建筑数字化的过去，现在和未来

**深圳老梁** · 管理员|**深圳老梁** 发表于 2020-3-16 08:48:32

编者按：本文来自微信公众号建筑志（公众号ID：jianzhuzhi），本站经授权转载。

3D扫描-巴特莱特建筑学院

如今，机器人建造，人工智能等数字化工具在建筑领域的运用越来越普遍。无论是大型公建，还是小型住宅，一个建筑项目不使用某种数字工具进行设计或建造的情况越来越少。数字化的技术给予了我们建筑空间新的体验，同时也帮助建筑师们开拓各种新的可能性。

未来，数字化的应用也将会越来越贴近我们的日常生活，使我们更方便的获取和利用信息。虚拟数据和数字信息的互动性和连通性将会比以往任何时候都更强。在这种时代背景之下，数字技术的利用对于建筑领域也是一个巨大的机遇，通过这篇文章，小编想和大家一起分享一下关于建筑中数字化发展的过去，现在和未来方面的知识。

2018年火人节寺庙—用Grasshopper所设计的项目

01

起源：形态思维

我们对数字化时代建筑未来的关心与如何理解人类与自然的关系有着直接的联系。19世纪生机论（Vitalism）到经验主义的转变，标志着科学技术的进步。人们对于大自然中的生命有了更深入的了解，汤普森的《生长和形态》和达尔文的《物种起源》所表达的结构主义思想激发了建筑师在设计中利用自然的行为。

1896年，芝加哥学派建筑师路易斯·沙利文将其思想概述为形式总是追随功能，而他的门徒弗兰克·劳埃德·赖特也提出了“有机建筑”的思想，在他所开创的草原学派的建筑运动中，这种思想在设计中体现的最为明显——从它的形态到它的功能，建筑可以被理解为一个与环境相协调的有机体。

路易斯·沙利文

弗兰克·劳埃德·赖特

这种思维可以概括为”形态思维“，它让建筑师思考自然规则如何能够超越所有建筑设计的形式。德国斯图加特大学的建筑教授阿希姆•蒙格斯(Achim Menges)表示，形态思维在今天仍然适用。他说:“在大自然中，形式的产生和它的物质化具有内在、不可分割的联系。”因此，形态学的设计使设计和制造更加紧密地联系在一起。”这是充分挖掘数字技术在建筑设计和施工中潜力的先决条件。”

02

最初的参数论者

对自然法则的深刻理解，以及这些法则背后的数学原理，极大地影响了20世纪早期到中期的建筑师。虽然他们当时没有今天的技术条件，但他们能够以一种类似的方式利用形态发散思维。具体来说，这导致了一系列被称为“原始参数”设计方法的产生，或使用模拟计算形式的手段使用参数。在这一时期，沙利文的“形式总是追随功能”开始有了新的含义。

意大利建筑师Luigi Moretti认为，假如建筑的功能可以通过一组参数来描述，那么建筑师就可以使用与性能标准相关的数学方程来设计形式。西班牙建筑大师安东尼·高迪在设计圣家堂的过程中便采用了模拟计算的方法。他开发了圣家堂的悬链拱顶结构，他把基层设计的模型倒置，每个相应的点上吊着悬链，每条链上挂着重量与实际成比例的沙袋，这样稳定后的绳子自然产生的曲线就是拱顶和拱门应该用的角度，也叫抛物拱。悬链结构的优点在于，它只受自相抵消的切力作用，能够平均分配支撑重量。

倒挂悬链的设置

倒挂装置底下的镜子倒映出了稳定的结构

圣家堂

遗憾的是,高迪的图纸和大教堂的模型,被毁于1936的西班牙内战。20世纪70年代末和80年代，年轻的澳大利亚建筑师马克·伯里(Mark Burry)在认真研究剩下的碎片时，拼凑出了构成高迪所有模型基础的复杂数学代码。巴里的研究使高迪的作品进入了国际公共领域，高迪的方法在20世纪末21世纪初影响了世界各地的许多建筑设计师。随着计算工具进一步发展，将物理引擎(可以帮助模拟物理系统的软件)用于模拟真实世界的结构行为，这一点变得尤为明显。

