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1 2016年第1期 / 西部人居环境学刊 / 095 风景园林设计与研究 DOI: /j.cnki.hsfwest 金云峰, 杨玉鹏. 数字化设计与建造技术在景观中的应用研究[J]. 西部人居环境学刊, 2016, 31(01): 数字化设计与建造技术在景观中的应用研究* The Application of Digital Design and Fabrication Technology in Landscape Architecture 金云峰杨玉鹏 JIN Yunfeng, YANG Yupeng 在信息技术迅猛发展的背景下设 Abstract: With the rapid development of information technology, application of digital 计领域中数字化及建造技术的应用从仅关 and fabrication technology in design develops from only focusing on the digital concept 注数字概念设计发展到更加关注从虚拟 design to paying more attention to the "integrity of the process from virtual design to 设计到实体建造的完整过程结合同济大 building entity". Based on the result of Tongji University digital fabrication technology 学数字建造技术的相关研究成果探究了形 research, this study explores the application of digital design and fabrication technology 态自生成技术人机交互技术环境性能分 such as Autogenic Forms technology, Human-computer Interaction technology, Analysis of 析技术数控加工技术 CNC 以及传统材 Environmental Performance technology, Computer Numerical Control Technology (CNC) 料多维表达技术等数字化设计与建造技术 and Traditional Materials Multi-dimensionality Expression technology in the practice of 在景观实践中的应用 Landscape Architecture. 关键词 Keywords: Landscape Architecture; Digital Landscape Architecture; Digital Design; 摘要风景园林数字景观数字设计数字建造技术方法 Digital Fabrication; Technical Method 中图分类号 TU986 文献标识码 B 文章编号 (2016) * 高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室自主与开放课题 2015KY06 同济大学建筑设计研究院集团有限公司重点项目研发基金作者简介金云峰同济大学建筑与城市规划学院教授博士生导师 jinyf79@163.com 杨玉鹏同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生 1 从数字设计到数字建造受到20世纪60年代以来的相对论语言学混沌理论新几何学系统论涌现理论影响数字技术在设计中的应用由早期的计算机辅助建筑图纸绘制逐渐向计算机辅助设计 Computer Aided Design 转变有关景观的数字技术研究开始兴起研究初期主要关注宏观景观系统的数字化分析与模拟研究角度侧重于规划设计过程的前期分析 [1-3] 随着GIS Geographic Information System 地理信息系统参数化设计运算生成设计 BIM Building Information Model 建筑信息模型等数字技术的发展 [4] 越来越多的学者开始关注数字化设计技术在景观中的应用[5-7] 但研究多停留在概念设计阶段较少涉及数字化设计的实现手段

information technology, application of digital 计领域中数字化及建造技术的应用从仅关 and fabrication technology in design develops from only focusing on the digital concept 注数字概念设计发展到更加关注从虚拟 design to paying more

