对话 AA ｜DRL优秀作品分享：共生城市 / SIMBIOSCITY 2.3 / 开普饭

[SIMBIOS]CITY

“共生城市”

｜项目作者｜

Pengcheng Gu, Hao Wen, Yuchao Zhang, Shuai Zou

｜项目导师｜

Patrik Schumacher; Pierandrea Angius

｜项目介绍｜

社会生态学：多作者背景下的高密度城市规划

｜评图嘉宾｜

Ali Rahim (University of Pennsylvania)

Marta Male-Alemany (Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC))

Peter Testa (SCI-Arc Institution of Architecture, Testa & Weiser事务所)

Dr. Veronika Valk-Siska (TalTech Academy of Architecture and Urban Studies)

Suhair Khan (Google英国艺术文化部负责人)

Nassia Inglessis (Studio INI事务所)

Ross Lovegrove (Studio X事务所)

Wolf D. Prix (COOP HIMMELB(L)AU事务所)

Paulo Flores (ZHA事务所合伙人)

｜研究主题｜

结构拓扑优化(Topology Optimization)，自然灾害环境模拟(Hazardous Ecology)，现象学原理(Phenomenology)

｜项目主体｜

拓扑优化研究 — 塔楼联系 — 场地设计 — 功能分布 — 表皮

该课题讨论了在近未来背景下，伦敦的高密度城区设计。城市密集化(Urban Densification)，作为现代城市规划的主题之一，应该实行进一步高强度收缩。而正如洛夫洛克所阐述，高密度城市在对抗环境剧变，城市功能转型等问题上提供了一种更有效率的解决方案。

共生城市的设计过程不止于传统意义上的设计提案。研究性的试错实验和目录整合(Research-Based Design Processes and Cataloging)为设计提供了创新的基础。该项目的研究主要集中在结构拓扑优化(Topology Optimization)，灾害环境模拟(Hazardous Ecology)以及现象学原理(Phenomenology)三个方面；提出了一种近未来环境下新型城市的设计规划。

Chapter 1

「拓扑优化研究及塔楼设计」

该项目对于拓扑优化研究的基本理论框架是对Martin Bendoe 与1995年所撰写的《拓扑学优化：理论，方法和实践》的进一步探索和实践。研究型实验主要运用了基于拓扑优化数学理论所编写的三种gh插件：Topos, Peregrine和Ameba。

三种优化方式在相同条件下的形式区别

以上三种拓扑优化软件的生成逻辑都基于结构分析中的动态变量；例如几何区间（Domain)；支撑与受力状态(Load&Support)；以及几何取点（Nodal Division）等。然而，在具体生成机构时，以上三种方法各有不同，具体差别体现在传递路径优化（Load Path Calculation）和几何取样（geometry interpretation）上。Topos 采用平滑化路径材料优化（SESO），对于每一个迭代结果，荷载路径实现静态变化，直到形成稳定路径。Topos的几何取样则使用marching cube mesh generation，在路径经过的几何体素上取样，通过不同的体块密度生成几何体。Peregrine在路径优化上亦使用同种方法，算法结果与Topos差异较小。几何取样上则使用管状结构对路径直接成型。Ameba的路径优化方法与前两种软件差异较大，并采取了双向路径材料优化（BESO）；迭代的路径实现动态变化，每一代路径与上一代也略有差异。

一些变量实验的参数设置和结果

基于以上三种软件，我们设计了若干套结构生成实验，对每种软件的不同特性，最佳荷载设置，孔洞形状等进行了进一步研究。实验的条件旨在模拟200米左右的塔楼受到楼层荷载，自身材料荷载以及风荷载下的结构行为。在以下的结构目录中我们大概归纳了每种软件的不同成型结果以及最佳实验条件。

筛选出的部分结构形式

结构的形式归类逻辑

基于对实验结果的归纳和孔洞条件的控制，我们对实验结果进行了拓扑行为上的归纳。以下结果可以大致分成四个组别：Y型塔（主要由topos生成，大致上为树状结构）；H型塔（由Ameba生成，大致上为竖向支撑，塔的中部有较强的横向支撑）；X型塔（双塔结构，由双塔之间的叉形支撑联系）；Z型塔（peregrine生成，大致由主要楼板以及斜向支撑构成）。这四种类型的塔组构成了我们课题城市设计的第一层组群表现逻辑。

拓扑结构有理化尝试

模拟现实荷载下的结构偏移情况

其后我们对结构优化生成的结构基准（Benchmark）在真实环境下实行了受力模拟；并依照受力结果进行材料转译和结构补全。三种不同的材料（木，混凝土，刚）翻译结果提供了城市设计的第二层组群表现逻辑。此两种组群表现相互交叠，依照现象学原理实现了一个兼具复杂性与多样性的整体（a complex and variegated order）。

部分3d打印的过程模型

最终版设计结果

Chapter 2

「塔楼联系」

塔楼群组之间的联系亦为我们研究的另一目标。

连桥结构实验结果

连桥与高层结构的衔接

对于相同类型的塔我们主要采取塔桥型的联系。X,Y,H,Z型之间为别有其对应的塔桥类型。

混合形式的高层结构实验

不同塔组之间我们则使用混合型塔楼。混合型的塔楼由两个半塔的结构基准拼装而成；在保证结构取点相对统一的情况下，两个半塔分别使用了不同类型结构优化。配合上底部桥型拱状结构以及塔桥的组合；混合塔实现了不同类型塔组之间的形态和空间过渡。

