数字化时代对建筑设计的影响

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数字化时代对建筑设计的影响

山东茂隆新材料 2021-02-02 2151


人类社会已经步入数字化的时代,电子技术和数字化媒体的兴起与普及影响着人类社会的方方面面。而20世纪末数字化技术的发展和成就构成了建筑及其设计现状赖以存在的重要背景,推动了建筑在设计、建造和管理等各方面的发展,并使其大为改观。尼葛洛庞帝在《数字化生存》一书中,充分展示了数字化科技对我们生活、工作、教育和娱乐带来的各种冲击,由此,“数字化”一词,俨然成为了信息时代最重要的象征。“数字化技术”是泛指将信息对象转化成数字信号,通过电脑存储、处理,由计算机网络进行传输的诸多软硬件技术。其中,虚拟现实技术、智能科技、大型数据库系统以及计算机网络对于建筑设计的初期构思、设计方案的优化和施工管理等方面都发挥着巨大的作用。

  1 虚拟现实技术

  1.1 “虚拟现实”技术的产生与定义

  早在20世纪50年代,电子技术还处于以真空电子管为基础的时候,美国的Morton Heilig就成功地利用电影技术,通过“轮廓体验”让观众经历了一次沿着麦哈顿的想象之旅,虚拟现实技术进入探索阶段。直到20世纪80年代初,美国VRL公司的创始人Jaron Lanier正式提出了“virtual reality”——“虚拟现实”一词。

  虚拟现实技术是指以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境,用户可以借助各种特殊的硬件设备(如空间位置跟踪器、数据手套、力反馈设备等)与虚拟环境中的物体进行交互,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实技术所虚拟的环境可以是真实世界的再现,如真实建筑物的虚拟创建;也可以是纯粹构想的虚拟世界,如三维动画中的建筑及环境。

  1.2 “虚拟现实”技术的特征

  虚拟现实技术的特征主要表现在三个方面:沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和想象性(Imagination)。虚拟现实的沉浸性是指使用户感觉到好像完全置身于虚拟世界之中一样,它来源于对虚拟世界的多感知性,这包括视觉感知、听觉感知、触觉感知、嗅觉感知、身体感知等所有人在现实客观世界中具有的感知功能。交互性是指虚拟现实系统强调人与虚拟世界之间进行自然的交互方式,并实时产生在真实世界中一样的感知,由此观察个人对环境的控制和反馈及环境发生的相应变化。而想象性是指虚拟现实技术可根据设计者的想象进行设计与仿真,使人类突破时间与空间,经历或体验世界上早已发生或尚未发生的事件;也可忽略客观存在的困难和局限,完成难以完成的事情。

  1.3 “虚拟现实”技术在建筑领域中的应用

  数字化技术日新月异,使得三维电子模型在建筑表现方面的运用已经不再陌生。随处可见的电脑渲染表现图和多媒体动画早已让人们领略到数字化表现媒介的无穷魅力。如今,超写实的电脑透视效果在很大程度上已经取代了传统水彩、油墨等创作的图画,大多数的设计单位更倾向于将数字化工具用于制作效果表现图呈献给客户。无论是在设计概念分析和空间表达方面,数字化的虚拟表现确实展示了令人信服的结果。虚拟现实技术打破了专业化和非专业化之间的沟通障碍,是数字化的交流媒介,同时也为多学科、多专业信息的兼容带来了交叉合作。

  虚拟电子模型所表现的并不仅仅是几何形状构成的视觉因素,还拓展到三维空间以外的光照条件、材料质感、声场音效、能源利用等方面。光影效果和材料质感极大地影响着空间的视觉冲击力,通过对光线阴影运动的模拟,可以观察到一天内光环境的变化;场地音效的模拟可以探索不同方位的声音效果,从而发现和解决设计中出现的声响问题,也可以依此来调节房间内部空间的尺度;通过对建筑物内部及其与其他建筑物之间的温度、湿度和气流变化状况的仿真,考量热传导和自然通风中能源效率的应用,从而指导建筑中开放空间及房间比例的设计。例如,国家体育场——“鸟巢”在设计中对热舒适度和风舒适度进行研究时,就采用了流体力学(CFD)模拟手段进行模拟分析,对自然通风气流组织进行评价,并根据结果提出对现有设计是否调整或调整建议(如调整吊顶分块间隙宽度、通风口的数量位置等)。

