当前世界环境

介绍

现代设计方法对建筑设计的生态失效，引发了建筑设计方法变革的必要性。建筑领域中出现的仿生学和可持续发展方法，代表着对现代生态失败的一种尝试。在这篇论文中，基于材料的设计方法被描述为一个给定问题的解决方案，这一方法被检查，以指出它的优势和弱点，朝着一个更可持续的建筑。本文通过对现有建筑形式设计方法和材料设计方法的评价，提出了一种新的环境设计策略。提出的策略，作为一种综合的建筑形式设计方法，是一种有效的方式，以实现更可持续的设计，同时尊重人，环境和功能的建筑价值。

材料和方法

通过比较文献的回顾，以及材料设计作为建筑实践的检验，本文阐述了从当前的设计实践向更环保的设计方法转变的必要性。当前方法的弱点将根据不断变化的用户需求和环境进行评估。在材料和制造方面的现有技术也将被考虑为拟议战略的发展的宝贵机会。

文艺复兴时期，特别是工业革命之后，各种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、新建筑方法、大量工业产品的出现、人口的快速增长以及战后对快速建造建筑的需求，都加强了现代建筑的进步。科学的进步和新的可能性的出现;建筑师们印象深刻，他们脱离了本土建筑原则，适应了设计的新趋势，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。建筑行业的不断发展导致了建筑和结构设计过程的分离，建筑和建筑公司的出现也证明了这一点。在建筑工业的发展，与形式和结构的设计和分析有关的计算机科学加强了自由形式建筑和复杂几何形式的建设的趋势。

随着时间的推移，现代造成的全球变暖和污染促使建筑师采取新的设计策略来抵消建筑施工对环境的影响。建筑领域涌现出的仿生、可持续、绿色等方法，都表达了建筑设计方法变革的必要性。

尽管现代建筑的缺点，但批量生产促进的设计流程和大规模生产的价值观在很大程度上是完整的，其中它导致了在白话建筑中的形式，分析和制造中的分离，而在白话建筑中的整体理解，它们的结构行为和制造限制LED架构师将设计和制造作为集成过程。

新的环保设计方法的必要性

以材料为基础的设计方法是为了实现更可持续的设计方法。在这种方法中，形态生成的过程是由材料属性和环境约束的结合来决定的¹．在建筑设计历史的漫长轨迹中，与工艺相比，材料和形式交织在传统的制作中，而在现代设计中，它们已经从这种整合演变为形式的分离，使其独立于材料知识的来源²．今天，由于对现代设计生态失败的迫切认识，设计文化呈现出新的物质性^3.．

技术的发展为建筑设计过程的各个阶段的物质性提供了新的可能性。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利用材料的行为和特性，从而使最终的建筑更加可持续。与目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作过程的整合，灵感来自自然的策略。大自然的设计方式表明，通过最少的资源，可以有无尽的不同形式。图1展示了以材料为基础的设计过程与当前建筑设计实践的对比。在目前的设计实践中，建筑师设计表单，然后将它们发送给工程师进行环境和结构分析，有时还会进行优化，当表单最终确定后，建筑专业人员开始制作流程。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建筑形式。在以自然为灵感的材料为基础的设计方法中，形式的生成是由最小资源的最大性能驱动的¹．

在这种方法中，在设计的早期阶段对材料行为和性能的分析和计算揭示了意想不到的结构和形态性能，提高了效率并增强了性能。分析在整个形态发生过程中起着至关重要的作用，不仅在建立和评估与结构和环境容量相关的适应度标准，而且在揭示系统的材料和几何行为倾向方面⁴．

以材料为基础的设计实践的特点是材料压倒形状，并结合材料的特性和行为，结构行为和环境约束决定了物质的分布以形成形状，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，这些通常只在事后考虑，遵循以几何为中心的设计阶段^4，5．直接数字制造业的最新进展是从以几何中心的设计实践转移⁵．计算设计、数字制造和增材制造以及材料工程的发展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，不仅是为了控制根据给定边界定义的物质变化，而且更好的是，利用这种方法来生成形式本身⁶．物料计算开辟了由自然启发的无休止的表格生成可能性。图2说明了基于材料设计的主要目标。

