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从自然科学到设计艺术.rar

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    编号:20181101170524140    类型:共享资源    大小:133.96MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    自然科学 设计 艺术
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    从自然科学到设计艺术——基于泰森多边形的参数化设计与建造武雪缘南京艺术学院762752132@qq.com摘要:随着当代数字化技术的发展,作为自然学科中的泰森多边形,它以极具自然规律和艺术韵律的复杂形态受了设计界的青睐与关注,并被设计师利用参数化平台和数字建造技术引入到设计艺术领域中,涌现出许多符合数字化时代的作品来。基于这种现象,本文以泰森多边形为研究对象,从自然科学的角度,对它产生的背景、生成原理和衍生算法进行了阐释;然后从设计艺术的角度,对泰森多边形在建筑设计、室内设计、装置设计领域的应用作了分析和总结。在理论研究的基础上,本文进而以“太湖石”装置设计与展示为课题,以基于泰森多边形的设计与建造为主题,从概念确定、形态生成、图解分析、实体建造等展开设计实践。期望能给当代跨界设计带来一些有益的启示和帮助。关键词:泰森多边形;参数化设计;数字建造;自然科学;设计艺术From natural sciences to design art——Based on the parametric design and construction of the VoronoiXueyuan Wu Nanjing University of The Arts Abstract. With the development of modern digital technology, the natural sciences as Voronoi, which the laws of nature and art in a very complex form of rhythm by the favor and attention to the design community, and is the designer using the parameters of the platform and the digital construction techniques introduced to the field of design and art, there were many works in line with the digital age come. Based on this phenomenon, the paper make Voronoi for the study, from the point of view of natural science, the background to it, generation principle and derivative algorithm explanation; then from the perspective of design art of Voronoi in architectural design, interior design, hookup design areas are analyzed. On the basis of theoretical research, the paper make “Taihushi“ hookup design and presentation of the subject, based on the design and construction of Voronoi theme from site analysis, concept determine, shape generation, graphical analysis, and the results of the physical construction expression and other aspects of design practice started. Finally, this study concluded that, expect from the natural sciences to the arts of design research and practice of Voronoi, give contemporary cross design brings some useful inspiration and help.Keywords. Voronoi; Parameterized Design; Digital Construction; Natural Sciences; Art and Design 概述受新的科学理论和数字技术的影响,本文试图从自然科学的角度出发,以参数化设计方法为切入点,对泰森多边形在设计艺术上的新思维、新观念进行研究。不管是从其独特的空间组织形式所产生的空间新形式;还是利用其几何性质对城市规划、建筑空间划分以及室内功能的有效配置,都突破了传统的空间秩序规范。呈现了空间的自由性、灵动性、复杂性、开放性以及相互交融性等特点。故笔者在跨学科的基础上探讨基于泰森多边形的参数化设计与数字建造的过程。