当前世界环境

介绍

现代设计方法在建筑设计中的生态失灵引发了建筑设计方法变革的必要性。仿生学和可持续性方法在建筑领域的出现是试图抵消现代生态失败的代表。在本文中，基于材料的设计方法被表示为给定问题的解决方案，并对这种方法进行了检查，以指出其优势和劣势，以实现更可持续的建筑。本文通过评价当前建筑形式设计中基于材料的方法，提出了一种新的环境设计策略。作为建筑形式的综合设计方法，建议的策略是在尊重人类，环境和功能建筑价值的同时，提供一种有效的方法来实现更可持续的设计。

材料与方法

通过比较文献回顾，以及对基于材料的设计方法作为一种建筑实践的考察，本文阐述了从当前的设计实践转向更环保的设计方法的必要性。将根据不断变化的用户需求和环境来评估当前方法的弱点。在材料和制造方面的现有技术也将作为拟定拟议战略的宝贵机会加以考虑。

自文艺复兴以来，特别是在工业革命到来之后，不同建筑理论的出现奠定了基础。对工业在建筑中的应用的关注导致了建筑设计的重大转变。新材料、新施工方法、大量工业产品的出现、人口的快速增长以及战后对建筑快速建设的需求，共同促进了现代建筑的进步。科学的进步和新的可能性的出现;建筑师们对此印象深刻，他们从本土建筑原则中分离出来，适应新的设计趋势，而那些对本土建筑感兴趣的人大多受到其形式和美学方面的启发。这些日益发展的建筑行业导致了建筑和结构设计过程的分离，以及建筑和建筑公司的出现，都证明了这一点。建筑工业的发展，与形式和结构的设计和分析相关的计算机科学，加强了自由形式建筑和复杂几何形式建筑的趋势。

随着时间的推移，全球变暖和现代造成的污染促使建筑师采用新的设计策略来抵消建筑对环境的影响。建筑领域的仿生、可持续、绿色等新兴方法都表达了建筑设计方法变革的必要性。

尽管现代建筑存在诸多弊端，但工业革命和大规模生产价值观推动的设计过程在很大程度上是完整的，它导致了形式，分析和制造的分离，而在乡土建筑中，对传统建筑材料，其结构行为和制造约束的整体理解使建筑师将设计和制造作为一个整体过程。

一种新的环保设计方法的必要性

基于材料的设计方法是为了实现更可持续的设计方法而开发的。在这种方法中，形式生成的过程是由材料特性和环境约束的组合来决定的¹．在建筑设计历史的漫长轨迹中，与传统的材料和形式交织在一起的工艺相反，在现代设计中，它们已经从这种整合演变为独立于材料知识来源的形式分离²．今天，由于对现代设计生态失败的迫切认识，设计文化正在见证一种新的物质性^3.．

技术的发展为建筑设计过程的各个阶段提供了新的可能性。基于材料的设计是一种新的设计方法，它探索了在设计过程的一开始就可以利用材料的行为和特性，使最终的建筑更具可持续性。与当前建筑形式生成的设计实践不同，基于材料的设计寻求设计和制造过程的整合，灵感来自大自然的策略。大自然的设计方式表明，通过最少的资源，无限的不同形式是可能的。图1展示了基于材料的设计方法与当前建筑设计实践的对比过程。在目前的设计实践中，建筑师设计表格，然后将其发送给工程师进行环境和结构分析，有时进行优化，当表格最终确定后，建筑专业人员开始制作过程。这种设计方法效率非常低，因为它浪费了大量资源来实现所需的架构形式。在以自然为灵感的材料为基础的设计方法中，以最小的资源实现最大的性能¹．

在这种方法中，在设计的早期阶段对材料的行为和性能进行分析和计算，揭示出意想不到的结构和形态特性，从而提高效率并增强性能。分析在整个形态发生过程中起着至关重要的作用，不仅可以建立和评估与结构和环境容量相关的适应度标准，还可以揭示系统的物质和几何行为趋势⁴．

