不知道“数字物质化”你就太out了

Image© ICD

“有一个自相矛盾的事实是：在这个所有实际事物都要试图数字化的当下，建筑所关注的重点却是如何从虚拟数据转变为实实在在的物质。”

“‘数字物质化’这一概念是贯穿我们研究始末的核心。这一概念的产生来自建造中对‘虚拟数据’和‘实体物质’二者的结合。”

“设计师的大脑是赋予机器人智慧的关键，在未来的研究中我们也会更多地关注于人类如何更直接地参与到机器人建造的控制和决策中。”

本文为全球知识雷锋第64篇讲座。

本文整理自ETH digital fabrication 方向Fabio Gramazio教授于2014年3月20日作的演讲及2008年2月26日和他的合伙人Matthias Kohler在AA作的讲座，原题分别为Digital Materiality in Architecture 和 Digital Materiality 。讲座由同济大学研究生Caproose总结整理，由ETH digital fabrication in architecture方向在读研究生王瑶推荐。

记录者：Caproose

同济大学硕士在读

推荐人：王瑶

苏黎世联邦理工学院建筑数字化建造方向硕士在读。

主讲人:Fabio Gramazio

& Matthias Kohler

Fabio Gramazio（右）和Matthias Kohler（左）均为苏黎世联邦理工学院（ETH）教授，致力于研究建筑与多交叉学科之间的可能性，范围包含计算机辅助设计、机器人建造与材料创新等。两位教授在2000年开始正式合作，并且与2005年在ETH创办了世界上第一个将工业机械臂用于建筑实践的工作室，开创了基于机器人建造的建筑数字设计新领域。

文章全长6800字，阅读完需要15分钟

推荐语

本讲座由ETH digital fabrication in architecture方向在读研究生王瑶推荐

Gramazio&Kohler于2005年在苏黎世联邦理工学院创立了建筑技术实验室（Institute of technology in architecture即ITA），在实验室十几年的研究中，他们不断地实践，尝试将虚拟数字设计转化为实体建造，缩减由于设计虚拟环境的极端膨胀而在设计与建造之间产生的鸿沟。Gramazio&Khole相信，在新唯物主义世界观的指导下，物质不再是客观存在的“东西”，而是包含信息、体验、现象学等一些抽象的劳动机制的实体。建筑师在技术革命面前如不积极主动地思考和尝试， 将会对创造力失去主动性。

正文

Fabio Gramazio&Matthias Kohler

今天我站在这里，是作为一个建筑师（而非一个社会学家或是经济学家）来向大家分享我的作品。对于“未来”这个话题，我想要从一些非常具体细致的角度切入，而不是就建筑的未来泛泛而谈。我所关注的是数字化对今天大范围的影响力，特别是数字化建造技术在建筑设计和建造上的应用。我认为在建筑的文化语境中，需要与机器发生更直接和深入的对话。这样的对话不仅仅可以避免建筑师在将至的建造结构性变革中被排除在外，更重要的一点是这也可以帮助我们探索建筑师与机器互动的动机和初衷：人机协作将拓宽建造的领域，最终会帮助建筑师设计并建造出许多若不借助机器将无法实现的作品。在今天的讲座中我将分享一些我们团队同时在ETH和ETH在新加坡的“未来城市实验室”所做的研究。

“数字物质化”（Digital Materiality）这一概念是贯穿我们研究始末的核心。这一概念的产生来自建造中对“虚拟数据”和“实体物质”二者的结合。我们认为对于建筑来说，最重要的是其物质性。在当下的数字化设计时代中，依赖计算机技术有太多的数字设计工具可以帮助设计师创建出虚拟的数字作品——但是我们考虑的事情是如何将虚拟的数字设计转换为实实在在的物体被建造出来。如果能建立一个系统，将虚拟和真实联结起来，那将会是非常令人激动的成果。有一个自相矛盾的事实是：在这个所有实际事物都要试图数字化的当下，建筑所关注的重点却是如何从虚拟数据转变为实实在在的物质。我们目睹许许多多在第二数字时代背景下，对于表现数据和物质、数字设计和数控建造间关联的设计作品，并且认为，在建筑的语境中，只有物质才能证明数据的存在。

为了探索这一纠结在数据和物质之间的现象，ETH在2005年成立了研究小组，旨在探索在这种被称为“数字物质化”背景下的数字建造如何实现。当时，一台特殊的工业机器人可以说是本研究小组的核心组成，这台灵活强健又可靠机器人彻底地改变了工业制造的逻辑。在传统的建筑建造中，人力建造所占的比重非常大，而机械臂的介入则让我们重新思考了人类和机械之间的关系。