德国建筑师和工程师弗雷·奥托（Frei Otto）进一步发展了这种使用模型进行模拟计算的方法。奥托是自然界结构(包括肥皂泡和蜘蛛网)计算领域的领军人物，他使用详细的物理模型来分析、理解、记录和计算这些结构是如何形成和执行的。1972年，他为慕尼黑奥林匹克体育场(Munich Olympic Stadium)建立了一个复杂的物理模型:将金属丝、细绳和精密成像摄像机对准这个模型，计算体育场屋顶结构的拉伸行为。

弗雷·奥托

慕尼黑奥林匹克体育场，设计：弗雷·奥托

这一时期的其他原始参数论者包括美国建筑师理查德·巴克敏斯特·富勒。富勒对宇宙是如何运作的有着浓厚的兴趣，这促使他开发了很多预制建筑，这些项目从科学技术工程和创新中汲取灵感。在富勒看来，一个使用较少资源的世界将通过降低产品的总体成本并使更多的人更容易获得这些产品，从而创造一个更加平等的经济。这进而将导致一个更加可持续和民主的未来。他的作品可以被看作是当今数字设计和数字制造背后的建筑精神的一个先例。

理查德·巴克敏斯特·富勒

能飞的房子，设计：理查德·巴克敏斯特·富勒

曼哈顿穹顶，设计：理查德·巴克敏斯特·富勒

03

一场控制革命

二十世纪八十年代后期以来，以电脑技术为基础的一系列信息传播新技术和信息传播系统的作用日益凸现，电脑互联网络已迅速崛起为最新的媒介。被称为“第四媒体”的因特（互联）网，已成为新媒介的最杰出代表。在这样的新形势下，学界业界在有关媒介分析理论的研究中，显然应加倍关注那些以探讨比电视更新的传播新技术与新型传播系统为切入点的媒介技术分析理论。

美国传播学者詹姆斯·贝尼格（James Beniger）1986年在其专著《控制革命：信息社会的技术与经济起源》中表达的阐述电脑技术等信息传播新技术在当代社会中的重要地位的“控制革命”论，正是这样一种媒介理论。这一理论透过信息传播新技术的发展，透视社会发展的信息化动向的由来，探溯“信息社会”的起源。

这些创新思维背后的逻辑，是使用信息处理、机器学习和人工智能的控制论体系结构和自适应体系结构系统的核心。控制论激发了建筑师和设计师们采纳这些想法，并利用它们来理解人类和机器之间的关系。他们经常通过设计乌托邦空间来实现这些想法，这些乌托邦空间在20世纪60年代和70年代得到了来自技术和人的不断反馈。

通用构造函数是一个自组织交互式环境的工作模型。包含集成电路的一系列单元彼此通信，每个单元的状态可以映射到图形输出设备。

在以这种思维设计的建筑师中，最著名的莫过于英国建筑师塞德里克·普莱斯(Cedric Price)了，他的作品启发了后来很多的建筑师（包括库哈斯，理查德·罗杰斯等等）。他通过草图、提案、教学、写作和对话来传递对城市的无限想象力。他与戏剧导演Joan Littlewood合作的“玩乐宫”（Fun Palace）项目虽未建造，但它启发了理查德·罗杰斯和伦佐·皮亚诺在巴黎的蓬皮杜艺术中心。

蓬皮杜艺术中心的设计是一个不断变化的空间图，它提供了一个巨大的开放空间，可以最大限度地发挥灵活性，满足不同的活动。在这个空间里，人们可以自由漫步，欣赏艺术品和装置，发现建筑中的收藏品——所有这些都不需要建筑本身指引到特定的路径。一个人通过建筑的方式是由他自己的需要、欲望或需要决定的。

“玩乐宫”—塞德里克·普莱斯

蓬皮杜艺术中心

在1972年出版的《建筑机器》(the Architecture Machine)一书中，尼葛洛庞帝(Nicholas Negroponte)和他在麻省理工学院的研究小组设想：未来人类与机器之间的动态关系是一种对话，机器最初可以向人类学习。他的工作集中在设计的进化过程，在这个过程中，机器学习将使计算机不断地学习以产生更好的设计。

