数字技术在建筑领域的应用与展望

数字技术在建筑领域的应用与展望

张佳惠 于树毅

沈阳建筑大学 辽宁 沈阳 110000

摘要：随着数字技术的发展，3D扫描与打印、机械臂等技术慢慢应用在建筑领域，但是技术刚刚兴起，发展存在局限，那么未来的数字技术又该何去何从呢？本文总结了数字技术在建筑领域的实际应用，梳理了数字技术到数字建造的发展，最后展望数字技术的未来。

关键词：数字技术；建筑；数字建造

1. 数字技术在建筑领域的应用

1. 历史建筑研究及文物修复

古建筑表面通常都有着复杂的结构,仅采用三维激光影像扫描仪采集数据将不可避免地存在死角，虽然近景摄影测量技术使用方便,数据量小,但数据采集效率低,精度较差。因此,想要准确快速地获取数据，需要对数字技术进行探索^[1]。研究者在湖北省四祖寺、五祖寺古建筑的案例中,用近景摄影测量和三维激光扫描技术的不同方法,进行数据采集,建立数字化模型，最后快速成型按比例进行复原。

敦煌壁画建筑的研究中也应用到了数字技术，它的建构逻辑需求在于“空间与数据“的内在统一。数字化建构能够很好的完成基于参数构件与数字组装的几何建构和时代周期动态演化的时间建构。中国古建筑的复杂结构以及古建筑中极具特色的榫卯结构决定了建筑信息建模以构件为单位和以装配为方式的三维空间搭建模式，通过几何建构生成不同尺度的形象建筑信息，建筑信息模型在原有的3D模型XYZ轴上，加入了时间轴，实现空间与时间的统一，记录敦煌壁画时空维度的建筑信息^[2]。

数字化技术可以全面且高效地开展工作，也会发现使用传统测绘方法难以观察到的建筑学现象。例如，多数土楼研究的学者都推测传统的圆形土楼是按固定圆心的“圆+放射性”几何数理进行设计的，在测绘中应以此为理想模型。然而，对广东饶平的一座始建于明万历年间的圆形土楼“新彩楼”的测绘中，笔者从数字断面中发现此土楼的几何布置其实是一种“三圆心”的平面构型。又如广州圣心大教堂，在以往的多次研究、测绘中，教堂的平面均以正交网格作为理想模型规正。但从数字断面中发现，教堂的平面网格并非正交，而是呈0.13度的全局性扭转。这是传统研究方法并不能发现的问题^[3]。

2. 大空间建筑与复杂结构

大空间建筑形体适应性优化是利用数字技术将优化公式与遗传算法耦合的系统过程．其中结构找形是大空间建筑围护体系优化的重要部分，在参数化框架上整合专门的结构找形工具可以极大提高优化效率。以辽东湾体育场为例，其罩棚既要满足较大的遮盖范围，要尽可能轻盈以减少结构负荷，因此索膜结构体系是最佳的结构选型．但索膜体系的最大特点是在不同受荷情况下会有不同的形变，风荷载、雪荷载和其他关联结构的受力状态等均会影响其最终形态，常规的静态计算.难以模拟其复杂的受力状态．但借助参数框架，罩棚的关联结构与环境状态数据均会由其他模块自动输入找形模块，保证了索膜结构的找形效率与效果^[4]。

麻省理工学院的STEVENK可以打印出带有尖锐悬突的复杂结构，使用的是6轴3D打印机，相对于传统的xyz坐标打印，该打印机具有更高的自由度，摆脱了D-Shape中的形似龙门架的结构^[5]。虽然3D打印技术目前并不能在建筑领域全面推广，但是在建筑局部的应用一直没有停止。

3. 节能

绿色性能导向下的建筑数字化节能设计基于数字技术，借鉴生物进化机制，以设计目标类比生物生存能力，以设计参量类比生物基因；节能设计中，建筑师根据场地环境气候特征与建筑功能要求，从建筑能耗控制和室内物理空间舒适需求出发，以建筑能耗、自然采光、热舒适和自然通风性能为设计目标，以建筑形态、材料、构造和运行参数为设计参量，应用遗传优化算法在解空间中搜索相对最优解集，根据解空间中不同建筑节能设计方案呈现的绿色性能水平，在迭代计算过程中逐步剔除不利于节能和建筑物理环境性能改善的建筑形态、空间和材料构造等设计参数值，将利于绿色性能改善的设计参数值保留入下一次迭代计算，从而提升建筑绿色性能水平，实现绿色性能导向下的建筑节能设计。这种“自下而上”建筑节能设计由设计者制定生成设计规则，计算机执行建筑元素自组织过程，发挥了数字技术计算优势。

2. 从数字技术到数字建造

自2011年开始，同济大学建筑与城市规划学院的袁烽等人从建筑学角度对数字建造技术对建筑设计建造发展的影响与意义进行了研究。在建筑设计方面，引入了“参数化设计”等概念;在建筑新材料方面，讨论了过度型材料等多种新型分类材料的适用性;在工作模式方面，提出了数字模块化建造、基于BIM平台的协同工作模式^{[Error: Reference source not found]}。

