优秀论文 | 数字孪生与建筑设计：以飞利浦展馆为例

学术 2024-08-12 19:31 北京

2014年，《装饰》杂志进行了首次年度“优秀投稿论文”的评选暨优秀作者交流活动，并作为年度常设活动举办。

日前，《装饰》2023年度“优秀投稿论文”出炉，我们将在微信公众号陆续推送2023年度“优秀投稿论文”，并附上编辑评语，以飨读者。

今天我们要分享的是一篇

“个案点击”栏目的优秀论文

个案点击

栏目主持：贾珊

编辑点评

当我们去讨论一个著名的建筑作品或者一位著名的建筑师时，难免会落入既有印象的圈套。那些伟大的作品似乎一气呵成，作品的面貌也似乎是建筑师的灵感乍现或个人品牌的彰显。然而往往被忽略的是，这些建筑作品的生成过程往往并不是一帆风顺的，甚至有一些伟大的设计会夭折在图纸阶段，不能真正得以实施。这些被隐藏在过程中的细节，无论是与建筑师博弈的负面因素，还是给予建筑师助力的积极因素，无疑是另一只塑造建筑的手，使得建筑得以成为最终的样子。作者从物理赋能的角度细究了1958年由建筑师柯布西耶和雅尼斯·泽纳基斯共同设计完成的布鲁塞尔世博会飞利浦展馆的设计建造过程，细致地分析了该建筑三次重大的形态调整背后的动机、技术驱动力以及解决方案。本文为读者呈现了一幅雄心勃勃的设计在与物理空间实现的博弈过程的图景，解释了创新的空间概念如何通过大胆的结构方案和实验性的建筑材料最终得以实现。（贾珊）

原文：

物理赋能驱动的建筑形体生成研究：以飞利浦展馆为例

陈中高、隋杰礼，烟台大学建筑学院

内容摘要：面对算法时代下日益复杂和多元化的建筑形体，虚拟模型与物理实体的协同一致愈发被重视，成为建筑实现预期设计目标、提升全生命周期性能的关键内容。数字孪生旨在构建虚实信息的交互闭环系统，可为建筑形体的虚实共生提供有力支持，但目前缺乏针对设计阶段由物理数据到设计模型的逆向赋能方式探讨。本文运用图解分析和参数化建模，尝试通过对飞利浦展馆形体生成全过程的发掘与梳理，深入研究其将物理反馈转化为设计模型的具体手段，进而指出该案例实现虚实共生背后的深层运思与内在逻辑，以期立足物理维度扩展建筑形体的生成途径，并为基于数字孪生的建筑设计创新提供可借鉴的方法。

关键词：数字孪生、物理感知、建造工艺、形体驱动、虚实共生

引言

建筑作为人类造物的基本产物，本质是根据由不同需求映射形成的虚拟模型，得到以各类真实材料组合建造的物理实体。由于虚拟与物理的二元对立，使得如何确保两者协同一致成为建筑学科诞生以来的核心命题。对此，从第一次数字化转型开始，建筑学已逐步催生了运算化材料、性能化设计、智能建造等新的设计方法与建造模式[1]，以试图实现从设计模型到建筑实体这一正向进程的精准控制[2]。如今，随着数字孪生（Digital Twin）的提出与发展，虚拟空间与物理世界的关系得以双向交互而被重新定义[3]，促使物理实体可被数据化并逆向赋能虚拟模型，为解决建筑造物的“虚实共生”问题提供了全新视角。

在上述背景下，建筑实体不再只是最终呈现结果, 更是成为设计模型的建构来源，而由此引发了一个急需思考的问题，即以何种方式将物理数据融入建筑形体的生成过程，就成为避免产生数据孤岛、设计与建造达成一致的关键。基于此，本文以1958 年布鲁塞尔世博会的飞利浦展馆为研究案例，运用参数化建模和图解分析，重新发掘和全面再现其形体生成的过程细节，并深入分析该案例面对虚实矛盾时的设计运思，进而探讨物理赋能驱动的建筑形体生成途径，旨在为算法时代下数字孪生建筑的设计方法和操作流程提供参考。

