建筑织物的计算性转变 ｜ 刘一歌 李飚 ｜ 时代建筑2021年第6期

　　原标题：建筑织物的计算性转变 | 刘一歌 李飚 | 时代建筑2021年第6期

　　本期主题文章简介

　　从数字孪生到元宇宙，一系列新兴概念映射出一种混合现实条件下的建筑设计与建造、表达与体验的全新未来。建筑学的数字化发展究竟是引领我们走向物质智能还是非物质智能？传统空间的物质性营造与虚拟现实技术之间的关系是分离，还是融合？在建筑设计层面，（新）材料属性带来的是新唯物主义的再实践，还是指向以虚拟体验为核心的全新学科边界？在建筑空间的建造层面，非物质智能能否为建筑学空间生产的一体化流程带来更多的体验自主性与生产可能性，进而拓宽建筑学在高效、低碳、可持续等议题下的全新伦理边界？本期杂志邀请了这一领域的专家学者从不同的视角展开讨论。

　　袁烽和尼尔·里奇针对建筑数字未来在“非物质性”与“物质性”之间的哲学理念差异，以及学科发展方向展开了深入的思辨性讨论。文卡·迪伯尔丹（Winka Dubbeldam）认为，建筑应该被作为实体物质属性的“物”来认知，这是对如何设计建筑、生产建筑以及使用建筑空间的重新思考。吉尔斯·雷辛（Gilles Retsin）探讨了围绕“离散性”概念的设计与建造，展开了在数字化建造领域的探索。闫超、沈元勤以《数字建造》丛书的编写过程为线索，在建筑学语境下分析了中国数字化建造技术以工程实践为问题导向的发展特征，建构了技术与社会关系的全新可能以及中国的在地性特色。姚佳伟、黄辰宇和袁烽从环境物质性能的视角，探讨了从形状语法、多目标优化以及进化式算法自我回馈的建筑智能生成设计工作流，为未来可持续城市与建筑设计在理论与实践层面提供了新方法。罗鹏和杨烁永的文章提出了冰雪建筑“自然而然”的建筑设计理论框架，建构出数字化集成设计体系方法，并结合实践对“自然智慧”的冰壳建筑设计与建造创新进行了总结。刘一歌、李飚结合自身及相关学者的研究，梳理了织物编码技术的发展，阐述了计算性织物的编码方法及相关的建筑实践探索。

　　主编：支文军教授

　　建筑织物的计算性转变

　　The Computational Shift of Architectural Textiles

　　刘一歌 李飚 LIU Yige, LI Biao

　　Abstract

　　21世纪以来，伴随着材料技术与数字技术的发展，织物材料正在经历一场重要的计算性转变。这场转变为建筑师提供了强大的设计自由度及物质掌控力，使织物成为了建筑师对物质世界进行编码的重要媒介，并为建筑创新提供了不断扩大的可能性。为了更好地阐释织物的计算性转变及其带来的建筑创新潜力，文章结合作者及相关学者的研究，梳理了织物编码技术的发展，并阐述了计算性织物的编码方法及相关的建筑应用探索。

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　　1 前言

　　织物材料与建筑有着古老的关联。在语源学中，“织物”（textile）与“建筑”（architecture）可以追溯至同一个印欧词根“teks-”，意为编织、制造、建造[1]。在建筑术语中，幕墙（Curtain Wall）、带窗（Ribbon Window）等专用名词也采用了织物的名称。在建筑发展的各个历史阶段，织物更是无处不在。游牧民族的毡房、罗马斗兽场的遮阳天棚、忽必烈的帐篷宫殿、拿破仑时期的帐篷美学装饰、莉莉·瑞希（Lilly Reich）与路德维希·密斯·凡·德·罗（Ludwig Mies van der Rohe）设计的天鹅绒和丝绸咖啡厅、现代膜建筑，都是运用织物材料的典型案例。