在类似的思路下，Julia和John Frazer的研究（20世纪80年代和90年代AA的杰出人物）——使用生成和进化算法作为设计过程的新模型。约翰·弗雷泽(John Frazer)反思道:“控制论将使一种设计好的新形式的人工制品与自然力量和谐互动、进化。”“所有设计的人工制品都涉及与用户和环境的互动，因此可以被理解为控制论系统。”如今，进化计算也被广泛应用于建筑设计中—作为优化过程的一部分，或者通过结合各种性能标准来寻找最佳可能的结果。

04

早期的数字化探索

20世纪70年代中期和80年代的经济危机和衰退促使建筑师重新调整他们的实践方式。许多建筑师，开始研究更多其他形式的建筑实践，并从其他行业寻找灵感。在20世纪80年代末和90年代初，随着数字工具设计的复杂形式在建筑和设计行业中变得越来越普遍，计算工具不仅在设计过程中变得越来越重要，而且在图纸的绘制中也变得越来越重要。这些工具使建筑师能够使形式更加合理化。

美国建筑师彼得·艾森曼(Peter Eisenman)是早期数字建筑时代的重要人物。艾森曼的作品的特点是从拓扑几何学、麦卡托网格(Mercator grid)等不同领域中借用大量的理论术语，将他们引入自己的建筑作品中。在“法兰克福生物中心”的设计过程中，他运用了DNA在蛋白质合成过程中的三种机制：复制、转录、翻译，来作为建筑布局的主要构思。

设计概念—法兰克福生物中心

法兰克福生物中心

1993年，格雷戈·林恩（Greg Lynn）编辑了建筑设计杂志的《建筑中的折叠》，这是该杂志第一次整版致力于探索建筑“新数字技术在当时蓬勃发展的体现”。Greg Lynn ' s Embryological House(1997-2001)是数字建筑中最具象征意义的后折叠建筑实例之一，在这一过程中，形成形式的基本组成部分，并最终产生了他称为“blobs”的流体形式。

林恩探索了大规模定制，以产生独特的房子迭代;与此同时，他尝试用数控制造来实现房子的每一个不同的迭代使用相同的方法。以这种方式，林恩设计了50,000多所房子——所有的房子都有相同数量和类型的组件。有了这种建筑模型，人们可以根据自己的需要定制自己的房子，同时保持在一个特定的框架内进行设计生产。二十年后，在任何行业的设计或制造领域，仍然很少有像这种方法那么强大的了。

美国建筑师弗兰克·盖里(Frank Gehry)对计算工具使用的影响更为广泛，他利用数字技术开发设计方法和设计软件。为了使他的设计以最小的改变实现他的意图，并促进建筑设计的生产阶段，Gehry和他的团队为CATIA创建了一个界面。CATIA是一款最初为飞机工业开发的建模软件。该软件生成的数据可以直接发送给制造商，而无需调整制造机器可能具有的任何特定公差。这后来发展成一个单独的建筑信息建模软件—BIM。

格雷戈·林恩形式—“Embryological House”，1998

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从虚拟到物理

正如我们已经开始看到的，数字技术和建筑技术的进步使建筑师能够表达和实现那些以前只能被概念化的形式。20世纪90年代末到21世纪初，在建筑尺度上实现了过去几十年探索的概念。金融市场的繁荣意味着大量的资金被投入建筑。

对更具表现力的形式的探索在世界各地的不同城市产生了标志性建筑，譬如盖里所设计的毕尔巴鄂古根海姆博物馆。古根海姆博物馆的双曲面钛包层被誉为建筑的一个转折点，因为如果没有计算机辅助设计(CAD)软件，它是不可能建成的。物理输出是虚拟三维模型的直接表示。

毕尔巴鄂古根海姆博物馆

与更传统的直观和艺术的形式制作不同，其他建筑师通过将功能或空间元素概念化为一系列图表来探索过程的形式表达 ——他们认为这些图表本身就是一个不断发展的模型。正如UNStudio的作品所展示的那样，这些空间的特征通常是具有一系列循环的连续形式，以图表的形式来表现建筑的空间组织。例如，UNStudio的Mobius House和Mercedes-Benz博物馆探索了扭曲、折叠和空隙的概念，将平面和剖面结合起来，创造出这些概念的建筑分析图。

