【材料语言】数字时代的建筑材料革命
早在1901年，美国建筑师莱特在芝加哥Hull House的一次会议上宣读了一篇名为《机器的工艺美术运动》的文章，提出机器工具将成为建筑师强大的力量外延，建筑师在建筑设计工作中的角色将发生变化，他主张建筑师应该去了解新技术、新机器，更加关注在这些新技术条件下建筑材料所焕发出的难以言说的表现力。30年后，建筑师柯布西耶在《走向新建筑》一书中，畅想伴随着社会工业化的发展，建筑可以像汽车和飞机一样被精确制造。 然而一百多年后的今天，数字技术的出现经历了“手工加工”、“传统机械”到“数控机械”的发展，加上机器人、3D打印机、四轴飞行器、数控机床（CNC）、激光切割机和三维足尺扫描等新技术设备在建筑设计行业的投入使用，除了激发出传统建筑材料更多的表现力，也让“建筑材料”的概念变得更加广义。“建筑材料”或许可以从“机器对象”的角度来理解。 建筑材料作为建筑生产活动的物质基础，很大程度上材料技术的发展直接影响了建筑的空间结构和艺术效果。建筑设计的建造和材料之间密不可分，材料是建筑设计表现的载体，每一个设计最终都会落实到材料的使用之上。随着科学技术的发展，建筑材料的运用跳出了沿用几千年的木、石、砖、土等传统材料的框架，在此之后，钢筋、水泥的混凝土结构得到广泛的应用。如今，纤维、合成树脂等复合材料已经成为建筑师现实世界的扬声器。而在二者之后，人工智能的强势发展让世界迎来了智能材料的时代。在数字化时代背景的影响下，越来越多的新型建筑材料被开发出来，并推动了建筑设计的新发展。 NO.1 传统材料 作为建筑师的操作对象，传统材料的出现可以追溯到石器时代。伴随传统建构方式，传统材料沿用至今。但科学技术和人类需求的发展，使得人们对建筑的要求越来越多，千篇一律的传统材料的使用加工方式已难以满足大众。数字化建造技术在带来效率和创意的同时，使得建筑师对材料的加工和控制达到了前所未有的高度和精度。
传统材料新工艺
木构屋顶
（九座桥乡村俱乐部室内效果） （九座桥乡村俱乐部室内效果）
（手工搭建过程）
日本建筑师，2014年普利兹克建筑奖获得者坂茂,在韩国，骊州郡，京畿道的作品——九座桥乡村俱乐部。他将传统材料木材优雅地用于室内，俱乐部的中庭空间与透明玻璃为周围的建筑和人群提供了高大而透明的开放空间，其中的结构是曲线的木柱和屋顶。木柱子向天空生长，到了屋顶组合成为水平的六边形网格。
砖块砌筑
（上海“五维空间”内的创盟国际J-office绸墙）
位于中国上海“五维空间”内的创盟国际J-office绸墙设计，采用的是最便宜的空心混凝土砌块体，将丝绸质感中灰度的参数化，将其转译为墙体砌筑方式的媒介。通过设计手工工人的建造工具与建造过程，实现了低技参数化建造的可能。在施工现场，指导工匠使用的模板为砌块的角度定位，最终墙体呈现出如织物般柔软、皱褶的效果。
同样的设计方法在中国成都非物质遗产公园——兰溪亭的设计中也得到应用。 这一数字化设计与低技手工施工相结合的方式对建造数字化建筑的探讨也具有了特别的意义。
2.数控机械加工及建造
机器人砖构
（2008年威尼斯建筑双年展，ROB 建造的Structural Oscillations装置）
（2008年威尼斯建筑双年展，ROB 建造的Structural Oscillations装置）
2008年威尼斯建筑双年展，ROB 建造的Structural Oscillations装置用数控机械手段（6轴机器人）来探索对传统材料（砖）的建造。新的自控工具在原材料性能基础上定制非标准化构件的方法都是数字化建造中融合了传统经验与现代技术的手法。传统的材料与机械结合的方式在现阶段的情况下更便于数字化建造应用于实际生产。同时在这一过程，传统意义上的建筑师与建造者的合作模式可能会被颠覆，二者的交接界面可能不再是图纸，建筑师需要更多地参与建造本身，从而使得建筑学的学科自主性得到另一层面的提升。
马克·巴里切石法重建圣家族大教堂
圣家族大教堂是西班牙建筑大师安东尼奥·高迪的毕生代表作。它位于西班牙加泰罗尼亚地区的巴塞罗那市区中心。当高迪于1926年逝世时，教堂的大殿仅完成了15至25 ％。在高迪去世后，该工程的进行是一波三折，前后有多位建筑师参加此项工程。