　　但与此同时，织物一直以来被看作是临时、脆弱、不稳定的非主流建材，被排除在大多数建筑理论与建筑设计实践之外。尽管19世纪的戈特弗里德·森佩尔（Gottfried Semper）建立了影响深远的建筑起源学说与织物美学理论[2-3]，20世纪的弗雷·奥托（Frei Otto）创建了现代膜结构这一创新结构类型[4-5]，但是主流社会仍然普遍存在着对织物的低估。织物的设计与制作主要由裁缝、制帆工人、帐篷制造商等隐姓埋名的匠人完成，与建筑和工程学科中更加需要“智力”的创作过程形成反差，相关经验与作品不为主流社会所重视。

　　21世纪以来，在材料技术与数字技术的双重推动下，织物正在经历一场重要的计算性转变，人们对织物的认知也开始逆转。新型织物获得了被计算的能力，成为设计师对物质世界进行编码的重要媒介。它允许人们在虚拟世界和物理世界中同步对纤维系统的几何形态及物理属性进行编码，不仅能够形成复杂的形态与肌理，加固和承受数百吨的荷载，还能够无缝集成照明、制暖、通信、监测等功能，一些高性能织物制成的竞技体育产品，甚至能让使用者的竞技速度达到每小时320 km[6]。与此同时，新型织物的定义也从普通的布匹被扩展至丰富的纤维制品，它可能由棉、麻、丝等传统纤维构成，也可能由金属、矿石的纤维构成，甚至复合了多种涂层、固化剂和元件。

　　在建筑领域，一些建筑师及理论家开始宣称织物为建筑创新提供了重要、独特且不断扩大的可能性，并强调这一学科融合的重要性[7]，甚至将织物视作建筑变革的核心所在[8]。为了更好地阐释织物的计算性转变及其带来的建筑创新潜力，文章结合笔者及相关学者的研究，梳理了织物编码技术的发展，并阐述了计算性织物的编码方法及建筑应用探索。

　　2 织物编码技术的发展

　　2.1 从花本、穿孔卡片到数字编码软件

　　织物编码技术的雏形早在古代就已经出现，虽然当时还没有发明计算机等现代编码设备。古人通过提花织机对织物进行“编码”，其中最为核心的部件是提花装置。它可以调控织物内部的纤维组织结构，以实现特定的花纹。龙博、赵丰[9]指出，古代的提花装置可以分为“多综”和“花本”两大类型，它们被用来储存织物“编码”并在织造时逐一释放和读取，其“编码”逻辑类似于现代计算机中的“0-1”逻辑，对应到织造过程就是经线的“抬升”与“不抬升”，对应到织物结构就是经纬线之间的“穿过”与“不穿过”。在整个编织过程中，经向纱线首先被平行地张紧在一个矩形框架内，然后根据提花装置中的“编码”来抬升对应的经向纱线，最后从抬升和不抬升的纱线之间垂直穿过纬向纱线，完成一个编织行，进入下一个编织行，以此往复直到织出整片织物。

　　到了19世纪，法国人约瑟夫·玛丽·雅卡尔（Joseph Marie Jacquard）制造出世界上第一台全自动提花织机，并发明了更加高效的编码媒介——穿孔卡片。穿孔卡片不仅提高了提花织机的编码能力，还推动了现代计算机与数控机床的发展。穿孔卡片与古代提花装置有着类似的编码逻辑，通过穿孔或不穿孔来控制经纬线的组织结构。受到穿孔卡片这种编码技术的启发，被誉为“计算机之父”的英国数学家查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）在分析机中实现了数据的输入、输出、存储、计算。美国人赫尔曼·何乐礼（Herman Hollerith）进一步发明了制表机并将其发展为IBM的技术核心。世界第一台可编程通用电子数学计算机埃尼阿克（ENIAC）[10]和世界上第一台数控机床[11]，也都采用穿孔卡片来实现数据的输入、输出及存储。后者通过穿孔卡片实现了自动化机床与可编程逻辑的结合，人们能够灵活编码机器的移动及加工动作。

