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[ETH 數字建造]一種建造的新物學
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關鍵詞:材料 數字建造 數字工藝
摘要:文章翻譯并增改自《The Robotic Touch》一書中的章節導言,闡述了 ETH 建筑學院數字建造教研室 DFab(Digital Fabrication)對于數字建造技術下材料、工具和設計三者關系的思考;文后附以6組方案,簡要介紹了 DFab 自2005年以來的教研成果。

Keywords: material, digital fabrication, digital handcraft

備注:下文出自 DFab 于2014年出版的《The Robotic Touch》第三章同題導言,中文版本翻譯自德語原稿并有所增改,與書中英譯版存在部分差異。

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對于“建造”,我們可以肯定它不只歸屬于建筑這一項領域,而應該屬于更大的物質概念的范疇。于是我們提出進一步的觀點:“建造”是一門關聯人與物質的學問和藝術,它把眾多的物質材料轉變為建筑,建筑因建造而成為一個空間和幾何的整體。而在機器人參與的“數字建造”中,“建造”以一種全新的激進方式,將設計和生產清晰地聯系在了一起。與此同時,眾多事實都在證明,機器人與建筑的傳統構造和材料不斷緊密地結合,構造及材料內在“建構性的自然屬性”[02]通過與信息時代的數字化邏輯共同作用,使得建造的傳統得到了延續,眾多傳統材料都在當代挖掘出了自身的潛力,找到了新的表現形式, 。

本文想要強調的其中一項中心論點是:建筑學正在醞釀一項重要的變革,我們理解材料和建造的方式將會得到改變和發展,只是遺憾的是,我們至今幾乎沒有深刻地討論過這個問題。作為全新的建造工具,機器人的介入,不僅在一方面導致了學科內對建造原則和材料屬性理解的根本性轉變,同時在另一方面,因為傳統建筑材料和建造方式在完全革新的建造生產中得到了全新的詮釋,我們也能夠以此為契機,重新回歸到傳統中去。材料作為建筑的物質根本,構造作為聯系物質的內在關系,工具作為建造中介入的第三方,這三個要素自古以來就不可分割。要在物質屬性這一層面上去理解建筑,我們必須把建筑理解為三者共同作用下的產物。在當代技術高速發展的大環境下,工具的持續革新不斷改寫著構造的可能性,同時各種材料也籍此不斷挖掘出自身更多的潛力。機器人的應用正是技術發展的一個重要表現,材料、構造和設計三者間的關系,也因為當代對機器人的應用變得更為緊密了。

在更深的層面上,建筑和建造有著不可割裂的關系,本質上,它們始終在追尋著共同的組織原則。因為這一層的關系,建筑包含了一項屬性,就是需要尋求一個物質和建造上緊密關聯的空間和幾何秩序;與此同時,建造同樣也在尋求物質材料和建造過程中(建構上)操作和結構的秩序。在這層意義上,建筑和建造兩者都追尋著同一個目標,去“遵循并維護世界的秩序和規則” 。[03]

90年代伊始,工業領域開始從機械化技術向數字化技術過渡,這一轉變對建筑生產造成了深遠的影響,甚至改變了其根本的模式。發展至今,利用工業化數字技術,加工材料并直接生產出非標準化的建筑構件,已經變得十分平常。在工業時代中,標準化生產曾經是技術革新的驅動力量,而如今通過數字化技術實現“獨一無二”的構件,也成為了信息時代的驅動力量。早在50年代,美國軍方就已推動并開發出第一代計算機控制的制造機器。至少,在理論上,這批機器當時就具備了突破工業標準化生產中種種限制的能力。在后來的50年里,電子控制器不斷地小型化,可用性也不斷地提升,并逐漸被投入到各種工業應用中去,最終成為了我們今天所熟知的數控技術(CNC)。并非巧合,斯坦利·戴維斯(Stanley Davis)在他1987年的《完美的未來》(Future Perfect)一書中介紹了“大規模定制”(Mass Customization)的概念:通過大規模生產方式來制造獨立產品。[04] 傳統的大規模工業生產將導致產品的單一化,而這個概念的提出,正是指大規模生產下仍可能經濟地制造出非單一的獨立產品。 [05]

