郭艳云 何俊笙

(广州番禺职业技术学院，广东 广州 511483)

1 山地建筑和数字化仿生建筑

1)山地占我国国土总面积2/3以上，而人口多集中在平原地区，造成拥挤并占用耕地，同时山地资源大量闲置。随着社会经济、工程技术的不断发展，人们开始致力于在尊重和保护环境的前提下对山地建筑进行开发研究。“山地建筑”常指修建于山林中并依据山地的坡度因势而建造的建筑，山地丰富的地形与地貌变化赋予山地建筑独特的形态感染力和魅力[1]。

2)早期的仿生建筑设计大多采用直观式的模拟其形象，比如东西方建筑中各种动物及花草纹样式。数字建筑设计是根据生物形态绘制分析图，从中辨析其关键特征点，然后将这些生物形态特征转化成计算机语言，进而编写成一套完整的算法。通过计算生成多种不同的形态，再加入某些特殊需求与限定条件，并通过测试不断进行算法优化与迭代，即可从生成结果中找出最美感的建筑雏形[2]。山地仿生建筑是一种非标准化中的衍生建筑，它能符合使用者多样化的需求反馈，是对建筑系统的一种全新诠释。本文旨在探索数字技术辅助下的参数化仿生建筑设计方法，充分利用数据分析山地的形态特征，使建筑形态与山地环境相适应，最大限度维持山地的原生地貌，提倡建筑要“随山塑形”，赋予山地建筑设计一种新尝试。

2 山地仿生建筑选址的参数化生成逻辑

建筑产品(包括建筑观念与建筑体)产生过程就是自然的进化过程[3]。建筑与植物之间最明显的类比例子就是树。树是植物世界里最常见的，此次仿生设计的整体概念就来源于树木生长。通过观察树木生长过程，分析树与柱的关系，更确切地说是树的主干。一般来说，植物的茎，尤其是树干，往往呈圆锥形，这是由于它们随着高度的增加而逐渐变细所造成的。而柱是一种垂直而细长的建筑元素，用来支撑结构同时又有装饰的目的。树干的周长是随着高度的增加而减小的，但截面是圆形的。树木的生长周期和形态大，受当地的土壤肥沃程度、环境温度、空气流动、日照时间长短等因素的影响。

2.1 地形分析

项目拟选址在广州市广州番禺职业技术学院五号楼后山上，该区域属海洋性亚热带季风气候,该地全年温暖，春夏季多雨、光热充足、秋冬季盛行东北风或北方，偏干燥，霜期短等特征，植被种类丰富。整个后山海拔最高地的高度为180 m，起伏不大，坡度较缓，树木茂密，植被丰富，属于丘陵地带。地形如图1所示。

根据山地现场环境情况，整体设计是建筑群落需依山就势,背靠山林，面朝湖面，且将建筑以和谐共生的方式置身于山林间，并将建筑与原始地貌相互紧密接触，两者之间没有明显的界限，建筑内外的景观空间达到内外相互交融。对于参数化设计，将周边环境以及人的活动行为方式进行数字化描述出来是很关键的一步工作，这些处理后信息将是之后建筑形态生成的基础。

2.2 日照分析

从人体的生理角度来说，充足的阳光能够使人心情愉悦、身体健康等。阳光的照射是人类生存发展的基础，在南方地区本身日照丰富，这个时候我们就需要根据不同的日照条件选择不同的处理办法。选址山地背靠滴水岩位于山的南面属于阳面，全年太阳采光充足，这样向阳坡(即南坡)的阴影较背阳坡(即北坡)短，日照条件较好，但这里坡度不是很陡因此建筑阴影会略长。同时本身山体的树木茂密，湿度略高，为了明确建筑朝向及位置的山地分别对春、夏、秋、冬进行模拟日照分析，效果如图2所示。

结果得出春、夏、秋日照时间、范围差别不大，而冬季的日照时间明显低了很多。并从日照分析图中可看出秋天的日照时间要高于其他季节，整体平均大于200 h以上。山地区域也存在明显的日照时间不足，冬季少于5 h。综合以上数据对建筑的朝向和开窗位置提供了很强的参考价值。

