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2016年第1期 / 西部人居环境学刊 / 095 风景园林设计与研究 DOI: 10.13791/j.cnki.hsfwest.20160116 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): 95-100. 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 2095-6304(2016)01-0095-06 * 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

ISSUE 1 FEB. 2016 / 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

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

ISSUE 1 FEB. 2016 / 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

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): 45-50. [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): 215-216. [3] 蔡凌豪. 风景园林规划设计数字策略论[J]. 中国园林, 2012(01): 14-19. [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): 58-64. [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 69-74.

ISSUE 1 FEB. 2016 / 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12-14 18 同济大学建筑与城规学院[EB/ 2013(06): 77-87. OL]. [2015-07-13]. http://mp.weixin.qq.com/ 128-130. 筑学报, 2014(08): 14-19. [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 07128485&idx=2&sn=725728d82c80b95e Academy, 2004: 8. 筑学报, 2014(08): 14-19. 954806ad06f9fe84&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): 12-13. 44-47. [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1-2 5-7 8 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): 77-82. 模拟生物细胞镶嵌形态法则的仿生建筑 图3-4 11 1-17 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): 51-56. [2013-08-14]. http://news.tongji-caup.org/ [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 2015-08-05 2012(10): 77-82. 字设计研究中心(DDRC)的研究与实践[J]. 建 编辑 申钰文