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学院派导师带你一次彻底玩转“数字化建造”（上篇）
Part 1理论theory
1.计算机辅助设计的发展历程 parametric history and development
-CAD出现之前 Architect before AutoCAD-计算机绘图 Sketchpad by Ivan Sutherland at 1963
-CAD的运用 The application of AutoCAD
-自下而上的工作流 workflow
-Nurb曲面（1946）与贝兹曲线 Bezier curve and Nurbs surface
-3D建模软件的普及 The application of 3D-modeling software
-设计中的复杂性 Bringing complexity into architectural design
-渐进算法在结构工程中的运用 Evolutionary procedure for structure optimization
-粒子系统在仿生学中的应用 Biodigital matter
原 来的建筑师（这里拿康来举例说明），当他接到项目的时候会根据场地来决定一些策略，之后把想法转化成草图，草图就会变成一种与工程师沟通很好的媒介，比如说他的这种采光方式，施工图，通过这些图纸去指导工人来进行建设。
但是在二十世纪三十年代自麻省理工的教授，他发明了一种人机交互软件，你只需要用手拿着一根笔，然后在屏幕上划一下，即使是不借助圆规、直尺的情况也能够画出直线，也能勾画出圆滑这种曲线。可能看到这里的话，同学也会觉得，这不和我们现在的autocad很像吗？其实是的，它为计算机图形学建立了很好的基础。
这种新的计算机图形学逻辑的发明，让我们对曲线的控制和曲面的控制也会更加的直观更加的高效。而对建筑业的影响，比如我们现在用的很多3D建模软件，比如说犀牛他的很多底层逻辑也是基于曲面和贝磁曲线这些
上图是临摹big的项目，之前我们用CAD或者手绘的方式去绘制频率抛或者说是用建筑模型去推敲，现在可以通过计算机技术就很容易的能够模拟出他的形态，空间体验感在有了3D建模软件之后，拉动我们的鼠标，让视线在镜头的运动下观察建筑的复杂性。
就像图片中设计了一种流动性空间，让人们在参观的体验更加流畅更加直观的同时，也增加了一些空间的趣味性。现在我们开始进入了一个信息技术时代，it的从业者也越来越多了，计算机建模，计算机编程这种普及率越来越高了，像grasshopper的运用大概在2006年的时候横空出世，你可以看到它的原理是在电池组内部内置了一个算法，只要给他一个输入它就能输出一个值，就可以很直观的自下而上的去控制几何形体。
很简单的一个操作通过改变上面这两个控制点Z轴的坐标值，影响整个曲面的形态，如果给他100个控制点，我用某种数学公式、数学逻辑学就可以得到一个非常复杂的曲面。大家也会出现一个问题，我们怎样去制定这些数学逻辑，我们怎么去得到这些数据，那么接下来我就会以举个例子的方式让大家感受一下这种自下而上的设计模式所带来的潜力和可能性。
首先这是一种模拟技术的应用——lady bug，他可以把你的几何形体细分成一个一个的网格，每个网格有一个控制点它能够作为一个信息储存的容器。接下来对这个形体进行日照模拟后，它每一个点能够储存一个日照的数值，这个时候我就得到了大量的数据，设想下我们在制定某种数学逻辑，数学规则，比如说我们把这些数据转化为一个控制曲面上z轴的点，这样就能够得到一个被优化过的自遮蔽形态，让建筑节能性、环保性提高。
我们接下来的话呢，会讲到几个稍微简单一点不那么抽象的例子，这是位于墨尔本的一个建筑项目，它的表皮是很复杂的，建造过程中是借助了一定的参数化，或者说数字化的技术来得到的，那么它是怎么样去计算出这个表皮呢?