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1.一個簡要的自證

即便如上所言,我們相信在數字技術的支持下,標準化生產向大規模定制的轉變也并非完美,而且也并不是設計和建造的必要條件。因為數字建造技術迄今仍受限于各種構造原理的特殊性,并未能夠實現高度的自由,所以在實際的建造中,建筑設計中的各項信息仍未能夠得到徹底的轉換。

工業用機器人是區別于傳統非標準化生產的決定因素。本來,建筑“構件”的信息一向只是局限于其自身的幾何屬性,而直到機器人的引入,這些信息的疆域得到了拓展,建造的動態“過程”的信息也被包含進了這些“構件”內部。也正是因此,機器人制造的“構件”的內含信息可以實現高度的特殊化,我們可以針對其特殊的功能和材料的屬性進行設計和描述,而同時通過相應的參數化操作,也就能夠實現其潛在無限可能的形式。在制造的過程中,我們不再須要精確地去定義建筑構件的絕對尺寸,而只需要定義其材料自身的屬性、空間上的建造邏輯以及構件之間的構造關系。[06] 今天的鉆床、切割器或三維打印,從某種意義上講仍是基于特殊幾何形式的技術,而非基于空間的構造關系,因為它們相對地忽視了材料本身普適的物理屬性和其隱含的構造特性。[07] 相反,透過對普通材料和普通構件進行特殊的空間裝配和操作,可以更靈活地對種種不同的需求作出系統性的回應,將個體的“特殊化描述”[08] 置于重要地位,并將其材料屬性和構造關系考慮進去。簡而言之,建造邏輯的內在數字信息,才是脫離了純粹的幾何形式,而與材料屬性和建造行為本身密切相關的。

事實上,因為數字控制的空間和幾何操作可以實現近乎無限的多樣性,機器人可以實現近乎無限的可能性。與傳統的建造工藝相比,我們不能再僅僅對產品進行幾何性描述(平立剖),而必須使用程序和算法,對產品信息進行規范化的描述。以此產生的建造數據不再僅僅是幾何尺寸,更包含了額外信息,比如材料的物理屬性及其構件搭建的編排順序等等。我們可以在計算機上驗證這些信息,并直接輸出至機器人,控制搭建材料時在空間和時間上的次序。幾何原本是設計中決定性的因素,而現在我們必須將建造的動態信息置于重要的地位。針對材料特性所產生的建造信息,連接起設計和施工,其地位也因數字建造技術的介入得到大幅提高,并為設計本身賦予了更為深層的關系:我們不能將設計和施工再作為相對割裂的兩個先后階段來看待,對設計和建造的關注必須貫穿始終,兩者需要直接對話并且動態地持續互相反饋,也就是說,在設計中必須意識到其材料和結構在物理上的可操作性,并將時間和空間次序的概念包含在內。這一套對于建造的“預審”機制,為建筑設計中對于建造和構造的理解賦予了一個核心的意義。

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2.基于加法邏輯的實際建造

我們可以把基于加法邏輯的建造簡化地理解為某種意義上的三維打印,只不過通過機器人的應用,它可以建造足尺的建筑。相較于減法式或倒模式的建造,加法的優勢在于使用最簡單的一般性材料,針對其基本物理屬性在建造的環節上加以處理,建造出復雜且滿足需求的建筑構件。此外,對于幾何上相對復雜的結構,加法式的設計只在構造必要的地方使用材料,實現了更少的用料和更低的自重。

正是在這一點上,我們看到了機器人加法式建造的核心價值所在:設計將高度抽象的信息蘊含在建筑構件中,針對其尺寸、構造和結構上的自有條件以及其材料的自有屬性,在最內在的層面上應對不同情況進行特殊設計,并以適宜的方式應用到建造之中。

