折纸这项童年技能，看看建筑师们都用它来干了些啥？

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你小时候玩过折纸吗？反正小编我是经常玩。一张纸通过折叠就可以变成各种形状的立体模样。在折纸艺术概念的基础上，建筑设计师们就把折纸元素运用到了建筑设计中，今天我们就领大家看一看，建筑师如何把折纸玩成了建筑。

自1990年代以来，人们就开始探索建筑中的折叠策略，以此作为通过应用复杂的几何图形生成空间和结构概念的方法。这些策略通常与涉及纸张折叠模型而不是数字查找表单过程的模拟工作方法有关。在这种背景下，本文着重研究了折纸原理对数字设计过程的影响和可能性，该过程使用参数化软件在实验和直观的设计方法中使用参数化软件生成完整的自适应系统。



折纸（源自ori的意思是“折叠”，而kami的意思是“纸”）具有几个世纪以来，它从日本的传统民间艺术演变为当代建筑和产品的设计策略。在传统的折纸中，折叠顺序和标题是作为匿名的东西传递的，而不是作为特定人的东西传递的。

始于20世纪的现代折纸基于完全不同的范例。现代折纸的折叠顺序被“折纸创造者”“设计”为“模型”。美国物理学家罗伯特·J·朗（Robert J. Lang）是当今最有影响力的折纸艺术家和理论家之一。他不仅撰写了许多有关折叠策略的出版物，而且还在将折纸实际应用到工程中方面取得了长足的进步。



基本的折纸褶皱包括山谷褶皱和高山褶皱，褶皱， 反向褶皱，南瓜褶皱和下沉。基本折痕的数量很少，但是可以通过多种方式组合起来以进行复杂的设计。miura折痕是平折刚性折纸模型的一种，它由基本折痕组成，在一个方向上具有较强的阻力，而在另一个方向上具有较弱的阻力。



由于折纸技术与几何原理密切相关，因此折纸已经获得了大量的数学研究。同时，几何规则的知识是建筑设计以及实现过程中发展的必要条件。从最初的形状查找开始，几何图形将指导项目进行形状的优化，以及实现过程中有关制造和组装环境的参数的实现。



建筑中的折叠


建筑设计、生产和性能的三个重要方面，都涉及将二维表面折叠成三维雕塑对象的过程。





首先，折叠纸代表了建立几何模型的经典设计技术，可以看作是从二维草图绘制到三维建模的尺寸扩展。在这方面，将折叠作为建筑设计中的一个生成过程是高度实验性的，非线性的和面向过程的。它的空间，结构和组织图可以洞悉意外结果的新可能性。



其次，折叠是一种有效且节省材料的生产过程，其结构模型可通过其折叠的稳定性来支撑自身，并且还可以展开以使平板能够从单个面板生产用于预期建筑物或建筑的单个零件。比例为1：1的产品。



第三，对于我们的研究，最重要的方面是折叠模型的适应性。大多数折纸技术，例如miura折叠，tesselation折叠或waterbomb折叠，都可以对整体形状进行动力学转换，同时保持模型的总体稳定性。这些空间模式可以看作是物理参数模型，可以通过内部修改对外力和条件做出反应，以实现形状，结构和材料的最佳平衡。


外国办公室建筑师设计的横滨航站楼的纸质折叠模型（左）和屋顶结构（右）。

案例研究
在这种背景下，我们建立了“ Origamics”案例研究，目的是生成一个基于折纸中纸张折叠技术的数字设计模型，并利用其整体能力将复杂的空间思想与可追溯的结构概念联系起来 。在第一步中，分析了几种折叠技术的几何和性能特性，关系和转换能力。在进入数字建模过程之前，需要进行一系列实验性折叠策略，并在模拟模式下对其进行测试以生成空间概念。





基于从物理模型中获得的专业知识，使用图形算法编辑器（Grasshopper）将不同的原理转换为数字参数模型，该图形编辑器与3D建模软件（Rhinoceros）链接，以几何方式表示结果。为了测试在学术项目中如此生成的数字设计工具的能力，要求学生使用基于折纸的参数化设计工具来设计可适应不断变化的外部条件的建筑空间。



从物理建模中的2D到3D方法开始，数字模型生成的过程也由几何原理开始，但在三维工作方法中立则即时产生。在完成参数模型后，通过将三维化的表面展开为二维图案，将数字几何再次转换为物理模型。作为对折纸原理的模仿，数字模型在设计过程的最后展开，然后再次从纸上重建为物理模型。




纸质折叠模型通过更改形状和保持几何原理而适应外力和内力的能力，案例研究中Philipp Meise设计的自适应墙系统就是受此启发而产生的。他基于六角棱镜开发了一个模块，该模块能够根据收缩棱镜的上，下端的旋转位移来改变其打开百分比（图3）。通过同时更改其高度，该模型允许在0°至120°之间进行逐步转换。0°的旋转角度会导致模块的最大打开百分比和最大高度，而120°旋转会将模块的打开百分比和高度降低到最小值。


Philipp Meise的用于自适应墙系统的六角形模块

该原理是在进一步的过程中开发的，旨在设计能够适应日照负荷的墙体系统。通过改变条件并改变组件的打开百分比，墙应该具备防晒功能。在Rhinoceros中建立太阳辐射模型后，使用Grashopper作为可视化程序，将墙的几何形状与定义的外部负载相关联。太阳辐射与墙壁表面的相互关系通过影响壁几何形状上的点来表示，并且将所得的颜色表示再次定义为Grasshopper中的参数。通过产生外层和内层的日照负荷来定义壁厚。然后，通过使用六角形网格对墙的两侧进行细分，该网格允许参照之前描述的六角形模块的几何原理进行整体连接。


Philipp Meise的自适应墙的阳光系统（左）和Grasshopper模型


Philipp Meise可视化自适应墙系统

案例研究是理解几何原理和整体设计过程优点的好方法。此外，从与折纸有关的折叠策略着手设计，显示出模拟（2D至3D）和数字处理（3D至2D）之间的相似性和差异。最后，我们可以说，Grasshopper中的编程逻辑被证明是一种灵活而直观的工具，用于生成自适应设计模型，该模型考虑了设计的各个方面以及功能和生产方法。







折叠结构可以肯定地被认为是有效和高性能的系统，因为它们允许为复杂的设计问题提供有效且自适应的解决方案。此外，考虑到结构原理和材料特性的折叠策略，由于在结果和设计过程中都采用高度集成的方法，因此可以创建可持续的建筑。基于这些方面的自适应架构可以对变化的外部（例如与气候有关）和内部（例如与用户有关）需求做出反应-类似于自然结构-如案例研究所示。此外，它可以代替固定和不动的建筑物，并为更灵活，为以人为本和可持续的空间环境做出贡献。











前景展望


除了编程更多的几何相关性，未来的研究将集中在这种折纸启发的方法中的材料特性和结构原理方面。另一个问题涉及通过开发用于在我们的物理环境中实施反应式和交互式计算技术的概念来将数字自适应变换转换为物理含义。在动态墙系统或媒体外观中。








原文《ORIGAMICS-Digital Folding Strategies in Architecture》
原文作者：MARCO HEMMERLING


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