首先，先不去设想他最终的视觉形态，而是对他进行日照模拟求得它每一个面或者每一个局部的日照辐射量的分布，第二，引入了第二个参数，考虑到建筑内部功能，比如它是一个类似于图书馆的建筑功能，会有一些避免阳关照射的储藏室，就需要减少建筑内部所接收到的太阳辐射量。
第三，它运用到了一个叫做渐进算法的计算机技术，它是通过3D打印建造出来的，它表面的纹理是特别复杂的，因为混凝土这种材料有很好的抗压性，但耐受性和抗侧推力是非常非常弱的，但是通过渐进算法的应用，对混凝土板的受力进行解析后能够得出一种形态，让混凝土自身也能够抵抗一些拉力或者侧推力，这样就得到不需要钢筋也有非常高的结构性能的混凝土。
最后提一下关于仿生学的应用，这是隆德大学的一个仿生学的设计研究项目，它仿的是白蚁窝，因为白蚁窝它内部有一个复杂的几何形体，而其造型可不光是为了好看同时保持了功能性的，这些管道里面都是中空的可以让气体在内部流动。而在炎热地带的时候，他的内部会产生复杂的温度分区，这种温度分区就会造成一种温度差、再是气压差，气压差会推动气流在里面高效的循环，高效的流动。
白蚁在搭窝的时候是一个自下而上的过程，没有总体的规划师、设计师，而是靠白蚁之间不断的交互，就是不制定他最终的形态，而是去制定一种个体的基础的交互规则，通过这种交互规则不断的去让他们进行交互迭代，最后就能得到这种复杂的几何形体。
-大规模生产时代 Mass production -CNS-数控机床切割金属板 CNC cutting
-机械臂切割 Robotic cutting
-增材建造 Additive fabrication
-自下而上的数字化建造 Bottom to up work-flow
那个时候柯布他非常的渴望为社会更多的人，哪怕是最底层的人也提供一种舒适的、健康的安全的建筑。于是他就发明了这种多米诺系统，可以看到这种预知性的，重复性的模块化的部件，同时也是非常透明的，能够让阳光充满整个空间。
然后第二个是一种CNC的例子，它是对于木结构的切割，因为木头是一个很好的材料，它有很好的隔热性、结构属性、环保性，然后，就是他的二氧化碳排放量是很低的。下面通过像kangaroo的wat这些类似的算法，对他进行受力分析就会发现，有些地方受力比较大，有些地方受力比较小，受力小的地方我就可以让他的密度给变得低一点，这样整个重量也会减轻，就通过数据交互、数据联动的模式，去定义每一个单原件的大小以及每一个单元所需要的材料所需要的厚度，然后再把这些以数据的方式和CNC进行沟通、切割、组装。
然后我们来讲一下3D打印如何运用在建筑设计或者建筑领域吧。这是慕尼黑工业大学一个关于增材建造的例子，用塑料的材质建造出非常复杂的曲面表皮，这是应用于博物馆的外墙来进行改造，它是凹凸不平的凹凸不平，有什么好处呢？
当阳光照射在表面遇到某些凹凸不平的顶点，就会在曲面上投射出很多阴影，这些阴影能够让建筑有更好的节能性。可以想象，相较于平整的表面把它处理成这种凹凸不平的形状，可能一半的面积都是阴影，只有另外一半的面积是暴露。
然后，再提一下混凝土，作为结构材料，因为它有很好的抗压性能，你可以看到，用3D打印的制造方式，把这种湿的混凝土一圈一圈的打印出来等他干，但是等它干了之后它就不行了。整个流程都是自动化的，比起传统的施工方式它会大大提高施工效率。另外一点来说，它是没法去加钢筋的，如果你仔细看图片的话，它还是有一些复杂的曲面，通过数据反馈用有限元分析的方式得到，这样的混凝土也有很好的抗侧推力，同时不光能够加强结构，还能够投影出一些阴影从而减少阳光直射的暴露面积。
再就是3D打印金属，金属它重量很轻，第二他抗压能力抗拉能力都也好，正是因为它有很高的结构性能，所以说它能经常的被用于像车站，机场这种需要大跨度空间的建筑。将金属磨成粉末，通过双探头的方式左面将金属颗粒喷到指定的位置，而右边的探头在金属弹出来的一瞬间通过激光给予高温，它能够让金属变得粘稠变成一种就是偏液态的状态更好定型，让他的受力能够更顺滑更均匀的去传导。