由FOA在1995年设计的日本横滨国际港口码头，在当时被认为是一个未来主义的设计。.航站楼的屋顶是一个超过400米长的航站楼，有着起伏、交织的一系列形式和空间，模仿了不断变化的景观，人们可以从外部无缝地移动到航站楼的内部。计算机辅助设计的进步使这一概念得以实现。终端的复杂形式通过使用详细的带肋的部分来捕捉，然后在物理上实现为结构。航站楼的设计通常由非正交的墙壁、地板和天花板组成，并带有非标准化的部件——这些部件被重复使用，但在每次迭代中并不完全相同。这是通过用于模拟终端形式的数字工具实现的:它们允许类似但不同的组件组成数组。

日本横滨国际港口码头

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合作性实践

之后，互联网的崛起推动了新的通信技术的发展，这意味着任何建筑实践所需要的协作将以前所未有的速度发生。建筑师们可以通过各种渠道（邮件，社交软件）等交流。这一时期标志着从机器时代到信息时代的转变，一些建筑师开始通过利用信息技术的进步来扩展实践操作的潜力。

电信、互联网和使用BIM的数字化项目使一些人能够围绕网络通信、增加合作和集体智慧来改革他们的实践。从在全球拥有多个办公室的大型公司到分散在几个城市中只有一两个成员的小型实践，越来越多的国际建筑公司，事务所开始出现。

设计团队成员之间的思想交流可以使概念和解决问题的不同方法从多个角度得到考虑。数字设计越来越需要创新的工作流程，能够吸收各种专业技能以及集体知识基础。”

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自然的数字化

几十年来，学术实践一直是建筑师和设计师在疲软的经济环境中寻求庇护的地方，这种经济环境影响了建筑行业。

这种高度紧张的理论环境，再加上新的、令人兴奋的数字工具的广泛可及性，使2D绘图成为由过程算法驱动的虚拟3D模型——使用参数查找形式的集进式操作。随着科学和哲学的发展，我们对自然行为的理解也与数字技术和工具相结合。

数字技术让形态思维在20世纪得以进化，赋予了它新生，出现了各种概念、非线性和自组织系统、刺激和基于主体的建模。设计实验室Biothing的阿莉萨·安德拉塞克说:“科学正在揭开以前我们无法触及的隐形领域。”它是当今最重要的思想背景、资源和形式。揭示如何从中提取新的设计直觉，对于解决建筑生态复杂性的探索至关重要。”

BUGA纤维展亭—ICD

建筑协会(AA)设计研究实验室(DRL)强调了一种跨学科的方法来进行计算驱动的建筑设计研究;它涉及了更广泛的主题，同时也将自己置于历史悠久的投机性建筑设计项目之中，这些项目涉及了类型学、空间、基础设施和城市规划等问题。另一方面，他们也开发了框架，通过关注材料行为、仿生学和计算形态生成，来理解建筑设计中涌现和自然系统的潜力。

后来，斯图加特大学的计算机设计研究室和建筑结构实验室（ICD)共同建造了一个生物亭子，这是一系列新奇设计展示的一部分，来自生物建筑工程专业的学生利用一年的时间打造。这个项目是自然复合材料和机器材料的探索，利用不同的材料构造架构空间，最大化的保证了几何的自由形式。

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参数化的爆发

在过去十年左右的时间里，对数字工具和技术的潜力感兴趣的建筑师之间正在进行的争论之一是，数字和参数化设计工具是否仅仅是达到目的的一种手段，例如。事物是如何被设计的？或者，这些工具本身是社会和政治话语的体现吗?它们是一个设计的“为什么”和“为了谁”的象征甚至是可操作的吗?如今，鉴于围绕人工智能的使用、数据隐私、社交媒体和媒体自动化的未来展开的讨论，后者显然是不可避免的。

在数字设计工具的发展过程中，最重要的时刻之一可能是Grasshopper工具的发布。它由David Rutten在2007年9月设计，现在作为Rhino的常用插件。Grasshopper使用可视化的、基于节点的组件接口来创建可生成的算法，这些算法可用于创建3D几何图形和其他功能。与其他可用的编程语言相比，Grasshopper接口的简单易用很快吸引了许多数字建筑师。Grasshopper激发了各种生成设计的插件:蜜蜂（Bee），Geco，袋鼠（kangaroo），Karamba, BullAnt，蜂鸟，Heliotrope-Solar（几乎都是以动物物种命名的)。