　　如今，织物的编码媒介已经数字化，出现了众多织物编码软件。其中一些软件仍然保留了类似穿孔卡片的图形化编码界面，不过，新编码界面所承载的信息远比穿孔卡片更为丰富。新界面通常由一组组方形模块构成，每组模块表达了织物的一个编织单元。设计者可以灵活定义编织单元所对应的编织动作、编织结构、编织纱线、编织密度、编织速度、编织方向等，以此来实现独特的织物形态及属性（见图1、图2）。

　　

　　1.（a）竹编花本；（b）穿孔卡片；（c）织物编码软件界面

　　2. 梭织物的编码逻辑

　　2.2 设计模型与织物编码的转化

　　尽管有了数字编码软件，仍然需要解决设计模型与织物编码之间的转化问题，才能够使建筑学科从织物编码技术中受益。一方面，既有工业编码软件的服务对象主要是服装产品，而服装产品与建筑产品的设计要求并不相同。建筑织物的尺寸更加巨大，对立体形态、物理性能、定制化程度的要求也更高。此外，服装设计主要通过平面制版图传递设计信息，建筑设计则需要通过立体模型来表达准确的几何关系，但既有工业软件中尚缺乏匹配立体模型的编码工具。另一方面，在目前的纺织行业中，织物编码过程依赖技术员的手动几何分析、拆解与重组，并且需要反复打样、试错和调整来实现准确的结果。这种手动编码方式耗时长、成本高且品质不稳定，限制了建筑织物的研发和生产效率。

　　如今，计算机图形学领域、建筑学领域已出现能够将设计模型自动转化为织物编码的方法。这些方法能够自动解析设计模型的特征、整合具体编织要求，生成对应的织物编码或机器编织代码，极大提高了织物编码的效率。例如，维迪亚·纳拉亚南（Vidya Narayanan）等提出了一种可将输入的任意三维网格转换为底层编织信息的自动方法[12]，武奎（Kui Wu）等提出了一种将三维模型转化为可织网格并指导使用者手动编织的交互界面[13]，由纪五十岚（Yuki Igarashi）等提出了一种将三维动物模型自动转换为织物编码的方法[14]，玛丽安娜·波佩斯库（Mariana Popescu）等提出了一种根据不可展曲面生成织物编码的方法[15]，并且在Grasshopper平台上出现了运用类似方法的插件。

　　

　　3. 笔者自主搭建的程序将设计模型转换为织物编码

　　3 几何形态的编码

　　3.1 几何形态的编码方法

　　得益于织物编码技术的发展，如今的设计师能够方便地编辑织物的几何形态。

　　一种常见的方法是对编织单元的组织结构进行编码，从而直接编织出具有特定几何形态的织物[12-18]。织物由数量众多且重复的纤维单元组合而成，这些单元既是织物的基本构成元素，也是织物的基本加工单元。不同的单元组织结构会导致截然不同的织物形态。通过编码特定区域内编织单元的数量、尺寸、位置，设计者可以调控该区域凸起的形状与大小，最终形成特定的全局形态（见图4a）。

　　

　　4. （a）对编织单元的组织结构进行编码，然后直接编织出特定的几何形态

　　还有一种近年来愈加受到关注的方法，是通过对织物上的活性元素进行编码，使织物在一定外部条件下自主变换出特定的几何形态[19-23]。活性元素可能是织物内部的纱线，也可能是附着在织物上的其他材料。活性元素在一定外部条件刺激下会发生收缩或膨胀，带动非活性部分发生形变。此方法通过编码活性元素的种类、含量、分布，来调控局部形变的样式与大小，最终呈现出截然不同的全局形态（见图4b）。

