【材料語言】數(shù)字時代的建筑材料革命
早在1901年，美國建筑師萊特在芝加哥Hull House的一次會議上宣讀了一篇名為《機器的工藝美術運動》的文章，提出機器工具將成為建筑師強大的力量外延，建筑師在建筑設計工作中的角色將發(fā)生變化，他主張建筑師應該去了解新技術、新機器，更加關注在這些新技術條件下建筑材料所煥發(fā)出的難以言說的表現(xiàn)力。30年后，建筑師柯布西耶在《走向新建筑》一書中，暢想伴隨著社會工業(yè)化的發(fā)展，建筑可以像汽車和飛機一樣被精確制造。 然而一百多年后的今天，數(shù)字技術的出現(xiàn)經(jīng)歷了“手工加工”、“傳統(tǒng)機械”到“數(shù)控機械”的發(fā)展，加上機器人、3D打印機、四軸飛行器、數(shù)控機床（CNC）、激光切割機和三維足尺掃描等新技術設備在建筑設計行業(yè)的投入使用，除了激發(fā)出傳統(tǒng)建筑材料更多的表現(xiàn)力，也讓“建筑材料”的概念變得更加廣義?！敖ㄖ牧稀被蛟S可以從“機器對象”的角度來理解。 建筑材料作為建筑生產(chǎn)活動的物質(zhì)基礎，很大程度上材料技術的發(fā)展直接影響了建筑的空間結構和藝術效果。建筑設計的建造和材料之間密不可分，材料是建筑設計表現(xiàn)的載體，每一個設計最終都會落實到材料的使用之上。隨著科學技術的發(fā)展，建筑材料的運用跳出了沿用幾千年的木、石、磚、土等傳統(tǒng)材料的框架，在此之后，鋼筋、水泥的混凝土結構得到廣泛的應用。如今，纖維、合成樹脂等復合材料已經(jīng)成為建筑師現(xiàn)實世界的揚聲器。而在二者之后，人工智能的強勢發(fā)展讓世界迎來了智能材料的時代。在數(shù)字化時代背景的影響下，越來越多的新型建筑材料被開發(fā)出來，并推動了建筑設計的新發(fā)展。 NO.1 傳統(tǒng)材料 作為建筑師的操作對象，傳統(tǒng)材料的出現(xiàn)可以追溯到石器時代。伴隨傳統(tǒng)建構方式，傳統(tǒng)材料沿用至今。但科學技術和人類需求的發(fā)展，使得人們對建筑的要求越來越多，千篇一律的傳統(tǒng)材料的使用加工方式已難以滿足大眾。數(shù)字化建造技術在帶來效率和創(chuàng)意的同時，使得建筑師對材料的加工和控制達到了前所未有的高度和精度。
傳統(tǒng)材料新工藝
木構屋頂
（九座橋鄉(xiāng)村俱樂部室內(nèi)效果） （九座橋鄉(xiāng)村俱樂部室內(nèi)效果）
（手工搭建過程）
日本建筑師，2014年普利茲克建筑獎獲得者坂茂,在韓國，驪州郡，京畿道的作品——九座橋鄉(xiāng)村俱樂部。他將傳統(tǒng)材料木材優(yōu)雅地用于室內(nèi)，俱樂部的中庭空間與透明玻璃為周圍的建筑和人群提供了高大而透明的開放空間，其中的結構是曲線的木柱和屋頂。木柱子向天空生長，到了屋頂組合成為水平的六邊形網(wǎng)格。
磚塊砌筑
（上?！拔寰S空間”內(nèi)的創(chuàng)盟國際J-office綢墻）
位于中國上?！拔寰S空間”內(nèi)的創(chuàng)盟國際J-office綢墻設計，采用的是最便宜的空心混凝土砌塊體，將絲綢質(zhì)感中灰度的參數(shù)化，將其轉(zhuǎn)譯為墻體砌筑方式的媒介。通過設計手工工人的建造工具與建造過程，實現(xiàn)了低技參數(shù)化建造的可能。在施工現(xiàn)場，指導工匠使用的模板為砌塊的角度定位，最終墻體呈現(xiàn)出如織物般柔軟、皺褶的效果。
同樣的設計方法在中國成都非物質(zhì)遺產(chǎn)公園——蘭溪亭的設計中也得到應用。 這一數(shù)字化設計與低技手工施工相結合的方式對建造數(shù)字化建筑的探討也具有了特別的意義。
2.數(shù)控機械加工及建造
機器人磚構
（2008年威尼斯建筑雙年展，ROB 建造的Structural Oscillations裝置）