一

研究问题与案例选择

1．物理赋能：数字孪生建筑设计需求

数字孪生旨在建构与物理实体全要素对应的虚拟模型，实现“虚实”两者的闭环交互。[4] 相比传统的数字模型，它更强调是为已存在的物理实体建立数字孪生体，从而具有物理赋能的显著特征。[5] 作为在虚拟空间中构建设计模型以确定建筑实体从无到有的创造过程，建筑设计可从源头出发，统筹处理各类物理数据以支持设计模型的生成，进而获得兼具良好设计效果与实体性能的创新建筑形体。[6] 因此，当数字时代下智能算法不断拓展建筑形体的边界范围时，则有必要在设计阶段就探索从物理数据到设计模型的有效转换方式，这不仅有助于确保“设计模型—建筑实体”的融合一致，也对建立基于数字孪生的建筑造物新秩序具有重要意义。

2．基于飞利浦展馆的案例研究

本研究选择飞利浦展馆（Philips Pavilion）为案例对象，它由建筑师勒· 柯布西耶（Le Cobusier）和雅尼斯·泽纳基斯（Iannis Xenakis）共同设计完成，展示于1958 年4 月开幕的比利时布鲁塞尔世博会（图1），并在闭幕后的1959年1 月进行拆除。[7] 早在确定参加世博会之初，飞利浦公司就希望其展馆不仅仅是宣传产品本身，而是关注如何为观众创造独特的现场体验。对此，柯布西耶提出了建筑为“电子诗”（Electronic Poem）的方案概念[8]，即将建筑自身作为容器，除了在其墙壁上投射影像、图片和灯光，同时承载音乐和色彩等内容一同展示，试图呈现二战后大众在电子媒体下的全新体验。因此，飞利浦展馆一方面因其“临时性”而要求足够吸引观众的外在形态，另一方面因其“体验性”则渴望塑造多感官环境的内在空间，从而通过以上两方面特殊需求的叠加，在方案概念阶段就为建筑形体的创新生成提供了背景语境。

1. 旨在表达电子体验新时代的飞利浦展馆（图片来源：https://www.archdaily.com）

二

对飞利浦展馆形体生成的过程分析

1．第一次形体修改：从单一凸曲面到多重直纹曲面

1956 年7 月，柯布西耶在正式接受飞利浦展馆项目的委托后，首先勾勒了带有出入口的平面草图，其轮廓为两条光滑变化的自由曲线，由此形成一个类似于“胃”的有机形状。进一步，为了避免阳光直射进入室内，建筑形体被初步设想为包含凸曲面墙壁和圆柱形突出物的几何形式，内部则通过中心展厅取代传统的礼堂布局，并采用脚手架覆盖帆布的临时结构进行实现。[9]（图2）事实上，可以看到该形式与柯布西耶的朗香教堂、拉图雷特修道院等二战后作品有着内在延续性，均是对其事业后期融合雕塑、绘画、建筑的综合艺术（synthèse des arts）这一设计思想的表达。[10]之后，由于需要将更多时间投入印度昌迪加尔项目中，柯布西耶难以兼顾飞利浦展馆的形体设计，所以在提出上述初步的方案构思后，他将所有后期工作委托给工作室成员泽纳基斯，包括负责将概念具体化成建筑形体并直至建设施工。[11]

2. 柯布西耶对飞利浦展馆的平面轮廓及初始形体设想（图片来源：Treib M. Space Calculated in Seconds [M]. Princeton University, 1996）