　　4. （b）对织物上的活性元素进行编码，使织物在一定外部条件下自主变换出特定的几何形态

　　3.2 三维立体织物的建筑应用探索

　　几何形态的编码方法能够塑造出复杂的三维立体织物，已被成功运用至新型膜结构、混合织物结构、混凝土织物模板、复合材料结构的研发。例如，美国密歇根大学的肖恩·阿尔奎斯特（Sean Ahlquist）等通过三维立体织物建立了具有复杂拓扑关系的混合织物装置，还通过与弹性弯曲构件的结合，扩展了膜结构的形式语言[24-26]。丹麦皇家艺术学院的梅特·拉姆斯加德·汤姆森（Mette Ramsgaard Thomsen）等将几何形态的编码方法运用于建筑设计教学与实践中，在威尼斯双年展ISOROPIA项目中实现了由40余片形态、肌理各异的定制织物所构成的混合织物结构[17]。瑞士苏黎世联邦理工学院的玛丽安娜·波佩斯库等将三维立体织物及几何形态的编码方法运用于混凝土模板的研发。在著名的KnitCandela项目中，不仅实现了复杂双曲面的结构形态，还实现了华夫格、折边等几何细节的集成[27]（见图5）。

　　

　　

　　5 . （ a ）I S O R O P I A混合织物结构及对应织物编码

　　

　　

　　5 . （b）KnitCandela织物混凝土模板及对应织物编码

　　同济大学高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室的数字设计研究中心、东南大学建筑学院的建筑运算与应用研究所也开展了围绕三维立体织物及几何形态编码方法的研究，已逐步开展小、中、大尺度的实验，实现了丰富多样的织物构件、织物家具和织物结构。

　　小尺度实验主要围绕半球面、螺旋面、马鞍面、喇叭面等常见的几何原型展开，建立了初步的几何形态编码方法，实现了三维织物的一体编织。

　　中尺度的织物家具实验将几何形态的编码方法扩展至身体尺度。扩展后的方法不仅能够形成灵活的结构曲面，还能够形成边线法兰、图案花纹等几何细节。该方法被运用至袁烽教授带领的同济大学建筑系四年级自选课程设计“结构几何”中，并得到了较好的可行性验证。在导师及助教的带领下，学生们成功地将源自仿生原型、结构原型与人体工程学的复杂结构形态转化为物质实体，分别实现了一把织物复合座椅与一把张拉织物座椅。学生们还在课程中学习到了编织、缝纫的基本知识，并亲自完成了小比例座椅模型的一体编织过程。

　　大尺度的织物结构实验进一步完善了几何形态的编码方法，使其满足建筑设计与建筑生产的要求。完善后的方法在2019及2021年数字未来（DigitalFUTURES）工作营中得到了运用，并成功建立了织物复合塔[29]与可展编织结构的原型。其中，织物复合塔项目首次将三维立体织物与几何形态的编码方法运用至建筑尺度，解决了原有方法计算速度慢、占内存多的问题，提高了定制化、大尺度织物的生产效率。最终形成的塔身具有独特的褶皱与螺旋形态，总表面积约45 m2，由35片大小、形态各异的织物通过预制的螺栓节点拼合而成，其中最大的织物长度近8 m。2021年，东南大学与同济大学的合作团队又通过等角切分等算法，进一步优化了几何形态的编码方法，改善了三维立体织物的加工尺寸和加工稳定性，最终实现了一座能够根据使用场景灵活展开形成空间结构或收束至平面内的可展编织结构。得益于改善的编码方法，结构呈现出扭转的双曲表面与丰富的肌理变化。此外，结构表面积约20 m2，仅由5片织物构成，单片最大加工宽度提升至1.4 m（见图6）。

　　

　　6. （a）织物家具及其织物编码；

　　

　　6. （b）可展编织结构及其织物编码

　　4 物理属性的编码

　　4.1 物理属性的编码方法

　　除了几何形态的编码，如今的设计师还可以对织物的物理属性进行编码，来实现性能更强大、功能更丰富的产品。

　　作为一种纤维集合体，织物的物理属性主要取决于构成它的纤维与纤维组织结构。因此，常见的物理属性编码方法主要围绕纤维及其组织结构展开。可调节的参数包括密度、厚度、孔隙率、分布图案、断面形式、纤维种类、纤维含量、纤维走向、纤维结构等，这些参数与织物材料的力学、热学、光学、电学性能有着密切关联。在此基础上，织物还可与电子元件或其他附件进一步复合，来实现更加智能的属性。

