲面膜材上任何一点,所受 到的来自膜各个方向的拉力都相等。“找形”(form-finding, shape-finding)是指在给定膜 材边界约束和预应力的情况下,确定膜的形状的技术方法。对于张拉膜建筑,有专门的“找 形”解法,如力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等。虽然在类似于 Ansys 这样的通用 软件上进行找形是可行的,但采用专用膜结构设计软件无疑更加
14、高效。这类软件,比如天津 麦卡特膜结构科技发展有限公司研发的 MEDE、德国 EASY 公司研发的适于施工图设计阶 段的 EASY 和适于概念设计阶段的 CADISI、意大利 Forten 公司研发的 Forten3000 和适于概 念设计阶段的 TensoCAD 和 RhinoMembrane 等。图 5 利用动力松弛法为膜结构建筑物找形2.4 可加工性的模拟可加工性反映了建筑材料从一种形式向另一种形式可能的转化方式。如金属板能被弯 折,木材可被锯开,砖头可被砌筑。李允鉌在华夏意匠中写道,“古代的看法是:设 计不过是为施工服务,而不是施工目的在于实现设计。” 19中国建筑传统中,人们 对材料
15、可加工属性非常尊重。盖里(Frank O. Gehry)建筑师事务所选择 CAM(计算机辅助 制造)类软件 Catia 辅助造型设计的出发点,也是为了使自己的设计与加工更紧密地结合在一 起。20盖里在建筑中大量采用可展曲面(Developable Surface,即可被展开成平面的曲面)正 是出于这方面的考虑。应用可展曲面,意味着建筑的曲面墙板可由平面金属板材通过冷弯和 与曲线龙骨焊接而形成,其相同面积造价大约是三维铣削铸造锻造方式的 1/5。21 为克服 Catia 原软件在可展曲面建模方面功能的局限,麻省理工大学(MIT)建筑系设计与 计算机专业的博士生丹尼斯 舍登(Dennis R. S
16、helden),为盖里事务所开发了一种由多个 不同方向上的可展曲面及它们之间的连接曲面共同构成的“纸样曲面”(Paper Surface)工 具。22盖里的 Weatherhead 项目和 mARTa Herford 项目都是应用“可展曲面”的实例。后者的 施工图是由 KSI-Bochum 公司利用 Rhinoceros 软件的可展曲面功能绘制的。23图6 Weatherhead 项目中的计算机表面模型、可展曲面的直纹线方向、主龙骨与次龙骨、结构施工图图 7 mARTa Herford 项目的计算机模型因为盖里等建筑师证明了 CAM 类软件在描述与表达材料可加工性方面先天的优势, CAM 软件
17、所具有的参数化设计功能被一些建筑软件所吸收,比如 Revit 、Microstation Generative Components 等。碳纤维聚酯材料为了加工的需要,有时采用直纹曲面进行设计。如纽约普瑞特学院(Pratt Institute)建筑系的麦克 塞文(Mike Silver)教授研究了控制碳纤维聚酯材料形状的 Script 语句,这些语句用来驱动切削碳纤维聚酯的泡沫内瓤的 CNC(计算机数字控制,Computerized Numerical Control)机械。24图 8 直纹扫略面的切削路径和控制此路径用的语句图 9 完成后的碳纤维树脂树枝形装饰灯(chandelier)形式(
18、左)和 CNC 泡沫切割机(右)金属板折角多面形也是一种常见的构造方式,比如褚智勇建筑设计的材料语言书中提到的由弗伦克 西蒙(Freenc Simon)和伊万 弗克瓦里(Ivan Fokvari)设计的德国德累斯 顿中央购物中心。25这类多面体造型,可追溯至犹他大学的计算艺术先驱 Ron Resch 编写的 多面体组合与展开算法。26 今天的一个专用展开图软件是由日本 Tamasoft 公司研发的 PepaKura。27建筑师 Wojciech Kakowski 设计的 2010 年上海世博会波兰馆,采用这种基于 材料展开变换的思路,使波兰民族特色的纹样能够在建筑各个表面呈现。28图 10 W
19、ojciech Kakowski 设计的上海世博会波兰馆建筑形象(上)和展开图(下)而在前一节提到的膜结构设计软件,如 MEDE、EASY 等,都可在“找形”的基础上, 将膜材从曲面形展开为最接近的平面形,并绘制裁切线。图 11 由 Easy 的子软件 EasyCut 绘制的张拉膜结构膜材裁切图砌体不论在东西方,历史都非常悠久。现在,计算机辅助设计为这种传统的构造方 式注入新的活力。如格拉戈 林恩(Greg Lynn)利用带有空间碰撞检测功能的软件探索了 新的泡泡状砌块形式和新的组砌方式,并用机械臂式数控切割机辅助加工这些砌块。这种砌 块已经有了一些应用实例,其中一个就是在 SCI-Arc 画
20、廊展出的泡泡亭体现出由这种新 型砌块砌成的建筑灵活、柔美和洋溢着欢快气氛的鲜明个性。29图 12 格拉戈 林恩设计的泡泡状砌块(下)和由该砌块垒成的墙(上)图 13 SCI-Arc 画廊展出的格拉戈 林恩“泡泡亭”照片一些建筑师的作品,其砌块本身还是传统的长方体,而由计算机去探索组砌方式的可能 性。如由贾一鹏(Yee Peng Chia)和艾里克 马斯洛斯基(Eric Maslowski)用 C+语言为 麦克 塞文(Mike Silver)事务所编写的 Automason(自动泥瓦匠)软件,采用元胞自动机算 法,可生成新颖的砌砖方式。这种软件在 2003 年加利福利亚硅谷圣何塞州立大学的艺术与
21、 设计博物馆竞标项目中得到了应用。塞文说,这座建筑是“算”出来的,而不是“画”出来 的。下图是 Automason Ver1.0 软件的截屏画面。30图 14 Automason 软件的截屏画面还有不少建筑师,从不同方面扩展砌块的造型潜力如 Defne Sunguroglu2006 年在伦敦开发了一种可用于复杂曲面形墙壁的包含拉结钢丝的新的砌筑方式及其模拟方法;31Eichi Matsuda 研究零散小木条的自然堆积形态等。32除了上面介绍的这些实例,由于建筑中可采用的材料很丰富,还有很多材料具有不一样 的物理特性,对应于完全不同的加工方式及模拟软件;建筑师有时需根据实际设计要求寻找 软件,或
22、与计算机专业合作定制新软件。2.5 热工和能耗属性的模拟建筑的基本功能之一是遮风避雨,在室内创造舒适宜人的热环境。采用不同的建筑材料 对整体建筑的热工和能耗有较大的影响。在围护结构中使用的不透明建筑材料的热工属性主要指标包括:密度、质量比热、导热 系数、蒸汽渗透系数、含水量、板材厚度等。而透明的玻璃还可透过或反射特定波长和比例 的辐射热能。出于美学上偏好,玻璃幕墙在我国被大量采用。但实际上,大面积玻璃立面建筑的热舒 适性和节能性并不好。我们在设计中,采用热工模拟软件辅助设计,利于选择舒适节能的立 面材料和做法。比如,采用 EcoTect、DOE-2 等模拟软件适于分析全年建筑采暖、空调能耗,
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- 建筑材料 计算机 模拟 及其 当代 设计 美学 影响
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