Chapter 3

「洪水模拟和场地设计」

四组方案形成了新的城市肌理。本方案位于最右侧

地图网站预测的水位上涨情况

我们项目的场地设计主要包括两个目标。第一点在减缓泰晤士河泛洪对两岸的影响。受全球气候变暖，冰川融化的自然灾害情况影响，伦敦的泰晤士河正在逐年不断上涨。伦敦的强降雨气候也从另一方面加剧了泛洪的可能性。第二点利用水平面上涨来完成场地肌理的格式塔转换（gestalt switch）;场地的整体性在水面上涨的过程中由整到散变化；从一块相连的陆块变为大块岛屿最后变为小型岛群。

其中一次的模拟过程

使用houdini求出泛洪时，河岸边界粒子的趋势轨迹图

为了更加贴合场地的自然肌理，我们对场地地形设计时运用了卫星建模和泰晤士河的流水模拟（FLIP simulation）;模拟过程中，粒子的平均向量为场地提供了第一层纹理。

从泛洪模拟结果指导生成场地地形的流程

依照第一次流水模拟的结果，我们粗略地对30个塔的体块在场上进行了分布，并设置这些体块为流水障碍物进行第二次流水模拟。第二次的模拟结果更精细地给我们带来了场地上地块分布，裙楼排布，大致河流走向等设计元素的统一规划。

Chapter 4

「功能区分」

该提案的社区体验设计是对传统城轨设计的功能分布的一种批判和优化。传统城市设计的功能区分布呈现出一种静态的，分裂的社区规划；这种最初由柯布西耶提出功能与功能分裂并由日常通勤所连接的城市结构正在逐步被现代社会高社交强度，高密度的生活工作环境所淘汰。虽然我们的提案仍以功能划分作为设计方法论，我们的目标在于利用结构优化所带来的去核心筒式的塔楼结构实现多社群交互。新型的建筑生态应在某种程度上符合现象学原理：它是一种复杂的，多元化的集合（complex and variegated order）。

功能主题和功能所具有的开放性（横轴）、交互性（纵轴）图表

基于以上目标，我们对一般塔楼的主要功能规划进行了初步分类；具体为四大类：居住Residential Use（公寓，私宅，宾馆，配套设施等）；办公Corporate Use(开放式办公，写字间，会议室等)；设施类 Facility Use(公园，图书馆，体育馆等)以及商业类Commercial Use（商城，农贸市场，餐馆，影院等）。随后我们对具体功能进行了图表绘制，横坐标代表私密程度，纵坐标代表交互程度。由此我们对塔楼内具体功能以及不同空的类型的对应有了一些初步规划。

功能类型的分配方式

城市群组的二元表现性也体现在具象的功能划分之中。结构具体类型Y型H型X型和Z型分别对应了四大块主体功能分类：商业，住宅，设施和办公。而塔楼的结构特性则对应了功能内部的交叠程度；混凝土塔和钢塔位于场地的两侧，内部功能相对静态单一；木制塔介于混凝土塔与钢塔之间；功能交互强，承载了混凝土与钢塔过渡的功能。塔桥与混合型塔则起到主体功能之间的融合交互。

部分功能的使用时间段（横轴）和使用规模（宽度）图表

部分辅助结构设计

与此同时，我们认识到静态的功能设计依旧无法满足现今快节奏的社会需求。由此，我们的提案设计了另一层级的动态功能。这类功能利用了拓扑学优化带来的多孔洞结构；成为附着于主要结构之上的附属结构和主要功能生态之上的次级功能生态。我们的项目设计了一系列类似的动态功能例如拉索结构的动态图书馆，动态办公系统以及穿插楼板隔墙形式的动态住宅和由液压臂控制的动态桥梁。这类动态功能与主要功能的结合在整体上提高了社群活性和城市本身的适应性。

Chapter 5

「表皮设计」

塔楼不同朝向的表皮处理

我们提案对于表皮的研究主要基于光照分析和动态遮蔽优化。建筑表皮的南北光照差异决定了建筑表皮的南北表现差异。北面表皮主要为静态表皮，依据功能及视野要求多为阳台和玻璃幕墙；南面则主要为动态表皮，在一天之内随太阳直射角度变化并起到优化光照环境，稳定建筑内部热环境以及统一建筑组群表现等功能。

动态表皮性能研究

对于动态表皮的研究主要通过类型学归纳来实现，六种动态表皮（推拉型，旋转型，折叠型等）依据自身不同的遮光效率分布在不同塔群的受光面上；对应了光照条件与功能分布的整体差异。

表皮在场地上的分布逻辑

「总结」

我们项目研究过程试图挑战传统意义上的设计提案过程，转而利用研究型设计（research-based design）和生成型设计(generative design)原理完善设计的各方各面。在工具的利用上，不同程度的参数化设计和数据可视化为建筑本身提供了基本的方法论，而在具体建筑表现上我们试图通过第一人称的视觉体验来拉近设计本身和体验者本身的距离。共生城市的设计主题符合现象学，环境学和参数化设计的基本要求；为新型城规设计提供了一种全新的方法论和视觉，空间体验。

「作者」