2005年ITA小组建立机械臂工作站

我们研究小组在数字化设计变革时代中一直致力于将物质建造和数字设计紧密结合，所以在我们接下来将要和大家分享的作品中，如何处理“虚拟数据”和“实体物质”的关系便成了我们研究的基础，也构成了我们研究组的世界观。希望这些作品可以为大家阐述我们质问和思考的过程，而不是单纯地展示一个设计结果。

PART1: NO ROBOT 

数字设计的传统沿革

【mTABLE 】

{2002 Industry Partner:CNC Dynamix / Superform}

这个项目是一个可以借助手机进行设计的桌子。在这个过程中不涉及复杂的技术，更像是一个基于用户喜好生形的设计游戏。在这个设计界面中，你只需要动动手指，通过输入桌子的几个模拟受力点，就可以得到表面开洞的桌子形态，并且可以设定其颜色和材质，最后使用者可以得到一系列的建造数据。这些数据非常简单直观，每个数字都对应着其相应的建造数据。仅仅利用这些简单的数据，就可以在我们的设计系统里模拟出造型复杂的形态。接着在把这些数据导入给数控加工机器，一张形态复杂的桌子便应运而生。

在这个案子中大家可以直观地看到，我们将数据转化成材质，将虚拟转化为物质，将低分辨率的老手机转化成直接指导建造的工具。当然，在光怪陆离的手机应用蓬勃发展的今天，当年的技术看起来非常过时，而且这种破洞的桌子本身也是个很有问题的设计，甚至都不是由专业的设计师完成的——这的确一些玩世不恭的讽刺意味。不过这个项目也非常明确地表明了由于数字制造技术的引入而带来的开创性的制造范式。

【Interference Cube】

{Prototypical Space Unit2003/Industry partner:CNC Dynamix / Jura Cement / Wey Elementbau}

这个设计从外观上看上去就是一个水泥立方体，2.3m立方，重达7吨——当然这些仅仅都是它的物质属性。我们的重点是用程序和数据设计其内部表面。在做这个设计之前我们在思考，既然我们是在计算机的坐标体系下设计空间和装饰，为什么我们还要拘泥于平面和剖面的设计和绘制？受限于基于平面的设计体系，我们无法轻易完成复杂造型的建造。

在这个研究中我们建立了一种“空间化”的设计体系，将一些连续的平面几何形映射到立方体内部这五个面上。这种像是声波的图像或是洋葱的纹理的平面几何信息是连续的。随后我们利用铣削工具头加工出深度只有8mm纹理的水泥板，但就是这浅浅的纹理便创造出神奇的视觉效果。当你看着这些表面的时候你甚至会分不清这个图案究尽是平面的还是实体的。这也是我们引发我们兴趣的一点疑问：虚无和实体的关系是否可以共存？仅仅由一些简单浅薄的纹理便产生了惊艳的效果，以至于人们不得不通过触碰来判断这究竟是数字图像还是真实物体。有趣的是人们也只能通过触摸来感受并定义物质。

PART2: WITH ROBOT

数字变革的人机时代

机器人参与ETH集成数字化木结构搭建（Image© archinect）

现在我们进入第二部分——关于机械臂登场之后的一系列思考。在2005年之前，我们还在做着非常传统的设计，那时候机器人在建筑设计和建造中并没有大规模地普及。机器人的世界对建筑界来说充满未知：我们不了解它们的性能和潜力，不知道在建造中如何运用它们。下图中这个工作站是我们在2006年建立的，当这个庞然大物已经入驻ETH实验室的时候，我们还在思考用机器人究竟做些什么。实话说我们当时并没有做好基于机械臂建造的结构研究和几何研究，我们一直以来所做的研究和设计也并未跳出传统技艺的圈子，但毕竟ETH多年来一直致力于各行各业的新技术改革，另外迫于学校经费和研究计划的压力（笑），我们只能硬着头皮去研究和机器人相处的模式。

