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议场 | 扎哈背后的神秘团队才是她的制胜法宝

YK 建道筑格ArchiDogs 2019-12-01

YK同学本科在同济大学建筑系实验班，

研究生出国深造。

本来之前一直是一名根正苗红的包豪斯学院派学生，

后对数字化设计与建造等方向有着更浓厚的兴趣。

文章由她来执笔

写下最近关于扎哈的学术思考。

本文转载自公众号：TransAxis

原文有删减

编辑：艺梦

以下为正文

进入了建构主义时期的扎哈事务所，随着媒体曝光率的增加开始浮现了一支神秘的组织——ZHA CODE，随着Workshop模式席卷了全球建筑学，ZHA CODE高质量作品数目的增加逐渐为世人所知。

初次看到这个名称，以为扎哈的团队里面召集了一群写代码（code）的码农，专门为大家提供编程服务，但是其实CODE是Computation and Design (CoDe) 的缩写，所以这个组织的工作内容并没有之前自己想的那么狭隘。

ZHA CODE里面的成员大多都是扎哈事务所的员工，只不过ZHA CODE更偏向于一个教育团队，会面向建筑学生、建筑师、设计方向人员等组织Workshop授课，如果某个公司需要进行员工培训的化同样可以联系ZHA CODE。同时ZHA CODE组织也会参与扎哈事务所的方案创作，更多时候是担任理论研究与技术支持的角色，尤其是在建筑性能化研究方面如薄膜拱壳结构生形与优化等。

ZHA CODE的作品大多数具有实践性质，脱离了实际建筑项目的种种束缚后可以大胆地将性能化建构与设计进行结合实践。ZHA CODE同时也与众多先锋前沿组织机构具有合作联系，如Block Research Group ETH Zurich, Stratasys Inc., ODICO Formwork Robotics, Autodesk, ITKE Stuttgart, Institute for Experimental Architecture, Andy Lomas, and the Architectural Association Design Research Laboratory等，如此强强联手下，不负众望诞生了惊世骇俗的优秀作品。

纵览ZHA CODE的作品以及工作流程可以发现，ZHA CODE的建构主义创作模式主要如下进行：

A 几何原型

以低阶拓扑几何、数学函数、算法几何或者动力学性能模拟等手法得到基本原型

↓

B 迭代衍变

通过高阶拓扑变形、算法迭代等方式增加几何形式的趣味度

↓

C 性能优化

将得到的几何形式通过相关结构等性能化软件计算、分析、优化，可以进行冗余度删减或者造型调整等得到合理优化解

↓

D 数字建造

得到优化解后对几何进行建造性节点深化设计，并通过机械臂、3D打印、CNC铣削等数字建造技术完成施工建造

带着上面这份ZHA CODE作品创作阅读指南，下面就随着小编的解读开始学术探索之旅吧！

伦敦科学博物馆——全新数学展馆

Mathematicsgallery central pod

The WintonGallery, Science Museum

这个展馆设计是受到了基地上原有的一架名为“Gugnunc”的飞机展品的启发产生的。“Gugnunc”是1929年Handley Page公司为参加飞机安全大赛制造的，它将展廊的主题一以贯之，意在阐释数学应用可以帮助解决实际生活中的问题。

数学也为扎哈·哈迪德建筑事务所精妙的设计带来灵感。受HandleyPage飞机的启发，设计师从航空业的气流方程汲取灵感，展廊的布局和线条代表了这架飞机飞行时周围流动的空气。从展台、长椅到中央的三维曲面的豆荚型结构，都是其中的一部分。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=d0506l9hf56&width=500&height=375&auto=0

从视频中，我们可以很系统的看到扎哈在设计上连贯的设计思路，从飞行器对周围气流的疏导数学公式，到由6个参数控制的豆荚型曲面的找型，到之后的多次迭代进化最终形成了现在的曲面形式。这个曲面也是有数学公式精确计算而成，和原有的飞行器在空气流线上完美吻合，从而进一步定义了展品的摆放和参观流线。之后，扎哈团队对展览用到的固定装置的设计运用了自欺人自主建造技术。总的来说，配色灯光设计，整个设计体验很奇幻。

