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1、精品论文推荐建筑材料的计算机模拟及其对当代设计美学的影响1曾坚 1，苏毅 11 天津大学建筑学院，天津(300072)摘 要：近年来，利用计算机模拟建筑材料性能的方法，已在一些建筑设计过程中得到了初步应用。本文介绍了与建筑材料的视觉、受力、可加工性、经济性、热工和能耗等 5 种性 能有关的计算机模拟程序的基本情况和在建筑设计过程中的应用案例；并探讨了计算机建筑 材料性能模拟程序对当代设计美学的影响。关键词：计算机模拟、材料、性能、设计美学 中图分类号：TU-81.引 言材料是建筑物赖以存在的物质基础，是设计思考的重要内容。1建筑材料及其构造方式与建筑师使用的辅助设计思考的工具之间存在着密切的联
2、 系我们不难从历史上艾森曼（Peter Eisenman）十号住宅的白墙与卡板纸模型，从密斯（Mies van der Rohe）的范斯沃斯别墅的大面积透明玻璃与他细弱游丝的铅笔草图，从格雷夫斯（Michael Graves）波特兰市政厅外墙缤纷的涂料与他稚拙的彩色铅笔画，从弗莱 奥 拓（Frei Otto）的世博会德国馆与肥皂膜找形模型之间，获得关于这种相互影响与依存的联 系的直观感受。2而近年来，针对建筑材料各方面特性的计算机模拟程序在设计过程中得到了初步应用。这些软件具有什么样的功能，在哪些建筑的设计过程中得到了应用，以及它们对当代设计美 学有怎样的影响呢？2.计算机模拟建筑材料性能软件
3、的发展概况2.1 模拟软件概况“计算机模拟”是采用数量关系描述现实世界中物质的特性，用数学公式概括物质间作 用的规律，预测物质系统在一定条件下会做出如何反应的一段计算过程。模拟软件（或其他 用途的计算机软件）大致都可认为由三个层次构成核心算法、功能实现和人机界面。核 心算法多为物理和数学家所提供；功能实现也就是“编程”用各种类型的计算机语言， 从高执行效率的汇编语言至各种方便简捷的高级语言，建立输入和输出参数间的联系；而人 机界面则是给与软件运行以视觉化的环境，让它能为使用者所理解和操作，近来越来越多的 艺术家、心理学家和建筑师也加入开发人机界面的工作中。3模拟程序如果具有了接近真 实的人机界
4、面和自然的交互感，就自然而然地进入了“虚拟现实”的领地。4用于模拟建筑材料性能表现的软件有多种类型，大致可分为：针对视觉属性的模拟、针 对力学性能的模拟、针对可加工属性的模拟、针对热工和能耗的模拟、针对建筑经济性的模 拟等。2.2 视觉属性的模拟视觉属性在对材料感官认识中占有很重要的地位。任何一种视觉属性如颜色、光泽、1 本课题得到教育部博士点基金项目（20050056031）资助。- 17 -凹凸、颗粒、透明（光）、镂空、虹彩、纹理等都与“光”密不可分。而“光”对建筑艺术本身亦起着支配性的作用柯布西耶（Le Cobusier）在走向新建筑中写道“建筑就是 量体在阳光下精巧、正确、壮丽的一幕戏
5、”， 路易斯 康(Louis Kahn)也曾说“太阳一直不 曾明白它是何等伟大，直到它射到了一座房屋的侧面”。5第一种对漫射材料视觉属性的计算方法，是朗伯（Johann Heinrich Lambert）1760 年左 右对“光度学”的研究中发现的。朗伯因为一件事而感到困惑太阳，虽然是球体，但中 央和边缘的亮度看上去却是相同的，更像个平面圆盘；经过思考，他提出了“朗伯余弦定 律”漫射体表面发出的与法线方向成特定夹角的光强，等于法线上的光强乘以该夹角的 余弦。6今天的 Maya 等三维软件中还包括这个最古老的“Lambert”材料，用来模拟均匀 漫反射、漫透射和漫发射材料的效果。7朗伯反射体的亮
6、度只与光源有关，与观察角度无 关。建筑中采用的石膏板、粉刷白墙、毛玻璃的毛面等也可近似地被看作“朗伯体”。而对有光泽材料的计算机视觉模拟，最早是由裴祥风（Bui Tuong Phong）1973 年在犹 他大学（University of Utah）实现的。他将材料的光照效果分为互不影响、相互叠加的三部 分：高光（Specular）、漫射光(Diffuse)和环境光(Ambiant)。漫射光和环境光都满足上面提 到的朗伯定律。而高光部分的亮度，与光线的镜面反射角方向及物体的光滑程度都有关系， 这就形成了今天在 3ds Max 软件中我们常常会用到的“Phong”材质。“Phong”材质适于 表
