建築數字化的過去，現在和未來

3D掃描-巴特萊特建築學院

如今，機器人建造，人工智能等數字化工具在建築領域的運用越來越普遍。無論是大型公建，還是小型住宅，一個建築項目不使用某種數字工具進行設計或建造的情況越來越少。數字化的技術給予了我們建築空間新的體驗，同時也幫助建築師們開拓各種新的可能性。

未來，數字化的應用也將會越來越貼近我們的日常生活，使我們更方便的獲取和利用信息。虛擬數據和數字信息的互動性和連通性將會比以往任何時候都更強。在這種時代背景之下，數字技術的利用對於建築領域也是一個巨大的機遇，通過這篇文章，小編想和大家一起分享一下關於建築中數字化發展的過去，現在和未來方面的知識。

2018年火人節寺廟—用Grasshopper所設計的項目

01

起源：形態思維

我們對數字化時代建築未來的關心與如何理解人類與自然的關係有著直接的聯繫。19世紀生機論（Vitalism）到經驗主義的轉變，標誌著科學技術的進步。人們對於大自然中的生命有了更深入的瞭解，湯普森的《生長和形態》和達爾文的《物種起源》所表達的結構主義思想激發了建築師在設計中利用自然的行為。

1896年，芝加哥學派建築師路易斯·沙利文將其思想概述為形式總是追隨功能，而他的門徒弗蘭克·勞埃德·賴特也提出了“有機建築”的思想，在他所開創的草原學派的建築運動中，這種思想在設計中體現的最為明顯——從它的形態到它的功能，建築可以被理解為一個與環境相協調的有機體。

路易斯·沙利文

弗蘭克·勞埃德·賴特

這種思維可以概括為”形態思維“，它讓建築師思考自然規則如何能夠超越所有建築設計的形式。德國斯圖加特大學的建築教授阿希姆•蒙格斯(Achim Menges)表示，形態思維在今天仍然適用。他說:“在大自然中，形式的產生和它的物質化具有內在、不可分割的聯繫。”因此，形態學的設計使設計和製造更加緊密地聯繫在一起。”這是充分挖掘數字技術在建築設計和施工中潛力的先決條件。”

02

最初的參數論者

對自然法則的深刻理解，以及這些法則背後的數學原理，極大地影響了20世紀早期到中期的建築師。雖然他們當時沒有今天的技術條件，但他們能夠以一種類似的方式利用形態發散思維。具體來說，這導致了一系列被稱為“原始參數”設計方法的產生 ，或使用模擬計算形式的手段使用參數。在這一時期，沙利文的“形式總是追隨功能”開始有了新的含義。

意大利建築師Luigi Moretti認為，假如建築的功能可以通過一組參數來描述，那麼建築師就可以使用與性能標準相關的數學方程來設計形式。西班牙建築大師安東尼·高迪在設計聖家堂的過程中便採用了模擬計算的方法。他開發了聖家堂的懸鏈拱頂結構，他把基層設計的模型倒置，每個相應的點上吊著懸鏈，每條鏈上掛著重量與實際成比例的沙袋，這樣穩定後的繩子自然產生的曲線就是拱頂和拱門應該用的角度，也叫拋物拱。懸鏈結構的優點在於，它只受自相抵消的切力作用，能夠平均分配支撐重量。

倒掛懸鏈的設置

倒掛裝置底下的鏡子倒映出了穩定的結構

聖家堂

遺憾的是,高迪的圖紙和大教堂的模型,被毀於1936的西班牙內戰。20世紀70年代末和80年代，年輕的澳大利亞建築師馬克·伯裡(Mark Burry)在認真研究剩下的碎片時，拼湊出了構成高迪所有模型基礎的複雜數學代碼。巴里的研究使高迪的作品進入了國際公共領域，高迪的方法在20世紀末21世紀初影響了世界各地的許多建築設計師。隨著計算工具進一步發展，將物理引擎(可以幫助模擬物理系統的軟件)用於模擬真實世界的結構行為，這一點變得尤為明顯。