在設計中處理復雜的建筑構件時,必須遵循以上原則,邏輯地去描述其幾何關系、材料和構造的系統關聯性以及建造的順序,清晰地表達其在建造中如何互相搭接、互相制約。在整個建造過程中,除了考慮到建造的時間緯度, 還需照顧到各個狀態下構造的穩定性以及材料本身的承載能力。[09]

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3.以更開放的態度看待模數化建造——材料和工具中兩種隱含的“一般性”

正如本文眾多項目所展示的,各異的材料和無數的構件通過精細的組織,在機器人的建造下展現出了極高的幾何精確性,同時各部件在空間上各異的復雜關系與整體性也得到了統一。 然而,使用機器人將簡單的基本構件組裝成一個復雜的整體,對于這樣的一種愿景,需要對所謂“一般性”的建筑構件做一個簡短的討論。或許我們應該回到一個具體的例子上來,拿最簡單的材料來說,比如磚,因為它能以各種方式建構成非常復雜和特殊的構造,所以從原則上講,磚可以被認為是具有“一般性”的。我們也可以說,雖然它的形式有著清晰的幾何定義,但是相對的,它的建造邏輯卻被弱化了,材料的物理屬性也被簡要地呈現為視覺上的材質。

磚作為最常見的材料,因為形式簡單,所以它的搭接和構造都非常自由,在建造中可以輕易實現各種非常細微的平移或者旋轉。與這種一般性的材料相反,特殊化的建筑構件則因為其特殊的形式,在建造中的操作自由度會收到限制。這些操作的自由和限制是可以清晰的定義出來的,它們都是一些基本的物理關系,比如構件之間的碰撞和傾斜,各磚塊在結構上的關聯效應等等。沿此思路,當我們不再局限于傳統線性的建造規則時,建造的邏輯就開始變得非常復雜。每個磚塊之間的依賴關系復雜多樣且互相制約,傳統建造和設計中的簡單規則不再適用,設計和建造的工作都必須借助于算法。在今天的信息時代,作為建筑最常見的材料、最小組成分子的磚是否仍能夠成為建筑的“頌歌”,值得打上一個問號。[10] 不過,有一件事可以肯定:即使時至今日,磚仍然是最“一般”、最“普通”的材料——特別是在機器人的手里!

使用機器人并不只是因為它有助施工,更是因為缺少它便無法實現高度離散和差異化的結構。 在傳統的建造中,一旦建筑材料或構件出現特殊的幾何或交接,其搭接的可能性和建造的邏輯就會受到限制,這樣導致的結果,往往是人工操作比機器人更簡單高效;在這種情況下,建造中使用機器人的優勢也就僅僅局限于將人工操作的步驟自動化而已,而并沒有發揮出機器人以及材料在數字邏輯下的潛力。機器人真正的潛力,在于能夠以“一般性”的方法應對無數特殊的情況。這段討論恰恰說明了,本文所展示的項目為什么都使用像磚塊和木條這類看起來非常簡單的一般性材料和構件。在這些項目中,普通材料和構件的“一般性”(das generische Moment/genericness)以及機器人的“一般性”[11] 兩者得到統一,特殊和定制化的建造也因此得以實現。這兩種隱含的“一般性”根植于數字化設計和建造,建造中的條件深遠地影響了建筑設計,同時建筑設計也全面地提供著建造所需的信息。