直到二十世纪八十年代，该教堂在设计和施工过程引入计算机辅助设计以及数控铣床等现代化手段，通过机器人切石法获取合适的建筑材料，令工程进度前所未有地加快，由新西兰的马克·巴里（Mark Burry）担任结构设计师和研究员。
（佛山艺术村建筑表皮）
竖梁社运用数字建造技术表达独特的空间思考，设计始终强调数字化生成和建构技术的结合，展现了材料的力度和构造的精妙。其作品佛山艺术村根据本地的一些艺术作品，抽取一些具有特色的艺术符号，采用参数化工具，进行新的演绎。演绎出来的各种不同图案，考虑日照，空间使用等要求，进行相应的选择，通过数字化建造工具加工，最终形成富有变化的表皮。
建造过程首先把表皮进行划分，表皮的结构形式采用简单的纵横龙骨结构，表皮的组件大小根据龙骨的尺寸确定。表皮的材料根据具体位置的不同，以及结构上的要求，或采用金属，或采用玻璃钢。划分后的表皮再进行简化，以最为复杂的表皮为例，最终简化为5种标准模块。确定标准模块后，加工工厂根据材料的加工工艺进行相应制造。采用金属材料的表皮模块，先根据平面造型雕刻出花纹，再通过弯折加工成铝板。工厂制作完后，进行标号，运到施工现场安装即可。
利用计算机设计建筑可以产生原来无法看到的形式，传统方法达不到的形式现在也可以实现，同时数控机械对传统材料的加工使得人们反思：操作传统材料实现建造的过程发生了变化。
NO.2 复合材料
复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。其使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。因此，可以说复合材料各自身怀绝技。
自然，复合材料由于诸多的优势以及特殊的肌理和质感，使得它成为了数字化建造的宠儿，特别是在3D打印领域。3D打印技术操作的材料需要多种特性来承担成型的要求，从早期的树脂到ABS、不锈钢和复合了高纤维的混凝土材料，不同的复合型材料被开发应用于不同的工艺，现今进一步的探索仍在进行。
1.机器人操作复合材料
陶土
（哈佛大学GSD的机器人陶土打印）
首先将所有的传统手工陶土挤出方式转化成机器人动作，机器人能够更精确、敏捷和持续的完成这些动作。通过编织手段的陶土打印过程来实现建筑立面或表皮单元的建造。使用传统的条状陶土挤出作为基础语言，编织堆叠技术可以实现不同的单元网络效果。六轴工业机器人对运动速度，挤出速度，挤出尺寸等方面的精确控制也使得材料得到更多样更精准的表现。
玻璃和碳纤维
（2012-2013年ICD/ITKE研究馆机器人编制过程）
（2013–2014 年ICD/ITKE研究馆机器人编制过程）
两个研究馆均由纤维编织而成，展馆的建造引入两个大型同步KUKA机器人，它们负责将玻璃和碳纤维缠绕在薄质钢框架上。在对纤维增强聚合物的材料特性和适当的制造方法成熟理解的基础上,团队充分利用各向异性材料特性，从而获得纤维复合结构的机械制造专业知识。玻璃和碳纤维材料在操作工具机器人的编制下形成造型优美的单元体，同时机器人对纤维材料的使用方式为建筑师提供了广阔的设计思路。
2.CNC操作复合材料
热塑性聚合树脂
（热塑塑料互动展亭）
由Baumgartner+Uriu(B+U)与SCI-Arc的学生共同设计建造的展亭Apertures，它共由233块形态各异的CNC铣床切板组成。每块面板都是由聚氨酯泡沫体和热成形的热塑性聚合树脂层压合而成，厚度只有1 /8英寸。SCI-Arc的学生首先用CNC数控铣床切割出233块面板的泡沫模版，然后将热塑料树脂倒入模版中成型，再进行切割和粉刷。面板的连接点在CNC模版加工时标出，用铝铆钉连接。在现场先将面板组合成九个部分，然后吊装到位。
3.3D打印机操作复合材料
聚合物水泥
（Emerging Objects发明的专利技术——聚合物水泥3D打印）
聚合物水泥是一种高强度的刚性材料，经由纤维增强，生成强于传统混凝土的3D打印材料。使用聚合物水泥打印出的产品极其轻质，外饰面可为喷砂面，哑光面或绸缎面等半透明饰面，也可被再加工，磨砂或喷绘。