德國建築師和工程師弗雷·奧托（Frei Otto）進一步發展了這種使用模型進行模擬計算的方法。奧托是自然界結構(包括肥皂泡和蜘蛛網)計算領域的領軍人物，他使用詳細的物理模型來分析、理解、記錄和計算這些結構是如何形成和執行的。1972年，他為慕尼黑奧林匹克體育場(Munich Olympic Stadium)建立了一個複雜的物理模型:將金屬絲、細繩和精密成像攝像機對準這個模型，計算體育場屋頂結構的拉伸行為。

弗雷·奧托

慕尼黑奧林匹克體育場，設計：弗雷·奧托

這一時期的其他原始參數論者包括美國建築師理查德·巴克敏斯特·富勒。富勒對宇宙是如何運作的有著濃厚的興趣，這促使他開發了很多預製建築，這些項目從科學技術工程和創新中汲取靈感。在富勒看來，一個使用較少資源的世界將通過降低產品的總體成本並使更多的人更容易獲得這些產品，從而創造一個更加平等的經濟。這進而將導致一個更加可持續和民主的未來。他的作品可以被看作是當今數字設計和數字製造背後的建築精神的一個先例。

理查德·巴克敏斯特·富勒

能飛的房子，設計：理查德·巴克敏斯特·富勒

曼哈頓穹頂，設計：理查德·巴克敏斯特·富勒

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一場控制革命

二十世紀八十年代後期以來，以電腦技術為基礎的一系列信息傳播新技術和信息傳播系統的作用日益凸現，電腦互聯網絡已迅速崛起為最新的媒介。被稱為“第四媒體”的因特（互聯）網，已成為新媒介的最傑出代表。在這樣的新形勢下，學界業界在有關媒介分析理論的研究中，顯然應加倍關注那些以探討比電視更新的傳播新技術與新型傳播系統為切入點的媒介技術分析理論。

美國傳播學者詹姆斯·貝尼格（James Beniger）1986年在其專著《控制革命：信息社會的技術與經濟起源》中表達的闡述電腦技術等信息傳播新技術在當代社會中的重要地位的“控制革命”論，正是這樣一種媒介理論。這一理論透過信息傳播新技術的發展，透視社會發展的信息化動向的由來，探溯“信息社會”的起源。

這些創新思維背後的邏輯，是使用信息處理、機器學習和人工智能的控制論體系結構和自適應體系結構系統的核心。控制論激發了建築師和設計師們採納這些想法，並利用它們來理解人類和機器之間的關係。他們經常通過設計烏托邦空間來實現這些想法，這些烏托邦空間在20世紀60年代和70年代得到了來自技術和人的不斷反饋。

通用構造函數是一個自組織交互式環境的工作模型。包含集成電路的一系列單元彼此通信，每個單元的狀態可以映射到圖形輸出設備。

在以這種思維設計的建築師中，最著名的莫過於英國建築師塞德里克·普萊斯(Cedric Price)了，他的作品啟發了後來很多的建築師（包括庫哈斯，理查德·羅傑斯等等）。他通過草圖、提案、教學、寫作和對話來傳遞對城市的無限想象力。他與戲劇導演Joan Littlewood合作的“玩樂宮”（Fun Palace）項目雖未建造，但它啟發了理查德·羅傑斯和倫佐·皮亞諾在巴黎的蓬皮杜藝術中心。

蓬皮杜藝術中心的設計是一個不斷變化的空間圖，它提供了一個巨大的開放空間，可以最大限度地發揮靈活性，滿足不同的活動。在這個空間裡，人們可以自由漫步，欣賞藝術品和裝置，發現建築中的收藏品——所有這些都不需要建築本身指引到特定的路徑。一個人通過建築的方式是由他自己的需要、慾望或需要決定的。

“玩樂宮”—塞德里克·普萊斯

蓬皮杜藝術中心

在1972年出版的《建築機器》(the Architecture Machine)一書中，尼葛洛龐帝(Nicholas Negroponte)和他在麻省理工學院的研究小組設想：未來人類與機器之間的動態關係是一種對話，機器最初可以向人類學習。他的工作集中在設計的進化過程，在這個過程中，機器學習將使計算機不斷地學習以產生更好的設計。