7、现塑料这样的光滑材料。8图 1 Phong 材质光照效果示意图随后，为提高计算机运算效率，改善高光形状，1977 年伯苓（James F. Blinn）发明了 Blinn 材质。而为了刻画真实多孔类粗糙材料，如红砖、麻布等的漫反射效果，20 世纪 90 年代，欧仁（M.Oren）和纳亚（S. K. Nayar）通过物理实验改进了 Lambert 材质，形成了 Oren-Nayar 材质。9人们还针对金属板开发了的 Strauss 材质，针对拉丝金属板及纤维类材料开发了各向异 性（Anisotropic）材质，针对透光石材（如汉白玉），开发了在表面以下还能向外反射一部 分光照的 SSS（次表面散
8、射, Sub Surface Scatter）材质。10若为物体选择了合适的材质，在 高阶光照中如在光线跟踪和光能传递算法处理下，可以达到照片般乱真的效果。在一些 “光度学”模拟软件中，如由美国劳伦斯伯克利实验室（LBNL）开发的 Radiance 渲染器， 还可以查得该材质表面在特定光照下，以尼特（nit）为单位的亮度数值。11而要表现大面积建筑材料的视觉效果，情况就要复杂些，例如毛石墙：几何模型中不可 能把每一块毛石都如实绘制出来，因此需采用在平面上贴图（Mapping）的简化办法。而且 我们还注意到：真实的毛石墙，灰缝比毛石要凹入一些，毛石自身也有凹凸变化。视差贴图（Parallax M
9、apping）是实现上述效果的一种特殊贴图方法，它需要在相同位置上重叠的三 幅图片：表面颜色图片、表面深度图片和法线方向图片。12图 2 视差贴图效果(左图：启用视差贴图，右图：未启用视差贴图)过去，得到一幅精美的计算机图像需要花费不短的时间。今天，随着显卡（GPU）性能 的大幅度提高13，以及不少巧妙的算法的提出，渲染所需要的时间也越来越少：一些三维 游戏具有令人惊叹的高真实度的画面效果。ATI 公司在 2006 年度计算机图形学会议 SIGGRAGH 上演示了精细的帕提农（Parthenon）神庙的实时渲染画面，给建筑师留下了深 刻的印象。14当代的一些三维设计软件，也设计为能在工作空间中
10、实时显示光照效果，如 已被微软（Microsoft）公司收购的 Caligary 出品的 TrueSpace 等。15Google SketchUp 软件，为了提高交互性、节省计算量，采用了另一种相反的思路 简化和抽象，只反映材料的基本色彩、组织单元和大明暗面等基本信息，而忽略复杂细碎的光影变化。类似于 Catia 这样以设计自由曲面为特色的三维软件，虽然显示效果看上去非常 朴素，却提供实时镜面成像和斑马线分析功能，便于检查曲面材料间的接缝。它们也受到不 少建筑师的欢迎，可见，材料视觉模拟软件的真实性与交互性，二者都是重要的。162.3 力学属性的模拟选择何种材料才能满足建筑使用的需要，需要知
11、道此材料是否能承担各种可能的应力， 以及材料在此应力下的变形是否在使用者心理的可承受范围之内。一级注册建筑师结构课考试大纲要求建筑师掌握用解析法分析建筑受力情况。这种方法 比较适于分析梁柱层次清晰的正交体系。而对于复杂几何形建筑的设计，目前常采用 FEA (有限元分析，Finite Element Analysis)方法。如妹岛和世（Kazuyo Sejima）在瑞士洛桑高等 工学院（Lausanne EPFL）学习中心（Learning Centre）的设计过程中，引进了有限元分析法 来辅助对形式的思考，设计过程改变了过去“先建筑，后结构”的传统模式，而是建筑设计 与结构设计互相结合。17而