而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东西的可持续性⁷. 基于材料的设计方法将仿生学提升到了一个新的水平，它试图模仿自然的设计方式。尽管自然有可能成为设计灵感的源泉，但生物知识向人类设计环境的转化仍然停留在肤浅的层面，因为它主要是通过模仿生物的形态或某些机械方面来完成的⁸．尽管在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，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。这种方法保证了从传统设计方法向一种基于自然原理的表单生成方法的真正转变，这种方法允许表单成功地运行。然而，以材料为基础的设计方法在建筑形式设计中的广泛和实际应用仍未实现。

评估现有的基于材料的设计策略

在这一部分中，研究了建筑领域中基于材料的设计领域的两个主要实践；Neri Oxman教授在计算设计、数字制造、材料科学和合成生物学的交叉点进行研究。她用物质生态学来定义她的作品。

另一个由教授。Achim Menges，其研究侧重于在形态发生设计计算，仿生工程和计算机辅助制造方面的整体设计过程的发展。他的研究旨在在建筑形式设计中展开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物质形态与材料生态学。这两个设计实践的比较基于其设计和研究项目开发中实施的策略。

表1和表2展示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，受到自然背后的原则的启发，作为形式生成的主动代理。设计实践都在微观和宏观水平上研究和计算材料行为。

表1:材料生态学与材料形态的相似性;材料设计方法

表2:材料生态和材料形态的差异;材料设计方法

图3是一个很好的例子，阿奇姆·梅涅斯通过计算设计重新发现了木材结构的新性能，将木材用作响应性蒙皮材料。在本项目中，木材固有的吸湿特性以及径向和切向剖面中木材结构的差异被用于设计一件固有的气候响应艺术品，无需任何技术设备或能源。这种吸湿性皮肤对不同湿度水平有反应，可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举行。

图4显示的是Neri Oxman进行的Monocoque项目，这是一个结合了结构、环境和物质性能的结构表皮，通过调整其厚度、图案密度、刚度、柔韧性和透明度来适应荷载、曲率和表皮压力区域[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。白色的软材料让光线通过，而黑色的硬材料承载结构负荷。值得注意的是，受自然启发的多功能是Oxman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的功能各向异性材料梯度是无所不在的¹¹．Oxman教授希望将异构形式设计成一个单一部分，以便通过数字各向异性显示多功能，并且还通过数字各向异性远离部件的组装。图5显示了Oxman项目教授的一个;大规模连续和多维结构。其结构图案受到昆虫翼或叶静脉结构的启发，其最终的全局形状表明控制折叠成坚固而轻便的悬臂梁配置¹²．通过添加剂制造技术，采用包括材料的化学浓度产生的变化材料，以产生从光束无缝地传递到这种大规模的结构。

与Oxman的项目通常使用增材制造和增长理念相比，Megnes在制造中主要使用装配，同时受益于其项目中的数字制造。图6显示了一个用简单胶合板建造的亭子。在这个项目中，利用木材的弹性特性来计算物理的复杂形式。所有弹性元素的平衡状态决定了展馆的形式。展馆的亮点之一是将建筑美学特征与材料行为和环境约束相结合，以单一的材料实现高效的建筑形式。虽然设计过程是一个复杂而复杂的任务，但结果是一个简单而有效的形式。将建筑特征与材料、结构行为以及环境约束相结合，作为基于材料的设计方法的基本原则，是一项复杂而又复杂的任务，在这个项目中成功地完成了。展馆的环形形状以及透过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，Oxman教授试图设计出不仅改变设计过程，而且改变制造过程的形式，以实现结构和功能上都高效的形式。在这种方法中，她也寻求构建不是制造而是成长的形式。Oxman教授希望在形态生成方面实现非组装的向上增长，这一点在Silk pavilion项目中体现得很明显(图7)。在这个项目中，展馆的主体结构采用了数字化制造，而蚕则填补了缝隙。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“设计灵感自然”。

比较两个设计实践表明，唯物性作为形式生成过程的驱动剂开辟了无尽的设计可能性，就像自然提供多样化，高效，适应性的形成有限数量的纤维和细胞一样。总的来说，由于表格对当前建筑的相似性，最有可能在当前的架构实践中遵循大众的设计实践，同时更加环保。另一方面，Oxman的设计实践可能导致未来的根本变化，而不仅仅是设计过程，而且是建筑建筑的形式。如前面的基于材料的设计方法的示例所示，作为材料实践的形式产生的多样化值导致不同和复杂的设计实践。