  作为设计与表现的媒介和工具,数字化虚拟技术不断激发人们的想象力,使复杂的建筑形式及建造成为现实,其结构形式及组织构件都依赖于计算机迅速而精准的运算能力。近些年我国在这方面的实例也有很多,如扎哈·哈迪德的广州歌剧院、库哈斯的央视办公大楼、安德鲁的国家大剧院、“鸟巢”、“水立方”等一系列的建筑设计创作,都与数字化技术息息相关,才使得建筑师的奇思妙想得以真正的实现。建筑师在建筑设计的实践中,数字化的虚拟技术可以帮助建筑师将创作理念转化为物理现实,通过建筑模型表现设计结果,变“不可能”为可能;也可以成为建筑师建立设计概念的起点,在虚拟环境中生成概念,在模型推敲中进行创作与再创作。弗兰克·盖里是数字化建筑创作的典型代表,他设计的西班牙毕尔巴赫古根海姆博物馆就采用了这种技术,其全部设计建立在150万个电脑模型基础上,被视为是数字时代建筑的里程碑。在F·盖里早期的项目中,数字化手段只是作为高级建模工具层面的应用,计算机只在他天马行空的设计发展完备以后才介入。如今计算机在设计过程模型阶段就提前介入,作为设计思维层面的应用被纳入整个设计过程,在初期就用CATIA软件(在“鸟巢”设计中被采用,在我国建筑行业属首例)扑捉出曲面形态,软件往往带给他意想不到的结果,F·盖里及时对每个过程及其结果进行反馈、控制、筛选与决策,逐步形成最后的建筑作品。

  2 智能技术

  2.1 智能建筑的兴起及定义

  数字化对建筑的影响除了数字化虚拟空间与实体建筑的结合,还应包括数字化技术支持下建筑智能环境的创造。1984年,美国康涅狄格州的哈特福德市采用计算机技术对一幢旧金融大厦进行改造,对大楼内的空调、电梯、照明等设备进行监控,并提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息化服务,建成了“城市广场”——世界公认的第一座智能大厦。此后,智能建筑以一种崭新的面貌和技术迅速在世界各地展开,领先的范例包括日本东芝总部大厦(1984)、日本电报电话双塔楼(1986)、伦敦的Lloyds大厦(1994)、香港银行总部大厦(1995)。据2004年的数据统计,我国大陆地区共有不低于4500幢智能大厦,这包括北京发展大厦、上海金茂大厦、深圳地王大厦、南京金鹰国际商城等。2008年奥运体育场馆更是当今世界智能建筑的杰出代表。

  美国智能建筑学会(AIBI)对“智能建筑”的定义是将结构、系统、服务、运营及其相互联系全面综合,并达到最佳组合,所获得的高效率、高功能与高舒适的建筑。与这种抽象的描述相比,建筑的智能化系统更像是建筑的“神经系统”,它将数字化技术所特有的性能带入僵硬的建筑中,对栖居其中的人作出合适的反应,不仅仅局限于传统概念上的消防、保安、空调,以及照明系统,而是扩展到几乎所有的部分,满足人们各个方面不同的需求,提供人们更多的选择。

  2.2 智能建筑的系统构成

  智能建筑的智能环境无不以数字化信息技术为基础,其主要由三个方面的自动化构成,即建筑设备自动化系统BAS (Building Automation System)、办公自动化系统OAS (Office Automation System)、通讯自动化系统CAS(CommunicationAutomation System),每个系统中还有许多不同的子系统,由系统集成中心(SIC)利用综合布线系统(PDS)进行连接和控制,如表1所示。

