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[个人作品] 毛细现象和城中村更新——北京旧城改造中的参数化设计研究

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发表于 2015-4-1 00:26:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 爱小囧 于 2015-4-1 00:39 编辑

长期在论坛中潜水,看到大多都是关于技术的研究,索性我希望这篇自己的论文会给大家带来更多的参数化设计思考。

这个设计是2013年年底在徐丰老师的指导下完成的,论文定稿和发表则已经延到了2014年底。


在这里感谢徐丰老师给予设计和论文上的指导


不废话,直入主题。(图糙勿喷)
由于权限限制,仅能上传20张图片,所以我略去了一些不是特别重要的图片。







                                                                                                                                                
                                                                                                                                                
毛细现象和城中村更新
                                                
——北京旧城改造中的参数化设计研究
                                       
                                
                        
               
摘 要 对北京城中村区域在城市化进程中的演进可能性进行研究。采用参数化技术建立以城市功能模块及人群流动为概念起点的动态化城市区域模型及设计原型, 以此对城中村的激活和城市肌理的演进提出多维度保护与发展的新思路。
                                                
关键词 参数化;旧城改造;原型;城中村;动态组织

1  议  题
    北京城如同树木年轮一般,一圈一圈地向外扩张、发展。这种演进式发展的最初可以追溯自金、元至明清时期。在北京这样的古都的演进过程中,如何对待历史上形成的城市中心生活区,保护历史造就的城市特征,处理传统城市空间与现代都市元素的关系,促进传统与现代的共生都是不可回避的问题。笔者针对北京城中村区域进行了相关研究,探索北京在城市化快速发展进程中面临的深刻危机和挑战。在为期两年的研究中,我们试图挑战传统的设计方法 ,提炼可能控制 、影响城市形态的动态因素 ,诸如城市和经济的发展 、环境、人口的流动和迁徙等。城市作为一种连续不断的流动体系,与广义的自然环境存在着一定的差异。我们挑战城市作为一种固化物永久不变的概念,提出城市作为不断流动的体系,在回应诸多影响因素过程中生长、变化和演进。整个研究阶段的重点在于如何回应影响城市发展的动态因素,并在其影响下创造一个流动循环的城市体系。我们探索数字技术,在现存的城市环境中编排动态交互的复杂城市环境;基于对数字工具的探索生成和控制动态模型,设计者可以通过各种经验和假设与参数发生互动。我们的关注点在于让参与者的回馈和评价透过视觉表象去回应生态、土地、水、矿物等各种问题的方法,这样的导出我们称之为建筑。
    近些年,随着中国社会的发展,城市化进程的速度越来越快,一些棘手的城市发展问题也随之出现。改革开放以来的30年间,中国的城市规模迅速扩大,原先分布在城市周边的村庄在城市的发展中被迫进入城市规划范围,村子被一栋栋高楼大厦围绕,最终形成了相对闭塞的城中村式的村落形态。
    本项目试图通过对某种物理现象(毛细现象和渗透现象)的研究,从中找到一些可以为城市设计所用的物理意义,来解决某种城市化发展问题,从而探讨未来城市发展的方向。
    项目基地位于北京市四惠区域,西北侧是北京中央商务区。基地与外界相对孤立,北侧隔着通惠河与中央商务区相望,北京东站的铁路和火车站将基地与南部住宅区分隔 ,东侧为四环高架桥 ,每天都有大量车辆往来。由于场地的这种特殊性,其主入口只能设置在西侧的沿街面上,但长达1000m的纵深让人群很难充分进入场地。常年来,如此之好的地段却因管理和经济扶持的缺乏、交通的相对闭塞而环境日渐恶劣,尤以基地东南侧为甚。随着原住民的搬迁,基地内居住人口变得繁杂。在此居住的人们由于生活水平的低下,渐渐与外界处于隔离状态,使此地成为了被周边建筑群包裹着的城中村。
    除了东南侧的城中村,场地内还设有北京东站、八王坟长途汽车站、杂货市场等。由于人员构成的杂乱和管理的缺乏,这些地区也存在着同样的环境恶劣的问题,脏乱差的城市环境不但破坏了城市形象,也对人们的安全、健康造成了威胁。
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2  构思:连接中央商务区和南部住宅区
    由于场地的特殊地理位置,中央商务区和南侧住宅区的规划和发展都相对比较成熟。通过信息收集和分析,将这个地区未来的业态发展定性为大型市民活动场所,商业步行街区为最佳。配套的高级商务和酒店服务可加快人流速度,快速激活整个地区,在带动区域发展的同时连通中央商务区与南部住宅区,促进人流的城市穿越。
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3  数据收集、整理与分析
    在前期的数据分析阶段,从基地所在的宏观片区进行信息收集和整理,并推导出基地周边的主次路网关系、一天内不同时间段的人口密度分布、道路交通压力以及人流动线对道路交通的影响等,从而分析出基地中的优劣因素,把握好设计需针对的问题和解决方向。之后通过收集和整理较微观的基地周边城市主要干道、道路噪音、火车站、景观带、地铁站(远、近)、公交车站、长途客运站等方面的相关数据,分析出各因素对场地的影响,推导出场地中各层次空间的尺度以及公共空间、商业、住宅、办公等不同功能的用地价值。
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4  前期数据分析的参数化软件 支持
    采用Rhino软件的Grasshopper插件对前期数据进行处理,通过链接不同的数据输入和输出值,在Grasshopper里设定区间取值,以等高线的方式把数字的峰值和谷值直观地表现出来。同时可在Grasshopper里链接不同的场地影响因素,观测它们之间相互影响的可能性。