12、对此类建筑形态的优化，可在参数化设计软件中采用目视判断 法和机器优化法进行，机器优化可通过设立一些条件，采用模拟退火算法、混合遗传算法等 方法求解，对矛盾的条件，机器也会给出相对折衷的结果。而在 Catia 平台中，FEA 的计算 值可作为一项设计参数值而被引用。图 3 妹岛和世设计的瑞士洛桑高等工学院学习中心的形象图 4 洛桑高等工学院学习中心设计过程中进行有限元分析的过程图片洛桑高等工学院学习中心建筑外形很平滑，曲线优雅，仿佛漂浮在空中而不被重力束缚 似的在计算机辅助几何设计（CAGD）和结构有限元分析（FEA）的结合下，这样的形 态比采用传统方法更容易成为现实。有限元分析软件过去常需要进
13、行手工网格划分等准备工作，操作比较繁琐；而 Catia 等 设计软件的有限元分析工作台在概念设计阶段中，只需要输入荷载、材料、形状、约束这四 个具有明确工程含义的数据，直观性很强。 18张拉膜建筑所用到的膜材，在理想状态下是等应力极小曲面膜材上任何一点，所受 到的来自膜各个方向的拉力都相等。“找形”（form-finding, shape-finding）是指在给定膜 材边界约束和预应力的情况下，确定膜的形状的技术方法。对于张拉膜建筑，有专门的“找 形”解法，如力密度法、动力松弛法、非线性有限元法等。虽然在类似于 Ansys 这样的通用 软件上进行找形是可行的，但采用专用膜结构设计软件无疑更加
14、高效。这类软件，比如天津 麦卡特膜结构科技发展有限公司研发的 MEDE、德国 EASY 公司研发的适于施工图设计阶 段的 EASY 和适于概念设计阶段的 CADISI、意大利 Forten 公司研发的 Forten3000 和适于概 念设计阶段的 TensoCAD 和 RhinoMembrane 等。图 5 利用动力松弛法为膜结构建筑物找形2.4 可加工性的模拟可加工性反映了建筑材料从一种形式向另一种形式可能的转化方式。如金属板能被弯 折，木材可被锯开，砖头可被砌筑。李允鉌在华夏意匠中写道，“古代的看法是：设 计不过是为施工服务，而不是施工目的在于实现设计。” 19中国建筑传统中，人们 对材料
15、可加工属性非常尊重。盖里（Frank O. Gehry）建筑师事务所选择 CAM(计算机辅助 制造)类软件 Catia 辅助造型设计的出发点，也是为了使自己的设计与加工更紧密地结合在一 起。20盖里在建筑中大量采用可展曲面（Developable Surface，即可被展开成平面的曲面）正 是出于这方面的考虑。应用可展曲面，意味着建筑的曲面墙板可由平面金属板材通过冷弯和 与曲线龙骨焊接而形成，其相同面积造价大约是三维铣削铸造锻造方式的 1/5。21 为克服 Catia 原软件在可展曲面建模方面功能的局限，麻省理工大学（MIT）建筑系设计与 计算机专业的博士生丹尼斯 舍登（Dennis R. S
16、helden），为盖里事务所开发了一种由多个 不同方向上的可展曲面及它们之间的连接曲面共同构成的“纸样曲面”（Paper Surface）工 具。22盖里的 Weatherhead 项目和 mARTa Herford 项目都是应用“可展曲面”的实例。后者的 施工图是由 KSI-Bochum 公司利用 Rhinoceros 软件的可展曲面功能绘制的。23图6 Weatherhead 项目中的计算机表面模型、可展曲面的直纹线方向、主龙骨与次龙骨、结构施工图图 7 mARTa Herford 项目的计算机模型因为盖里等建筑师证明了 CAM 类软件在描述与表达材料可加工性方面先天的优势， CAM 软件
17、所具有的参数化设计功能被一些建筑软件所吸收，比如 Revit 、Microstation Generative Components 等。碳纤维聚酯材料为了加工的需要，有时采用直纹曲面进行设计。如纽约普瑞特学院（Pratt Institute）建筑系的麦克 塞文（Mike Silver）教授研究了控制碳纤维聚酯材料形状的 Script 语句，这些语句用来驱动切削碳纤维聚酯的泡沫内瓤的 CNC（计算机数字控制，Computerized Numerical Control）机械。24图 8 直纹扫略面的切削路径和控制此路径用的语句图 9 完成后的碳纤维树脂树枝形装饰灯（chandelier）形式（