然而，当泽纳基斯以初始方案为基础进行深化时，却发现该形体根本无法实现“建筑作为电子诗”的创作目标。究其原因，上述目标的实现一方面是要求声音混响必须足够低，这就使得具有正、负、零等多种曲率的曲面形状成为最佳选择，而禁止出现初始形体中可累积混响的平面，或是易聚集声音的凸曲面。另一方面要求用于投射的墙壁为非规则形状，才能实现柯布西耶所设想的体验氛围，即通过不同角度反射的光线与色彩，创造可与观众互动的沉浸式空间环境。鉴于以上原因，到1956 年10 月，泽纳基斯根据初始平面轮廓提出了一个全新的建筑形体方案，并采用实物模型对其进行表达与验证。[12] 在该模型中，连续的金属线表示曲面，钢琴弦表示不同曲面的相交区域，由此显示了新的建筑形体是由若干直纹曲面组合形成，包括圆锥面和双曲抛物面两种类型。（图3）

3. 采用金属丝和钢琴弦制作的实体模型（图片来源：Sdegno A. Ruled Surfaces in Le Corbusier's Architectures [M]. 2012）

上述新方案与柯布西耶设想的初始形体相比，平面中的出入口位置没有发生改变，但为了减少声音混响，建筑墙壁不再是规则变化的凸曲面，而是面向不同角度形成一定扭转的多重直纹曲面，由此在将观众包围的同时，也会产生丰富的色彩变化和光影转换，还会促进声音在各个方向上的传播。总的来说，第一次修改后的建筑形体几何组成包括：三个圆锥面A、E 和D，两个双曲抛物面K 和G，连接两者的双曲抛物面L，以及表示出入口的两个三角形。（图4）其中，双曲抛物面K 和G 的尖端1、2、3 作为建筑形体顶点，高度分别为17 米、13 米和11 米。

4. 第一次修改后由多重直纹曲面组成的飞利浦展馆形体（图片来源：作者绘制）

2．第二次形体修改：从圆锥面到双曲抛物面

在新方案得到飞利浦公司、柯布西耶等各方认可后，泽纳基斯则随即着手进行建筑形体的进一步推进。1956 年11 月，第一次修改后的形体方案被送至工程咨询公司，并在保持原始空间概念的要求下，即屋顶、墙壁及地面等元素彼此连续，结构师提出采用一个复杂的帐篷式结构对其进行实现。具体而言，该结构的主体支撑为三个不对称预制龙门架，外围则覆盖金属悬索以及帆布材料，由此形成类似于一个壳体的整体结构。[13]

在随后的更深入研究中，声学工程师开始介入，并规定墙体重量至少为120 千克/ 平方米，也就是相当于厚度不低于5 厘米的混凝土或水泥材料，否则将会大大降低建筑隔音的效果。面对这一要求，如果仍以帐篷结构来建造建筑形体，则将不得不使用相当重量的金属才能满足要求，导致成本远超预算的同时严重延误工期。为此，结构师建议采用金属网架外喷射混凝土的方式替代原始方案，并提出重新建构整个形体的几何构成，即将其中的圆锥面全部转变成双曲抛物面。这是因为双曲抛物面是由一对直线移动形成的轨迹面，不仅比圆锥面更容易提取曲率，而且其直线是将荷载传递给地基的重要路径，使得曲面各部分的应力计算也更为简单高效。于是在接纳这一建议后，泽纳基斯以平面轮廓为几何约束，开发出一种基于画法几何（Descriptive Geometry）的双曲抛物面计算方法[14]，并结合实体模型反复推敲与试验。（图5）到1957 年1 月，修改得为全部由双曲抛物面组成的全新建筑形体。

5. 基于几何计算与模型推敲的双曲抛物面研究

与第一次修改后的建筑形体相比，新方案的出入口进行了互换，且形体组成增加到9 个双曲抛物面，其中曲面K 和G 没有改变，也就是用于投射影像的两片曲墙。其他曲面的修改具体如下：