　　伴随着数字技术的发展，织物物理属性的编码变得更加灵活、准确，为设计师提供了广阔的探索与创新空间。设计师不仅能够将性能分析及性能优化的结果直接投射至织物的编码中，还能够在加工过程中精准地控制每一束纤维的布局。大量研究已在材料、纺织、服装、医疗、体育等领域涌现，实现了轻质高强的纤维复合材料、具有独特照明与装饰效果的纺织品、可收发通信讯号的织物天线、能够发热制暖的织物面料、可实时感应并反馈信息的智能穿戴产品等[6，30-31]。其中一些研究成果还获得了成功的商业应用，例如根据跑鞋性能需求定制的飞织（Flyknit）鞋面[32]（见图7）。

　　

　　7. （a）发光织物；（b）压力监测织物；（c）飞织鞋面

　　4.2 性能化织物的建筑应用探索

　　在建筑领域，物理属性的编码技术与性能化的设计探索有着紧密的联系，被应用于研发轻质高强的建筑结构、主动响应使用者或环境条件的智能建筑界面。例如，瑞士苏黎世联邦理工学院的玛丽安娜·波佩斯库、李敏宇（Lee Minu）等尝试对织物的断面形式及增强筋分布进行编码，由此形成的织物模板能够显著提升混凝土的开裂后强度（post-cracking strength）[33]。美国康奈尔大学的珍妮·萨宾（Jenny Sabin）等对织物中的LED网络及荧光纱线进行编码，创建了能够捕捉使用者情绪数据并驱动照明模式变化的互动式织物照明结构ADA[34]。美国麻省理工学院的费莱西亚·戴维斯（Felecia Davis）通过对织物中的电致伸缩纱线、热融纱线、导电纱线进行编码，创建了能够自主感知环境温度、调节开口的织物装置[35-36]以及能够收集室内电磁信号的织物天线装置。英国利兹大学的简·斯科特（Jane Scott）、伦敦大学学院的尼科莱塔·卡拉斯塔蒂（Nikoletta Karastathi）、纽卡斯尔大学的萨拉·奈比尔（Sara Nabil）等还通过对天然纤维（亚麻等）、生物纤维（壳聚糖与海藻酸钠等）、金属纤维（镍铬合金等）进行编码，实现了能够主动响应外部环境条件（湿度、温度、紫外线等）而发生形态或颜色变化的织物装置，形成了建筑与使用者之间的智能交互界面[23，37]（见图8）。

　　

　　8. （a）作为混凝土增强物的织物模板；（b）互动式织物照明结构ADA

　　

　　8. （c）织物天线装置

　　

　　8. （d）可变花纹瓷砖

　　同济大学与东南大学的建筑学者则主要聚焦于结构性能化织物，建立了多尺度的结构性能化织物编码方法，使设计者能够系统地定义织物在微观尺度上的纤维组织结构、在中观尺度上的受力元素分布、在宏观尺度上的结构几何形态，以充分发挥出织物的力学作用，形成轻质、稳定且具有独特美学效果的织物复合结构。

　　在织物复合座椅与其他早期的小型实验中，研究者通过定义织物编码图形中模块的颜色及组合，来调控织物材料的孔隙率、厚薄、纤维含量等，从而影响材料的力学属性变化。研究者还实现了结构分析优化结果与物理属性编码之间的灵活转换，从而保证更准确地将增强材料添加在结构需要的地方。

　　在织物复合塔中，研究者将结构性能化织物及其物理属性的编码方法进一步拓展至建筑尺度。为了让一座高7.2 m，材料厚度仅3 mm的织物复合塔形成稳定自支撑，设计者根据有限元分析结果，对每片织物的褶皱形式进行编码。设计者还提取了拓扑优化结果中受力较小的区域，在这些区域中编码一定数量的孔洞，以减少该区域的聚合物含量，减轻结构重量。此外，不锈钢片与增强纤维在结构中的分布，也都是根据结构受力特征编码而成。