（2008年威尼斯建筑雙年展，ROB 建造的Structural Oscillations裝置）
2008年威尼斯建筑雙年展，ROB 建造的Structural Oscillations裝置用數(shù)控機械手段（6軸機器人）來探索對傳統(tǒng)材料（磚）的建造。新的自控工具在原材料性能基礎上定制非標準化構件的方法都是數(shù)字化建造中融合了傳統(tǒng)經(jīng)驗與現(xiàn)代技術的手法。傳統(tǒng)的材料與機械結合的方式在現(xiàn)階段的情況下更便于數(shù)字化建造應用于實際生產(chǎn)。同時在這一過程，傳統(tǒng)意義上的建筑師與建造者的合作模式可能會被顛覆，二者的交接界面可能不再是圖紙，建筑師需要更多地參與建造本身，從而使得建筑學的學科自主性得到另一層面的提升。
馬克·巴里切石法重建圣家族大教堂
圣家族大教堂是西班牙建筑大師安東尼奧·高迪的畢生代表作。它位于西班牙加泰羅尼亞地區(qū)的巴塞羅那市區(qū)中心。當高迪于1926年逝世時，教堂的大殿僅完成了15至25 ％。在高迪去世后，該工程的進行是一波三折，前后有多位建筑師參加此項工程。
直到二十世紀八十年代，該教堂在設計和施工過程引入計算機輔助設計以及數(shù)控銑床等現(xiàn)代化手段，通過機器人切石法獲取合適的建筑材料，令工程進度前所未有地加快，由新西蘭的馬克·巴里（Mark Burry）擔任結構設計師和研究員。
（佛山藝術村建筑表皮）
豎梁社運用數(shù)字建造技術表達獨特的空間思考，設計始終強調(diào)數(shù)字化生成和建構技術的結合，展現(xiàn)了材料的力度和構造的精妙。其作品佛山藝術村根據(jù)本地的一些藝術作品，抽取一些具有特色的藝術符號，采用參數(shù)化工具，進行新的演繹。演繹出來的各種不同圖案，考慮日照，空間使用等要求，進行相應的選擇，通過數(shù)字化建造工具加工，最終形成富有變化的表皮。
建造過程首先把表皮進行劃分，表皮的結構形式采用簡單的縱橫龍骨結構，表皮的組件大小根據(jù)龍骨的尺寸確定。表皮的材料根據(jù)具體位置的不同，以及結構上的要求，或采用金屬，或采用玻璃鋼。劃分后的表皮再進行簡化，以最為復雜的表皮為例，最終簡化為5種標準模塊。確定標準模塊后，加工工廠根據(jù)材料的加工工藝進行相應制造。采用金屬材料的表皮模塊，先根據(jù)平面造型雕刻出花紋，再通過彎折加工成鋁板。工廠制作完后，進行標號，運到施工現(xiàn)場安裝即可。
利用計算機設計建筑可以產(chǎn)生原來無法看到的形式，傳統(tǒng)方法達不到的形式現(xiàn)在也可以實現(xiàn)，同時數(shù)控機械對傳統(tǒng)材料的加工使得人們反思：操作傳統(tǒng)材料實現(xiàn)建造的過程發(fā)生了變化。
NO.2 復合材料
復合材料，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。其使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草或麥秸增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代，因航空工業(yè)的需要，發(fā)展了玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼），從此出現(xiàn)了復合材料這一名稱。50年代以后，陸續(xù)發(fā)展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現(xiàn)了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體復合，構成各具特色的復合材料。
各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。因此，可以說復合材料各自身懷絕技。