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4.設計一種自適應的建造方式

從“編程化磚墻”(The Programed Wall)項目開始,我們一路嘗試了很多不同的項目,以求探索使用機器人裝配一般性材料和構件的潛力,并試圖在設計中將材料的構造特性系統地考慮進去。我們的“序列結構”(The Sequentials)系列項目是很好的例子,此系列從“序列墻體結構”(The Sequential Wall)開始,后續的項目陸續地實驗了很多不同的結構原型,后來實驗的成果發展成為 ETH 建筑技術實驗室廠房(Arch-Tec-Lab)里不規則形體的“序列屋架結構”(The Sequential Roof,詳情見文后)。在這個項目中,一品品的木桿兩兩錯位相連,堆疊出自由的形態。相對于磚塊,木材的物理屬性使得其可以在建造的流程中被輕易地進一步加工。[12] 機器人通過很簡單的步驟,即可按照所需以任意角度和特定長度切割木桿,并同時將它安裝在準確的位置。這一優勢在“復雜木構”(Complex Timber Structures,詳情見文后)這個項目中也是同樣適用的。普通的木桿作為標準化的工業材料經過加工,轉變為特殊且獨特的建筑部件。這一過程中,材料按需進行定制,并在其構造的邏輯內部產生了額外的自由定制的空間。就是說,相對于直接制作整體不可分的特殊部件,使用標準化元件去制作特殊部件,本身在構造上就獲得了更大的自由度,同時也釋放出了材料內在的潛力。因為自由度的增加,不只信息化程度得到提升,而且像平面與曲面的無縫過渡等各種精巧的結構都可以得到實現。


 



在“序列屋架結構”(The Sequential Roof)這個項目里,離散的標準化元件通過堆疊,形成了一個特殊的連續漸變結構;在“復雜木構”(Complex Timber Structures)里,每一品木桿長度各異且處于不同的方向,整體仍形成一個自承重結構。在建造的概念上,一般性和特殊性的邊界在這個結構中被模糊了,工業化和定制化的隔閡也消除了,在視覺上同時也產生了某種曖昧的感知:整體上它有著獨一無二的特殊造形,同時個體上卻仍然是一般性的元件。[13] “序列屋架結構”(The Sequential Roof)以加法堆疊出的木構件因重復而產生著韻律,同時各構件在方向和長度上各異的漸變又與之共鳴,每一品木桿各在其位,又共同地消融成為一個新的整體。

通過系統化的編程,結構體系能夠針對材料和構件所在位置的特殊情況,靈活地作出構造上的回應,并根據材料屬性、找型、結構和施工技術的參數,整體地進行優化。這種復雜的系統顯然無法通過傳統的人工設計方法實現。在“序列屋架結構”(The Sequential Roof)以及“復雜木構”(Complex Timber Structures)兩個項目中,如果移動一品木桿,其他無數關聯構件的幾何和建構關系都必須隨之修改,單個元件和整體的關系也隨之改變。當建筑元件的數量達到某種“臨界值”時,數字化設計和建造就不再僅是有所幫助,而是成為不可缺少的一環。在這種情況下,我們無法再以靜態的圖紙去描繪設計,我們需要的是一整套基于編程的規則。建造和設計以這種形式無縫地連接在一起,只要在設計過程中給予了構造足夠的自由度并且將其充分參數化,即使在設計的收官階段也可以高效地進行底層的修改,只需對設定好的參數進行調整,程序算法(建造的邏輯)即可快速地得出更新后的結果。這種方式,并非只是純粹功能主義范疇的操作,而更多地關注流程中的設計和建造方法,以期最終能夠達到構造和材料應用上的創新!

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5.題外話:數字工藝

根據定義,機器人制造的建筑部件是具有獨特性的(如“序列結構”系列)。人們通常將這種構造的獨特性或個體性理解為對標準化生產的一種逃離,并會潛意識地聯想到前工業時代每一件都獨一無二的手工業制品。但當討論到數字工藝時,我們必須首先意識到:它的價值既非機器人對人類手臂運動的模擬,也非對于特殊手工工藝的模仿[14],更不在于其最終產品形式的獨特性。數字工藝更多的是一種概念上的整合,也就是將數字化的設計和建造融合在一起。只有當建筑師能夠直接介入到材料的加工環節,并且對材料在造形上擁有了獨立操作的自主空間,數字工藝才算是真正地開始。

19世紀中期,主流的材料逐漸從傳統材料轉變為鋼和玻璃,以及其他機械大規模制造的材料。這場材料的變革,引起了對于建筑和建筑兩者關系的激烈討論。約翰·羅斯金(John Ruskin)在他1849年的《建筑七燈》一書中詳細解讀了這一變革。[15] 他在創造性的手工藝和當時流行的大規模生產中選擇了前者,對工業化生產的技術、社會和經濟條件提出了質疑,并且將關注點從機械化生產上抽離,轉而關注材料自身性能與其加工方法兩者間的關系。[16]