最后给大家讲一个以高性能的材料以及未来有极大的可能性运用在建筑中，这个材料就是叫做CFRP和FRP，用中文来说的话就是碳纤维聚合物，碳纤维这个材料已经用了很久,但是他在生活中也不是随处可见的，因为它是非常昂贵的，这里有一个有趣的现象，如果你去淘宝搜一下碳纤维聚合物这种材料的价格，你会发现其实他并不贵甚至比现在用的PV这种3D打印的材料都还便宜，这是为什么呢？
主要还是他的施工方式是非常繁琐的，第二点来说，就是需要技术人员把碳纤维材料扑倒在模具上，并且把它放在机器里面抽真空给他一个强大的压强，把这些材料压实在一起，就会让碳纤维更加结实。这些各方面的因素加起来，就导致这个碳纤维这种材料本身成本不高，但是他的生产方式比较繁琐，就让碳纤维制品的价格，现在来说还是偏贵的。
但是，德国的斯图加特大学，他们发明了一种叫做碳纤维编织的施工方式，你可以看到它通过两个机器进行旋转，对这种玻璃纤维和黑色碳纤维进行编织。
其实，在一二部分的时候，大家已经听到很多我不光讲了他们的建造方式以及设计方式，其实他们的这种思维流程，也大概讲了一下，所以你可以看见参数化设计或者数字计算机辅助设计，需要一种自下而上的方式去接近他，因为只有这样，我们才能够让它更高效，更经济地建设出来。所以无非就三点，数字化技术、材料还有建造方式，这三者缺一不可，那么我们怎么样把这三者有机地结合起来指导我们去设计？那么接下来我会讲到举个例子。
通过3D打印的粘土所做的高性能建筑墙体，它是节能的，便宜的，那么我们就一起来回顾一下它的整个的设计过程，首先把它运用在气候上，并且在不使用空调的情况下就能够在内部有舒适的温度，那么怎么办？
这个时候就会出现自遮蔽的想法，大家可以搜索一下仙人掌皮面上的这种六角形结构，当太阳达到特定高度时就能够在他自己的表面投射出很多阴影，来减少他的热量吸收，那么我们同样也可以把它运用在建筑上，我们设计一个圆形，然后这种30度的等腰三角形，我们可以看到在夏天的时候，阳光在70度左右的时候打下来，因为它这个顶点的阻挡，让他下面的某些区域投射出阴影，那么在冬天的时候，太阳角度变成25到30度的时候，那么他的整个这种三角就能够暴露在阳光下，夏天的作用就是投影更多的影子来让建筑表面不吸收那么多热量，在冬季的时候，这种三角形能够大大增加表面积，能够提高他热量从而有一个非常非常温暖的环境。
因为我把它给做成三角形的话，肯定会出现一些悬挑，那么粘土能够悬挑多少，他在3D打印的时候，它的最大的这种湿的黏土，它的最大悬挑直线是多少？那么就必须要进行测试。通过某种方式对形体的优化模式，能够让他得到一个45度的悬挑，或者40度的悬挑，并且它还能够稳定，其实45度已经很不稳定了，我自己在做实验的时候，15度是最稳定的，然后15到30度的话，它的强度是非常OK的，那30度到45度的话，能够保证你在打印的时候不倒，但是干掉之后其实它的这个挑出来的方式很容易碎。
可以看到它是用了一种就是贝磁曲线的方式去打印曲线，该方式能够让它这种结构交接处尽可能的是一种相切接触，往往就能够大大的去减少接触面积，那么接触面积减少的话，它的热传导面积也就减少了，比如说我这一面，当接受阳光之后，这边都会变得很烫，因为他的接触面积很小，所以说他对内部的这种热传导是有限的。在建筑的另一面，就保持一种舒适的温度，同时我也可以再填一些土在里面。
然后这个图也是一种储存热量的媒介。热量传导到这一层之后被储存起来，而不是说直接传导到其他的空腔，然后这样的话就会产生很好的热质量效应，在晚上的时候，沙漠气温变低的时候，这些粘土储存的热量就会释放让让室内变得更加的温暖。