自然，復合材料由于諸多的優(yōu)勢以及特殊的肌理和質(zhì)感，使得它成為了數(shù)字化建造的寵兒，特別是在3D打印領域。3D打印技術操作的材料需要多種特性來承擔成型的要求，從早期的樹脂到ABS、不銹鋼和復合了高纖維的混凝土材料，不同的復合型材料被開發(fā)應用于不同的工藝，現(xiàn)今進一步的探索仍在進行。
1.機器人操作復合材料
陶土
（哈佛大學GSD的機器人陶土打?。?/p>
首先將所有的傳統(tǒng)手工陶土擠出方式轉(zhuǎn)化成機器人動作，機器人能夠更精確、敏捷和持續(xù)的完成這些動作。通過編織手段的陶土打印過程來實現(xiàn)建筑立面或表皮單元的建造。使用傳統(tǒng)的條狀陶土擠出作為基礎語言，編織堆疊技術可以實現(xiàn)不同的單元網(wǎng)絡效果。六軸工業(yè)機器人對運動速度，擠出速度，擠出尺寸等方面的精確控制也使得材料得到更多樣更精準的表現(xiàn)。
玻璃和碳纖維
（2012-2013年ICD/ITKE研究館機器人編制過程）
（2013–2014 年ICD/ITKE研究館機器人編制過程）
兩個研究館均由纖維編織而成，展館的建造引入兩個大型同步KUKA機器人，它們負責將玻璃和碳纖維纏繞在薄質(zhì)鋼框架上。在對纖維增強聚合物的材料特性和適當?shù)闹圃旆椒ǔ墒炖斫獾幕A上,團隊充分利用各向異性材料特性，從而獲得纖維復合結構的機械制造專業(yè)知識。玻璃和碳纖維材料在操作工具機器人的編制下形成造型優(yōu)美的單元體，同時機器人對纖維材料的使用方式為建筑師提供了廣闊的設計思路。
2.CNC操作復合材料
熱塑性聚合樹脂
（熱塑塑料互動展亭）
由Baumgartner+Uriu(B+U)與SCI-Arc的學生共同設計建造的展亭Apertures，它共由233塊形態(tài)各異的CNC銑床切板組成。每塊面板都是由聚氨酯泡沫體和熱成形的熱塑性聚合樹脂層壓合而成，厚度只有1 /8英寸。SCI-Arc的學生首先用CNC數(shù)控銑床切割出233塊面板的泡沫模版，然后將熱塑料樹脂倒入模版中成型，再進行切割和粉刷。面板的連接點在CNC模版加工時標出，用鋁鉚釘連接。在現(xiàn)場先將面板組合成九個部分，然后吊裝到位。
3.3D打印機操作復合材料
聚合物水泥
（Emerging Objects發(fā)明的專利技術——聚合物水泥3D打?。?/p>
聚合物水泥是一種高強度的剛性材料，經(jīng)由纖維增強，生成強于傳統(tǒng)混凝土的3D打印材料。使用聚合物水泥打印出的產(chǎn)品極其輕質(zhì)，外飾面可為噴砂面，啞光面或綢緞面等半透明飾面，也可被再加工，磨砂或噴繪。
鹽材料
（3D打印的晶體鹽裝置）
3D打印鹽取自舊金山港灣，這里的鹽都是從雷德伍德城中那些109年之久的鹽結晶池中提煉出來的。鹽材料堅固、防水、晶瑩剔透。設計師使用基于粉末的Z-corp 3D打印機打印出336個透明面板，每一個面板都由鹽制成，可以隨意旋轉(zhuǎn)，聚合在一起合成更大的結構。最終組合在一起構成剛性外殼，利用輕量的鋁制桿支撐張開。鹽的自然特質(zhì)使得自然光可以滲透進空間內(nèi)部，突出結構。
液體3D打印材料——光敏樹脂
硅谷公司Carbon3D最近公布了一種全新的3D打印技術，能在液體中直接、持續(xù)而迅速地打印，顛覆了過去幾十年來逐層堆疊的3D打印方式，速度提高了25～100倍，并能打印許多前所未有的幾何形狀。
普通的3D打印實際上是「2D打印」，一般使用液態(tài)樹脂逐層堆疊，也就是說，打印好一層后，等待它固化，再進行下一層打印，然后層間黏合在一起。每層的邊緣之間往往不能完全光滑過度，因此整體看起來較為粗糙。
光敏樹脂工作原理：Carbon3D開發(fā)的CLIP技術不僅速度提高了幾十倍，并且表面光滑細膩。CLIP的原理與光固化技術很相似，利用的是光敏樹脂在一定波長紫外線作用下會產(chǎn)生聚合反應、從而固化的性質(zhì)。但它還利用了另一個性質(zhì)：氧氣會抑制光敏樹脂的固化。二者的平衡就是CLIP技術成功的關鍵。
