【AT】性能化视角下的数字建造前沿——《建筑技艺》2019年9期导读

AT 2019.09

性能化视角下的数字建造前沿Frontier in Digital Fabrication Based on the performance-based design methodology

本期客座编辑：袁烽

性能化建筑设计理念的提出和发展，在近十年来的参数化建筑设计领域产生了重要的推动作用，并逐渐成为一种广泛使用的方法。与数字设计技术的飞速发展相对比，我国数字建造技术的发展在近五年来也逐渐开始被广泛重视，并随着预制化建筑、机器人建造等领域的创新性研究，成为建筑产业的一大科研方向和重点发展方向。

在这一背景下，以智能建造为代表的现代建筑产业技术升级，带来了以数据为媒介、以工具发展为动力、以智能算法为核心的数字设计与建造一体化的新型范式。基于传统建筑类型、传统材料和工艺的智能化数字建筑技术升级，也带来了以性能、效率为代表的产业发展未来。离散化、预制装配式和机器人建构的发展，也在不断重新定义数字时代人类建造能力的发展方向和最高水平。

作为研究者和实践者，建筑师应该如何主动利用性能化数字设计方法和工具，介入到与数字技术相关的数字建造项目中，通过高度定制化的工具来重新定义建筑产业升级的社会性意义，从而推动我国数字建造进一步走向智能建造？本期杂志就将提出、讨论和回答这一方向上的诸多新问题。

目录

（点击图片可查看大图）

“材料与性能

性能化建造何为？撰文：袁烽、朱蔚然、高伟哲            同济大学建筑与城市规划学院

广义的“性能”（Performance）在二十世纪四五十年代首次演变为人文学科的概念，但其之前从未以一种包容的方式系统地应用于建筑学。性能化的进程不仅促进了人类社会在哲学、艺术、科学及技术等方面的转变，同样也深刻地影响了建筑学的观念。探讨性能化建造，需要正视环境、物体与建造等角色在建筑学中脱离被动式背景的转变，认识到其与人类主体同等重要的事实。在当今数字化与智能化的趋势下，数字工具正在使真正的性能化建造成为可能，而思考性能化建造何为则更显必要。一方面，理解建筑学如何转至性能化并探讨其定义与含义，能够避免简单地将其与能耗划上等号而导致的对于性能化建筑的符号化理解；另一方面，在建筑学的语境下，重新探索性能化与建筑建造之间的潜力，有助于指明一个全新的从建筑设计到建造生产的闭环系统。（点击可阅读原文袁烽：性能化建造何为？）

性能化建造实践

一种基于机器智能的材料编程方法

——以在三维打印上的应用为例

撰文：罗丹   昆士兰大学

          徐卫国  清华大学建筑学院

介绍了一种普适型的利用机器智能和自动化，对非标准材料在宏观尺度上进行编程和设计的方法，这一方法利用人工智能端到端的黑箱特性，能够在没有任何材料及结构相关知识的前提下自动生成可嵌入到数字设计软件中的材料性能模型。此方法受传统设计制作中手工艺者利用实验与观察、分析总结优化工艺的方法启发，在此框架上利用数字技术对这一流程进行自动化、智能化的转译。以在三维打印上的应用为例，介绍了利用此方法的特性、流程和应用范围，并应用此方法研发基于材料塑性及热形变进行空间网架三维打印的系统，通过研究初步验证了这种基于机器智能的材料编程方法的可行性及应用范围。

一个打印循环所收集的26 个训练样本

基于编织结构的混凝土壳体建造研究撰文：黄蔚欣、吴承霖、张瑞珈、罗子牛、熊鑫昌、苏彦杰、魏文强          清华大学建筑学院

混凝土壳体是一种优美却不易建造的建筑形式，设计方法的复杂性以及建造需要的大量人力限制了它的应用。研究借助一种能够建造自由曲面的编织结构，提出了一种创新性的混凝土壳体施工方法，意图在保证壳体成形的情况下使建造更便宜、操作更方便。该方法基于我们提出的一种主动弯曲的编织结构，由编织结构模具、承载面和边缘节点三层系统组成。这种基于编织结构的混凝土壳体建造方法的优势在于，编织结构不仅能够节省建造的时间、材料和人力投入，而且可以在不使用数控加工设备的情况下实现混凝土壳体形状的多样性。