18、左）和 CNC 泡沫切割机（右）金属板折角多面形也是一种常见的构造方式，比如褚智勇建筑设计的材料语言书中提到的由弗伦克 西蒙(Freenc Simon)和伊万 弗克瓦里（Ivan Fokvari）设计的德国德累斯 顿中央购物中心。25这类多面体造型，可追溯至犹他大学的计算艺术先驱 Ron Resch 编写的 多面体组合与展开算法。26 今天的一个专用展开图软件是由日本 Tamasoft 公司研发的 PepaKura。27建筑师 Wojciech Kakowski 设计的 2010 年上海世博会波兰馆，采用这种基于 材料展开变换的思路，使波兰民族特色的纹样能够在建筑各个表面呈现。28图 10 W
19、ojciech Kakowski 设计的上海世博会波兰馆建筑形象（上）和展开图（下）而在前一节提到的膜结构设计软件，如 MEDE、EASY 等，都可在“找形”的基础上， 将膜材从曲面形展开为最接近的平面形，并绘制裁切线。图 11 由 Easy 的子软件 EasyCut 绘制的张拉膜结构膜材裁切图砌体不论在东西方，历史都非常悠久。现在，计算机辅助设计为这种传统的构造方 式注入新的活力。如格拉戈 林恩（Greg Lynn）利用带有空间碰撞检测功能的软件探索了 新的泡泡状砌块形式和新的组砌方式，并用机械臂式数控切割机辅助加工这些砌块。这种砌 块已经有了一些应用实例，其中一个就是在 SCI-Arc 画
20、廊展出的泡泡亭体现出由这种新 型砌块砌成的建筑灵活、柔美和洋溢着欢快气氛的鲜明个性。29图 12 格拉戈 林恩设计的泡泡状砌块（下）和由该砌块垒成的墙（上）图 13 SCI-Arc 画廊展出的格拉戈 林恩“泡泡亭”照片一些建筑师的作品，其砌块本身还是传统的长方体，而由计算机去探索组砌方式的可能 性。如由贾一鹏（Yee Peng Chia）和艾里克 马斯洛斯基（Eric Maslowski）用 C+语言为 麦克 塞文（Mike Silver）事务所编写的 Automason(自动泥瓦匠)软件，采用元胞自动机算 法，可生成新颖的砌砖方式。这种软件在 2003 年加利福利亚硅谷圣何塞州立大学的艺术与
21、 设计博物馆竞标项目中得到了应用。塞文说，这座建筑是“算”出来的，而不是“画”出来 的。下图是 Automason Ver1.0 软件的截屏画面。30图 14 Automason 软件的截屏画面还有不少建筑师，从不同方面扩展砌块的造型潜力如 Defne Sunguroglu2006 年在伦敦开发了一种可用于复杂曲面形墙壁的包含拉结钢丝的新的砌筑方式及其模拟方法；31Eichi Matsuda 研究零散小木条的自然堆积形态等。32除了上面介绍的这些实例，由于建筑中可采用的材料很丰富，还有很多材料具有不一样 的物理特性，对应于完全不同的加工方式及模拟软件；建筑师有时需根据实际设计要求寻找 软件，或
22、与计算机专业合作定制新软件。2.5 热工和能耗属性的模拟建筑的基本功能之一是遮风避雨，在室内创造舒适宜人的热环境。采用不同的建筑材料 对整体建筑的热工和能耗有较大的影响。在围护结构中使用的不透明建筑材料的热工属性主要指标包括：密度、质量比热、导热 系数、蒸汽渗透系数、含水量、板材厚度等。而透明的玻璃还可透过或反射特定波长和比例 的辐射热能。出于美学上偏好，玻璃幕墙在我国被大量采用。但实际上，大面积玻璃立面建筑的热舒 适性和节能性并不好。我们在设计中，采用热工模拟软件辅助设计，利于选择舒适节能的立 面材料和做法。比如，采用 EcoTect、DOE-2 等模拟软件适于分析全年建筑采暖、空调能耗，
23、采用具有动态传热功能的 Energy Plus 可分析逐时空调能耗，而采用 Fluent Airpak 或 Phoenics 等软件，则可计算自然通风条件下瞬时和局部建筑空间的热工状况。台南市成功大学教授林宪德采用美国能源局的建筑能耗动态解析程序，对北京和台北等 地假设的 10000m2 的 10 层玻璃幕墙办公建筑全年能耗进行了分析，结果证明采用不同的玻 璃，如双层透明玻璃、单层吸热玻璃、高反射率玻璃、双层 Low-E 玻璃，因气候条件和立 面开窗比例的不同而具有不同的能耗表现。33建筑能耗中的另一部分是来自于建筑材料在生产、运输、施工和拆解方面所消耗能量。 这一部分在 Ecotect 中采