盐材料
（3D打印的晶体盐装置）
3D打印盐取自旧金山港湾，这里的盐都是从雷德伍德城中那些109年之久的盐结晶池中提炼出来的。盐材料坚固、防水、晶莹剔透。设计师使用基于粉末的Z-corp 3D打印机打印出336个透明面板，每一个面板都由盐制成，可以随意旋转，聚合在一起合成更大的结构。最终组合在一起构成刚性外壳，利用轻量的铝制杆支撑张开。盐的自然特质使得自然光可以渗透进空间内部，突出结构。
液体3D打印材料——光敏树脂
硅谷公司Carbon3D最近公布了一种全新的3D打印技术，能在液体中直接、持续而迅速地打印，颠覆了过去几十年来逐层堆叠的3D打印方式，速度提高了25～100倍，并能打印许多前所未有的几何形状。
普通的3D打印实际上是「2D打印」，一般使用液态树脂逐层堆叠，也就是说，打印好一层后，等待它固化，再进行下一层打印，然后层间黏合在一起。每层的边缘之间往往不能完全光滑过度，因此整体看起来较为粗糙。
光敏树脂工作原理：Carbon3D开发的CLIP技术不仅速度提高了几十倍，并且表面光滑细腻。CLIP的原理与光固化技术很相似，利用的是光敏树脂在一定波长紫外线作用下会产生聚合反应、从而固化的性质。但它还利用了另一个性质：氧气会抑制光敏树脂的固化。二者的平衡就是CLIP技术成功的关键。
秘诀就在于CLIP打印机的水槽底部。水槽底部有一个窗口，其特殊之处在于，既能透过氧气，又能透过紫外线，因此称为「透氧窗口」（Oxygen Permeable Window）。水槽中装有液态光敏树脂，水槽下方有一个紫外线投射仪。氧气会抑制光敏树脂的固化过程，因此，水槽底部的液态树脂由于接触氧气而成为固化的「盲区」（dead zone），始终保持着液态，形成一层液态薄膜（约2～3个红细胞厚度）。这层薄膜不能透过氧气，但能透过紫外线，因此上层处于低氧状态的液态树脂就可以在紫外线的作用下固化。这样，就不会有固化的树脂黏在底板上。随着打印平台往上升，更多低氧状态的树脂被吸到底部，打印过程可以持续而迅速的进行，就像从液体中“生长”出来一样，而不需要像传统的方法那样分层固化。
数控机械操作复合材料要求建筑师具有对材料多角度多维度的设计和美学敏感性，能够掌握先进数字技术。通过数控机械操作复合型材料的原理已远离传统的意义上的建造理念，可以直接依靠三维模型建造实体，不需任何模板，应对复杂的几何体时体现高度的自由度和精确度。
NO.3 智能材料
1956年“人工智能”学科首次被提出，在随后的发展中，人工智能的理念也被应用在建筑材料上。学者们希望建筑材料能够像生物体一样能够对周围的环境做出适应性的调整，根据外界环境的变化自身做出反应，即拥有响应、识别和修复等功能。1989年11月在日本科学技术厅航空、电子等技术评审会上，日本高木俊宜教授提出智能材料概念。同期美国在航空、宇宙领域中对传感功能和执行功能的适应性结构物、灵巧结构物的研究也很活跃，因此人们逐渐将它们均称为智能材料与智能系统。
历经传统材料和复合材料，智能材料的构想来源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等等），它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此，智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。它必须具备感知、响应和控制这三个基本要素。
智能材料的出现使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。智能材料自身的特性以及其蕴含的人工智能的理念与参数化整合物体内部关系以及建筑物本身的自我适应思想不谋而合。所以，智能材料作为数字化建造的实现载体，近年来正在被学者们大量研究使用，尤其表现在建筑表皮方面。
智能材料可分为两大类：
嵌入式智能材料。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。