正如羅斯金所言,沿襲自中世紀手工藝的傳統建造方法,經過新的調整和重新理解后可以滿足新時期的建筑要求。與后工業化時代的建筑不同,在當時,圖紙和絕對度量單位并非最基礎的因素。[17]當時的工匠們憑借著經驗、直覺和手工技藝,制作出需要的元件,并將它們精確地組裝起來。因此,當時建筑所具有的獨特性,并非工匠們追求的目標,而只是其生產體制下的副產品。[18]手工藝因此成為了一種連接的橋梁,它連接著由材料物理屬性決定的加工技術和手工藝者創造性的工作。對此,羅斯金提出在傳統的手工藝中,材料的構造學和人類學價值得到了統一共存,產生了文化上的價值。[19]

而在當代數字工藝的語境下,機器成為了直接連接人與材料的中介工具。手工藝式的操作方式通過數字化技術得以重現,這些數據包含了描述產品以及控制機器的信息。藉此,數字化建構與人類學和手工藝再次融合在一起。但,這絕不是對羅斯金理論的一種懷舊。我們并不是要使用機器人重現當年的工匠,而是要將工匠的技能和知識提取為信息,并且結合進數字工具進行重新思考。我們并不是單單要模仿手工工藝并將其自動化,而是要將手工藝操作的定義在機器的邏輯、技能和機制上進行擴展。簡而言之,手工藝在數字化思維中的體現,是對于各工序間關系的思考——我們不再通過口述或者圖紙,而是通過算法和數據去理解材料和建造。由此,一種新的“工藝文化”誕生了,它通過制定一套框架和規則,去定義建造的特性,并直接與材料的加工連結在一起。

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6.機器人建造中的“軟”標準

雖然在數字時代,機器人建造與手工式生產有著可以類比的關系,但標準化生產的原則并不是其中的核心問題,“非標準化”這一概念主要關注的是建構物形式的多樣性,但卻無法提供更多高出本身的意義。雖然數字化建造提供了各種各樣的可能性,但它也無法完全回避生產中的標準化問題。包括編程在內的各項工作,為了保證設計可以有效地實施,設計和建造仍然須要遵循一套準則和規范。換句話說,生產仍然是標準化的,只不過這種形式的標準化屬性在最終的產品里面看不到了。[20]

所以,要理解和回答是否標準化的問題,關鍵并不在于“標準”本身。在加法式的機器人建造中,編程式的思維以及標準和“非標準”之間相互的轉變,不止影響著建筑的形式,而是深刻地貫穿了整個建造流程。由于機器人建造的邏輯和手工作業不同,并不依靠直覺和經驗去裝配建筑部件,而是依賴事先定義的精確尺寸和動作。所以,構造的靈活性在整個工序中越來越重要,感應器和調節技術的加入,也使得機器人得以自動地適應誤差進行調節。當前大多數的建筑材料和構造方式還無法滿足工業用機器人的精度要求,所以這種“自適應式”的建造變得至關重要。其中,數字的絕對精確性、幾何尺寸的高度完成性、以及機械的準確性,在三者的共同作用之下,我們意外地找到了一條通往相似于手工化定制建造的道路——各種約束條件在技術的輔助下得到了解放,材料和構造設計的適應能力和靈活性成為了整個流程中的重點。



因為對于材料和構造的這種全新的理解,建筑設計的能力也得到了擴展。比如在“智能動態滑模澆筑”(Smart Dynamic Casting,以下簡稱“智能滑模”,詳情見文后)項目中,我們并沒有去設計最終的結果,而只是關注混凝土本身的物理屬性以及滑模拉升和旋轉的速度。這一類結合了建造的設計方法,尤其關注“軟”的內容,材料的屬性得到了誠實的表達,材料的物質性和設計的抽象性不斷交替影響著對方。這類方法同時反映出了技術在底層上的改變,自工業時代以來對于規范和標準的基本概念,也會在未來發生變革。過去“硬件標準化”的宗旨在于統一規格,減低復雜度,統一建筑部件的尺寸和制造的流程,在未來的建造生產中,“軟件標準”會逐漸形成,各種材料在建造上相互影響的關系,將會要求各項前期的設計工作對其相互適應性進行充分的考慮。