1、自然科学中的泰森多边形原理与算法1.1 泰森多边形的创立早在十七世纪,Descartes 用 类 似 Voronoi 图的 结 构显示 太阳 系中 物质的分布,到1911 年荷兰气象学 A.H.Thiessen 应用其对气象观测站进行了有效区域划分,并称之为 Thiessen polygon(泰森多边形) 。随着 Voronoi 图 被纳入计 算几何的范 畴,成为计算几 何的一个重要分支。使得泰森多边形的算法,从计算机科学、气象学、自然地理学、测绘学、数学、物理学、生物学、化学、流体力学到自动化技术、电信技术、航空航天科学与工程等许多领域都得到了广泛的应用。1.2 泰森多边形的原理通常意义下的 Voronoi 图,在二维情况下,是由一组连接两邻近点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成,N 个在平面上有区别的点,按照最邻近原则划分平面,每个离散点则各自拥有一个细胞(多边形)区域,区域内部的点到相对应的离散点距离最近。从多维度下的泰森多边形,它形成 Voronoi 图的细胞则会从平面上的多边形转变为高维的多面体结构。 1泰森多边形在平面区域内最基本性质主要有:(1)每个泰森多边形内,仅含有一个离散点数据;(2)泰森多边形区域内的点到相应离散点的距离最近;(3)位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。在泰森多边形的构建中,首先要将离散点构成三角网,这种三角网称为Delaunay 三角网 ,同时它与泰森多边形又是奇偶图(图 1-1) 。 2泰森多边形及其对偶图都具有许多十分优良的性质,可以将其应用在城市规划、建筑空间规划及室内功能空间的划分上;还可以根据不同离散点的空间数据,生成可控的、多变的、规律的、集聚的几何图形和空间结构形态,为下文泰森多边形在艺术设计领域中的应用做铺垫。2、泰森多边形在设计领域的应用与分析随着现代计算机图形学技术的发展及数字化设计的不断兴起,建筑设计生成中介1 赵仁亮.基于 Voronoi 图的 GIS 空间关系计算 [M].北京:测绘出版社,2006-04,392 武晓波 , 王世新 , 肖春生.Delaunay 三角网的生成算法研究[J].测绘学报 ,1999 , 28 (1) 1.图 1-1 Voronoi 图(实线)与 Delaunay 三角网(虚线)图片来源: 《 基于Voronoi 图的 GIS 空间关系计算 》入数学、几何学、物理学、复杂性科学等已经成为了一种建筑设计的潮流。当然,泰森多边形这种经典的几何算法也不例外,设计师通过编写 Voronoi 算法程序来生成其数字化的模型,已经被广泛的应用于各个领域的研究中。其形式的出现包括了:泰森多边形的图形概念在建筑理论与观念层面的建立;其次是在方法论的层面上对泰森多边形形态的研究和探讨;最后由理论和方法引发的技术层面上的实践性操作。同时泰森多边形在建筑表皮、空间及三角网三个层次之间不断转换身份,经过参数化、非线性以及拓扑、分形、仿生等关联设计的衍化生成,形成自由、动态、不规则的非线性形态结果。泰森多边形的设计艺术形态的发展同时也涉及到了建筑的思想、设计的生成、建造的模式等多个方面均有体现。2.1 建筑设计领域的应用数字化设计方法最先是出现在一些先锋建筑设计事务所及建筑院校,他们以实验为目的,对建筑设计的一种探索和创新,泰森多边形算法便成为了他们快速找形的数字化表 1 泰森多边形在建筑设计中的应用表格来源:笔者根据资料绘制设计方法之一。以 AA 建筑设计联盟的作品“Net Lab”为例,应用 Voronoi 算法作为设计机器对细胞类型空间进行研究,通过信息的反馈、插件的修正及迭代算法的设计,对空间进行优化的过程。关于泰森多边形在建筑设计实践上的应用,早在 2005 年,就已经出现了泰森多边形图形关系的表皮建筑。如,伊东丰雄设计的“御木本,银座 2号” ,建筑外墙具有 Voronoi 秩序的窗洞直接反映了宝石本身的几何形状。2006 年,扎哈·哈迪德就应用了泰森多边形的算法,在台湾国立高雄表演艺术中心的国际竞赛中,她通过利用 Voronoi 图对区域环境数据的建设并将设计延续到建筑的空间规划和景观环境的设计中,这一设计手段也成为日后扎哈的惯用工具。由此看来,泰森多边形算法用于建筑构建与规划的研究已经很多见了。笔者通过泰森多边形在建筑上的实验及实践的过程,发现了以下几种结果:(1)通过信息分析和建成环境的反馈空间的概念,创建数据参数化的过程模型;(2)对环境的信息是可以以各种形式通过 Voronoi 图来创建参数化的结构,并且可以根据预期一方控制感应类型;(3)Voronoi 图与其他各种算法,通过多种方法以实施,必须开发由系统算法的一个变化而产生的各种类型的潜力;(4)从二维 Voronoi 图延伸到基准点在三维空间中以创建空间的一立体图,它可进展到空间建构中,结合结构几何构成优化多面体空间架构,及建筑设计中的空间利用率。笔者就近年来,泰森多边形在建筑设计中的实际应用归纳总结出了以下表格(表 1) 。2.2 室内设计领域的应用泰森多边形以多变的空间几何形态与室内空间产生的对话,可以利用它的性质建立空间结构体系,这使得泰森多边形的自然属性与建造表达之间产生了直接的联系,同时也是一个明显的、进化的、创造性的语言探索和实践创新的过程,同时也推动了的数字化设计的流程和制造技术。室内空间又是依附于建筑而存在,泰森多边形在建筑设计中的应用,必然带来泰森多边形的室内空间。如,伊东丰雄设计的台湾大学社科学院,一系列规律的螺旋线,由泰森多边形算法通过交叉演化生成的天花板型态(图 2-1) 。从景观、建筑到室内空间的营造,他弱化了建筑体量的透视感,模糊了建筑内外空间的边界,并将建筑与自然合二为一。泰森多边形在室内设计中的应用还体现在陈设设计和系统的家具上。