24、用直接输入材料单位面积的初始能耗，由软件根据建筑中使用的各 种材料面积统计求和的办法。将这二者累加起来，可以计算建筑的全生命周期耗能。有时， 也用温室气体排放量表示建筑耗能。单位建筑面积的能耗指标计算结果，被列入英国 BREEAM 等多种的“绿色建筑评估标准”中。2.6 经济性的模拟 计算机辅助造价模拟和手工计算一样，也是将各种材料的单价与用量相乘并求和。 我们经常使用的 EcoTect 就具有估算建筑造价的功能，它可用图表分析建筑造价中各部分所占的比例。而参数化类设计软件，也都将“价格”列入材料的属性项目中。在复杂曲面建筑设计中，同样大小的面层材料，加工方式的不同，造价相差悬殊因 此不能简单
25、地采用面积与固定的单价相乘的方式盖里建筑事务所改进了 Catia 的造价计 算功能，使面层金属板能根据高斯曲率确定单价，造价计算因此变得更精确，更重要的是造 价在参数化体系里成为真真切切地控制建筑设计的因素，改善了设计流程。克服了设计的主 观性，盖里说：“在欧洲，进行建设量统核的人员被称为 metteur，但我们已不需要他，类似的工作计 算机可以在瞬间完成。这样我们在设计建筑时，便会拥有一位 metteur 结合方案的走向做出 核算。所以说，我是在特定的条件下展开设计，而不会超越各类限界。因为你知道，如果设 计中没有限界，你在寻找某种形式时便会陷入迷惘。” 34然而建筑的造价计算却是非常难的，
26、其难度并非体现在软件功能的实现上，而是因为每种构件单价的确定，需以丰富的实践经验为基础进行合理的推测和估计；而且设计中影响造 价的因素也很多，如价格波动，虽不抽象深奥，却繁琐复杂。其中一个例子就是盖里古根海 姆博物馆的建成，受益于前苏联解体后钛金属的大幅度跌价。马岩松曾说：“我们的天津开 发区中钢大厦项目也不得不寻求 ARUP 的帮助，但我们只求助于他们一件事情就是确 定这座平面极简并根据风荷载调整外墙单元厚度的建筑，反映在造价上，到底能节约多少 钱？”。35除上述 5 种主要的属性外，建筑材料还具有许多属性也已被纳入计算机模拟范围，如防 火属性、隔声属性等，不过因其物理过程和输入参数过于复杂
27、，暂不作介绍。3.目前常用于模拟建筑材料各方面属性的一部分计算机软件建筑材料性能的计算机模拟，其核心虽然在于“算法”，但建筑师所能直接用到的还多 是各种桌面软件。本文列举了其中一些常用软件和开发该软件的公司或组织的名称，如表 1 所示。对于每个建筑师而言，这些软件未必需要全都掌握，也可只精通感兴趣的其中几种。表 1 常用来模拟建筑材料各方面属性的计算机软件材料的属性软件功能软件名称所属软件公司或组织视觉属性三维设计与渲染软 件3ds MAXAutodeskMayaTrue SpaceCaligary(属于 Microsoft 的子公司)SketchUpGoogle单独的渲染器Artlantis
28、AdventMental RayMental Images(属于 Nvidia 的子公司)GelatoNvidia光度学模拟软件LightscapeLightscapeRadianceLBNL（劳伦斯伯克利国家实验室， Lawrence Berkeley National Laboratory）虚拟现实开发工具VirtoolsDassalt SystemXNAMicrosoft计算机图形开发基础函数库Direct 3DMicrosoftOpen GLARB力学属性包含有限元分析功 能的设计软件CatiaDassalt SystemI-DEASSDRC(eds)张拉膜建筑找形软 件MEDE天津麦