  2.3 智能技术在建筑设计的影响

  智能建筑的发展已经并将继续呈现出多样化的特征,从单幢大楼到成片的建筑广场,大到摩天大厦,小到家庭住宅,从集中布局的楼宇到规划分散的居民小区,均属于智能建筑的范畴。建筑的智能环境不再局限于办公类大厦,而是像公寓、酒店、商场、医院、学校等建筑种类扩展。而成片开发的建筑智能广场还拥有系统更大、结构更复杂的集成管理系统(IBMS),能对智能广场中所有的楼宇进行全面和综合的管理。不仅大型的公共建筑拥有舒适、高效的智能环境,数字化的智能技术在家庭环境中也得到了更为人性化的发展,它可以扩展到住宅内任何带有电子开关的东西,除了包括水电、暖通、安全警戒、声像联络、电话通讯、门窗构件等,还延伸至从动作和温度感应到生物传感器的诸多电子化设备。台湾首座高科技管家、智能型住宅“似水年华”,就可以通过玄关的系统控制面板,依据当时的温度或心情自动控制室内的冷气、灯光、窗帘,还可以呼叫电梯;到洗浴室洗浴时,秀出个人芯片卡,浴室就会自动播放自己喜爱的影音节目,测量体重的精确值则可以在镜面上显示,而非体重计。美国麻生理工曾经研究的“聪明屋”住宅,在暴风雨来临时可以自我保护和修复,建筑墙壁可以自动过滤汽车鸣笛的噪声,而接收鸟鸣和雨声。

  进入21世纪,智能建筑技术中的信息网络技术、控制网络技术、智能卡技术、可视化技术、流动办公技术、家庭智能化技术、无线局域网技术、数据卫星通讯技术、双向电视传输技术等,都得到了更加广泛而具体的发展和应用。但与此同时,智能环境中网络化计算机和多媒体设备的普遍应用也为建筑师的设计工作增加了更大的复杂性。建筑师不但要了解计算机通信及多媒体环境的设计含义,更要在建筑设计的方案阶段就考虑到自动化设备机房的布局,弱电竖井的配置,吊顶、架空地板需要的层高等,对整个空间做出计划和部署。无形的数字信息和网络技术将会促进多元、层级的无线智能场所空间的形成,从而引起建筑布局从形式到内容的巨大变化。例如,通过智能技术在家可做的工作越来越多,家庭空间相应需要不断地增多增大,甚或发展成为家庭办公的SOHO形式。

  在数字化信息技术的高速发展下,智能建筑比传统建筑在能源效率方面具有无可比拟的优势。然而,智能建筑在关注效率和功能的同时,发展人居环境与生态环境的和谐才是最为核心的目标。数字化的智能技术只是一种途径与方法,可持续发展的战略对智能建筑的设计与内容提出了新的方向,即绿色建筑。数字化技术与材料资源和损耗有着密切的关系,建筑设计应为控制物质浪费和能源消耗提供解决方案,寻找和研究新的材料和结构系统以适应信息环境所应有的功能。因此,新兴的生态学、生物工程学、生物电子学、仿生学、生物气候学和新材料学等科学技术都会逐步渗透到建筑智能化的多学科多技术领域中,实现真正的建筑与人和自然的和谐发展。“新材料、新结构、新技术”的应用在2008奥运体育场馆的设计和建造中得到了充分的体现。

  例如,我国国家游泳中心——“水立方”就是响应了“绿色奥运”的理念,其设计综合展示了人文、科技与绿色的结合。国家游泳中心自由的结构形式和ETFE气泡外墙是整个建筑的亮点。其结构设计的灵感来源与Kelvin的“泡沫理论”,将水泡的结构放大到建筑结构的尺度,这种结构模型普遍的存在于自然界,如细胞组织单元的基本排列形式和水晶矿物结构等,但被用于建筑结构模型还属首次。而ETFE(四氟乙烯)膜材料的应用就更加充分体现了绿色和科技的主题,这种材料的选用不仅大大减低了屋顶和外墙的重量,而且成本合理、热学性能高、透光性强,具有良好的阻燃性和自熄性,其表面附着力及极小,对灰尘、污水的自洁性能远远大于玻璃,在北京的特殊气候下,无疑是最为理想的透明半透明材料。ETFE还在国家体育场-“鸟巢”的屋顶围护结构中作为防雨层,在一个建筑中如此大面积的应用单层ETFE膜结构,在世界上也还是首例。