虽然这些工具在生成形式、结构和环境分析以及模拟和优化形式方面非常出色，但它们不能成为建筑项目的主要驱动力——它们只是建筑的一个组成部分。此外，建筑不仅体现了技术、结构或机械问题，还体现了一系列社会、政治和经济素质和条件。

扎哈哈迪德建筑事务所的帕特里克•舒马赫在2008年提出了“参数化”理论。按照他的说法，参数化是“现代主义之后伟大的新风格”，是一种“从参数化设计系统的创造性开发中产生的范例，它清晰地表达了日益复杂的社会过程和制度”。此处与社会、风格和数字工具的结合在建筑学科中掀起了波澜，并在过去十年中引发了激烈的争论。参数化作为一种风格的一个比较突出的批评领域是“数字建筑”，当它被意识到的时候，是或者不是对周边环境问题敏感，比如建筑如何处理当地文化。

从这个概念出发，围绕参数化建筑是如何设计和实现的，出现了第二种批评。通常情况下，像哈迪德这样的参数化或“数字化”建筑师的建筑形式的复杂性要求使用过于昂贵和低效的生产方法——超出时间和预算，因此浪费了大量的资源。《卫报》建筑评论家罗文·摩尔写道:“参数化设计缺乏证据证明它确实有效。”“它基于一种未经证实的信念，即完全按照复杂和不可预测的用途来塑造建筑形式是可能的。”它应该具有适应性，流动性，响应性和与周围环境的联系。

实际上，这些“参数化”的建筑无法使用现有的预制建造方法:它们需要完全定制的生产链，这使得它们非常昂贵，而且是一次性的。因此，许多这样的建筑都是由富有的赞助人委托建造的，他们希望用标志性的建筑来代表他们的公司，甚至代表国家。这就产生了一个矛盾:尽管参数化的精神植根于民主化和协作，但它所产生的建筑并不是所有普通人都能使用的。近

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3D打印技术

随着3D打印机的出现，生活中的各种产品都能够通过数字化的方式进行建造。消费者也能成为生产者。目前，这些工具广泛存在于制造和设计行业，公众往往无法获得。然而，它们的可及性在不断增加，因此它们的影响力也在不断扩大。

WikiHouse是英国实践建筑事务所利用digck Ierodiaconou和Indy Johar开发分布式制造潜力的著名建筑项目之一。WikiHouse的目标是将“低成本、低碳的建筑送到每个公民、社区和企业的手中”。‘

Wikihouse

WikiHouse得到了媒体的一致好评。然而，作为一个系统，它的局限性激发了许多建筑师和设计师的思考——从如何处理材料、资源和环境，到设计复杂性、可伸缩性等。

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机器人建造

21世纪初，围绕工业机器人的高度竞争市场降低了它们的制造成本，这让建筑师和设计师更容易获得它们。至于机器人制造公司本身，他们也开始寻找可参与的替代行业。因此，建筑师们提出了这样一个问题:机械臂如何在设计中取代或提高人类劳动?机器人如何放大空间体验?他们如何帮助建设?

使用编程工业机器人代替人组装建筑元素的设计实验产生了一定的局限性。首先是机器本身的局限性。没有编程它不能移动，它被限制在它的半径和它移动的轴的数量上。此外，它还需要一个末端执行器——机器人手臂末端的装置，使机器人能够执行某个动作，就像手臂末端的手一样。末端效应器是专门为它要做的任务而设计和制造的——因此它需要定制。如果没有末端执行器或某种编程，工业机器人真的不能自己做任何事情。此外，值得注意的是，在这两个模型中，机器人取代了人类的劳动。

由建筑师Achim Menges领导的斯图加特大学计算设计与建造研究所的工作，已经开发出了所谓的网络物理方法。在这里，虚拟数据和物理数据之间的关系通过机器人技术和传感器技术相互连接。在2019年的BUGA纤维展馆中，大自然的建筑原则与先进的机器人技术和纤维复合材料相结合，形成了表现力强、重量轻、结构高效的建筑形式。这种综合性的方法将机器人置于一个大的结构框架中，同时利用它来做一些人类觉得太困难或太单调乏味的事情。