（1）重新定义并明显加宽了连接曲面K 和G 的双曲抛物面L，并将圆锥面A、E、D 转化成5 个双曲抛物面，即A、E、B、N 和D ；

（2）增加了双曲抛物面C 和F，其中F 靠近E，作为展览、技术和服务等空间的分隔；

（3）为了增大中央空间的使用体积，建筑形体的顶点1 和3 进行了调整，其高度分别增加至20.5米及18.5 米。（图6）

6. 第二次修改后全由双曲抛物面组成的飞利浦展馆形体图片来源：作者绘制

3．第三次形体修改：从钢架支撑到混凝土自承重结构

1957 年2 月，飞利浦展馆的建设工作被正式委托给比利时工程承建商Strabed。[15] 此时，混凝土材料已被确认采用，它能够通过预应力使得结构更加坚固，也便于由直线组成的双曲抛物面生产施工。但在形体如此复杂的飞利浦展馆中，当时承建商仍急需解决使用混凝土这一新材料时所面临的两个问题：一是展馆结构可否利用墙壁达到自支撑效果，以节约材料、减轻自重？二是双曲面形体使得混凝土现浇这一生产方式变得极为困难，是否存在施工更快和成本效益更佳的构造工艺？为了解决这些问题，在1957 年2 月至4 月，工程师先后制作了两个不同比例的实体模型，旨在通过物理实验的方式进行分析、评估和验证，以保障飞利浦展馆形体的结构稳定性和施工经济性。

第一个模型的比例为1 ：25，除了研究整体结构的稳定性，还用于测试意外荷载、适当重量和火灾引起的可能性变形。在该测试中，模型组成包括覆盖石膏的金属丝网框架，以及作为支撑的三根直径为8.4 毫米、壁厚为0.7 毫米的钢管，进而完整刻画出整个建筑形体的承重体系。（图7）最终，依据该模型的反馈结果确定了墙壁自身的强度足以支撑整个形体，即将柱子取消后仍能保证结构稳定，只需在曲面相交区域采用直径为40厘米的混凝土支柱加固即可，从而赋予了展馆内外两个空间的完全自由。

7. 旨在测试结构稳定性的1:25 实体模型图片来源：Capanna A. Conoids and Hyperbolic Paraboloids in Le Corbusier's Philips Pavilion[J]. Nexus Network Journal ,2000, 3(02)

8. 旨在确定构造工艺的1:10 实体模型图片来源：Capanna A. Conoids and Hyperbolic Paraboloids in Le Corbusier's Philips Pavilion[J]. Nexus Network Journal , 2000, 3(02)

第二个模型的比例为1 ：10，其内容并没有复制整个展馆，而是选择了建筑形体中最为复杂的两个墙壁，即弧墙E 和F，以确定现场施工的构造系统。（图8）需要说明的是，该模型并没有遵循原先整体的无缝结构体系，而是在采用菱形预制混凝土板铺设形成壳体表面后，再通过预制板表面上的高强度钢丝施加预应力搭建而成。实验表明，这一构造工艺不仅能够确保施工的简单性，还可以进一步加强形体为双曲抛物面的建筑几何表达。其中，每块预制板的面积约为1 平方米，厚度为5 厘米，除了有助于现场便捷的加工、运输和安装，也在降低建筑成本和减少噪声之间取得了最大平衡。

9. 第三次修改后为自承重结构的飞利浦展馆形体

图片来源：作者绘制及改绘自Philips Research Laboratory. Philips Technical Review [M]. 1958

综合上述两个实体模型的验证反馈，因此得到第三次修改也就是最终建成的建筑形体。（图9）与第二次修改后的方案相比，它有着如下不同：首先，建筑形体成为完全自承重的结构空间，而不再是由钢柱与脚手架一同支撑的帐篷式结构。其次，曲面C 在靠近地面处由凹面改为凸面，并采用双曲抛物面代替原先出入口处的三角形，使得整体的结构性能更加合理。最后，建筑形体采用单元模块的构造系统，即金属网绑接2000 块预制混凝土板的方式，系统回应了生产、运输、搭建等全建造流程的适应性需求。