29、卡特膜结构公司EASYEASYCADSIFortenFortenTensoCADRhinoMembrane通用独立有限元分AnsysAnsys析软件AbaqusSIMULIA（属于 Dassalt System 的子公司）FEPG北京飞箭软件公司其他结构分析软件SAPCSIPKPM中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所可加工属性通用 CAM 类软件CatiaDassalt SystemPro-EngineerPTCTopsolidMissler建筑类参数化设计 软件RevitAutodeskMicrostationGenerativeComponentsBentley SystemDigital
30、 ProjectDesignerGehry Technology钢结构详图设计Xsteel(TeklaStructures)Tekla膜结构裁切EASYCUTEASYMEDE天津麦卡特膜结构公司复杂多面体展开PepaKuraTamasoft砌体的砌筑方式模拟AutoMasonMike Silver可展曲面创建与展开Paper surfaceplugin for CatiaGehry Technology热工和能耗 属性适于计算全年采暖、 空调能耗EcoTectSquare One(属于 Autodesk 的子公司)DOE-2DOE(美国能源部，Department of Energy)适于计算
31、逐时能耗与热舒适度EnergyPlusDOE, LBNL, University of illinois（伊利诺大学）等联合开发计算瞬时和局部空 间建筑热环境状况Winair+EcotectSquare One(Autodesk)Fluent AirpakAnsysPhoenicsCHAM火灾时的空气流动 模拟FDS（Fire DynamicsSimulator）NIST（美国国家标准局，National Institute of Standards and Technology）经济属性适于复杂几何形建筑CatiaDassalt System适于其他建筑EcoTectSquare One(属
32、于 Autodesk 的子公司)各类参数化软件-4.模拟建筑材料性能的软件功能的发展趋势计算机网络的创始人赛弗（Vint Cerf）不久前在卫报撰文说：“互联网仅仅在 1989年才开始商业应用今天它依然非常年轻”。我们注意到，也正是在 1989 年，盖里事务所引进了 Catia，在建筑设计中采用材料性能计算机模拟的前进路上迈出了重要的一步。 在过去十几年间，模拟软件有了不少进步。除了对准确性的不断追求外，在使用功能上也体现出几个发展趋势，如易用化趋势、集成化趋势、网络化趋势等。4.1 易用化趋势大约十年前，人们常说动画类软件是从好莱坞借来的，而 Catia 是从航空工业中借来的， 它们在建筑事
33、务所里还难于推广效果图公司成为单独的商业组织以及盖里必须雇佣来 自飞机制造厂的绘图员就是明证因为那时候软件输入参数还过于芜杂，操作方法也需要 不少时间来熟悉。近年来，软件开发者正在设法降低了这些软件使用上的难度，并采用贴近建筑师的使用 要求和思维习惯的操作方法就像傻瓜相机使摄影变得更贴近普通人。Atlantis 软件就是 一款这样的“傻瓜化”的视觉效果模拟软件，它可通过设定建筑所在城市、时间、日期和天 空云量的多少来设置光线。又如 2009 版本 3ds Max 软件的材质编辑器（Material Editor）， 在 Phong 和 Blinn 等传统的“计算机化的材质”之外，还增加了“建筑
34、型材质”，包括“玻 璃”、“混凝土”、“木材”这类更易于建筑师理解和操作的子项。软件的辅助学习功能也在加强。过去，人们只能通过帮助文本和书籍了解软件操作。今 天，软件开发者提供多媒体和交互性软件学习教程的情况正在变得普遍。例如，利用 Flash, 我们可以在屏幕一侧演示动态的范例，一侧进行训练和操作，学习新软件使用的过程变得更 加连贯有趣。这些辅助学习功能比单纯简化软件操作的思路其实更有现实性。4.2 集成化趋势建筑师在选择材料时，往往需要同时知道材料在多方面的表现。若能减少模拟中建立几 何尺寸模型和设定材质属性方面重复的工作量，就能在很大程度上提高工作效率。例如，在 理想的情况下，如果将某外