  3 数据库系统和网络技术对建筑设计的支持

  3.1 数据库管理系统和网络技术的组成

  数据库是按照数据结构来组织、存储和管理数据的集合。而数据库管理系统(database management system)则是一种操纵和管理数据库的软件应用程序,用于建立、使用和维护数据库,简称DBMS。它对数据库进行统一的管理和控制,以保证数据库的安全性和完整性。数据库管理系统可分为广泛的两种类型:前台工具和后台工具。前台工具是指用于与现有客户或潜在客户进行直接交流的系统,包括宣传手册、提案简报、网络站点等;后台工具则包括创造和管理前台使用的交流信息的系统工具,主要就是数据库管理、单位内部的局域网络等。

  计算机网络把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机,通过通信设备和线路连接起来,在功能完善的网络软件运行下,实现网络中资源的共享。计算机网络分为局域网、广域网和将局域网、广域网通过一定协议组成的国际互联网络。

  3.2 数据库管理系统和网络技术在建筑设计中的应用

  数据库系统和网络技术在“虚拟现实技术”以及“智能技术”中都起到至关重要的作用。在虚拟现实系统中,数据库存放着整个虚拟世界中所有物体各个方面的信息和大量物体的模型。通过网络,将位于不同物理位置的多个用户或虚拟世界相联结,形成分布式虚拟现实系统(DVR,Distribute VR),使不同用户同时参与到一个虚拟空间,进行交互,共同体验虚拟经历,以达到协同工作的目的。在智能建筑中,网络业务也已经成为用户最为经常的行为,从早期的通信(E-mail、BBS)到后来的资源共享、网上银行服务、网上电视IP\IT、多媒体信息查询、远程医疗、远程教学、视讯会议、视频点播等。

  对于设计单位而言,无论是设计院还是设计公司,都涉及内部人事管理和外部项目管理,以及介于两者之间的资料信息管理,三者协同运作,缺一不可。这些任务都适于使用数据库管理系统完成。数据库中所关联的信息储存和操作可以包括项目历史、设计人员的个人资料、图片资料库以及商业洽谈联系的追踪记录等等。对设计人员来讲,设计资料数据库的建立为他们提供了方便、完备的设计背景,使他们不必再将额外的时间过多地花费在前期准备阶段,从而更快地进入角色。而设计单位的行销也越来越依赖于计算机以确定市场客户,通过网络,公司可在准备介入某项设计竞标的工作时,方便地获取目标客户的相关信息及该项目所涉及的内容进行背景研究。设计单位也可以建立自己的网络站点展示单位的主要设计作品和正在开展的项目,甚至企业形象。而客户可以从任何地方找到涉及公司的信息,同设计者进行实时、在线的联系。如果说数据库管理系统是一个设计单位内部充分利用数字化手段,实现资源共享、优化管理的系统,那么,网络的介入则为这个系统提供了开放的行销机会,使它真正融入到广阔无边的信息社会中。

  设计单位局域网的建立为设计团体带来了新型高效的合作方式,实时交流的合作加强了不同专业部门的同时协作。例如,设计人员和结构人员在不同时间、不同地点对图纸提出的修改意见都可以同步地及时反映在对方的电脑屏幕上,而非像传统的流水作业必须一步一步,任何一项逆序反复的改动都会提高预算,降低效率。而广域网和互联网的普及,为更大范围的设计合作和交流提供了更广阔的平台,使得建筑师能够随时关注当前的设计动态,并保持与业主、材料供应商等之间的良好沟通,甚至是与其他建筑师进行远程合作。