秘訣就在于CLIP打印機的水槽底部。水槽底部有一個窗口，其特殊之處在于，既能透過氧氣，又能透過紫外線，因此稱為「透氧窗口」（Oxygen Permeable Window）。水槽中裝有液態(tài)光敏樹脂，水槽下方有一個紫外線投射儀。氧氣會抑制光敏樹脂的固化過程，因此，水槽底部的液態(tài)樹脂由于接觸氧氣而成為固化的「盲區(qū)」（dead zone），始終保持著液態(tài)，形成一層液態(tài)薄膜（約2～3個紅細胞厚度）。這層薄膜不能透過氧氣，但能透過紫外線，因此上層處于低氧狀態(tài)的液態(tài)樹脂就可以在紫外線的作用下固化。這樣，就不會有固化的樹脂黏在底板上。隨著打印平臺往上升，更多低氧狀態(tài)的樹脂被吸到底部，打印過程可以持續(xù)而迅速的進行，就像從液體中“生長”出來一樣，而不需要像傳統(tǒng)的方法那樣分層固化。
數(shù)控機械操作復合材料要求建筑師具有對材料多角度多維度的設計和美學敏感性，能夠掌握先進數(shù)字技術。通過數(shù)控機械操作復合型材料的原理已遠離傳統(tǒng)的意義上的建造理念，可以直接依靠三維模型建造實體，不需任何模板，應對復雜的幾何體時體現(xiàn)高度的自由度和精確度。
NO.3 智能材料
1956年“人工智能”學科首次被提出，在隨后的發(fā)展中，人工智能的理念也被應用在建筑材料上。學者們希望建筑材料能夠像生物體一樣能夠?qū)χ車沫h(huán)境做出適應性的調(diào)整，根據(jù)外界環(huán)境的變化自身做出反應，即擁有響應、識別和修復等功能。1989年11月在日本科學技術廳航空、電子等技術評審會上，日本高木俊宜教授提出智能材料概念。同期美國在航空、宇宙領域中對傳感功能和執(zhí)行功能的適應性結構物、靈巧結構物的研究也很活躍，因此人們逐漸將它們均稱為智能材料與智能系統(tǒng)。
歷經(jīng)傳統(tǒng)材料和復合材料，智能材料的構想來源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些獨特功能制造人類使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機等等），它的目標就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此，智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。它必須具備感知、響應和控制這三個基本要素。
智能材料的出現(xiàn)使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現(xiàn)結構功能化、功能多樣化。智能材料自身的特性以及其蘊含的人工智能的理念與參數(shù)化整合物體內(nèi)部關系以及建筑物本身的自我適應思想不謀而合。所以，智能材料作為數(shù)字化建造的實現(xiàn)載體，近年來正在被學者們大量研究使用，尤其表現(xiàn)在建筑表皮方面。
智能材料可分為兩大類：
嵌入式智能材料。在基體材料中，嵌入具有傳感、動作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和激勵驅(qū)動元件，執(zhí)行相應的動作。
自主式智能材料。有些材料微觀結構本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃等。
1.嵌入式智能材料
Translated Geometries
（Translated Geometries材料系統(tǒng)）
IAAC的碩士Ece Tankal， EfilenaBaseta 與 Ramin Shambayati對“變形建筑”興趣濃厚，他們在項目中利用利用熱響應聚合物為結構節(jié)點開發(fā)了一種新的材料系統(tǒng)“Translated Geometries”。