在類似的思路下，Julia和John Frazer的研究（20世紀80年代和90年代AA的傑出人物）——使用生成和進化算法作為設計過程的新模型。約翰·弗雷澤(John Frazer)反思道:“控制論將使一種設計好的新形式的人工製品與自然力量和諧互動、進化。”“所有設計的人工製品都涉及與用戶和環境的互動，因此可以被理解為控制論系統。”如今，進化計算也被廣泛應用於建築設計中—作為優化過程的一部分，或者通過結合各種性能標準來尋找最佳可能的結果。

04

早期的數字化探索

20世紀70年代中期和80年代的經濟危機和衰退促使建築師重新調整他們的實踐方式。許多建築師，開始研究更多其他形式的建築實踐 ，並從其他行業尋找靈感。在20世紀80年代末和90年代初，隨著數字工具設計的複雜形式在建築和設計行業中變得越來越普遍，計算工具不僅在設計過程中變得越來越重要，而且在圖紙的繪製中也變得越來越重要。這些工具使建築師能夠使形式更加合理化。

美國建築師彼得·艾森曼(Peter Eisenman)是早期數字建築時代的重要人物。艾森曼的作品的特點是從拓撲幾何學、麥卡托網格(Mercator grid)等不同領域中借用大量的理論術語，將他們引入自己的建築作品中。在“法蘭克福生物中心”的設計過程中，他運用了DNA在蛋白質合成過程中的三種機制：複製、轉錄、翻譯，來作為建築佈局的主要構思。

設計概念—法蘭克福生物中心

法蘭克福生物中心

1993年，格雷戈·林恩（Greg Lynn）編輯了建築設計雜誌的《建築中的摺疊》，這是該雜誌第一次整版致力於探索建築“新數字技術在當時蓬勃發展的體現”。Greg Lynn ' s Embryological House(1997-2001)是數字建築中最具象徵意義的後摺疊建築實例之一，在這一過程中，形成形式的基本組成部分，並最終產生了他稱為“blobs”的流體形式。

林恩探索了大規模定製，以產生獨特的房子迭代;與此同時，他嘗試用數控制造來實現房子的每一個不同的迭代使用相同的方法。以這種方式，林恩設計了50,000多所房子——所有的房子都有相同數量和類型的組件。有了這種建築模型，人們可以根據自己的需要定製自己的房子，同時保持在一個特定的框架內進行設計生產。二十年後，在任何行業的設計或製造領域，仍然很少有像這種方法那麼強大的了。

格雷戈·林恩形式—“Embryological House”，1998

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從虛擬到物理

正如我們已經開始看到的，數字技術和建築技術的進步使建築師能夠表達和實現那些以前只能被概念化的形式。20世紀90年代末到21世紀初，在建築尺度上實現了過去幾十年探索的概念。金融市場的繁榮意味著大量的資金被投入建築。

對更具表現力的形式的探索在世界各地的不同城市產生了標誌性建築，譬如蓋裡所設計的畢爾巴鄂古根海姆博物館。古根海姆博物館的雙曲面鈦包層被譽為建築的一個轉折點，因為如果沒有計算機輔助設計(CAD)軟件，它是不可能建成的。物理輸出是虛擬三維模型的直接表示。

畢爾巴鄂古根海姆博物館

與更傳統的直觀和藝術的形式製作不同，其他建築師通過將功能或空間元素概念化為一系列圖表來探索過程的形式表達 ——他們認為這些圖表本身就是一個不斷髮展的模型。正如UNStudio的作品所展示的那樣，這些空間的特徵通常是具有一系列循環的連續形式，以圖表的形式來表現建築的空間組織。例如，UNStudio的Mobius House和Mercedes-Benz博物館探索了扭曲、摺疊和空隙的概念，將平面和剖面結合起來，創造出這些概念的建築分析圖。