基于材料的设计实践的特点是材料优于形状，并结合材料的特性和行为，结构行为和环境约束告知物质的分布以产生形式，而在当前的设计实践中，虚拟形状定义参数通常优先于物理材料和制造约束，这通常是在以几何为中心的设计阶段之后才考虑的^4、5．直接数字化制造的最新进展正在实现从以几何为中心的设计实践的转变⁵．计算设计、数字制造和增材制造的可用性以及材料工程的进步使这种设计方法成为可能。计算物质的分布作为结构和环境性能的函数，不仅可以控制根据给定边界定义的物质变化，而且更好的是，利用这种方法生成形式本身⁶．材料计算开启了无限的形式生成的可能性，灵感来自大自然。图2说明了基于材料的设计的主要目标。

虽然大多数设计师采用仿生学作为一种方法来增加他们所创造的可持续性⁷．基于材料的设计方法将仿生学提升到一个新的水平，它试图模仿自然的设计方式。尽管自然可能是设计的灵感来源，但将生物学知识转化为人类设计环境仍停留在一个浅层次，因为它主要是通过模仿生物体的形式或某些机械方面来完成的⁸．尽管可持续建筑领域的研究人员和专业人士讨论了各种形式的生物灵感设计^9、10例如，基于材料的设计方法更有可能通过设计策略的根本改变来实现可持续性。这种方法有望实现从传统设计方法到基于自然原理的表单生成方法的真正转变，从而使其能够成功地发挥作用。然而，基于材料的设计方法作为一种设计方法在建筑形式设计中的广泛和实际应用尚未实现。

评估现有的基于材料的设计策略

在这一部分中，考察了建筑领域中基于材料的设计领域的两个主要研究实践;一个是Neri Oxman教授，他在计算设计、数字制造、材料科学和合成生物学的交叉领域进行研究。她用“物质生态学”这个词来定义她的作品。

另一位教授是Achim Menges，他的研究重点是在形态发生设计计算、仿生工程和计算机辅助制造的交叉领域发展整体设计过程。他的研究旨在揭示建筑形式设计中材料成分的形态复杂性。在本文中，他在基于材料的设计领域的工作被称为材料形态学，以区别于材料生态学。这两种设计实践的比较是基于在他们的设计和研究项目的发展中实施的策略。

表1和表2给出了这两种设计实践在建筑材料设计领域的异同。由建筑师Oxman和Megnes进行的设计实践都寻求材料行为和设计计算的整合，灵感来自自然背后的原则，作为形式生成的主动代理。这两种设计实践都是在微观和宏观水平上研究和计算材料的行为。

表1:材料生态与材料形态的相似性;基于材料的设计方法

表2:材料生态、材料形态差异;基于材料的设计方法

图3是一个很好的例子，其中Achim Megnes使用木材作为响应皮肤材料，通过计算设计重新发现木结构的新性能。在这个项目中，木材固有的吸湿性以及木材结构在径向和切向截面上的差异被用来设计一个天生的气候响应艺术品，不需要任何技术设备或能源。这种吸湿皮肤对不同的湿度水平有反应，可以作为建筑皮肤通风的被动解决方案。这件艺术品正在巴黎蓬皮杜中心展出。

图4为Neri Oxman的Monocoque项目，它是一种结合了结构、环境和形体性能的结构蒙皮，其厚度、图案密度、刚度、柔韧性和半透明度分别根据载荷、曲率和蒙皮受压面积进行调整[1]。在这个项目中，通过操纵材料属性，皮肤能够实现多种功能。白色柔软的材料让光线通过，而黑色坚硬的材料承载结构负荷。值得注意的是，受自然启发的多功能是奥克斯曼教授在设计项目中遵循的主要原则之一。

在自然系统中，多种长度尺度和位置上的功能各向异性材料梯度是普遍存在的¹¹．奥克斯曼教授希望将不同的形式设计成一个单一的部分，以实现多种功能，并通过数字各向异性的方式摆脱零件的组装，这在她的设计中得到了体现。图5显示了Oxman教授的一个项目;一个大规模的连续的多维结构。它的结构模式受到昆虫翅膀或叶脉结构的启发，其最终的整体形状展示了控制折叠成坚固而轻便的悬臂梁结构¹²．通过增材制造技术，通过携带材料的化学浓度而产生的不同材料特性被用来产生在如此大的范围内从梁到网格无缝传输的结构。