35、墙设置为拉丝 316 型不锈钢，那么它不仅具有拉丝不锈钢的视觉 效果，价格按 316 型不锈钢的单价计算，在有限元结构分析中，具有 316 型不锈钢的受力特 性；而且软件还可提示我们可对这类不锈钢做如何的加工，不锈钢板后面的保温层宜如何设 置，厚度如何。我们在上面所有的模拟过程中只需输入一次“316 型不锈钢”，所有问题都 可迎刃而解。今天虽然还不能完全做到如此，但已有了一些相关的解决思路，比如融合模式 和文件兼容模式。（a）融合模式这种模式是让三维设计软件本身具有很强的模拟和分析功能。比如 Catia 既可以对材料 受力性能进行分析，又可以对可加工属性、经济属性进行分析。为进行逼真的渲染，引
36、入了 Mental Ray 渲染器；为了扩展非线性有限元受力分析功能，还引入 Abaqus 插件。36有读者也许会问，Catia 实现这么多功能，它的操作界面是否就会变得非常繁琐复杂？ 其实，Catia 采用工作台（Workbench）方式，当完成特定任务时，只显示与该任务相关的命令图标，而隐藏无关的图标，这样工作界面就可以始终保持简洁清晰。（b）文件兼容模式 这种模式并不要求用三维设计软件解决所有模拟问题，而希望规定一个通用的标准，以便使任何软件都可导入和使用这种标准数据。STEP 是其中的一种重要的通用格式，它是“工 业产品计算机表达与交换的可解释性数据”的缩写，由国际标准化组织的 ISO
37、10303 文件所规定。ISO10303 文件的第 45 和第 46 部分，分别规定了材料的内在物理特性和视觉表达的数据格式，CAM（计算机辅助制造 Computer Aided Manufacture）类软件大多都支持此种格 式。37而近年来，BIM（建筑信息模型 Building Information Model）概念方兴未艾，IAI（国际协作联合会 International Alliance for Interoperability）适时提出了表达 BIM 的 IFC（工 业基础类 Industry Foundation Classes）。IFC 可视为对 STEP 的简化。38有些
38、事务所，目前综合运用了“融合模式”和“文件兼容模式”的方法，比如福斯特事 务所，采用以大型参数化设计软件为基础，再向其他各类专门的分析软件提供多种具有不同 精细程度的几何模型和材质定义为子本的“混合型”模式。394.3 网络化趋势网易公司曾有一段广告语：“网聚人的力量”，材料世界千姿百态却又显得繁复，或许 它们最适合用强调互助与协作的互联网技术呈现在建筑师面前。比如，Square One 网站现在 提供了一些建筑材料各方面属性的资料，我们可以下载使用。而盖里技术公司（Gehry Technologies）也将符合 RISC 等标准的钢材型号的 Catia 模版文件上网，我们可以在 CatiaV
39、5R18 软件中直接引用这些标准模版，就像从大纸盒里取出合适的积木来搭建玩具积 木屋一样。40越来越多的材料信息被放在互联网上，今后网络资源和信息将会比现在更加 丰富到了未来某个时候，任何现实生活中的建筑材料供货商都会在网络上提供描述他们 产品的数字文件，我们通过简单的拖拽操作，就可以在桌面模拟软件中使用这种材质。甚至 桌面程序也可以根据设计的需要，自动从网上寻找和下载合适的材料和做法，把它们组合到 施工图中去。5.建筑材料的计算机模拟方法对当代设计美学的影响材料的计算机模拟方法用于建筑设计，自然可使得设计出图的效率提高，成本下降：例 如，采用找形软件为索膜结构找形，其所需花费的时间大约只是肥
40、皂膜找形的 1/31/2，还 可节省肥皂膜找形所需的专门条形灯光、摄影测量设备等方面的投资。然而，正如贝聿铭所 说，“（建筑艺术）重要的是质量而不是数量”，我们关心得更多的则是计算机模拟方法如 何使建筑美学特质得以提升，以至于对设计美学观有所影响而这种影响现在已经显露出 来：5.1 深层美首先，计算机材料模拟把建筑美从注重几何构图和外观比例的“表象美”或“直觉美”， 升华到注重材料的内在特质和逻辑关系的“深层美”例如受力因素在传统设计过程中是 不可见的，很难进入普通建筑师的设计视野。只有具有很强的工程学知识背景的建筑师，如 奈尔维（Pier Luigi Nervi）、卡拉特拉瓦（Santiag