由FOA在1995年設計的日本橫濱國際港口碼頭，在當時被認為是一個未來主義的設計。.航站樓的屋頂是一個超過400米長的航站樓，有著起伏、交織的一系列形式和空間，模仿了不斷變化的景觀，人們可以從外部無縫地移動到航站樓的內部。計算機輔助設計的進步使這一概念得以實現。終端的複雜形式通過使用詳細的帶肋的部分來捕捉，然後在物理上實現為結構。航站樓的設計通常由非正交的牆壁、地板和天花板組成，並帶有非標準化的部件——這些部件被重複使用，但在每次迭代中並不完全相同。這是通過用於模擬終端形式的數字工具實現的:它們允許類似但不同的組件組成數組。

日本橫濱國際港口碼頭

06

合作性實踐

之後，互聯網的崛起推動了新的通信技術的發展，這意味著任何建築實踐所需要的協作將以前所未有的速度發生。建築師們可以通過各種渠道（郵件，社交軟件）等交流。這一時期標誌著從機器時代到信息時代的轉變，一些建築師開始通過利用信息技術的進步來擴展實踐操作的潛力。

電信、互聯網和使用BIM的數字化項目使一些人能夠圍繞網絡通信、增加合作和集體智慧來改革他們的實踐。從在全球擁有多個辦公室的大型公司到分散在幾個城市中只有一兩個成員的小型實踐，越來越多的國際建築公司，事務所開始出現。

設計團隊成員之間的思想交流可以使概念和解決問題的不同方法從多個角度得到考慮。數字設計越來越需要創新的工作流程，能夠吸收各種專業技能以及集體知識基礎。”

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自然的數字化

幾十年來，學術實踐一直是建築師和設計師在疲軟的經濟環境中尋求庇護的地方，這種經濟環境影響了建築行業。

這種高度緊張的理論環境，再加上新的、令人興奮的數字工具的廣泛可及性，使2D繪圖成為由過程算法驅動的虛擬3D模型——使用參數查找形式的集進式操作。隨著科學和哲學的發展，我們對自然行為的理解也與數字技術和工具相結合。

數字技術讓形態思維在20世紀得以進化，賦予了它新生，出現了各種概念、非線性和自組織系統、刺激和基於主體的建模。設計實驗室Biothing的阿莉薩·安德拉塞克說:“科學正在揭開以前我們無法觸及的隱形領域。”它是當今最重要的思想背景、資源和形式。揭示如何從中提取新的設計直覺，對於解決建築生態複雜性的探索至關重要。”

BUGA纖維展亭—ICD

建築協會(AA)設計研究實驗室(DRL)強調了一種跨學科的方法來進行計算驅動的建築設計研究;它涉及了更廣泛的主題，同時也將自己置於歷史悠久的投機性建築設計項目之中，這些項目涉及了類型學、空間、基礎設施和城市規劃等問題。另一方面，他們也開發了框架，通過關注材料行為、仿生學和計算形態生成，來理解建築設計中湧現和自然系統的潛力。

後來，斯圖加特大學的計算機設計研究室和建築結構實驗室（ICD)共同建造了一個生物亭子，這是一系列新奇設計展示的一部分，來自生物建築工程專業的學生利用一年的時間打造。這個項目是自然複合材料和機器材料的探索，利用不同的材料構造架構空間，最大化的保證了幾何的自由形式。

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參數化的爆發

在過去十年左右的時間裡，對數字工具和技術的潛力感興趣的建築師之間正在進行的爭論之一是，數字和參數化設計工具是否僅僅是達到目的的一種手段，例如。事物是如何被設計的？或者，這些工具本身是社會和政治話語的體現嗎?它們是一個設計的“為什麼”和“為了誰”的象徵甚至是可操作的嗎?如今，鑑於圍繞人工智能的使用、數據隱私、社交媒體和媒體自動化的未來展開的討論，後者顯然是不可避免的。

在數字設計工具的發展過程中，最重要的時刻之一可能是Grasshopper工具的發佈。它由David Rutten在2007年9月設計，現在作為Rhino的常用插件。Grasshopper使用可視化的、基於節點的組件接口來創建可生成的算法，這些算法可用於創建3D幾何圖形和其他功能。與其他可用的編程語言相比，Grasshopper接口的簡單易用很快吸引了許多數字建築師。Grasshopper激發了各種生成設計的插件:蜜蜂（Bee），Geco，袋鼠（kangaroo），Karamba, BullAnt，蜂鳥，Heliotrope-Solar（幾乎都是以動物物種命名的)。