同时在威尼斯的展览上扎哈团队也呈现了该设计的小模型，这个小模型是研究该材料在改结构形式中的接缝和张力策略。

这是一个专门用于数学研究和探索的新空间，它是一个永久开放的免费展馆，也是扎哈逝世以后开放的第一个英国项目。如果有机会去伦敦游玩的小伙伴们，千万不要错过这个免费又震撼的体验。展廊搜集了一百余件珍品，都是精选自科学博物馆在科学、科技、工程和数学领域的藏品，来讲述数学在人类发展历史中的演进，及它又是如何影响了人类最关心的基本问题如贸易、旅行、战争与和平、生与死、形与美等。

winton gallery的馆长在评价这个设计时是这么说的：处于这个美术馆的心脏位置，这个设计体现出了在近400年来，人们在改变世界上做出的努力的故事。基于数学研究的设计实践存在与我们生活和工作的方方面面，我们希望将它们都汇聚在一起，从而激发人们对数学的新的思考。

3D打印椅

3D printing chair

概念设计：Shajay Bhoonshan, Mostafa EI Sayed, Vishu Bhooshan

技术支持: Stratasys, Altair

材料: RGD|Polyjet (PolyJet isa powerful 3D printing technology that produces smooth, accurate parts,prototypes and tooling)

打印成果展示：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=e0506djv4ji&width=500&height=375&auto=0

系列衍生品展示：

椅子的设计过程解读：

使用Maya从低阶多边形几何设计到高阶曲面光滑

1. Low poly mesh （低阶曲面）

2. High resolution mesh （高阶曲面）

Topology optimization （人体工学优化）

Material density analysis （材料密度分析）

Structual flow mesh（力学性能曲面）

Strutually aligned mesh（连接曲面）

通过对不同曲面的性能分析，输入一定的控制参数变量，就可以对椅子的表面肌理、网面空隙进行优化选型设计。

以下是这个椅子的具体尺寸：

据统计，这个椅子一共有689016个顶点， 795848个面，体积为3360立方厘米，材料密度为每平方厘米1.17g，总重为3.93kg。

这个椅子是在2014年由合作方Stratasys公司首次打印完成的。之后这个椅子也参加了许多博物馆的展览。这把椅子是为探索多色和多材料添加剂直造技术而专门设计的，也是扎哈团队将人体工程学和几何元素结合来优化设计过程的尝试。该椅子是由不同材料密都和深度组合而成的，体现出精致且精确的3d打印技术。

顺带提一下，上图这个左边的3d打印椅子名为DurotaxisChair，是由Synthesis设计。这也是一款完全3d打印的椅子，由Stratasys公司打印完成。这个设计就是由这个名字受启发而来，Durotaxis指的是一种由基质的梯度变化导致细胞迁移的过程。这个椅子是一个卵形的摇椅，可以由两种摆放的方式，一种是平放，另一种是直立。整个椅子是由紧密堆积的三位金属丝网构成，其中密度、颜色和硬度都是呈现了渐变的趋势，满足了人体工学的结构特性要求。

Volu Pavilion

设计者：zaha Hadid, Patrik Schumacher

用材：金属板材，金属节点，木材

volu是一个临时的用餐亭子，它的设计概念融合了参数化运算，轻质结构研究和精确建造三个方面，它最终呈现出来的形式就是它以上所说的三方面相互协同作用的结果。

在这个设计中，整个过程都建立在数字化设计的基础上，它是由一个个单曲率的曲线相互交织发展而来的。材料建造的极限数据作为一个限制的参数输入到了参数化编程中，结构工程师也在找型的过程中不断给予反馈，最终呈现除了一个复杂的，由单曲的薄片材料建造而成的最终形式。