自主式智能材料。有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃等。
1.嵌入式智能材料
Translated Geometries
（Translated Geometries材料系统）
IAAC的硕士Ece Tankal， EfilenaBaseta 与 Ramin Shambayati对“变形建筑”兴趣浓厚，他们在项目中利用利用热响应聚合物为结构节点开发了一种新的材料系统“Translated Geometries”。
（随温度的改变而变化）
IaaC用形状记忆聚合物（SWP）建立了一个实体结构模型，可以利用材料的独特性质实现自我转换。这种特殊材料能够接受外部刺激，更确切的讲，感应超过60-70摄氏度的温度而改变相位，经再次加热，材料恢复初始状态。可想而知这种材料对创建新型的可活动节点特别适用。
（材料的展开与闭合）
为了最大限度的利用这种材料的特性，该团队需要找到能在静止的状态下被运送到目标位点的几何形状，这种形状应具有变形或膨胀成所需形状的能力。折叠式结构是为了实现这些目的的最佳选择。这种可折叠的结构再加上形状记忆聚合物材料（SWP）的优势，具有建立可移动的结构和架构以迅速响应不断变化的需求的潜力。
Media-ICT大楼的智能薄膜
（Media-ICT大楼）
获颁WAF 2011年世界建筑大奖的巴塞隆纳Media-ICT大楼最大的特色是运用材料科技，由一片片涂有铁氟龙(ETFE)的特殊薄膜衔接而成的帷幕墙隔热系统，这种特殊薄膜的充气垫单元，类似窗帘效果，可过滤紫外线、以及户外炽热的阳光，透光度达到95%，且能阻挡80%的热度，并让二氧化碳可减少25%。
（Media-ICT大楼）
铁氟龙学名為聚氟乙烯，膜材厚度通常小於0.20mm，是一种透明膜材，由於具有抗压、保温、隔热、会呼吸、自洁、镀点节能的功能，已经為许多知名建筑所採用，如2008年北京奥运国家体育馆水立方的立面材质，就是铁氟龙材料。
（涂有铁氟龙材料的特殊薄膜）
Media-ICT大楼立面的特殊薄膜具有三层的材质，第一层是透明薄膜，第二层与第三层刚好是互补的形状，因為本身可以膨胀，也被称为「会呼吸的薄膜」。整套帷幕墙隔热系统共安装了154个气垫(cushion)单元，其中有104个可由电脑控制，以便能根据太阳在此立面上运行的轨跡，而改变单元的状态。
2.自主式智能材料
湿度响应的木质复合材料
材料固有的形成圆锥曲面的能力结合七轴机器人建造工艺，构建出28个不同几何形态的组件，组件上承载着1100个湿度敏感的孔。这些孔可以在30%-90%的相似湿度范围内的变化做出反应，相当于在适度的气候条件下从晴天到阴雨天的湿度变化。
这项研究使木材，最古老和最常见的建筑材料之一，成为一个气候响应的复合物。在吸附和释放湿气的过程中改变了木材细胞组织中微纤维之间的距离的变化，从而导致尺寸的显著各向异性变化。
渗水陶瓷
（随着水分被吸收球形的水凝胶也在不断生长）
“凝胶”是一种能够吸收和保留500倍于自身重量的水的物质。加泰罗尼亚高等建筑学院的DMIC通过敏感材料使用，试图重新定义“智能”，并将“凝胶”嵌入到建筑环境中，通过数字化建造仿真、建构技术设计、以及完善智能建筑系统，从而提高建筑的热学性能。
曲面渗水陶瓷样本）
通过对粘土，铝，和丙烯酸进行了控制变量的测试，确定了多控混凝土作为水凝胶的载体。并将二者结合的材料称为“渗水陶瓷”。
（左：最终的系统由粘土层以及水凝胶与拉伸织物的中间层组成）
（右：使用模具数控铣削的加工方法）
“渗水陶瓷”，作为一种蒸发冷却装置，降低温度并增加湿度，从而使室内空气温度降低五到六度。嵌入式智能系统使其性能与室外风的温度成正比。换句话说，当室外比较热时，室内温度自然地降低。同时，当没有水份蒸发时，系统则不为室内空间降温。
智能材料在建筑设计及建造中展现出前所未有的优势，它的出现促进结构与功能的逐步统一。同时改变建筑师传统的设计方式，更多的将建筑物内部关系整合考虑，从而进一步增强建筑物自我适应的能力。