雖然這些工具在生成形式、結構和環境分析以及模擬和優化形式方面非常出色，但它們不能成為建築項目的主要驅動力——它們只是建築的一個組成部分。此外，建築不僅體現了技術、結構或機械問題，還體現了一系列社會、政治和經濟素質和條件。

扎哈哈迪德建築事務所的帕特里克•舒馬赫在2008年提出了“參數化”理論。按照他的說法，參數化是“現代主義之後偉大的新風格”，是一種“從參數化設計系統的創造性開發中產生的範例，它清晰地表達了日益複雜的社會過程和制度”。 此處與社會、風格和數字工具的結合在建築學科中掀起了波瀾，並在過去十年中引發了激烈的爭論。參數化作為一種風格的一個比較突出的批評領域是“數字建築”，當它被意識到的時候，是或者不是對周邊環境問題敏感，比如建築如何處理當地文化。

從這個概念出發，圍繞參數化建築是如何設計和實現的，出現了第二種批評。通常情況下，像哈迪德這樣的參數化或“數字化”建築師的建築形式的複雜性要求使用過於昂貴和低效的生產方法——超出時間和預算，因此浪費了大量的資源。《衛報》建築評論家羅文·摩爾寫道:“參數化設計缺乏證據證明它確實有效。”“它基於一種未經證實的信念，即完全按照複雜和不可預測的用途來塑造建築形式是可能的。”它應該具有適應性，流動性，響應性和與周圍環境的聯繫。

實際上，這些“參數化”的建築無法使用現有的預製建造方法:它們需要完全定製的生產鏈，這使得它們非常昂貴，而且是一次性的。因此，許多這樣的建築都是由富有的贊助人委託建造的，他們希望用標誌性的建築來代表他們的公司，甚至代表國家。這就產生了一個矛盾：儘管參數化的精神植根於民主化和協作，但它所產生的建築並不是所有普通人都能使用的。

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3D打印技術

隨著3D打印機的出現，生活中的各種產品都能夠通過數字化的方式進行建造。消費者也能成為生產者。目前，這些工具廣泛存在於製造和設計行業，公眾往往無法獲得。然而，它們的可及性在不斷增加，因此它們的影響力也在不斷擴大。

WikiHouse是英國實踐建築事務所利用digck Ierodiaconou和Indy Johar開發分佈式製造潛力的著名建築項目之一。WikiHouse的目標是將“低成本、低碳的建築送到每個公民、社區和企業的手中”。

Wikihouse

WikiHouse得到了媒體的一致好評。然而，作為一個系統，它的侷限性激發了許多建築師和設計師的思考——從如何處理材料、資源和環境，到設計複雜性、可伸縮性等。

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機器人建造

21世紀初，圍繞工業機器人的高度競爭市場降低了它們的製造成本，這讓建築師和設計師更容易獲得它們。至於機器人制造公司本身，他們也開始尋找可參與的替代行業。因此，建築師們提出了這樣一個問題:機械臂如何在設計中取代或提高人類勞動?機器人如何放大空間體驗?他們如何幫助建設?

使用編程工業機器人代替人組裝建築元素的設計實驗產生了一定的侷限性。首先是機器本身的侷限性。沒有編程它不能移動，它被限制在它的半徑和它移動的軸的數量上。此外，它還需要一個末端執行器——機器人手臂末端的裝置，使機器人能夠執行某個動作，就像手臂末端的手一樣。末端效應器是專門為它要做的任務而設計和製造的——因此它需要定製。如果沒有末端執行器或某種編程，工業機器人真的不能自己做任何事情。此外，值得注意的是，在這兩個模型中，機器人取代了人類的勞動。

由建築師Achim Menges領導的斯圖加特大學計算設計與建造研究所的工作，已經開發出了所謂的網絡物理方法。在這裡，虛擬數據和物理數據之間的關係通過機器人技術和傳感器技術相互連接。在2019年的BUGA纖維展館中，大自然的建築原則與先進的機器人技術和纖維複合材料相結合，形成了表現力強、重量輕、結構高效的建築形式。這種綜合性的方法將機器人置於一個大的結構框架中，同時利用它來做一些人類覺得太困難或太單調乏味的事情。