这个形式是基于对很多结构弯折的承受极限的研究而产生的，ZHA CODE团队在设计过程中，不断着尝试减轻悬挑部分的重量，舍去了一部分由不必要的材料产生的重量，最后得出了最轻质的镂空设计提案，这也遵循了有机结构设计的逻辑，是一个对自然结构的重塑。

volu设计的难点就在于结构和材料的平衡点的把握，“spine”脊梁的地方对材料的密度要求是最高的。之后在用材的优化中，逐渐形成了最终的形式。

volu整个形势是上下基本对称的，上部几何形偏大但用材质量小。整个设计都是在Maya中完成。在建造构成中，先讲每一个薄片零件展开，

以下是组装的细节过程：

从最终成果来看，整个设计是对金属板材和金属节点还有木材的组合建造。

HYPER |THREADS PROTOTYPE

设计者：University of Bath : Paul shepherd, Paul Richens , dynamicrelaxation （动态学松弛）& CCF（curve-crease folding曲线折缝折叠）Block research group , ETH Zurich, Discrete funicular structures（发散的索状结构）

材料：金属板材（模具和基座），金属节点，混凝土（现浇）

上一个案例是对金属板材进行弯折建构，在如今已经非常常见。以下这个案例的建造难度应该说比上一个要难好几倍。它是扎哈团队2014年做的一个对折叠曲面形式的建造可行性的探究实验。

简要来说，这个设计主要探究了离散索型结构的建造可行性。也是一种物理找型的研究。一开始是进行穿传力路径的研究，建立在对材料的弯折性能、可建造性的基础上进行不断迭代而来的。之后是对一个面进行分解，为了保证分解后的每个多边形都是最易建造的形式，且每个连接点都是Y型接点，扎哈团队在几个迭代形式中最后选择了03的形式。

整个设计的关键点就在于找一个均衡的力学体系。通常来说，落地点的位置中力学传导是通过多边形的边缘进行的，扎哈团队采用了maya中的“mesh-paint”工具来模拟构件的重量。一旦找到平衡落地点的位置，他们又再一次讲之前的03的多边形迭代形式进行了优化。整个过程由一种名为FDM的算法支撑进行，小编对此特别查了一下FDM的解释，如下：

The Force Density Method is commonly usedin engineering to find the equilibrium shape of a structure consisting of anetwork of cables with different elasticity properties when stress is applied.

简单来说，这个称为FDM的算法，就是基于已有的索性网络结构，通过分析预期荷载对其产生的张力，从而得到一个能保持平衡的支点（落地点）位置。此外，这个计算方式只适用于通过多边形的边缘进行力的传导的网状索型结构。

实际建造之弯折度

完成了建模和前期的运算，接下来就实现曲线折叠的建造问题了。弯折的程度和方式是研究的重点。要将板材进行弯折，只能通过两方面的改进，其一是尽可能地保持每个面的平面化，其二是对顶点的优化。

由上图可以看出，在不同的弯折程度的作用下，力的作用角度就不同，从而在展开后就会有不同程度的破坏。到最后的t100时，弯折程度可以达到最佳状态。在这种状态下，从下图中可以每一个弯折的面都有三种不同受力程度的顶点，分别为：crease vertex（折痕点），boundary vertex（边缘点），和end vertex（末尾点）。

实际建造之曲线选型

ZHA CODE团队在折叠取钱的选择上也是进行了多次尝试。一共有三种方式的曲线，相信用rhino的同学肯定都知道画曲线的三种方法，第一是Interpolation Curve （内插点曲线），第二是Control-Point Curve（控制点曲线），和Modified Control-Point Curve (变动控制点曲线)。从下面的分析图可以看出，最后一种曲线最适合建造和模拟。

基座设计

在实际建造过程遇到的问题主要是基座，板材折痕的处理和模板之间的连接。因为整个构筑物是类似拱形的结构，所以它的基座设计包含了一个抗拉的基座结构，和连接三个落地点的锚固构件。

折痕设计

由于力的传导和折叠角度的急剧变化，每一个板材在折叠的时候都要有较厚的边缘和遵循特定的曲线折痕。在板材模具的设计中，ZHA CODE团队还考虑到了浇筑混凝土的时候的停止的地方，和不用位置的浇筑边缘的设计。下面罗列了不用位置的板材折痕的样式也不尽相同。

模板连接设计

模板之间的非正交连接是设计的难点所在。在设计板材之间的连接细节设计主要是由次啊了本身的性能决定的，如弯折程度和装配难易程度。ZHA CODE团队最后的细部成果是可以标准化生产且容易安装的。从下图可以看出，主要的用材有（从上到下）：焊接的金属丝网，3/8inch钢筋，不锈钢圆管状，16mm锚固螺母，8mm螺栓，垫木，螺母和垫片，2mm可弯折铝板，以及与混凝土固定的连接大头钉。