与Oxman通常使用增材制造和增长理念的项目相比，Megnes在其项目中主要采用装配制造，同时受益于数字制造。图6展示了一个用简单的胶合板建造的亭子。在这个项目中，木材的弹性特性被用来计算物理复杂形式。所有弹性元素的平衡状态定义了展馆的形式。这个展馆的一个亮点是将建筑美学特征与材料行为和环境约束相结合，以一种材料实现高效的建筑形式。尽管设计过程是一个复杂而复杂的任务，但结果是一个简单而高效的形式。将建筑特征与材料和结构行为以及环境约束结合起来作为基于材料的设计方法的基本原则是一项复杂而复杂的任务，在这个项目中成功地完成了。展馆的环面形状以及透过展馆表皮的光线与展馆的弧形入口相结合，创造出令人兴奋的建筑空间。

如图所示，奥克斯曼教授试图设计的形式不仅改变了设计过程，而且改变了制造过程，以实现结构和功能上都高效的形式。在这种方法中，她也试图构建不是虚构的而是生长的形式。奥克斯曼教授希望从非组装向上发展到形式生成的愿望在丝绸馆的项目中表现得很明显(图7)。在这个项目中，数字制造被用来建造展馆的主体结构，而蚕丝虫填补了空隙。奥克斯曼教授称，利用数字技术和自然创造理想形式的形式生成过程为“设计启发的自然”。

对比两种设计实践表明，材料作为形式生成过程的驱动因素，开启了无尽的设计可能性，就像大自然从有限数量的纤维和细胞中提供多样化、高效、适应性强的形式一样。作为一个整体，Megnes的设计实践最有可能在当前的建筑实践中被遵循，因为它的形式与当前的建筑相似，同时更加环保。另一方面，奥克斯曼的设计实践可能会导致未来的根本变化，不仅是设计过程，还有建筑形式。正如前面基于材料的设计方法的例子所示，作为一种材料实践，对形式生成的不同设想导致了不同和复杂的设计实践。

基于材料的设计方法的实现

而一些设计师采用仿生学作为一种方法来增加他们所创造的可持续性⁸因此，结果证明了微小的改进，基于材料的设计试图通过扩大对自然界中物质的理解来识别微观和宏观尺度上的特定特征，并将其转化为人类的设计环境，除了可能的分析含义之外，最初的设计步骤可能会导致模仿自然的生态系统，而不仅仅是形式和有机体。这种方法的一个缺点是，除非建筑师在整个设计过程中有深入的科学理解和科学协作，否则他们无法完成成功的设计。由于对材料、设计计算和数字制造的理解有限，将这些知识转化为人类设计设置可能导致有缺陷的碎片设计。另一方面，这种方法可以产生创新的建筑技术和材料，因为它不仅可以研究材料，还可以为材料提供信息。其他生物启发设计方法主要是针对特定的预先确定的建筑环境和设计问题，而基于材料的设计结果可能会通过研究材料的微观和宏观行为和特性并操纵其特性而导致未经深思熟虑的设计解决方案。生态系统模拟可能意味着对生态学的深入理解推动了建筑环境的设计，这种环境能够以一种强化而不是破坏的方式参与地球主要的生物地球化学物质循环(水文、碳、氮等)¹³．基于材料的设计方法可以成为创新的源泉，甚至是再生的建筑环境。这种方法可以超越维持现状，通过与周围环境的融合，成为自然生态系统的一部分，对自然进行恢复性的恢复。实际上，这种方法最大的好处是它可以对周围环境产生潜在的积极影响，甚至抵消当前现代设计的生态失败。虽然现代设计是基于大规模生产的价值观而推广的，但这种方法是基于现代建筑生态失败所提出的可持续性价值观而推广的。尽管现代建筑的形式遵循功能，但在这种方法中，形式遵循材料的行为和属性。基于材料的设计方法最初是一个人类的设计环境，但它不知道人类的价值观和标准在这个设计过程中是如何牵连的，人类价值观对最终结果的影响正在调查中。实际上，以材料为基础的设计是在寻求同时达到生态、社会、文化和审美的行为，从而使最终的建筑不落入现代建筑的陷阱。