画一个效果图来展示一下他的可能性，你可以看到这个悬挑很高了，但是实际建造测试话，又不能够去如此的贴近理论极限，这样子的话就不会很安全。我们在回顾看一下这个设计，他大概是就是说在这样的流程里，我有个想法，我把这个想法给变成一种基本的原理，像我们刚才说到的这种圆形、等腰三角形，同时的话，我们在构建这个准确的几何形体的时候，我们还要正确的去使用材料正确的选择建造方式，才能够达到它既复杂又高性能又高效的同时还便宜的状态。
然后就会得到一种几何形体，然后再对他的原型进行建造，最后把它放在实际的场地进行测试，因为计算机里面，更多是趋向于理想化的环境，所以说它实际测试的时候和电脑中的理想关系，他往往是有一些偏差的那么我对它进行测试，得到数据，数据验证技术验证之后我再回过来再去对几何形体进行优化，反复几次迭代之后，让他变成了一个可靠的产品之后，那么就可以建造起来。
他并不能完全说是建筑设计吧，或者说它是一种很自下而上的流程，就是说我不去想象我最后的建筑会长什么样，我不去想象墙体之后会长什么样，我从最基础的开始做，最后的形体就是逻辑的结果。
软件software
常用工具软件 common software
-节点设计 Joint Design
-单元件设计 Component Design
-单元件组合测试 Aggregation Test
-单元件优化与定制 Optimization and Customization
-结构优化与有限元分析 Structural Optimization and Finite Element Analysis
-找形 Form Finding
-数据联动 Data Linkage
-CNC交互 CNC Interaction
https://www.youtube.com/watch?v=IqH2xH_W4Y4&list=PLCn3-_9Z4-E5A0EFluiMldlEbDufMiN1g
Part 3.
课程体系Curriculum system
/课程安排/
本工作营分为网络授课和导师经验分享两部分，导师会带领学员梳理计算机设计相关理论知识，技术和软件，并进行概念的制定和设计。在经验分享中，导师就学员在课程中的问题进行解惑，以及分享他们当时的 学习经验。
01
第一部分内容
Part 01
计算机辅助设计的发展历程
Part 02
从大批量生产到大规模定制
Part 03
自下而上的设计流程
02
第二部分内容
Part 01
学员提问和分享
Part 02
导师答疑总结
Part 03
师生交流会
Part 4.参与人员介绍Introduction of participants
/Workshop课程团队/
这是一个机会难得的建造工作营，在完成设计的同时，还能让同学们了解整个建造过程，通过导师各种案例的实际讲解，细致分析，让你的设计不止停留在屏幕中。
课程导师
参数化类别的workshop
/参数化认知/
首先我们只要一谈到参数化设计或者是数字化设计，脑海里面更多浮现的是像扎哈，弗兰克，盖里他们这样这类建筑师的作品，形体复杂且具有流线型，但是我们现在看到的绝大多数建筑是完全不同的，比如下图左侧这个位于瑞典的建筑，你可以看到它的设计语言是在尽可能的使用预制化模块的部件，是非常经济且高效的设计手法。这两张图并置在一起只要简单一对比，就会感受到参数化设计或者说计算机辅助设计的不同之处。左边是预制型、是模块化的，而右边则反之不是，它是非预制性的，非模块化的，同时会消耗掉大量的人力资源、社会资源去完成建设。
那么这个时候我们不妨反思一下，如今我们有非常好的计算机技术，我们把这些技术移植到建筑行业的时候，他的可能性仅仅的就是说去做一个复杂的造型，来满足一种视觉的愉悦吗？我们还能够怎样用这些数字化技术更好地来辅助设计，对社会产生更多积极的影响。
本工作营将以计算设计作为主题展开学习和探索，结合大量实际案例分析和解读数字化建造方式。
关键词：/计算设计/数字化建造/参数化设计/设计流程
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