最终混凝土壳体成品

木之建构

——性能化与自动化实践

撰文：华好¹、王嘉诚¹、卢德格尔• 霍夫施塔特²          1 东南大学建筑学院             2 苏黎世联邦理工学院

使用木材曾经是我国传统建筑的一大特色，而西方对建筑工业化、性能化的不断追求则推动了

现代木构建筑的发展。21世纪飞速发展的运算化设计（Computational Design）方法与数控建造（Digital Fabrication）技术开始从本质上改变建筑的物质构成与设计理念，如机器人3D打印建筑。逐渐完善的数字技术正在推动木结构的造型、结构、构造、制造的创新，生成设计、机器人建造、拓扑优化（Topology Optimization）等方法与木结构设计相结合，推动现代木构走向性能化、自动化、智能化。

结构性能导向下的非标准形态混凝土数字化成型研究撰文：王聪 孙澄 贾永恒          哈尔滨工业大学建筑学院          寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室

数字技术在建造领域的应用充分挖掘了传统材料的性能潜力，涌现了大量关于材料的结构性能、绿色性能以及美学性能等方面开创性的研究与实践。其中，混凝土作为建筑行业最主要的材料，在诸多研究中呈现出其在结构性能提升及节材方面的巨大潜力；同时，其区别于传统欧式几何形态的非标准优化结果对当前的施工方法也提出了巨大挑战。在此背景下，类比了近年来非标准形态混凝土数字化成型方法的一般流程、成型材料、工具平台及应用尺度等，指出了利用机器人热线切割聚苯乙烯泡沫模板进行结构性能导向下的非标准形态混凝土成型方法的优势，最后对成型过程中的关键问题进行了展望。

结构性能导向下的非标准形态混凝土模板热线切割制造方法

“感知与协作

机器人感知建造

——手势增强的机器人建造工作流与实验

撰文：塔拉 许蓁 魏力恺（通讯作者）          天津大学建筑学院

传统的数字设计和建造过程往往是分离的。大多数情况下，只有能被建模和编程的设计方案才能被建造出来。设计师使用钢笔、鼠标和绘图板、屏幕进行设计并建立几何和数字模型，而机器人则在某种程度上是“蒙住眼睛”执行已经被精确计算和预设的加工程序，这是一种“单向性”的数字建造。而在AI和物联网时代，有必要开发能够在“设计”和“建造”之间持续进行数据交流的更具探索性的“双向性”数字建造方式。机器人建造与建筑生产过程将不再仅是“单向性”流程，而更是一种“双向性”的“软性系统”（Soft System）。机器人感知建造（Robotic Aware Fabrication, RAF）是具有实时外部加强的机器人建造模式新概念，建造不再是机器人“蒙眼”完成的，而是具有感知设计师指示、环境变化和材料行为等能力的软性过程。

泡沫切割过程

自由波形混凝土墙

基于无人机的离散结构自主建造技术初探

撰文：郭喆¹、陆明²、王祥（通讯作者） ¹ 

          1 同济大学建筑与城市规划学院

          2 上海一造建筑智能工程有限公司

随着以3D 打印为代表的增材制造技术的应用，机器人辅助的现场数字化建造技术为未来建筑产业发展开辟了新的发展方向，也带来了对于设计方法、系统控制等一系列挑战。近年来由于无人机（UAV）相关技术的成熟，其在建造业中的应用研究已成为拓展可移动机器人数字建造平台的重要发展方向。通过一个由无人机组群自主建造的离散结构单元系统的研究性项目，试图探讨无人机自主建造离散单元组合的复杂空间结构体系的可行性，建立适用于无人机自主建造的设计方法、实时控制系统和可视化界面平台，并由此总结出适用于多台无人机协同的现代化数字建造中的关键技术。通过现场双机协同建造实验的具体分析，展示研究中实验环境建立、整体结构生形、离散单元设计、建造时序优化和双机智能协同的无人机离散单元建造的整体流程和优化策略，为集群智能体自主建造提出了进一步研究的思路和方法。