2 ISSUE 1 FEB / JOURNAL OF HUMAN SETTLEMENTS IN WEST CHINA / 096 图2 天棚与景观建成实景 Fig.2 ceiling and landscape 图1 天棚与景观构件分析与逻辑推演过程 Fig.1 ceiling and landscape component analysis and logical deduction process 近年来随着信息技术的发展数字打印机激光粉末烧结系统五轴CNC数技术已经能够实现一切实体性物质性控机床激光切割机以及高精度 K u k a 机的现象与代码 Co de 之间进行编码压械臂组成的机器人等先进的数控加工设 [8] 图3 蚕丝单元构建 Fig.3 silk unit construction [2] 缩传输转换的可能设计领域的数字备为数字化设计与建造研究创造了良化技术也开始从仅关注数字概念设计到好的硬件条件同时在与国内外学校合更加关注从计算机辅助虚拟设计到计作教学过程中学院开展了数字设计与建百万年进化过程中形成的应对外界复杂条算机辅助实体建造CAM Computer Aided 造的研习班与工作营等学术活动在教学件的自我组织自我生长功能实际 Manufacturing 的完整过程借助三维与研究过程中注重对学生真实建造过程上是超越了人类自身在此方面的技术设计打印机数控机器人等辅助建造设备设中逻辑性思维以及数字化建构意识的培方案而基于形态自生成技术的数字化建计师可以在短时间之内完成更为复杂精准养强调将数字化技术应用于从环境分析构正是通过分析生物过程和结构规律的空间建造其真实的空间尺度以及快速到虚拟信息转译进而到数控机器构建的以此为设计原型通过数字技术进行模拟与的建造过程使得设计的推敲变得更为方整个实践过程建构 [11] [9] 便与直观从而大大提高设计的效率与质 ① 量因此文章以同济大学数字设计与建有关景观的数字设计与建造中依据天棚与景观空间装置作为数字花园这一教学实验模型的一部分在上海当造的相关研究成果为基础通过探究不将仿生学互动性数字设计适应性环境代艺术馆中构建与展出其通过对自然界同数字设计与建造技术在景观中的应用科学机械设计与制造以及材料学等跨中蜘蛛网以及其他膜结构的构成逻辑进行为数字化技术与景观设计实践的有效结合专业的学科知识创造性地融入到数字化研究进而探索在极小曲面逻辑中重新分提供有益思考设计与建造过程中初步形成了基于形态配肥皂泡和蜘蛛网所表现出的效能来进行自生成技术人机交互技术环境性能景观建造的可能性 [12] 图1 在确定织物分析技术数控加工技术 C NC 以及传材料与白色塑料材料的前提下通过数字统材料多维表达技术的数字化设计与建化建模与构建营造出其顶部天棚结构以及造方法底部石笋景观图2 ② 2 同济数字设计与建造技术数字模拟设计是同济大学建筑与综合运用有效实践的教学思想 [10] 城市规划学院学科重点发展方向之一自 2012年起学院基于自身数字化平台进行蚕丝混凝土亭则通过对蚕茧微观空 2.1 基于形态自生成技术的数字建造间结构构成规律以及宏观表皮生成特点的一系列数字化设计与建造研究通过建设仿生学属于生物科学与技术科学之模仿使用液态加热的塑料材料在Kuka机数字设计研究中心引进与开发彩色三维间的边缘学科一些关于植物和动物在几械臂的协助下自主构建蚕丝单元图3

3 2016年第1期 / 西部人居环境学刊 / 097 图4 蚕丝混凝土建成实景图5 机械花园与观赏者互动实景图6 力之动态与研究者互动实景 Fig.4 real built of silk concrete Fig.5 mechanical garden and the viewer interaction Fig.6 dynamic of force interaction with the researchers 最终构建了一个以人体为尺度蚕茧拱形结构基础是每一个构件单元旁边设置的感应子基于环境性能分析技术进行的数字建图4 器通过对互动行为的数字编程感应器造中将环境因素作为数字设计参数将环接收到互动行为发生的信号时会产生不境因素转化成计算机语言同时综合考虑同的电流变化进而加热连接构件的金属各种因素的影响程度进而建立数字化景数字化技术的发展正在突破传统的静弹簧金属弹簧遇热产生长度变化进而实观形体与环境因素之间的逻辑关系从而态景观设计与建造的限制通过对景观环现装置整体形变在每根杆件内部装入形成以回应周边环境为设计目的的数字化境的分析以及使用者行为的研究可以实 L ED灯具当形变发生时电脑控制中心的建造现人与景观空间的互动基于人机交互技 Arduino控制器便能感知到每根杆件的压数字花朵是对环境性能的空间景术的数字建造首先确定互动系统的主体力数据从而控制构建单元LED的亮度变观建构探索通过数学运算与几何生成在控制器初级控制器以Arduino硬件平台为化进而实现整体装置形态与亮度的互动多维空间的迭代中将数学的美融入到了花 2.2 基于人机交互技术的数字建造主进而选定传感器 Sensors 和效应器 [13] 朵的形态中[3] 通过分析环境周边遮阳通变化图6 Effectors 通过传感器将外界物理条件按照一定的规律转换成电信号以便控制器控制输出进而实现互动功能机械花园受到涌现理论的启风等环境因素设计将其作为影响因子进 2.3 基于环境性能分析技术的数字建造行数字化设计的转译利用计算机建立数人体所能感受到的最直接的外部景字花朵的空间美学特征与环境影响因子之观性能指标来源于周边环境的各项影响因间的内在逻辑关系图7 通过对数字花发对简单的个体金属花朵进行设计通过个体的组合营造整体花园的变化形态最终产生可以与观赏者互动的模拟自然界花开花落的景象图5 在花朵个体的结构设计中机械花园采用被动柔性结构依附于主动机械的结构的构件组合方式通过主动机械机构的形态变化压弯被动结构构件进而带动柔性金属花瓣的形态变化实现花朵的开合数字花园为了实现花园与参观者的互动设计以Arduino 控制器作为花园装置的大脑数字编采用了开源代码的编写方式这样设计的工具包在保证花园能够与体验者互动的同时也能够根据环境变化产生新的响应方式从而适应观赏者的多种行为方式实现数字花园的自我学习与互动 [13] 力之动态的空间构筑则探索了使用者行为与构筑物本身力学结构的变化图7 数字花朵生成推演关系之间进行互动的可能性装置运动的 Fig.7 digital flowers generate deduction