总的来说，通过前期建模设计的一步步精确化，到之后克服落脚点与地面的接点设计，非垂直相接的模板的连接，将模子悬挂起来在空中固定这些实际问题，整个成果都需要创意和实际思考的结合。

最后是一些现场安装的照片：

这个作品让小编联想到了同济大学团队在南京大学DADA数字建造工作营中展示的作品（点击文字链接《流动的金属|超薄板材空间结构建造记》可查看详细介绍原文）。不得不说两个项目的概念和手法有着惊人的相似之处，最后得到的结果也是各有千秋。

ZHA CODE关于金属弯折的探索不仅仅只有上面的案例，在威尼斯双年展中还展出了另一件金属弯折的作品：

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=i0506kgtzg4&width=500&height=375&auto=0

整个金属装置围绕着柱子，以波浪形为原型进行曲面细分

整个几何形式使用了Maya以及Grasshopper软件协同配合得到波浪纹造型，然后使用ROBOT|ANSYS有限元分析软件进行结构分析与优化

将优化后的3D几何单元展开为2D的几何图形，切割得到单元件

使用KUKA机械臂协同进行金属弯折

最终成品展示

而在2012年10月份AA白俄罗斯访校中，ZHA CODE与Chikara Inamura ( Sasaki Associates) & JohnKlein合作同样也做了相关金属弯折原型探究

多边形低阶几何形体的可展曲面找形过程

3D可展曲面单元2D化摊开

纸壳手工推敲模型

褶状壳体结构

Pleated Shell Structures

设计者：Patrik Schumacher, Shajay Bhooshan, Suryansh Chandra, and SamanSaffarian Mostafa El Sayed of Zaha Hadid Architects; and Bill Kreysler, JoshZabel, and Nick Colendich of Kreysler & Associates.

材料：玻璃纤维、树脂、木制框架

褶状壳体结构是ZHA CODE关于自支撑曲面结构的系列研究之一。装置由玻璃纤维、树脂以及木制框架制造而成，并作为临时性构筑物在南加州建筑学院（SCI-Arc）艺术馆进行展览。因为设计的多次演变，最终成果其实只是一个壳体结构，而并非最初想象的褶状。其中的木制结构也并不具有太多的结构意义，更多的是为了方便在三维空间中确定嵌板的位置。这个项目另一目的是测试建筑师、工程师和制造者三者的合作工作流，以及探索建筑设计意图、工程师逻辑和制造技术限制之间的关系。

设计伊始，设计团队对过去借助实体模型进行曲面找形的设计方法进行了大量研究，研究对象包括安东尼奥高迪、海恩兹·伊斯勒、以“自然的结构体”为理论精髓的弗雷奥托和混凝土薄壳大师菲利克斯·坎德拉等人。在理解了先例的几何形式性能和建造方式之间的亲近关系之后，他们决定摆脱传统的塑料模具制作方式，转而采用纤维织物来制作模具。并且，这样做相比于塑料模具要更加快速和节约时间

编织物受到力的作用通常会有一定程度的变形，所以团队的工作重心之一就是解决如何用电脑模型来模拟编织物的延伸变形，这也成了这个设计的设计方向和意图。不同于威尼斯双年展上相似构造物所使用的弯折金属材料，这次在南加州建筑学院所进行的实验性设计使用了编织物来在空间中寻找形式。它模仿了自然力量对材料的的作用，使用计算机预测最小表面，并通过控制边界线参数来设计形状。这个装置把找形方法带到了21世纪，也表明了由数字编程生成的超现实形式可以用当代的技术实现。

成对耦合

Pairwise Coupled

ZHA CODE在之前研究了关于单个双曲面的几何结构性能，在与Bollinger Grohmann Engineering and CABR Technology Co., LTD.,Beijing的合作下完成了3对双曲面组合与桥接后几何结构的探索，在得到几何的结构应力线后采用彩纹变色钢丝完成了整个亭子的搭建