如,Eegoo 办公空间的局部顶棚(图 2-2) ;通过对某地区自然景观河流的真实图 2-1 台湾大学社科学院 图 2-2 Eegoo 办公空间的局部顶棚 图 2-3“Voronoi Wall”室内墙饰图片来源:网络 图片来源:网络 图片来源:网络图 2-4 “Voronoi 电脑桌 ” 图 2-5 “Voronoi 椅 ” 图片来源:网络 图片来源:网络原型采样,形成点分配到泰森多边形基础计算平面上“Voronoi Wall” (图 2-3) ;以及新西兰工业设计师 Sam stringleman 利用泰森多边形图形设计的电脑桌(图 2-4) ,弗兰肯(Franken)设计的 Voronoi 椅子(图 2-5) 。2.3 装置设计领域的应用相对于城市、景观、建筑、室内设计的数字化实践,泰森多边形在装置设计领域的应用更为多见。一般会出现在一些先锋建筑设计师的对实验建筑形态的找形过程中,产生的装置作品;还有一些艺术家利用泰森多边形简单的性质和定义,对其基本形态进行提炼和艺术的加工过程,形成了颇具观赏意义的艺术装置品。由于尺度的问题,泰森多边形的装置设计相对容易付诸于实践,并且表现形式也是多种多样,但泰森多边形的装置与建筑所具有的相同点,是这种形态特征同样为形体本身提供了一种渗透的空间效果,也为体验者提供了独特的视觉感知和空间体验。通过计算机系统所生成的空间将呈现出其独特的形式特征,具有传统建筑生成方式所无法拥有的不确定性与趣味性。他们通过这样的方式生成了一系列的类似于细胞结构的复杂的几何体。如,“Voronoi Cellscape”、 “Voronoi Felixgrauer”、 “悬浮雕塑” 、 “WestendGate”室外装置等(图 2-6、图 2-7、图 2-8、图 2-9)。由于泰森多边形的算法生成的几何空间形态,已经成为了参数化设计中最常见的几何形式,但是如何将这种算法融合其他算法或呈现形式,生成更多可控的、有机形态便又是一种创新。这些创新的构筑物既是对参数化建筑设计实践的一种实验性探索也是对装置设计的一种技术革新。如,2012 年,由 Andrew Kudless 设计的“蛹(III) ”装置设计作品(图 2-10) (被蓬皮杜艺术中心永久收藏) 。以及 NEX 建筑事务所设计的“时代发现馆” (图 2-11) 。图 2-6“Voronoi Cellscape”图 2-7“Voronoi Felixgrauer” 图 2-8 悬浮雕塑 图 2-9 “WestendGate”图片来源:网络 图片来源:网络 图片来源:网络 图片来源:网络图 2-10“蛹( III) ” 图 2-11“时代发现馆 ” 图片来源:网络 图片来源:网络 3、基于泰森多边形的参数化设计与建造3.1、概念来源概念来源于一个自然形成的装置艺术品——太湖石。本设计予以将这种浑然天成的艺术品,通过数字化技术,提炼太湖石“瘦、皱、漏、透”的形态特征,打造出与传统中国美学相结合的当代艺术装置作品。其中选择了江南四大名石之称的“冠云峰” 、“瑞云峰” 、 “绉云峰”以及“玉玲珑” ,它们形态各具特色,同时也代表了江南文人的文化审美特征,故以“太湖石”强烈的思想性与特定展示空间的营造融为一体,在继承传统概念的同时找到新突破(图 4-15) 。图 3-1 冠云峰、瑞云峰、玉玲珑、绉云峰图片来源:自摄与网络3.2 形态生成3.2.1 形体的生成形体的生成主要是通过参数化程序软件,将采集的冠云峰、瑞云峰、玉玲珑、绉云峰的正投影的图像,以剪影的形式载入 Grasshopper 程序软件中;通过灰底图片的黑白灰关系,采样图案对应图底点阵的高低,颜色越深点距平面距离越高,反之越低,白色即为原始平面的高度;通过这些采样点集生成太湖石一侧曲面的形态,当采样点越多,所生成的曲面越接近原型;再对形态的进行拓扑变形、剪切、混接、尺度、曲率的调整,进行三维模型的曲面生成和优化处理,为下一步表皮的生成做准备(图 3-2) 。图 3-2 形体生成左: “冠云峰 ”形体生成图解;上: “太湖石 ”剪影;下: “太湖石 ”形体生成图片来源:笔者自绘3.2.2 表皮的生成这里的表皮指的是二维泰森多边形的图式化表皮,其自身就可以成为对该非线性装置的诠释。 “太湖石”装置上的表皮不仅是装饰也是结构支撑的主要结构。应用Rhino 平台下 Grasshopper 插件的 Voronoi 算法语言,依据太湖石剪影图的颜色深浅进行点集的采集,生成符合图形规律的点集,然后拾取点集,生成泰森多边形图式化表皮(图 3-3) 。图 3-3 “冠云峰、瑞云峰、玉玲珑、绉云峰 ”表皮形态衍化图片来源:笔者自绘3.2.3 结构的生成通过“太湖石 ”装置设计表皮形态的生成,在对二维泰森多边形进行太湖石形体映射所生成的结构模型。这种结构的最终确定,使整个装置二维泰森多边形表皮的立体化,同时也满足了该装置的结构与构造。最终得到了该非线性装置设计的完整形态。其具体的过程,是随着该非线性装置形体变化的结果,调整对应的装置内部结构形式,以完成在形态雏形初步确定之后,依据装置的形态合理的布置结构构架。由于非线性装置的形态自由流动,多釆用空间层级切片累积成型或空间网架的结构形式,所以这里笔者首先要对其生成的最终结构进行分析(图 3-4、图 3-5、图 3-6) 。图 3-4 “冠云峰 ”二维泰森多边形映射图片来源:笔者自绘图 3-5 “冠云峰、瑞云峰、玉玲珑、绉云峰 ”形态确定图片来源:笔者自绘图 3-6 展示空间布局确立图片来源 :笔者自绘3.3 建造分析3.3.1 材料选用“太湖石”装置就建造角度进行综合考量,符合建造的材料必须具有一定的强度和硬度,且材质轻盈可折叠,故选择金属铝片为建造材料。但由于后期并未实施与建造,最终借助三维打印技术,根据计算机模型信息数据通过 PLA 材料的层层叠加成型。3.3.2 结构配置图 3-7 结构优化过程
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