基于材料的设计方法的实现

而有些设计师采用仿生学作为一种方法来增加他们所创造的东西的可持续性⁸结果，结果出现了微小的改善，材料设计旨在识别特定特征的微观和宏观尺度上通过扩大了解物质的性质,把它翻译成人类的设计设置除了可能的含义分析作为初始设计步骤可能导致模仿大自然的生态系统,而不仅仅是形式和生物。这种方法的一个缺点是，建筑师不能完成一个成功的设计，除非他们在整个设计过程中有深入的科学理解和科学合作。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残缺的设计。另一方面，这种方法可以产生创新的建筑技术和材料，因为不仅可以研究材料，还可以为材料提供信息。虽然其他生物灵感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，但基于材料的设计结果可能会通过研究材料在微观和宏观销售中的行为和性能，并操纵其性能，从而导致不考虑的设计解决方案。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，能够以加强而不是破坏的方式参与地球的主要生物地球化学物质循环(水文、碳、氮等)¹³．以材料为基础的设计方法可以成为可能的创新，甚至可再生的建筑环境的来源。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，从而恢复自然。实际上，这种方法的最大优势是它可以对周围环境产生潜在的积极影响，甚至可以抵消现代设计当前的生态失败。现代设计是基于大规模生产的价值来推动的，而这种方法是基于现代建筑的生态失败所带来的可持续性价值来推动的。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设置，但它不知道在这个设计过程中，人类的价值和标准是如何涉及的，人类的价值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追求生态、社会、文化、美学行为的同时，使建筑不落入现代建筑的陷阱。

人们认为，研究自然系统和自然设计的方式可能会为加强建筑设计策略开辟一条道路，在形式产生时考虑人的价值。研究自然的设计策略表明，每一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Fogstand甲虫是一种对沙漠严酷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伤害。实际上，通过研究自然，我们知道，自然产生的不同形式对特殊需要作出反应，它们的反应是高效的。由于建筑是对人类需求和价值的回应，因此建议在设计过程的早期阶段，将人类的标准与材料和结构行为以及环境约束联系起来。这种设计策略通过考虑材料属性、功能和建筑形式的相互作用，能够在拥抱技术的同时回应许多人类和环境的需求和价值。它允许建筑师操纵设计不仅仅基于技术、材料、结构和环境方面，而是与美学、社会、文化需求密切联系。图8展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，人类的需求和价值是如何在设计过程中涉及的。从图中也可以清楚地看到，在这个设计过程中，最终是建筑师指导表单的生成和开发，直到找到对建筑和环境价值和需求的有效响应。

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，这种材料特性比其他建筑设计方法更有效，在设计开发过程中，材料特性通常被忽略。基于材料的建筑形式设计方法使建筑师有可能产生一些想法，否则就无法解决环境、材料和功能要求及野心方面的设计和施工问题。
值得一提的是，由于这种方法中的表单生成采用了高度先进和复杂的知识和技术，因此很难期望这种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得这种设计策略成为未来建筑设计和施工的必要条件。图8显示了这种方法的复杂性，涉及到许多在普通建筑设计策略中几乎不考虑的参数。同时也说明了这种方法是如何同时以互惠的方式考虑建筑设计的三个主要参数，包括文化、环境和社会。

很明显，在不久的将来，不可能通过基于材料的设计方法来设计和建造整个建筑，因为许多未定义的参数和问题，包括建筑的不同部分的方式，如电气和机械设备的设计。然而，人们应该希望这种方法的实施能使增材制造大规模全球化，并在设计和建造制造中以更互动的方式进行。本文介绍了基于材料的设计应用的一些优点，展示了这种方法如何能够朝着更加可持续和环保的建筑方向发展。

所提出的方法被认为是动能建筑设计的一种有效策略，因为它消除了对接头连接的需要，并以更充分的方式实现了所需的机制，并且实现了被动设计，而无需在功能期间涉及外部能量和技术。基于材料的设计方法的另一个巨大潜力是生成生态度假区预期建筑表皮。被动多功能建筑表皮，使建筑系统成为周围生态系统的一部分成为可能。

讨论

现代建筑的生态破坏促使建筑师寻求一条不同的路径，走向“材料行为和属性，结构和环境行为是形式生成的驱动因素”。通过使用最少的资源实现最大的性能，结果应该更有效。该方法旨在成为生态系统的一部分，甚至实现生态度假区建筑形式。基于材料的设计作为一种建筑设计方法，是为了响应社会和文化价值观以及许多其他人类价值观和标准，因此，定义这些价值观如何影响最终设计以及结果如何正确响应功能性、审美性用户需求是很重要的。总体而言，基于材料的设计方法是走向未来可持续建筑设计实践的首要步骤。

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