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為了幫助設計狗們更直觀的了解海外著名建筑院校，Archidogs特別推出《海外名校的設計之道》系列文章。文章作者全部為在讀或剛剛畢業于這些學校的優秀學子，通過切身經歷帶來他們的學習感受。排名不分先后，根據收稿順序發布。
本期季欣分享他在哈佛的設計課心得。


人物



作為March II的學生，GSD的studio選擇余地非常大，作為初來乍到的學生，這學期我選擇了一門偏重微觀出發的設計課，希望能拓展建筑師在人體尺度進行設計的視野，并建立從材料性能出發進行設計的價值標準。這門課的全名： Material Performance: Fibrous Tectonics & Architectural Morphology，主講教授是Achim Menges，在GSD的秋季學期開展了有些年頭了，作為仿生學和纖維材料技術科學的設計課，在GSD獨樹一幟，而今年很可能是最后一次，是以為記。

教授

Achim Menges教授自AA畢業之后就一直致力于計算機造型、生物機械工程和計算機輔助制造的整合性設計研究。他的工作因為協調了結構機械工程師、計算機工程師和生物學家，因此對于設計領域的貢獻一直處于不可復制的狀態，也正是因為這個狀態，他的研究對于建筑學科的貢獻有著矛盾的境地。一方面因為絕對獨到的設計切入點，思想的貢獻度不言而喻，另一方面因為絕對的高技派，是否產生了設計價值的泡沫值得商榷。

ICD（Institutefor Computational Design）是德國斯圖加特大學的一個研究和教學機構，組織的老大就是Menges教授。顧名思義，這個機構致力于研究計算機輔助設計和建造在建筑設計領域的貢獻。從2010年開始，這個機構每年會建成一個pavilion作為研究的實踐成果和展示，到2015年已經是第6個年頭了。而從2012年開始，每個pavilion的主題開始圍繞纖維仿生技術展開。從ICD的官網（http://icd.uni-stuttgart.de/）上可以了解到詳細的信息，這里就不一一介紹了。但值得一提的是，從12年到15年至今，每一個pavilion都有著對于仿生和技術建造上的新理解，可以說從一開始表面上和理念上對生態的模仿到后來從內核上到操作上的模仿，這一變化在這幾年的pavilion的實踐中還是很明顯的。而這一理念和技術上的進步也體現在了與德國本土研究機構同步開展的在哈佛的設計教學上。



這是2014年pavilion的宣傳視頻。這一年的主題是向水下蜘蛛學習。這種水下蜘蛛通過不斷地吐絲強化水下的小氣泡，以此來構筑自己的水下生活場所。蜘蛛吐絲的位置取決于氣泡壁薄弱的環節，而吐絲的結果又會同時作用于氣泡的形狀。這樣一個反復的狀態正是設計與建造同時作用于對方的體現，而非單純的從設計到建造的單向邏輯。ICD試圖通過計算機模擬、機械手臂輔助建造以及碳纖維材料的聯合應用，模擬這一生物建造過程，創造了一個無法預料最終形態的構筑物。

Menges教授于2009年就在哈佛任教，從我了解到的設計結果來看，這門設計課也隨著時間的推移一直在調整自己的教學框架和內容。Menges作為主講老師一方面希望學生可以擺脫之前的教學成果，走出自己的一條新路出來，另一方面對于可教內容的容量如此之大的項目，他也希望可以將之前的教學成果盡可能多的教授出來，這樣每一年的設計的層面可以有所進步。例如相比較去年的項目，今年Menges希望我們能更多的推進到建筑的尺度，探討最后建造的可能性，這就導致了我們前期的基礎性研究處在了一個工作量大、周期短的境地中。


Studio

這個studio和德國ICD的研究是并行的，無論是設計課題還是研究課題，這其中的價值內核可以通過回答兩個個問題來歸納：第一，為什么要仿生？第二，為什么要用纖維材料？

為什么要仿生？在建筑學中，材料是廉價的，形式是昂貴的；而在自然界中，材料是昂貴的，形式是廉價的。生物界的運作的根本目標是為了生存，為了生存而“費盡心機”地積攢能量，能量卻可以“不由自主”地轉變為形式。相反在建筑學中，不斷提高的生產力可以更快更簡單地造出基本的材料，而如何組織這些材料成為更好的形式則需要動用更多的心智和時間。因此在這個studio的語境下，學習生物界，是為了在擁有“廉價”材料的同時，我們可以更加“輕而易舉”地得到形式或者結構。簡單地說，我們希望借鑒的是方法，而不是形式。

為什么要用纖維材料？在自然界中，幾乎一切的承重骨架都是纖維材料，例如骨骼或是枝干。作為鏈狀分子結構的纖維，一旦兩兩相交具備摩擦力，纖維之中就會產生張力，而大量繃緊的纖維是具有很高的結構強度、靈活性和冗余度的。來看龍蝦的外殼，各個部位的硬度很不一樣，但是分子級別上卻都是一樣的材料。如此高度整合的表皮結構卻擁有如此的各向異性，完全是因為分子排布方式的差異性決定了結構體的強度分布的差異性。


自然界中的四種基本纖維：膠原蛋白、纖維素、角質素、絲

在工業生產中，纖維材料的使用其實已經非常廣泛。常見的高強度材料都和纖維強化材料分不開，例如飛機機身、汽車身或者帆船船身。而在建筑領域，纖維的應用也有不少，但其實都局限在了模塊化地處理纖維強化材料，例如GRC掛板幕墻，或者局限在了增強已有建筑構件類型的強度這樣的應用方向上，例如強化的墻體或者結構。