41、o Calatrava）才可能设计出具有高超的内 在结构逻辑的建筑来。而在 FEA 软件的帮助下，建筑材料的受力情况被予以视觉化表示。 更多建筑师会参考软件所提供的分析图，用受力因素去优化自己的设计，使建筑材料与建筑 真实受力状况之间有更理性的联系。5.2 多维美计算机材料模拟还将设计美从单纯的“视觉美”转化为“多维美”。由于热工和经济类 材料模拟软件的应用，建筑设计更倾向于采用耗能更少、经济性更佳的天然材料、地方材料， 采用寿命更长和易于维护和回收的材料，而摒弃浮华的、耗能大的构造手段如不在亚热带和热带气候条件下大量使用玻璃幕墙。建筑美的评判标准，于是从单纯符合视觉美的原则，转变为也考察建筑
42、对社会和对环境的综合效益，形成一种生态的、经济的、社会的等多维度 的建筑美学观。415.3 交流美计算机材料模拟将一切都由建筑师单独决定的“个人美”转化为也发挥出开发商、使用 者、普通民众和与工程师之间的“交流美”。路易斯康曾抱怨说：“几乎没有业主能从哲 学高度来理解他们所要创立的那个事物”。其实，这也不完全是业主的错，它与传统设计方 式也有关系：在设计过程中，建筑师的思考借助了太多的直觉，有太多东西装在建筑师本人 的脑子里，难以言说。并非所有人都能有康的业主萨尔克医生或者为安藤忠雄修建贝纳通研 究所的意大利工人们那样高超的艺术领悟力，能理解建筑师之所思。今天，借助统一的文件 定义方式、软件和
43、网络，事情变得要相对容易一些：使用者可以通过视觉虚拟看到建筑各个 角度的外观；承包商可通过 CAM 了解建筑是如何被修建起来的；业主可通过经济模拟知道 建筑花了多少钱交流与沟通可以建立在比过去更准确全面的信息平台上。盖里曾评价 Catia 说：“我说一口外语，但工人们一下子就明白我的意思了”。建筑艺术是一种公共艺 术，而“交流美”更接近这种艺术的本质。5.4 复杂美最后，计算机材料模拟将建筑美带入了“复杂美”的时代，如果我们注视北京“水立方”、 密西沙加市的“梦露”高层、卡利亚里艺术博物馆等近期国际竞赛的获奖作品，几乎总能感 到“复杂”的气息，然而此“复杂”不是“繁复”、“芜杂”，而是建立在内
44、在清晰简明关 系上的多样性。正由于采用了计算机材料模拟，当代建筑设计过程具有了目标多维、人与人 交流频繁的特质，“多样性”被强化了，建筑变得更敏感、丰富。除此以外，以前的建筑师 更倾向于只是专心使用一两种特别熟悉的材料和相对固定的构造方法，而采用计算机模拟方 法后可采用的材料变得异彩纷呈、可应用的构造方式变得多种多样，若仅以数量考量：雅 克 赫尔佐格（Jacques Herzog）对木、石、砌块、混凝土、金属、塑料（如 PTFE）等多 种材料都有尝试，所使用构造方式的丰富性也远远超越了前人。如果以信息论来考量，高复 杂性的建筑，具有较高的“负熵”，是对无生机的“热寂”的抵抗，所以复杂之美也是“
45、生 命之美”。426.结语“工欲善其事，必先利其器”建筑材料的计算机模拟已经成为建筑师分析、理解和 表达建筑材料的重要工具，并对当代设计美学产生了深刻的影响。而从另一方面说，在建筑 设计中应用的计算机模拟方法的历史还比较短，仍有很多领域需要探索。现存的计算机软件， 以及建筑师应用软件的方式都值得我们去思考和改进。而未来更人性、更优雅、更生态、更 有特色的建筑和城市设计，正有待于用建筑师的智慧和计算机的力量去共同完成。参考文献1 褚智勇，王晓川，罗奇建筑设计的材料语言M北京：中国电力出版社2006.5p3-52 Frei Otto. Tensile Structure: Design, Structure, and Calculation of Buildings of Cables, Nets, and MembranesM. The MIT Press. 19733 NaOH Game Development. EB/OLhttp:/