三

物理感知与建造工艺整合驱动的建筑形体生成

通过对飞利浦展馆形体的生成过程分析，可以发现该项目不同于当时菲利克斯·坎德拉（Felix Candela）等建筑师直接采用双曲抛物面作为原型的建筑设计，而是经历了一系列设计更改才最终形成。其成功的关键在于以物理赋能驱动形体迭代并直至两者完美融合，具体包括物理实体的感官认知与建造工艺两方面驱动因素，从而在每一次的形体修改中，均清晰表达出结构、材料、建造与空间等各要素之间的高度关联性。（图10）其内在思维对于如今探索数字孪生建筑设计具有重要的启发性意义。

10. 飞利浦展馆形体生成过程分析图片来源：作者绘制

1．物理感知的模型化

事实上，飞利浦展馆项目是柯布西耶及音乐家等设计者确定展览计划后，包括不同的播放内容及光影效果，才开始着手建构容纳这些媒体的建筑形体，由此它被认为是第一个将建筑与媒体相整合的空间原型。[16] 在这里，建筑形体本质上最初产生于观众感官对于媒体的认知，再被建筑师抽象成唯一与之匹配的三维设计模型。其中，设计者不仅有目的地选择和处理每一个声音元素，而且还针对性地控制其分布位置及混响时间，再结合投射的彩色光线、图像和影片，使其与观众在建筑形体内移动的位置、轨迹和时间均一一呼应，进而建立了一个随时间与声音变化的空间结构，令人产生出乎意料的感知体验并沉浸其中。

所以可以认为，飞利浦展馆形体作为一个联结空间、图像和声音的展示场所，是将物理空间感知作为固有属性隐藏在最初的建构过程中，从而在获取创新形体的同时，确保虚拟感知与物质场所的融合一致。

2．可计算的物理迭代

需要注意到，飞利浦展馆项目没有使用任何的计算机辅助技术，而如此复杂形状的数值计算在当时却是完全不可能的。正是如此，飞利浦展馆设计有着以下两点的具体回应：一是可参数化描述的建筑形体，即整个展馆的复杂曲面均由几何计算得到，改变其中任一参数，则整个形体随之改变，这也是该案例被视为参数化建筑设计先驱的原因所在。另一点是可反馈物理状态的模型制作，即不同尺度、不同目标的实体模型在设计过程中被充分利用。而建筑模型一直被视为建筑实体的全方位参照，能够客观测试设计模型在现实中能否承受各种物理条件，进而辅助设计师作出决策。所以，飞利浦展馆形体通过“数据计算+ 实体反馈”的操作方式，精确提取由设计模型到建筑实体的综合工况认知，包括结构、材料、构造等不断变化的物理影响，再由此逆向整合后作用于设计模型，最终正确刻画出覆盖建筑全生命周期的实体状态。

3．虚实效能的融合互用

自文艺复兴时期的专业分工产生以来，建筑形体一般是从建筑师所关注的空间美学效能进行探讨，而忽视了具有同等价值从物理效能角度展开的工程性技术试验。与之不同的是，在飞利浦展馆形体的生成过程中，除了建筑师的参与外，其创新实践还离不开声学家、音乐家、结构师、承建商等多个专业的贡献。比如声学家根据混响时间和隔音效果决定了墙壁厚度，音乐家则根据影像投射提出了曲面扭转的角度要求，结构师和承建商更是通过创造性工艺系统的提出，直接推动了后两次的形体修改直至最终确定。值得注意的是，由于之前均没有处理过与飞利浦展馆类似的复杂曲面建筑，此时各个工种并不是被动地单纯提出技术咨询方案，而是以设计模型为基础，在彼此展开各自专业计算的同时融合互用，进而在相互转化的过程中推动最终物理实体的呈现。