（隨溫度的改變而變化）
IaaC用形狀記憶聚合物（SWP）建立了一個實體結構模型，可以利用材料的獨特性質(zhì)實現(xiàn)自我轉(zhuǎn)換。這種特殊材料能夠接受外部刺激，更確切的講，感應超過60-70攝氏度的溫度而改變相位，經(jīng)再次加熱，材料恢復初始狀態(tài)。可想而知這種材料對創(chuàng)建新型的可活動節(jié)點特別適用。
（材料的展開與閉合）
為了最大限度的利用這種材料的特性，該團隊需要找到能在靜止的狀態(tài)下被運送到目標位點的幾何形狀，這種形狀應具有變形或膨脹成所需形狀的能力。折疊式結構是為了實現(xiàn)這些目的的最佳選擇。這種可折疊的結構再加上形狀記憶聚合物材料（SWP）的優(yōu)勢，具有建立可移動的結構和架構以迅速響應不斷變化的需求的潛力。
Media-ICT大樓的智能薄膜
（Media-ICT大樓）
獲頒WAF 2011年世界建筑大獎的巴塞隆納Media-ICT大樓最大的特色是運用材料科技，由一片片涂有鐵氟龍(ETFE)的特殊薄膜銜接而成的帷幕墻隔熱系統(tǒng)，這種特殊薄膜的充氣墊單元，類似窗簾效果，可過濾紫外線、以及戶外熾熱的陽光，透光度達到95%，且能阻擋80%的熱度，并讓二氧化碳可減少25%。
（Media-ICT大樓）
鐵氟龍學名為聚氟乙烯，膜材厚度通常小於0.20mm，是一種透明膜材，由於具有抗壓、保溫、隔熱、會呼吸、自潔、鍍點節(jié)能的功能，已經(jīng)為許多知名建筑所採用，如2008年北京奧運國家體育館水立方的立面材質(zhì)，就是鐵氟龍材料。
（涂有鐵氟龍材料的特殊薄膜）
Media-ICT大樓立面的特殊薄膜具有三層的材質(zhì)，第一層是透明薄膜，第二層與第三層剛好是互補的形狀，因為本身可以膨脹，也被稱為「會呼吸的薄膜」。整套帷幕墻隔熱系統(tǒng)共安裝了154個氣墊(cushion)單元，其中有104個可由電腦控制，以便能根據(jù)太陽在此立面上運行的軌跡，而改變單元的狀態(tài)。
2.自主式智能材料
濕度響應的木質(zhì)復合材料
材料固有的形成圓錐曲面的能力結合七軸機器人建造工藝，構建出28個不同幾何形態(tài)的組件，組件上承載著1100個濕度敏感的孔。這些孔可以在30%-90%的相似濕度范圍內(nèi)的變化做出反應，相當于在適度的氣候條件下從晴天到陰雨天的濕度變化。
這項研究使木材，最古老和最常見的建筑材料之一，成為一個氣候響應的復合物。在吸附和釋放濕氣的過程中改變了木材細胞組織中微纖維之間的距離的變化，從而導致尺寸的顯著各向異性變化。
滲水陶瓷
（隨著水分被吸收球形的水凝膠也在不斷生長）
“凝膠”是一種能夠吸收和保留500倍于自身重量的水的物質(zhì)。加泰羅尼亞高等建筑學院的DMIC通過敏感材料使用，試圖重新定義“智能”，并將“凝膠”嵌入到建筑環(huán)境中，通過數(shù)字化建造仿真、建構技術設計、以及完善智能建筑系統(tǒng)，從而提高建筑的熱學性能。
曲面滲水陶瓷樣本）
通過對粘土，鋁，和丙烯酸進行了控制變量的測試，確定了多控混凝土作為水凝膠的載體。并將二者結合的材料稱為“滲水陶瓷”。
（左：最終的系統(tǒng)由粘土層以及水凝膠與拉伸織物的中間層組成）
（右：使用模具數(shù)控銑削的加工方法）
“滲水陶瓷”，作為一種蒸發(fā)冷卻裝置，降低溫度并增加濕度，從而使室內(nèi)空氣溫度降低五到六度。嵌入式智能系統(tǒng)使其性能與室外風的溫度成正比。換句話說，當室外比較熱時，室內(nèi)溫度自然地降低。同時，當沒有水份蒸發(fā)時，系統(tǒng)則不為室內(nèi)空間降溫。
智能材料在建筑設計及建造中展現(xiàn)出前所未有的優(yōu)勢，它的出現(xiàn)促進結構與功能的逐步統(tǒng)一。同時改變建筑師傳統(tǒng)的設計方式，更多的將建筑物內(nèi)部關系整合考慮，從而進一步增強建筑物自我適應的能力。