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The Discrete‍

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将社会意识和批判整合到建筑中是很重要的。由于数字技术唾手可得，而且成本极低，所以整整一代的建筑师和设计师都是在这些技术的熏陶下成长起来的。建筑师的梦想现在比以往任何时候都更容易实现。那么，被社会责任感和最先进的数字技术所激发的建筑又该是什么样的呢?

the Discrete是一个新兴的工作，它重新思考了建筑的基本构件。the Discrete的核心是希望“通过加速建筑计算和物理组装的离散性概念，重新定义整个建筑的生产链”。离散方式的体系结构被理解为是由自相似的、连续的和可重复的组件组成的，这些组件可以以许多不同的方式组合在一起。如今，通过一组有限的规则来计算设计可能性的能力比以往任何时候都要快，这催生了离散化，建筑的参数可以是构造的、环境的、材料的，更重要的是，具有社会意识和参与性。

建筑师兼理论家维奥拉•阿古(Viola Ago)解释道:“建筑作为一门产业和学科，必然会重新定义其在建筑环境和美学话语中的角色。”“建筑作为一种实践的系统基础设施已经被更大的公司所吸收。在这些经济和政治的转变中，使用离散的组件逻辑——将组件组装成更大的整体——对于新兴的年轻设计师和建筑师来说是难以置信的解放。这给了他们一个机会，让他们积极参与到我们当前的建筑实践意义的演变中来。”

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下一步:施工的数字化

在建筑行业，生产率自二战以来一直没有提高。虽然建筑设计实践已经使用了30多年的数字工具，但建筑仍然倾向于完全模拟，依赖于建筑工地的半熟练或非熟练的体力劳动。这意味着建筑业是一个整合和使用更多数字技术的成熟行业。有了它，这个行业的生产率将会提高，在建筑环境中，普通人将会更多地与数字联系起来。

自1978年以来，由于日本将出现严重的劳动力短缺，Kajima、Kumagai Gumi等日本建筑公司一直在开发自动化建筑技术。今天，日本仍然是将自动化建筑技术融入工业的先驱。这种创新的重点一直放在特定任务的自动化上，从铺瓷砖的机器人到装配天花板构件的机器人。

日本所经历的技术短缺在许多国家也变得越来越普遍，世界各地的各种建筑技术公司已经开始向日本的创新学习。例如，美国公司Built Robotics已经开发出了自动建筑车辆，可以在建筑工地周围运送泥土和其他材料资源。伦敦大学学院和谷歌的自主制造实验室利用无人机技术对环境条件太不稳定或太大，需要太多人力资源的地点进行测量。他们还利用无人机技术来存放建筑材料。

多米诺之家-柯布西耶

Katerra是首批获得投资超过10亿美元的建筑初创企业之一，它开发了一种工厂化建筑模型。106个零部件由工厂里的一家公司设计、制造和组装，类似于苹果的电脑或iphone。虽然这是一个自勒·柯布西耶(Le Corbusier) 1914-1915年的“多米诺之家”以来就一直存在的想法，但随着自动化技术的进步，工厂生产的建筑已经变得更加可能。与特斯拉的工厂类似，Katerra可以以令人难以置信的速度生产预制的建筑元素和建筑。

在物流方面，一些公司希望利用平台和web应用程序等自动化技术，利用人工智能和机器学习来简化施工。Procore这样的公司将单个项目中的所有涉众链接到一个平台中。这里的目的是使决策和程序更加有效和透明- -这些程序传统上是不透明的，往往是建筑工地争端的根源。

其他项目将自动化视为一种让居民参与城市环境生产的方式。Sidewalk Labs是加拿大多伦多谷歌公司的一个项目，它收集城市居民的数据，以改善城市范围内的基础设施决策和流动性。虽然在道德层面上，这个项目已经引起了世界各地建筑师的广泛争论，但它强调了这样一个概念，即未来的建筑环境可能需要我们与自动化系统的交互变得更加透明。