结语

建筑造物是一项与物质博弈的人工活动，往往在实现个性化创造的同时却难以驾驭物质，导致无法得到与设计预期完全一致的建筑实体。飞利浦展馆形体不仅是虚实混合的早期空间原型，给观众带来了融合视觉、听觉、触觉等多维感知的空间体验效果，而且还是首个全部采用直纹曲面建造的建筑实体，有效解决了结构、材料、工艺等方面的物理实现问题。因此，飞利浦展馆项目通过运用创新的空间概念、大胆的结构方案和实验性的建筑材料，赋予其高超的设计智慧，成为探索解决虚拟设计模型与物理建筑实体之间矛盾的生动案例。

如今，得益于传感器、大数据、扩展现实和人工智能等技术带来的机遇，数字孪生作为一种从物理对象收集数据、再对结果进行分析与操作的技术，使得物质具有能动性并逆向赋能设计，由此从物理维度扩展了建筑形体的生成认知，也必然会推动建筑形体设计新的革命。从这一角度出发，飞利浦展馆案例无疑能为数字孪生建筑的设计与实践提供参考，即通过物理感知的模型化、可计算的物理迭代，以及虚实效能的融合互用，在摆脱虚拟与物理两者转化束缚的基础上，赋予建筑形体更大的创新潜能。

注释：（向上滑动查看）

[1]Carpo M. The Second Digital Turn: Design Beyond Intelligence [M]. Cambridge: MIT Press, 2017: 1-19.

[2]Picon A. Beyond Digital Avant-Gardes: The Materiality of Architecture and Its Impact[J]. Architectural Design , 2020, 90(5): 118-125.

[3]Rosen R, Wichert G V, Lo G, et al. About the Importance of Autonomy and Digital Twins for the Future of Manufacturing[J]. IFAC-Papers On Line , 2015, 48(3): 567-572.

[4]Grieves M, Vickers J. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems [M]. Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems, Springer, 2017: 85-113.

[5]Hunhevicz J J, Motie M, Hall D M. Digital Building Twins and Blockchain for Performance-based(smart) Contracts[J]. Automation in Construction , 2022, 133: 103981.

[6] 孙澄、曲大刚、黄茜：《人工智能与建筑师的协同方案创作模式研究：以建筑形态的智能化设计为例》[J]，《建筑学报》,2020 年第2 期，第74—78 页。

[7] 周志：《新希望 :1958年布鲁塞尔世博会》[J]，《装饰》，2010 年第6 期，第68—73 页。

[8]Vincenzo L, Andrea V, John F, et al. A Virtual-Reality Reconstruction of Poème électronique Based on Philological Research[J]. Computer Music Journal , 2009, 33 (2):24–47.

[9]Clarke J. Iannis Xenakis and The Philips Pavilion[J]. Journal of Architecture , 2012, 17(2):213-229.

[10]Tazelaar K , Heer J D . From Harmony to Chaos – Le Corbusier, Varese, Xenakis. and La Poeme Electronic [M]. Duizend en Een Uitgeverij, 2017:8.

[11]Treib M. Space Calculated in Seconds [M]. Princeton University, 1996 ：9-51.

[12]Sdegno A. Ruled Surfaces in Le Corbusier's Architectures [M].Migliari R. Descriptive Geometry and Digital Representation: Memory and Innovation, McGraw-Hill, 2012: 167-175.

[13]Philips Research Laboratory. Philips Technical Review [M]. Philips, 1958:1-36.

[14]Capanna A. Conoids and Hyperbolic Paraboloids in Le Corbusier's Philips Pavilion[J]. Nexus Network Journal, 2000, 3(02):35-44.

[15]Sdegno A. Simple Tools for Complex Geometries. Genesis and Reconstruction of The Philips Pavilion[C]. Le Vie dei Mercanti. X Forum Internazionale di Studi, Less More Architecture Design Landscape, 2012:102-111.

[16] Meyboom A L , Johnson G , Wojtowicz J . Architectronics: Towards a Responsive Environment[J]. International Journal of Architectural Computing , 2011, 9(1):77-98.

来源：《装饰》2023年第5期。

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