混凝土薄壳结构

该混凝土薄壳结构于2015年建造展出，也是Zaha Hadid Architects（ZHA）与Block Research Group（BRG）团队一直合伙研究的课题。薄壳结构的探索研究突出了参数化主义风格建筑在结构方面的呼应性，一旦成功建成就能够彰显两个合作团队的各自特征的凸显与结合——一方面这个项目延续了BRG团队一直以来关于纯受压结构设计的创新研究，另一方面也结合了ZHA团队关于空间体验、建造经济、客户需求等方面的丰富经验。由此将两者特征结合得到完美的展示成果。

混凝土结构原型

ZHA CODE团队于2013年九月圣达菲德蒙特雷校园做的一个曲面结构探究原型

几何原型的找形手法还是简单地通过Maya进行低阶多边形拓扑塑形

在低阶几何形的基础上进行高阶曲面光滑设计，并得到最终期待形式

将得到的几何形通过有限元结构分析软件进行计算，红色区域是对结构有用的部分，而蓝色区域则是对结构没有太大帮助的部分，这也是随后几何开洞的依据

对开洞后的几何形再次放进有限元结构分析软件中进行合理性的判断与深度优化，得到最终合理的解

拱壳建筑

这是ZHA CODE受委托的一个国家机构地点性质保密的建筑，建筑几何原型为拱壳，由混凝土和陶瓷砖构成，屋顶图案的形式是为了能够彰显建筑的结构性能与程序布局等信息。该项目是来自ZHA CODE的持续参与并做出重要贡献的第一个委托项目，使得ZHA CODE团队在当代建筑文化中回顾和重新认知了建筑壳体结构的历史知识。

中国微城市项目

如果说之前的一些建筑设计项目中ZHA CODE属于给扎哈·哈迪德事务所提供技术支持，那么该项目是ZHA CODE团队第一次主导设计的重要建筑项目，同样是拱壳建筑设计，只不过材料为木材与陶瓷、瓦片的结合。

ZHA CODE作品众多，由于篇幅有限本期只挑了选代表性作品进行展示。除此之外，我们也简单地罗列ZHA CODE一些其他的项目作品，以及其指导学员完成的课题设计，增强大家对其的了解认知

伦敦餐厅室内设计，方案由扎哈事务所完成，ZHA CODE提供技术研究支持

美国托莱多某博物馆，方案由扎哈事务所完成，ZHA CODE提供技术研究支持

一件貌似为桥体设计的作品

另两件桥体造型设计

车站设计

薄壳拱的找形探究

小编总结

本次为大家展示了扎哈事务所中ZHA CODE团队的代表性作品，这些作品也完美地应证了Patrik Schumacher在讲座中提到参数化主义发展到了目前进正在盛行的建构主义阶段。这些设计首先是尊重建筑性能化研究、人体工学、行为感知、当下技术和材料特性，然后通过极高的数学理论、几何研究，性能优化等数字技术呈现在我们面前。可以看出，这些设计有的是寻找一种形式原型（prototype），有的是对新材料/新技术/新结构的探索，还有的是对新的建造方式的创造。

相信很多读者看后关心的一点是这些设计作品到底是如何做出来的？在阅读ZHA CODE团队给出的介绍以及自己经验可以总结如下：

1. 方案灵感与美学把控靠设计师个人修养，但是造型与深化绝对离不开软件辅助

2. 主要建模软件为Maya，Rhino， Grasshopper等

3. 用到的结构分析主要为为有限元分析法，用到的软件为ANSYS等

4. 大部分高阶曲面建模找形主要靠Maya，因为Maya不但具有强大的多边形拓扑塑形能力，同时也具有更为强大的动力学模拟等技术

5. 由于和BRG团队合作，所以在拱壳结构方案中的多边形几何绘制使用Maya，力学找形靠RhinoVault

6.编程和代码是必备的技能

7.学好Mesh很重要，找形、优化、分析、配合等工作都需要使用mesh，光凭Nurbs很难搞定

By the way，扎哈的遗作“沙特阿卜杜拉国王石油学习和研究中心”于2014年动工，今年建成，已经对公众开放啦，大家有兴趣的可以一去。

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编辑 |艺梦

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