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The Discrete

將社會意識和批判整合到建築中是很重要的。由於數字技術唾手可得，而且成本極低，所以整整一代的建築師和設計師都是在這些技術的薰陶下成長起來的。建築師的夢想現在比以往任何時候都更容易實現。那麼，被社會責任感和最先進的數字技術所激發的建築又該是什麼樣的呢?

the Discrete是一個新興的工作，它重新思考了建築的基本構件。the Discrete的核心是希望“通過加速建築計算和物理組裝的離散性概念，重新定義整個建築的生產鏈”。離散方式的體系結構被理解為是由自相似的、連續的和可重複的組件組成的，這些組件可以以許多不同的方式組合在一起。如今，通過一組有限的規則來計算設計可能性的能力比以往任何時候都要快，這催生了離散化，建築的參數可以是構造的、環境的、材料的，更重要的是，具有社會意識和參與性。

建築師兼理論家維奧拉•阿古(Viola Ago)解釋道:“建築作為一門產業和學科，必然會重新定義其在建築環境和美學話語中的角色。”“建築作為一種實踐的系統基礎設施已經被更大的公司所吸收。在這些經濟和政治的轉變中，使用離散的組件邏輯——將組件組裝成更大的整體——對於新興的年輕設計師和建築師來說是難以置信的解放。這給了他們一個機會，讓他們積極參與到我們當前的建築實踐意義的演變中來。”

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下一步：施工的數字化

在建築行業，生產率自二戰以來一直沒有提高。雖然建築設計實踐已經使用了30多年的數字工具，但建築仍然傾向於完全模擬，依賴於建築工地的半熟練或非熟練的體力勞動。這意味著建築業是一個整合和使用更多數字技術的成熟行業。有了它，這個行業的生產率將會提高，在建築環境中，普通人將會更多地與數字聯繫起來。

自1978年以來，由於日本將出現嚴重的勞動力短缺，Kajima、Kumagai Gumi等日本建築公司一直在開發自動化建築技術。今天，日本仍然是將自動化建築技術融入工業的先驅。這種創新的重點一直放在特定任務的自動化上，從鋪瓷磚的機器人到裝配天花板構件的機器人。

日本所經歷的技術短缺在許多國家也變得越來越普遍，世界各地的各種建築技術公司已經開始向日本的創新學習。例如，美國公司Built Robotics已經開發出了自動建築車輛，可以在建築工地周圍運送泥土和其他材料資源。倫敦大學學院和谷歌的自主製造實驗室利用無人機技術對環境條件太不穩定或太大，需要太多人力資源的地點進行測量。他們還利用無人機技術來存放建築材料。

多米諾之家-柯布西耶

Katerra是首批獲得投資超過10億美元的建築初創企業之一，它開發了一種工廠化建築模型。106個零部件由工廠裡的一家公司設計、製造和組裝，類似於蘋果的電腦或iphone。雖然這是一個自勒·柯布西耶(Le Corbusier) 1914-1915年的“多米諾之家”以來就一直存在的想法，但隨著自動化技術的進步，工廠生產的建築已經變得更加可能。與特斯拉的工廠類似，Katerra可以以令人難以置信的速度生產預製的建築元素和建築。

在物流方面，一些公司希望利用平臺和web應用程序等自動化技術，利用人工智能和機器學習來簡化施工。Procore這樣的公司將單個項目中的所有涉眾鏈接到一個平臺中。這裡的目的是使決策和程序更加有效和透明- -這些程序傳統上是不透明的，往往是建築工地爭端的根源。

其他項目將自動化視為一種讓居民參與城市環境生產的方式。Sidewalk Labs是加拿大多倫多谷歌公司的一個項目，它收集城市居民的數據，以改善城市範圍內的基礎設施決策和流動性。雖然在道德層面上，這個項目已經引起了世界各地建築師的廣泛爭論，但它強調了這樣一個概念，即未來的建築環境可能需要我們與自動化系統的交互變得更加透明。

塔林建築雙年展展館—參數模塊的組裝

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