ITA研究小组机械臂工作站

回顾几年前的机器人，我们发现它们都是些功能很专一化的机械：铣削机就只负责平面铣削，并且又精准又快速，但从另一方面考虑这也是它的局限所在。像机械臂这样的机器人用在工业制造上也已经有50多年的历史了，最先出现在汽车的制造加工流水线上。通常所见的机械臂都是由六个电机组成的（又称六轴机械臂），模拟人手臂关节的运动规律，只要用程序将机械臂运动过程中经过的所有空间点转换为坐标，再输入给实际中的机械臂，就可以用机械臂完成所有空间中复杂的运动轨迹，甚至超越了人类所能及的活动范围。借由此特质，只要给它们配置不同的机械工具头（就好比给人类的手臂“安装”上功能不同的手）机械臂就能制造出任意凭借人工很难实现的作品——只用一台机器，便能实现多种建造功能。机械臂作为一台“机器人”完全不具备智慧，它只是设计师的新手臂，它将如何创造奇迹完全取决于设计师的大脑，而设计师天马行空的想象力又必须依赖机械臂的运动和定位能力来实现——这就是机械臂与设计师互动的魅力所在。

数控铣削机

工业机械臂用于汽车制造业流水线

六轴工业机械臂构造

图左：铣削工具头  图右：砌砖工具头

这种工业制造技术在建造领域带来了前所未有的可能性，也在时时刻刻挑战着我们的创造力；思考如何更好地实现人机互动，也成为我们一直以来研究的热情。基于此，我们在ETH持续开设了多年借助机械臂设计和建造的数字化教学课程，和学生们一起探讨机械臂在建造中的可能性。

【research about walls】

【The Oblique Hole】【The Perforated Wall】【The Dissolved Wall】

在研究的前期我们从比较简单的几何体着手，探讨了“机械钻孔”技术在不同材质和不同场景下运用的可能性。我们从“墙”这一建筑元素着手研究。

The Oblique Hole这个案例中我们要求学生用机械臂在一个不规则多面体上钻出2000多个随机生成的倾斜孔洞——显然这个数量级的数据信息不能用传统的CAD来完成，因此我们开发了自己的算法工具。我们首先对整个多面体进行数据建模，然后利用几何信息进行密度分配，在离体心距离远的面上孔洞分布密度高，反之则密度低。另一个设计工具可以让学生自由设置孔洞的倾斜朝向。他们还可以通过孔洞的拓扑特征，例如孔洞相对于多面体的边或角的位置，来设定密度分布和倾斜朝向的逻辑规则。

The Oblique Hole

The Perforated Wall这个案例是我们第二年课程的研究。我们使用的数字制造方法并不依赖于重复均匀网格，因此可以生成有高度差异化穿孔的墙壁。由于可以对各个孔洞的开口和侧面进行成形，因此墙的正面和反面可以呈现不同的样貌。由于孔洞的角度，在不同的视角将会获得不同的透视效果。将开口的取向渐变，墙上将形成一个个透视区域，其形状和透视度会随着观察者的移动而连续平稳地变化，从而获得一种灵动且富有况味的视觉体验。

The Perforated Wall

在这个项目中，我们研究了在建筑等比模型立面下穿孔的光影效果。我们向聚苯乙烯制成的模具中浇筑混凝土，最终设计出了两面穿孔墙。一个孔洞可以通过四个参数来控制：孔洞位置，与墙面倾斜的角度，孔洞自身旋度，以及孔洞大小。它们在墙上的分布可以全局吸引力和排斥力来编程设计;同时一个动态系统负责将两面的孔相互对准，避免重叠；倾斜角度和孔的大小通过数字图像文件的颜色值来控制。这些算法工具为学生提供了直观的设计路线，并用于帮助他们自己对分布和定向逻辑进行编程。

The Perforated Wall2

基于前几年的研究结果，我们又深入谈论了孔洞开孔的可能性。The Dissolved Wall 案例的特殊之处在于我们不但可以将孔洞做成任意的不规则形状，同时孔洞的侧壁是塑性变形的。首先使用算法工具，将一个个点分配在墙的表面上，基于这些点用Voronoi图的数学方法对墙面进行多边形分割，把这些分割映射到墙的两侧并相互连通，产生一个2.5维的网格结构。通过在墙壁的正面和背面移动配置点，可以使孔洞的侧壁变形，从而改变整个幕墙的结构。

Voronoi图，又叫泰森多边形或Dirichlet图，它由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。Voronoi图是一种分割平面的方法，N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面；每个点与它的最近邻区域相关联。

The Dissolved Wall

基于上述成果，随后几年的研究重点落在了如何在真实建筑尺度下研究材料和空间的关系——因为还从来没有研究将机械臂用于等比建筑元素的建造上。基于不同的建筑材质，像是实体砌块或是塑性增材水泥，我们利用不同的机械头与建造逻辑，得到一些对实际建造有前瞻性的研究成果。