同时综合考虑同的电流变化进而加热连接构件的金属各种因素的影响程度进而建立数字化景数字化技术的发展正在突破传统的静弹簧金属弹簧遇热产生长度变化进而实观形体与环境因素之间的逻辑关系从而态景观设计与建造的限制通过对景观环现装置整体形变在每根杆件内部装入形成以回应周边环境为设计目的的数字化境的分析以及使用者行为的研究可以实 L ED灯具

4 ISSUE 1 FEB / JOURNAL OF HUMAN SETTLEMENTS IN WEST CHINA / 098 图8 数字花朵建成实景图9 复合生态屋构件单元变化 Fig.8 real built of digital flowers Fig.9 changes of compound ecological house component unit 图10 复合生态屋西立面图11 集群建造建成实景图12 集群建造铝管单元机器人加工 Fig.10 compound ecological house west facade Fig.11 real built of the cluster building Fig.12 cluster building aluminum tube processing unit 朵的数字建模与实际建造最终将数字美数控加工的思路作为切入点通过断面学性能化形式多维度空间抽象的自然 Sectioning 嵌片 Tessellating 折叠等多种理念呈现出来图8 Folding 等高成形 Contouring 发泡复合生态屋则是通过室外生态建筑的营建探讨环境因素影响下通过数字化方法进行环境性能设计的可行性 [14] Forming 等多种方法在相应数控设备上实现建造成型其集群建造是一个使用机器人协同技西立面的表皮设计就是一个用环境性能术弯折金属管并组装成的3m高的室外景观驱动的算法生成设计的典型应用使用环展亭图11 320根铝管通过集群算法生境性能分析的软件对西立面的风压进行分成不同的空间结构使用两台KUKA机器人析得到各个位置的风压数据表在表皮和RoboTeam创建每根铝管的非重复结构单的细分之后对于每个节点的风压进行参数元图12 机器人通过KuKaPRC在Rhino/ 化的转译最后优化得到三种模制的菱形 grasshopper环境下进行编程参数标识系单元景观构件图9-10 统准确的确定每根铝管在设计整体中的位置这种智能化协同建造保证了整个复杂 2.4 基于数控加工技术 C N C 的数字建造结构能在短时间内实现数字弯折则是一组采用数控加工图13 数字弯折圆弧单元弯折流程 Fig.13 digital bending unit circular arc bending process 数控加工技术 Computer Numerical 技术建造的曲面景观坐具设计以空间弧 Control, CNC 最早在机械设计与制造领线为原型通过空间向量的调整形成三维域出现并广泛应用其核心工作原理为圆弧三维圆弧按照一定的规则形成空间赋予传统加工机床一个大脑使机床变单元进而对空间进行拓扑组合以满足不得越来越聪明 [15 ] 而数控加工技术与同的城市环境空间需求从而探讨在特定数字化设计相结合则能够为参数化建构环境中人与景观环境的关系在数字建造过程中建造阶段提供平台基于数控中空间单元采用Bi-Arc的方法在数控弯图14 数字弯折建成实景加工技术的数字化建构在设计之初就以管机上弯折钢管生成空间曲线图13 通 Fig.14 real built of the digital bending