3 原型演变过程

建筑采用树木生长过程作为原型出发，在充分观察树木生长结构之后，通过运用软件进行树根及树干生长模拟分析，主要操作过程是将选址地作为一个封闭的空间，在其内部随意设置细胞发射点作为捕食点，这些点会不断向外发散出去从而生成点云系统。再在这些点之间设置一些“障碍”即所谓的限定条件，来模拟计算它们之间的不同的生长状态，也就是模拟的生长路线，同时再在“捕食”过程中会不断自我优化行进路线，从这些点云模型中提取出曲线骨架也就是作为最初的建筑交通网络流线，过程图如图3所示。

这种点云算法关键是首先给定对象一个或多个中心点让这些点进行重新追踪，在其内部给定竞争点让其不断相互争取和延展，从而生成最初的骨架曲线。最后，根据得出的骨架曲线分支结构再进行过滤，获得最终的曲线骨架的算法。整个过程能根据地形设定一些场地条件让其模拟出最优化的建筑群的生长路径。

3.1 路线范围分析

为了得出山地中最适合的建筑交通路线，我们在山地中不同的坡度处随意设置几个发射点即“捕食点”，然后从山脚点根据山地的坡度自行开始“捕捉”，不断的向外发射几个点。在这个过程中由于不同的坡度和给定的受力情况会出现点的密集程度不同的点云，再将这些点云系统进行网格线路化会发现坡度较缓的地方点云密集度较高，坡度高的地方点云的密集较疏。将这些点云进行算法优化，得出一个树状的脉络骨架系统，最后根据这个脉络系统从中挑选出最优化及最连贯的建筑主交通路线范围，如图4所示。

3.2 主建筑模型范围运算过程

在获得路线范围之后将开始在主要的交通路线的交织中心计算建筑地形的空间范围。建筑空间的范围即建筑基底面积大小，取决于该位置地形的坡度、土壤的软硬度以及光照、风力程度等因素的综合考虑。通过赋予三种不同的参数数据，得出三条不同的建筑地形范围，从中挑选出其中一条来作为建筑的建筑范围，过程如图5，图6所示。

在得出的建筑范围之后，通过地形数据计算运算出立体空间范围，然后在空间中不同高度处设置三个点，通过“发射”点让这些点进行自动捕捉形成点云，进而对其进行连接曲线脉络框架，最终算出三个发射点捕食脉络生长路线，也就是建筑内部的交通流线。同样取用相同的生长路线，得出建筑的天花模型。现阶段建筑形体只是作为一种不规则的非线性体存在，并没有赋予实际的建筑形体功能，如果建筑设计没有考虑基本结构系统及构造逻辑那是完全支撑不住的，是没有说服力的，其过程如图7所示。

3.3 建筑内部空间结构运算过程

在接下来需要对形成的形体进行赋予结构系统及结构构造逻辑，而计算机目前已有软件对非线性体建筑根据实际建造而自动生成与形体相适应的内在逻辑。我们可根据建筑内在形体的应力分布进行单元体划分，同时根据树木生长过程的信息化数据得出树木的结构关系并将它作为非线体性的基本结构系统。

本案例前期是通过Grasshopper来运算建筑交通路线、建筑位置及建筑内部空间的流线，处于种概念设计阶段。在这个结构算法当中，我们需要运用一个软件叫做Ameba，它是基于双向渐进结构优化(BESO)的一款拓扑优化工具，它是使用Rhino+Grasshopper进行前后处理，是Grasshopper的插件，其运行原理是同时可以在材料“高效能”(如材料应力较高)区域增加单元，这种既可删减又可添加单元的策略使得渐进优化法的优化能力变得更强。利用Ameba对建筑内部结构进行优化，其过程如图8所示。

根据得出的建筑框架可同时进行多次迭代，并达到目标体积和满足收敛条件。在得出的建筑主要空间轮廓中进行结构优化，进行结构优化的前提首先赋予空间的受力情况、光照度及结构支撑点参数，软件会对这些数据进行自我结构优化并多次进行迭代，最终可成型建筑结构，其过程如图9所示。

3.4 建筑表皮细节运算过程

建筑结构成型后可再根据结构走向生成网格表皮，同时还可根据不同位置及赋予的数据进行多次生成，最终整体建筑成型。最终形成山地建筑群及建筑内部的室内空间，建筑外部效果图如图10所示，建筑内部效果如图11所示。

4 结语

建筑是将各种材料用不同形式进行合理组织而构建出来的供人居住或使用的空间，它必须满足坚固、实用及美观的要求。参数化的数字仿生技术可以在最大限度维持环境的原生地貌情况下，赋予建筑更多的可能性，传达出我们对这个世界的态度。