如果认为“参数化设计”仅仅是通过参数化软件实现“表皮形式”或“非线性的形态特性”，那就太肤浅了。相对于建构强调的是过程所隐含的意义，建造则更注重是过程本身的逻辑性^[6]。建筑的建造是要去塑造一个可居空间而不只是一个结构

^[7]。

进入21世纪，人们逐渐探索3D打印在建筑领域的应用，但是因为3D打印建筑材料、3D打印机械设备等方面的限制，建筑行业的3D打印大多处于试验阶段。建筑3D打印技术与传统3D打印技术原理相似，在建造过程能减少碳排放、降低污染和噪声，提高建筑材料利用率，其节能、环保的优势符合当前绿色建筑发展思路^[8]。3D快速扫描与打印技术的出现，为构件的快速修复提供了一种快捷有效的方法，从根本上解决了构件快速修复制作的困难^[9]。在建筑业大尺度３Ｄ打印技术随着不同技术之间的相互融合，涉及到具体的项目应用时，可以采用某几个技术的联合^[10]。

3D打印模型通常采用计算机软件建模获取，目前建筑领域多采用Revit、CAD、Inventor等软件绘制模型；也有部分打印复制品是为了复制已有成品、既有地形或建筑物而采用三维扫描来获取原物模型。三维扫描获取物体表面的点云数据后，应将每个点的空间坐标信息最终转化为由三维网格组成的STL格式模型信息。解决问题可将点云数据在Cyclone软件下进行分块、数据稀化处理，然后导入AutoCAD平台处理为STL格式^[11]。

3. 未来与展望

在建筑自身的社会价值取向前提下，对数字技术的未来可能性的探索才不是徒劳的。我们需要看到，对新奇形式的极端化追求、对数字技术的过度依赖等因素对建筑美学的健康发展蕴含着潜在危险，足以引起人们的警惕。否则当代建筑在刚刚挣脱既有审美逻辑时，难免迷失于更大的困局^[12]。

如今，随着数字化模拟、优化与生成设计技术的发展，以及建筑数字建造技术带来的建筑产业变革的不断深入，建筑学与结构工程专业的学科边界和合作模式正在被重新定义。计算机强大的计算能力使结构设计能够应对不断提升的建筑复杂性与差异性需求^[13]。

另外，由数字建造所带动的工业制造业等跨学科专业团队也介入到新建材的开发研究中来，工程师、科学家们根据建造的需要不断打破常规，发明、创造出各种颠覆传统材料属性的建材，如半透明石材、曲面玻璃等。国内的数码建材厂商如E-Grow自主研发的玻璃纤维加强石膏板（GRG）、玻璃纤维加强树脂板（GRP）等，在制作非线性曲面模板时更好地替代了传统的木板等材料，具有便于脱模、表面更光滑、误差更小的特点。由此可见，数字建造技术的发展不但给我们带来了建筑在形式及空间上的突破与创新，更为材料的革新提出了新的要求。正如文章前面提到的，形式的表达归根到底其实是材料的物质性体现。很明显，巧妇难为无米之炊，先进的生产建造技术需要有先进的材料为其提供^[14]。

综上，关于建筑数字技术的探索，除了需要建筑行业相关人员自己的努力外，还需要跨领域的协作，这样才能让建筑数字化技术在建筑行业取得不可替代的地位。

1^[?]尚涛,孔黎明.古代建筑保护方法的数字化研究[J].武汉大学学报(工学版),2006(01):72-75.

2^[?]张加万,王巧雯.敦煌壁画中建筑的数字化再现与重构[J].敦煌学辑刊,2018(03):187-196.

3^[?]杨颋.“精度”与“精密度”:建筑改造设计中的测绘精度问题[J].装饰,2020(01):142-143.

4^[?]张龙巍,张伶伶,黄勇.数字技术下的大空间建筑围护体系优化[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2015,31(03):474-484.

5^[?]耿会岭,杨政,袁雅贤.3D打印在建筑领域的应用[J].混凝土与水泥制品,2019(07):34-38+83.

6^[?]袁烽.从数字化编程到数字化建造[J].时代建筑,2012(05):10-21.

7^[?]鲁安东.竹里一种激进[J].时代建筑,2018(01):103-109+102.

8^[?]文俊,蒋友宝,胡佳鑫,肖杨.3D打印建筑用材料研究、典型应用及趋势展望[J].混凝土与水泥制品,2020(06):26-29.

9^[?]姜月菊,吕海军,杨晓毅,徐巍,马兴胜.3D扫描与3D打印技术在破损建筑装饰构件修复中的应用[J].施工技术,2016,45(S2):771-773.

10^[?]朱彬荣,潘金龙,周震鑫,张洋.3D打印技术应用于大尺度建筑的研究进展[J].材料导报,2018,32(23):4150-4159.

11^[?]丁烈云,徐捷,覃亚伟.建筑3D打印数字建造技术研究应用综述[J].土木工程与管理学报,2015,32(03):1-10.

12^[?]方睿.数字化环境下当代建筑雕塑化趋向的思考[J].装饰,2014(03):110-112.

13^[?]特集走向建筑与结构设计的性能化融合[J].建筑学报,2017(11):1.

14^[?]袁烽,葛俩峰,韩力.从数字建造走向新材料时代[J].城市建筑,2011(05):10-14.