12 cluster building aluminum tube processing unit 朵的数字建模与实际建造最终将数字美数控加工的思路作为切入点通过断面学性能化形式多维度空间抽象的自然 Sectioning 嵌片 Tessellating 折叠等多种理念呈现出来图8 Folding 等高成形 Contouring 发泡复合生态屋则是通

5 2016年第1期 / 西部人居环境学刊 / 099 计数字分析与生成技术 BI M技术在设计中的普及数字化技术中蕴含的复杂性化关联化的设计思路与思维逻辑已经开始深入人心而随着先进的数控建造设备的研发以及跨学科技术知识的应用这种数字化的思维方式必将推动设计思路由仅关注数字设计向同时关注数字设计与建造的完整建构过程发展景观的数字设计与建造通过对环境图15 机器人木构曲廊建构流程示意图16 机器人木构曲廊建成实景 Fig.15 robot wooden curved corridors construction process Fig.16 real built of the robot wooden curved corridors 信息的分析与解读将形态自生成技术人机交互技术环境性能分析技术数控加工 CNC 以及传统材料多维表达技术等过相对简洁的对空间自由曲线的模拟各传统材料换成预制材料系统并将功节点衔接进行自然平滑过度形成一定的能与性能融入其中通过设计一个数几何美感图14 同时相比随意的自由字工具包系统来预测材料的表现和组织方曲线圆弧曲线的生产制造更加方便可式从而形成一种新的建构设计方法以适应工业化社会的批量生产竹编景墙是以竹片作材料构建的空通过数字设计的创新数字化建造技间多维构筑物通过研究传统技艺中的编术已经在材料科技上迅速提升了传统材料织手法进行数字编程与演绎获得一个进行异形建构的可能性机器人木构曲个变化的预制材料单体最终通过材料单廊探讨了数字化预制技术以及机械臂辅体的组合形成一个完整的竹制构筑物图助构筑物精确空间建造的方法设计以木 17 而机器人陶土打印则通过对声学材作为建构材料通过数字化的预制以及性能的模拟进行数字化几何生形利用陶机械臂的精准组装来探索复杂的几何木结土自身易于塑造的材料特性进而应用机构形式图15-16 器人陶土打印的技术模拟传统陶罐工艺最终打印建构出近4m高的具有连续变化空 2.5 基于传统材料多维表达技术的数字腔的声学立柱图18 建造材料的物理属性是三维的而通过叠 3 结语加堆垒等方法可以使平常被看作是平面的板材达到结构上的稳定形成一种全新在信息化迅猛发展的今天数字化技的多维材料基于传统材料多维表达技术术在设计领域的应用早已超出了数字化的数字建造就是将砖木竹等工具辅助绘图的初级阶段随着参数化设应用到整个建构过程中从而形成回应周边环境的全新景观形式数字建造技术在设计领域中的应用尚处于探索阶段本文所阐释的景观中数字设计与建造方法是在对同济大学已有的数字化建造实践认识基础上提出的构建对象大多集中于环境小品与构筑物对于整体景观环境的数字化设计与建造技术方法有待进一步探究注释 ① 本文曾在中国第二届数字景观国际论坛做交流 ② 本文案例主要选自同济大学高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室和同济大学国家级建筑规划景观实验教学中心参考文献 [1] 刘颂, 章舒雯. 数字景观技术研究进展国际数字景观大会发展概述[J]. 中国园林, 2015(02): [2] 詹咪莎. 数字时代风景园林规划设计理论新思考[J]. 山西建筑, 2015(08): [3] 蔡凌豪. 风景园林规划设计数字策略论[J]. 中国园林, 2012(01): [4] 李建成. 适应BI M时代的建筑教育对策 [J]. 西部人居环境学刊, 2014, 29(06): 1-5. [5] 匡纬. 风景园林参数化规划设计发展现状概述与思考[J]. 风景园林 2013(01): [6] 黄蔚欣, 徐卫国. 参数化和生成式风景园林设计以清华建筑学院研究生设计图17 竹编景墙建成实景图18 机器人陶土打印建造过程课程作业为例[J]. 风景园林, 2013(01): Fig.17 real built of the bamboo weaving scene wall Fig.18 robot clay print building process