【The Programmed Wall】

在机械臂砌墙的研究项目中，我们利用一些对于专业程序员来说很简单的不超过二十行的代码，用到的语言结构也是简单的循环逻辑；在结合了设计以后，这些简单的代码就可以创造出复杂的效果。在计算机模拟中，空间的砖块的位置转换成机械臂可以读取的特定代码，利用我们特别设计的砖块抓手工具头和配合运砖的传送带实现了从编码到实体墙面的转译。在编码砖墙中的每一块砖头的位置属性都是可以被程序控制的。砌墙这一古老的工匠技艺因为机械臂的介入而变得充满可能性，这也是我们觉得很有趣的地方，即传统的建筑元素和施工工艺如何在新技术的介入下变得焕发生机。新的技术改变传统的建材的建造形式，而充满创意的设计借助新的形式得以实现。这使我们得以重新思考建筑材质在数字设计中所扮演的前所未有的全新角色。在我们之后的研究作品The Resolution Wall 中，我们利用了不同的砌筑逻辑和不同尺寸的正方体砌块，重新编码出与单一尺寸数字化砖墙所不同的结果。当然为了配合全新的设计逻辑，我们应用的工具头也做了相应的更新。

在这个研究之后我们有幸参与了实际建筑立面的设计，是一次宝贵的研究实践。项目位于Switzerland郊外的一座葡萄酒庄园，目的是设计庄园酒窖的外墙立面。

【Winery Gantenbein】

最初的设计提出了一个简单的填充砖块的混凝土骨架：砖石作为温度缓冲区，并可以为后面的发酵室过滤阳光。砖块被错落堆砌，日光透过砖块之间的空隙射入大厅，排除对发酵有不利影响的日光直射。

ETH开发的机器人能够按照规定的角度和精确的时间间隔堆砌20,000个砖块中的每一块。这使我们的墙壁设计在考虑光线和透气性的同时，可以构建整个建筑立面的图案。根据砖块所设置的角度，每个砖块各自反射光线并因此呈现不同程度的亮度；与计算机屏幕上的像素相似，它们合起来会形成鲜明的图像，用于传达葡萄庄园的身份。

我们的设计使得葡萄园立面看起来像一个装满葡萄的巨大篮子。墙壁的观感由砖石的坚硬厚重在远距离溶解成纺织物般的轻盈柔软。观察者沉浸在这样一种视觉欺骗带来的趣味体验中，会惊讶于其棱角与弧度、坚硬与柔软、二维与三维、凝固与动态的统一。

为了创建立面，我们设计了一个生成过程。我们将混凝土框架结构解释为一个篮子，并填充了不同直径的抽象超大葡萄；用计算机模拟重力，使葡萄落入这个虚拟篮子中，直到它被完全填充；然后，我们利用墙壁的压力数据转换为单个砖块的旋转角度。

立面肌理生形物理模拟过程

预制砖墙机械臂建造过程

【Foam】

通过多年的研究，我们借助机械臂建造技术从研究到实践建构了比较成熟的砌块建造系统。下面这个研究项目就是基于增材建筑材质的机械臂加工技术。

在传统的技术中，混合和挤出增材反应试剂的过程是很脏的，同时借助人力完成的实物加工也不恨可靠。因为我们试图将机械臂加入到材质挤出的过程中。工具头的挤出路径由简单的平面几何控制，通过层积打印的方式进行高度堆积。不管是之前提到的砌筑还是层积打印，都需要依据物理重力法则编写机械臂自下而上的工作路径。在特定的几何路径中我们还需要用程序告诉机械臂从哪里开始和结束，运动的速度是多少，在增材建造中改变这两点控制因素就能得到不同的结果。当用不用的几何路径控制打印头的层积方式，也会得到一些很有趣的结果。这种稠状的增形材质的特殊材质属性让建造的过程充满了不可控性，得到的结果随意得常出乎意料。但是这个过程却成为了一种设计结果反馈于设计的必不可少的一步。通过打印结果我们能够充分了解材质的属性，并在路径优化中得到直观的经验。

研究至此我们发现，在整个过程中只有路径、温度、速度和材料属性是确定的，但最终的形体却会产生一些自由不受控制的异变。有趣的一点也恰恰在于此：我们利用相同的打印参数进行多次实验所得出的最终形体彼此间略有差异，但都大致相似。这种自由形态背后的建造逻辑依旧在一定程度上控制了设计的走向。看似没有规律的形态其实是在控制之下的意外产物，这样的思考让我们在结束这个研究后依然回味无穷。