无人机砌筑过程记录

基于UWB 定位系统的建筑数字孪生应用

撰文：何斌 王菲 王志鹏   同济大学

总结了UWB 室内定位技术的功能应用，分析了UWB定位系统的组成与定位方法，利用MATLAB 对chan求解算法进行仿真，探讨了基站数量、基站布设位置、不同定位区域对定位精度的影响。最终提出一种基于UWB 技术的建筑数字孪生应用系统，借助Unity 软件搭建三维数字孪生平台，映射建筑的几何、物理信息与定位结果，并将其应用于某展厅，实现了实时定位、热点统计、行人轨迹等功能。

展厅数字孪生系统

“

实践与平台

以国际联合工作营为平台的机器人数字建构教学探索

——2019 DAMlab 机器人建构工作营

撰文：陈舟凡¹、万达²、石新羽³          1 Perkins and Will / DAMlab          2 天津城建大学
          3 青岛理工大学

DAMlab 以自发组织的模式，将分布于国内外的研究人员及从业建筑师组成远程研究网络，在数字设计、数字建构与智能建造等方面开展研究与教学探索，并以国际联合工作营和论坛作为平台进行研究成果和实践案例分享。联合工作营以教研结合为目标，在探索适用于数字建构及智能建造的新型教学模式的同时，也能够将已有的研究进行转化或进一步提升。第四届国际联合数字工作营于2019 年4 月在青岛理工大学举办，DAMlab 以机器人建构为主题，进行了机器人陶土打印、机器人木构以及机器人空间3D 打印的教学与探索。

装配式建筑智慧建造的新边界、新模式、新技术与新产业撰文：樊则森  中建科技有限公司

结合国家重点研发计划项目“工业化建筑设计关键技术”的研究成果，借助BIM 一体化协同设计平台，从建筑学的边界研究出发，阐述了不同历史阶段的建筑设计与建造的边界问题，并进一步结合当前数字化浪潮中装配式建筑的研究与实践经验，提出在数字设计与机器人建造等新的生产力作用下，建筑学的边界正回归到设计与建造一体化的模式。通过介绍装配式智慧建造新模式、新技术和新产业等方面的研究与实践，说明建筑的数字化、信息化、工业化和智能化在建筑领域拓展新边界、创造新模式、引发新变革、催生新产业的重要性。

中建科技装配式智慧建造系统架构图及平台主页

环境性能导向的建筑数字设计研究撰文：姚佳伟¹、陈侃（通讯作者）²、郑晓薇²、李晓璐²          1 同济大学建筑与城市规划学院          2 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

建筑行业是高能耗和高资源消耗的行业，因此提高建筑设计效率以及降低建造和运营阶段的能耗有着重要意义。同时建筑数字化的发展使得参数化设计在建筑领域特别是BIM 和表皮、结构等方向有了诸多应用，但是在建筑环境性能方面才刚刚起步，而在建筑设计初期考虑环境性能的设计方式相比后期再补救更为高效，因此环境性能导向的建筑数字设计会是将来的发展方向。通过现阶段以优化建筑环境性能为目的的参数化研究，总结了各研究采用的方法和成果并分析其局限性和未来潜力，旨在帮助读者把握建筑环境性能导向的数字设计的发展现状，并为今后的研究方向与课题研究提供一定的参考。

通过驱动点控制系统控制建筑群布局和高度示意图

复杂形体的数字技术综合解决方案

——腾冲市民俗展览馆数字设计研究与实践

撰文：姚稼澍、赵榕娜、尹武先          同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

复杂建筑形体为传统设计技术带来了挑战。目前新兴的建筑数字技术实践大多处于单点突破的探索阶段，由于数字技术碎片化等原因的制约，复杂空间形体常遇到方案无法深化、施工无法把控、建筑作品完成度低等问题。针对复杂建筑设计与建造控制问题，以腾冲民俗展览馆为例，基于Rhino + Revit 的数字技术平台，借助Grasshopper、Evolutetools、Dynamo 插件，以及C#、Python 等参数化编程语言， 着重探讨： 复杂形体的高精度控制；数字技术的方案优化、施工图纸输出、多专业协同；数字技术带来的数字化协同工作模式，并在此基础上提出了一整套应对复杂建筑问题的工作流与方法论。

鸟瞰效果图

传统设计工作流与腾冲市民俗展览馆数字技术综合解决方案工作流的比较

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