16 real built of the robot wooden curved corridors 信息的分析与解读将形态自生成技术人机交互技术环境性能分析技术数控加工 CNC 以及传统材料多维表达技术等过相对简洁的对空间自由曲线的模拟各传统材料换成预制材料系统并将功节点衔接进行自然平滑过度形成一定的能与性能融入其中通过设计一个数几何美感图14

6 ISSUE 1 FEB / JOURNAL OF HUMAN SETTLEMENTS IN WEST CHINA / 100 [7] 邓鑫桂. 风景园林参数化规划初探以 [13] 袁烽, 张媚, 戴森, 等. 上海数字未来 AALU课程为例[J]. 中外建筑, 2015(01): 工作营的互动建筑教学实践[J ]. 住区, 图同济大学建筑与城规学院[EB/ 2013(06): OL]. [ ] 筑学报, 2014(08): [8] LEACH N, TURNBULL D, WILLIAMS [14] 袁烽, 肖彤. 性能化建构基于数字设 s? biz=mza5mtm2nzyzoa==&mid=2 C. Digital Tectonics[M]. Oxford: Wiley- 计研究中心(DDRC)的研究与实践[J]. 建 &idx=2&sn=725728d82c80b95e Academy, 2004: 8. 筑学报, 2014(08): ad06f9fe84&scene=1&from=single [9] 袁烽. 数字建造背景下的同济大学新型数字设计研究中心[J]. 建筑技艺, 2014(04): [15] 张曙. 数控加工技术的现状和发展趋势 message&isappinstalled=0#rd. [J]. 金属加工, 2010(20): [10] 金云峰, 李瑞冬, 陈静, 等. 风景园林专业图片来源特色教学[J]. 西部人居环境学刊, 2015, 图袁烽尼尔里奇. 上海MoCA 30(04): 1-5. 生活演习展数字花园系列作品[J]. 城市建 [11] 李宁, 耿雯英. 形式追随函数数字筑, 2012(10): 模拟生物细胞镶嵌形态法则的仿生建筑图作者拍摄形体生成[J]. 西部人居环境学刊, 2014, 图6 同济大学建筑与城市规划学院网站. 29(06): [ ]. [12] 袁烽, 尼尔里奇. 上海MoCA生活演习 news.php?id=3112. 展数字花园系列作品[J]. 城市建筑, 图9-10 袁烽, 肖彤. 性能化建构基于数收稿日期 (10): 字设计研究中心(DDRC)的研究与实践[J]. 建编辑申钰文

biz=mza5mtm2nzyzoa==&mid=2 C. Digital Tectonics[M]. Oxford: Wiley- 计研究中心(DDRC)的研究与实践[J]. 建 07128485&idx=2&sn=725728d82c80b95e Academy, 2004: 8. 筑学报, 2014(08): 14-19.

建筑热环境 1 学分 16 学时 Thermal Environment of Buildings 课程基于人技术设计和未来四个方面进行讲授, 结合建筑学学生的特点, 基础部分着重说明物理概念

建筑热环境 1 学分 16 学时 Thermal Environment of Buildings 课程基于人技术设计和未来四个方面进行讲授, 结合建筑学学生的特点, 基础部分着重说明物理概念建筑系 00020021 认识文化遗产 1 学分 16 学时 Understanding of Cultural Heritage 本课程为新生研讨课强调学生的自我学习和课堂讨论教师着重介绍文化遗产的基本内容, 学生要对某一特定的文化遗产进行调查分析, 写出研究报