　　在江苏园博园梅亭的屋面项目中，研究者进一步完善了结构性能化织物及其编码方法，使其满足建筑实践对结构稳定性的严格要求。在结构几何上，屋面的结构形态充分利用了柔性织物的生形特点，通过悬挂、固化并翻转，形成高效的结构形式。在受力元素上，研究者在织物中编码了玻璃纤维、增强筋、透光孔洞，并通过主应力轨迹图案优化三者的分布。在纤维组织结构上，研究者采用间隔组织来形成厚实的织物大身，采用空气层组织来形成连接框架的织物套管，采用特殊挑洞组织来形成通透的孔洞。最终的屋面面积约25 m2，由5个相同构件围绕中心点旋转分布而成，材料厚度仅5 mm，形成了稳固的结构覆盖与独特的美学效果（见图9）。

　　

　　9. （a）织物复合座椅

　　

　　9. （b）织物复合塔

　　

　　9. （c）梅亭的织物复合屋面

　　5 结语

　　综上所述，在材料技术、数字技术飞速发展的今天，织物材料正在经历蜕变。这种蜕变不仅在于美学品质、物理性能的提升，还在于其本质的计算性转变，这使其成为设计师介入物质世界创新的重要编码媒介。织物的计算性转变为建筑师提供了强大的设计自由度及物质掌控力，建筑师得以从微观的纤维尺度开始定义建筑及构件，得以实现复杂结构形态与高分辨率肌理，得以将截然不同的属性灵活编织在一起，为建筑创作提供了广阔的想象空间。

　　如今，有关计算性织物的研究已遍布众多学科领域，本文试图从织物编码技术发展、几何形态的编码、物理属性的编码三方面，对其中具有代表性的方法和案例进行梳理和阐述。这些研究展示了令人鼓舞的科研成果与不断扩大的创新潜力，激励着建筑师及建筑学者持续探索，以期真正为建筑学科带来有益的变革。

　　（图片来源：图片均由作者提供，图1来源：中国丝绸博物馆，苏格兰国家博物馆，Stoll M1Plus；图2、图3来源：作者；图4来源：参考文献[12]、参考文献[22]；图5来源：参考文献[17]、参考文献[28]；图6来源：作者、肖潇；图7来源：Malin Bobeck Tadaa、Fraunhofer ISC、Nike；图8来源：参考文献[33]、Jenny Sabin Studio、Shima Seiki、参考文献[37]；图9来源：杨天周、田方方、华好、王嘉城、作者）

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　　完整深度阅读请参见《时代建筑》2021年第6期 物质智能刘一歌、李飚《建筑织物的计算性转变》，未经允许，不得转载。

　　作者单位：东南大学建筑学院，建筑运算与应用研究所

　　作者简介：刘一歌，女，东南大学建筑学院 博士后研究员；李飚，男，东南大学建筑学院 教授，建筑运算与应用研究所 所长

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　　[2] [美] 文卡·迪伯尔丹 著；宫垒 译；闫超 校. 异物：作为实体物质（表面）的建筑物[J]. 时代建筑，2021（6）：14-19.

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　　[4] 闫超、沈元勤 . 物质化导向与在地性探索 从《数字建造》丛书反观当代数字建造技术发展特征[J]. 时代建筑，2021（6）：26-30.

　　[5] 罗鹏、杨烁永 . 自然而然 基于自然智慧的当代冰雪建筑创新探索[J]. 时代建筑，2021（6）：31-37.

　　[6] 姚佳伟、黄辰宇、袁烽 . 多环境物质驱动的建筑智能生成设计方法研究[J]. 时代建筑，2021（6）：38-43.

　　[7] 刘一歌、李飚. 建筑织物的计算性转变[J]. 时代建筑，2021（6）：44-49.

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