机械臂增材打印过程

PART3: CYBORG—HUMAN & ROBOT 

人机共生的未来

我们的研究小组在近五年有了更多令人振奋的成果。在机器人的选用上，我们利用龙门钢架增加了机械臂的活动轴，使其可以适应更复杂的空间造型和更大的尺寸；借助无人机和传感器等新技术，让建造的过程和结果直接反馈于设计。机器曾经在建造中短暂地代替人工，但是我们在后期的研究中发现，人在这一过程中应当扮演着更重要的角色。设计师的大脑是赋予机器人智慧的关键，在未来的研究中我们也会更多地关注于人类如何更直接地参与到机器人建造的控制和决策中。

机器人介入下的传统建筑行业将发生巨大的变革，重复的人工劳动将被更灵活且功能复合的小型机器人取代。在新型建造模式的基础上，建筑构造和材料使用也会发生相应的改变，以适应于升级后的建造系统。在近几年的研究中，我们也在持续关注建筑材料和结构如何在更大的机器制造尺度下发挥全新的可能性，致力于建立一种数字时代之上基于信息数据的建造方法，增加设计精度并降低建筑建造成本。

Mesh Mould 2014

Smart Dynamic Casting  2015

Mesh Mould and In situ Fabricator 2017

On-site Robotic Construction 2018

Robotic Lightweight Structures

从二十一世纪初到当下，我们经历了数字时代变革的不同阶段。建筑师和机器的关系也发生着本质的变化。总结以上内容，我们可以将数字时代中基于机器技术的“数字物质化”理念归结为五点：

1.Generic Machines

在人机共生的未来，我们可以改装现有的机械设备，例如给他们装上传感器，让它们自己在其行动的过程中实时予以自我反馈和调整；

2.Complementary

思考机器与人如何实现技术互补和建造协同；

3.Rethinking Construction

基于数字化建造，我们可以重新考虑架构在机器建造之上的生形逻辑和加工方式，并利用预制构件的方法实现复杂的造型；

4.Design of Processes

在未来可以确定的一点是数字化设计更多的是在设计一种生形过程而并非形式本身，这为设计结果带来更多的可能性；

5.Material Sensuality

最后我们需要注意是，数字设计不仅提出了一种基于理性和逻辑的设计思考，同样也需要我们有物质意识，转换数字形式为实际物质，才有其建筑语境中的价值。

借由以上五点，建筑师对于技术的思考便归结到一种文化的层面。科技革命让我们所处的世界日新月异，如果我们在技术的变革中放弃了思考和尝试，那么我们建筑师便失去了创造未来的机会。

讲座地址：

1.Digital Materiality in Architecture

https://www.youtube.com/watch?v=Uwr2TkRugtg&t=367s

2.Digital Materiality

https://www.youtube.com/watch?v=fjTsenZVhXI

文中所有图片均来自讲座和网络

END

推荐书目

The Robotic Touch – How Robots Change Architecture

左： AD Made by Robots. Challenging Architecture at a Larger Scale. 

右：Digital Materiality in Architecture

左：FABRICATE-Negotiating Design and Making

右：Flight Assembled Architecture

作者

Caproose

同济大学硕士在读

推荐人介绍

王瑶

北京建筑大学硕士，毕业后任职于北京市建筑设计研究院，结束三年一线建筑师的工作后选择出国留学，现为苏黎世联邦理工学院建筑数字化建造方向在读硕士。

王瑶的部分个人作品

Image© ETH Zurich Institute of Technology in Architecture Masdfab

Gradual Assemblies - A Summer Pavilion for the Istituto Svizzero项目是在罗马瑞士中心原历史保护建筑的屋顶上加盖一个可以提供交流和展览活动的临时展廊。从节点设计到形态生成、从结构单元测试到建造拼装所有过程在九个星期的时间内完成。这个设计探讨的是“衍生”过程，是节点产生单元、单元产生整体形态和建筑空间以及三者互相影响不断调整的迭代过程。整个展廊完全由松木杆件组成，节点处由直径24mm的圆截面木榫成角度插接。机械手臂的建造是这个项目最重要的和工作量最大的一部分。设计确定后将每一根木梁和每一个连接杆空间坐标数据发送给机械机械手臂，机械臂负责拾取杆件空间定位和打孔。三个星期完成机械手臂建造，两个星期完成现场手工拼装。最后利用GPS系统对手臂建造的单元扫描并与计算机模型进行比对，最终结果显示在一个单元内手臂的建造精度整体误差基本为零，局部悬挑过长的木梁误差可控制在17mm内。

Image© ETH Zurich Institute of Technology in Architecture Masdfab

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配乐：ETH 王瑶

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