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7.以材料特性作為建造的范式

綜上所述,我們提出這樣的命題:機器人能否超越機械式的工作,不單單只是處理各個建筑構件的幾何信息,而是能夠根據不同材料內在的固有性質,做出針對性的區別處理?通過這種方法,是不是可以極大地解放出數字化設計和數字建造的巨大潛力?

讓我們繼續以“智能滑模”項目為例展開討論。在傳統的混凝土倒模工藝中,支模和澆筑是兩個割裂的獨立工序,而在滑模工藝中,兩者雖然同時進行,但是模板拉升的路徑仍然依屬于墻體線性的機械形式。我們在實驗里嘗試對滑模工藝進行全新的詮釋:模板在拉升中做出連續的旋轉動作,澆筑出動態的混凝土,成果的形式即是建造工藝本身的反映。在動態滑模的過程中,如果模板拉升的速度太快,未完全定形的混凝土會從模板下滲流而出;如果太慢,則混凝土趨于干結,過高的阻力會導致結構斷裂。我們使用機器手臂上的感應器測量混凝土的水合程度,通過反饋得到的材料物理信息,不斷調整并優化拉升的速度。[21] 如此,材料的性格以數字信息的形式傳遞到建造工具,融入到了構造的邏輯中去,工具與材料共同反應,得到最終的設計成果。

這個實驗再一次證明了我們的觀點:最終成果的形式并非設計的起點,設計所關注的重點,更多的在于把握材料的性質以及成形的過程。對于材料根本特質的理解,決定著數字化設計和數字建造的深度和廣度。“智能滑模”這個實驗對我們有著十分重要的意義,因為它將原本割裂的獨立工序整合成為連續的施工,拓展了加法式機器人建造的范式。和現今過分宣傳的三維打印技術相比,首先,它是在足尺寸的建筑尺度上進行的操作,其次,在“建造”這一層面上,它將材料的特性徹底融進了構造本身的邏輯中去。[22]

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8.對于“建構性自然屬性”的重新定義[23]

誠然,當今建筑數字化的情況確實是非常特殊的:機器人應用和感應反饋技術的發展,從內在的層面上,大大拓展了建筑學學科對材料應用邏輯的認識,更新了人們對于建造的理解。在這種與建造緊密相關的理念下,“建造”并非為了機械地實現設計中的形式,而是需要人們去深刻地理解材料的特性以及其建構性的能力。在“序列屋架結構”(The Sequential Roof )中,獨立切割出的各品木構件層層疊加;在“智能滑模”中,滑模通過數控技術直接塑造出動態的混凝土。這兩個項目里,建造中材料的性能影響到了設計的策略,直接參與到建筑設計中去。對于材料的考慮,在設計和建造兩個階段中間撘起了一座橋梁,非物質的內容(設計)和物質的主體(建筑物)高度地咬合。從這個意義上,建筑概念和建造的咬合能力得到了提升。“在整個建筑設計的過程中,對于設計目標的不斷追問和發展,對于物質上實現方法的不斷具體化,都反映著”這種咬合。[24] 建筑中機器人應用所帶來的“解放”,并非讓我們減少了對構造的關注,相反的,我們需要把更多的注意力,放在數字技術對設計和建造的影響。從這一點來說,作為工具的數字建造技術,發掘出了材料內在的潛能,并與設計直接關聯起來。這正恰恰體現出了它“建構性自然屬性”[25],材料、工具和設計因此整合在一起,達到一種“關于建造的新的物學”。拋開純粹的數字化論調,我們認為(數字化)建造的實踐和思考,正以其特殊的方式,催生著建筑學新的意義。

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