  另外值得一提的是,数字化技术的发展为设计者和使用者的角色融合提供了可能性。新兴的虚拟网络社区在更好地表达设计者意图的同时,为公众参与设计发展出一种新的方式——自助式设计。专业人员建立的案例样板库可以让客户根据自己的需要在方案构思阶段就参与决策,提出自己的想法和意见。这种参与于设计人员来说,有助于他们对建筑生命周期的深入参与和渗透把握,而于设计本身,它争取了最大范围的主动参与,将人文关怀、社会民主与公共立意赋予了更多现实意义。

  4 对数字化时代的建筑设计的反思

  数字化时代的新技术为建筑设计带来了诸多新的可能,为建筑师在形式创新方面提供了更自由的选择,使“复杂”不再成为令人望洋兴叹的畏途。在数字化技术影响下,建筑材料形态与特性的变化使得建筑形式“无所不能”,但在某种程度上,这种“无所不能”使设计陷入一种“数字化工具主义”的误区,过分关注形式本身,为追求表面化的新形式而创造新形式,造成所谓的“数位皮层”与建筑脱节。如许多曲面古怪、造型夸张而设计简陋的建筑以“数字化建筑”自居,注重单纯、孤立、静态的细部和材料的物质属性,缺乏与技术体系、建构工艺、社会文化相互关联的综合性系统思考。

  另外,数字化信息时代的无限复制导致建筑本体价值的贬值,建筑意义的缺失以及地域文化艺术的缺失,独一无二的“形象”向无数“类象”分解转化,甚至看到一幢建筑就可以知道它在设计过程中所采用的软件。新的数字软件通过简便易行的复制手段和可调参数的灵活性,将复杂部件的大量使用大大简化的同时,也不可避免地在采用此类手段的设计对象身上打下了自己的烙印——所谓的“低强度美感”和“高资讯内涵”。我们应该认识到,新技术所带来的可能性并不是带来对“形式拓展”的趋之若鹜,而是为建筑结构和塑形提供更多元的支持。在任何时候,人类栖居的建筑环境与空间形式,在更大程度上依赖于实际生活和社会行为的需要,建筑的意义应该回归建筑的真实体验,从文脉、场所、社会、生活等人类根本需求中寻找“形式”的基点。

  建筑本身是一种信息媒介,它包括的不仅仅是结构、构造、节点细部等技术因素,它还承载一个社会时代的生活、审美方式等诸多信息,起着文化载体的作用。建筑形式应当表达形式构成的自然规则与自然属性,表达的是人类对构成自然的要素和自然的规律的认识。建筑形式自身的构成是一个科学与技术的问题,比如材料科学、结构科学都是研究建筑形式的科学构成问题。但“建筑构成形式的表达”却不单是一个科学技术的问题,“材料的特性”与人类某种情感契合,以及建筑构成体系的理性所揭示的自然规律是建筑建构性的本质。而建构性的表达正是建筑艺术的本质。

  参考文献:

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  [2] 俞传飞.在形式之外-论数字化时代建筑内涵的变化.新建筑,2003。

  [3] 方海.弗兰克·盖里-毕尔巴赫古根海姆博物馆. 北京:中国建筑工业出版社,2003。

  [4] 胡小强.虚拟现实技

沥青麻绳是有麻绳和公司的技术人员研发的一款具有防腐性沥青为主要材料的添加剂通过浸泡的一款产品。麻绳是取各种麻类植物的纤维。麻绳是麻在大水池里泡一段时间,后扒掉皮,晒干,然后用搓绳机加工。麻绳具有抗拉力和抗阻力较强,而且耐腐蚀、耐摩擦、有弹性,当突然受到冲击时不易断裂,在起重作业中用得较多。然而沥青麻绳在研究开发中通过沥青等添加剂的浸泡后,用于伸缩缝、沉降缝等填缝材料。沥青麻绳的规格有2cm~8cm之间都有。

术.北京:北京邮电大学出版社,2005。

  [5] 阎俊爱.智能建筑技术与设计.北京:清华大学出版社,2005。

  [6] 李兴钢.国家体育场设计.建筑学报,2008。

  [7] 郑方.“水立方”的设计思想和新技术应用.建筑创作,2007。

  [8] 从智能建筑到绿色建筑.世界标准信息,2008。


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