Carbon Fiber Tower,Peter Testa, 2002碳纖維塔樓的概念方案，充分利用了碳纖維的高強度性能而形成的新的建筑結構形式。

“你對磚說：‘磚，你想成為什么？’磚對你說：‘我愛拱券’。你對磚說：‘你看，我也想要拱券，但是拱很貴，我可以在你的上面，在洞口的上面做一個混凝土過梁�！�然后你接著說：‘磚，你覺得怎么樣？’磚說：‘我愛拱券’�！背浞肿鹬亟ㄖ�材料的特性表達，這是建筑學科自上而下設計的基本方法中一直需要且一直被忽略的地方。在這個課程中，正是希望從材料出發，由生物學中的基本現象出發，自下而上地探討設計的可能性，并最終運用到可建造的層面。

Studio對于我們的技術支持是相當充分的，從材料、機械手這樣的硬件，到德國過來專攻材料科學的工程師這樣的軟件，都為我們考慮地十分周全。課程安排上，老師對于我們并沒有嚴格的方向限制，放任自由的管理意味著把基本的知識原理告訴我們以后，剩下的工作都需要自己完成，老師只是輔助，幫助我們明確方向。


通過機械手臂進行纖維編織。

作為背景知識和學科框架如此龐大的一個課程設計，一學期的時間其實遠遠不夠。根據課程的安排，對于生物學、材料工程知識甚為匱乏的我們在剛開始惡補了相關知識。這里簡要介紹一下我們如何把纖維材料的工業應用方法帶入該課程的。我們主要使用碳纖維、玻璃纖維、樹脂和固化劑這幾種材料。樹脂和固化劑按照一定比例混合后涂在纖維材料上，在一定時間后會“固化”碳纖維，使其具備結構性能。微觀層面上是因為有機和無機兩種高分子化合物在脫水作用下造成了鏈狀分子中的拉力，從而具備承重的能力。


從左到右：碳纖維、玻璃纖維、樹脂固化劑、樹脂

設計過程

我們的探索從一個有趣的自然現象出發，即一切自然界中的形式都是無法預測的，設計和生產幾乎是同時在交互。這種不可預測性來源于生命形式在面對自然和自身復雜條件時的自主調控。對于這種具有智慧的生成過程，我們最初的考慮是希望可以專注于某一具體的生物體，然后用纖維材料進行建筑層面的模仿�？墒窃谡n程設置中，這在操作層面上對于技術要求過高，所以我們曲線救國希望從材料自身特性出發，在概念上去模擬生物界中的這種現象。我們從纖維之間的受力關系出發，希望尋找一種結構系統，由于受力作用和材料特性發生多維互動關系，因而它可以使得最終的形態具有一定的不確定因素，從而實現設計過程和實現過程的互動。


我們把結構系統分成兩類，一類是硬控制系統，纖維準確地受制于骨架的預設。


另一類是軟控制系統，纖維的運動受到限制，但同時會根據自身特性和受力環境發生不可預測的變化，這也是我們主攻的方向。



我們探討了9類軟控制系統，從最開始的線性控制、體積控制、表面控制最終回到線性控制，受力關系從簡單到復雜再被簡化，層層遞進，不斷朝可建造可施工的標準靠近。這9類軟控制系統分別是：線性控制1（可移動骨架/可折疊骨架/靈活骨架）、體積控制（電磁場/表面張力和磁力/表面張力和重力）、表面控制（表面收縮力和抗彎作用力/表面收縮力、抗彎作用力和表面張力）、線性控制2（抗彎作用力和軸向拉力）


表面張力作用下，碳纖維可以形成結構效率極高的薄壁結構形式。


不同圖案下的抗彎作用力與同樣的布料收縮力作用下的形式生成研究。


采取三明治夾心的技術手段，將碳纖維紙張的表面張力、碳纖維的抗彎作用力、纖維布料的收縮力整合處理。


最終兩個模型的內部效果。左圖是表面收縮力、抗彎作用力和表面張力共同作用下的技術優化結果。右圖是左圖的可施工版本，將表面力拆解成局部的線性力，邊施工邊調整以適應現場狀況。


圖案的細分方法和施工進程的簡要圖解。

后記

Studio結束以后總的感覺是時間還是太短。小組的磨合、生物學科的理解、技術上的學習都需要大量的時間。而沒有邊際和探索以及不斷地總結和進行判斷則需要更多的時間和精力。我們普遍認為如果這是一年的課程，那么成果將會更加地深入和具體，一方面會找到更準確的生物參照，以改良技術，另一方面也會綜合考察各個步奏中的優勢，整合到最終的施工方案中去。

即便是Menges教授，依然承認這樣的建筑設計方式在德國是沒有辦法普及的，越是高技術的建造，政府對于它的規范限制越是嚴格。放在國內，如果放在純粹的理性的建筑學科框架中，這樣的設計嘗試是十分有益的，從材料構造到空間的營造都從十分本源的角度進行了探索，整個課程幾乎不會用到CAD，因此還被戲稱為紡織女工studio。但是如果考慮到為什么要建造，我們如何理解建筑等這些文化因素，這樣的技術探索是否在推行技術的全球化道路上走的太遠，忽略了人文精神確實依舊值得討論。

最后，需要感謝我的組員：霍飛蛟、蘇曼、Junko（日本）。我們機緣巧合的組成了團隊，夜以繼日地相互學習和工作，為這個團隊和整個項目貢獻了很多靈感和汗水。沒有他們，也不會有以上這些文字。


去年的成果展示

-THE END