有人认为，研究自然系统和自然设计的方式可能会在形式产生时考虑人的价值，从而为加强建筑设计策略开辟一条道路。研究大自然的设计策略表明，每种形式都代表着特殊的需求。例如，纳米布沙漠甲虫的身体结构和行为被称为雾站甲虫，是对沙漠恶劣干旱气候的高效反应，作为一种水蒸气收集技术¹⁴同时保护甲虫免受周围环境的侵害。实际上，通过对自然的研究，我们知道，自然产生的不同形式是对特殊需求的反应，它们的反应是高效的。由于建筑是对人类需求和价值观的回应，因此建议在设计过程的早期阶段将人类标准与材料和结构行为以及环境约束结合起来。这种设计策略通过考虑材料特性和功能以及建筑形式的相互作用，能够在拥抱技术的同时响应许多人类和环境的需求和价值。它允许建筑师不仅基于技术、材料、结构和环境方面，而且与美学、社会、文化需求密切相关，来操纵设计。图8显示了推荐的基于材料的设计策略，强调了在实现可持续建筑设计的同时，人的需求和价值如何与设计过程相关联。正如图中所示，在这个设计过程中，建筑师最终指导形式的生成和发展，直到找到对建筑和环境价值和要求的有效响应。

结果

在这种方法中，建筑师能够通过仔细考虑材料特性来设计解决许多问题的形式，这比在设计开发过程中通常忽略材料特性的其他建筑设计方法更有效。基于材料的建筑形式设计方法使建筑师能够产生想法，否则就不可能解决环境，材料和功能要求和野心方面的设计和施工问题。
值得一提的是，由于该方法中的表单生成采用了高度先进和复杂的知识和技术，因此很难期望该方法在不久的将来成为一种世界性的设计方法。然而，不断变化的建筑需求和世界环境问题使这种设计策略成为未来建筑设计和建设的必需品。图8显示了这种方法的复杂性，因为它涉及到许多在普通架构设计策略中很少考虑的参数。它还表明，这种方法如何同时考虑到建筑设计的三个主要参数，包括文化，环境和社会，并以相互的方式。

很明显，在不久的将来，由于许多未定义的参数和问题，包括建筑的不同部分(如电气和机械设备)在设计中涉及的方式，不可能通过基于材料的设计方法来设计和建造整个建筑。然而，人们应该希望在设计和建筑制造中大规模实施这种方法，并以更具互动性的方式实现增材制造的全球化。本文介绍了应用材料设计的一些优势，并展示了这种方法如何走向更加可持续和环保的建筑。

所提出的方法被认为是动力建筑设计的一种有效策略，因为它消除了对关节连接的需要，并以更充分的方式实现了期望的机构，并且在功能时间内不需要涉及外部能量和技术而完成被动设计。基于材料的设计方法的另一个巨大潜力是产生生态度假村的建筑表皮。被动式多功能建筑表皮，使建筑系统成为周围生态系统的一部分。

讨论

现代建筑的生态失败促使建筑师寻求一条不同的道路，因为材料的行为和特性、结构和环境行为是形式生成的驱动因素。通过最少的资源实现最大的性能，结果被认为是更有效率的。这种方法旨在成为生态系统的一部分，甚至实现生态度假建筑形式。基于材料的设计作为一种建筑设计方法是对社会和文化价值观以及许多其他人类价值观和标准的回应，因此定义这些价值观如何影响最终设计以及结果如何能够适当地响应功能，审美用户的要求是很重要的。总的来说，基于材料的设计方法是迈向未来可持续建筑设计实践的第一步。

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