5  抽象的物理和计算机实验阶段
    项目的目标是设计一个链接中央商务区与南部住宅区的区块,在最终设计成果中最为强调的是对城市穿越性的优化,这一改善场地相对闭塞的状态的目标决定了设计过程中对物理实验方式的选择。由于毛细现象呈现出来的扩散效果与场地中的人流渗透与穿越非常类似,所以设计中选择毛细现象进行了大量的物理实验,包括宣纸与墨水垂直接触时随时间推移墨水在宣纸上产生的形态变化、墨水滴在显微镜下水平放置的宣纸上后随时间推移在宣纸上产生的形态变化、彩色墨水与宣纸接触后产生的图案等不同方式的实验。
    通过更改墨水的密度和纸张的材质并进行多次实验,最终归纳出毛细现象的基本规律,并在计算机中模拟了墨水的流动过程与纸质纤维之间的关系(2D与3D)。从模拟图中可以清晰地看出,纸质纤维与墨水之间存在着一种引导和被引导的关系。
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 楼主| 发表于 2015-4-1 00:29:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 爱小囧 于 2015-4-1 00:45 编辑

6 与场地结合的物理实验
    通过设计前期的数据收集、整理与分析,得到了项目用地中不同功能用地的价值;在物理实验中,发现纸质纤维在毛细现象中起到了引导墨水流动的作用。将这两步工作进行整合,即可将收集到的用地价值分析数据具象为可用于物理模拟的可视化的无线网格网络(mesh面)。

                               
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    之后尝试将物理实验与得到的用地价值基础面进行结合,发现了以下两种现象,并分别对其建筑性进行了大胆假设。
(1)通过单体物理模型实验,发现不同材质的纸张与墨水之间的作用结果不一致,而影响作用结果的因素大致可归纳为四点:墨水在纸张上的流速、墨水流经纸张过程中的渗透量、墨水渗透后对纸张的影响面积以及墨水流经纸张的路径长度。
    如果假设墨水的流动代表人流动向, 纸张代表不同的功能建筑,则上述四个因素可以分别对应为人流穿越场地的速度(墨水在纸张上的流速)、场地内建筑对人流的拉动性(墨水流经纸张过程中的渗透量)、建筑进深与人流可达性(墨水渗透之后对纸张的影响面积)、场地内部的可达性(墨水流经纸张的路径长度) 。

                               
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    在实验中选用了不同材质的纸张,选择现象差异最为明显的四种纸张进行对比后,发现可将不同纸张与不同的建筑功能进行类比 ,如 :墨 水在宣纸上流速慢(人流穿越场地的速度慢),墨水流经宣纸的渗透量多(场地内建筑对人流的拉动性大), 墨水渗透之后对宣纸的影响面积大(建筑进深与人流可达性高),墨水流经纸张的路径长度短(场地内部的可达性差 ),宣纸所对应的建筑性质恰好符合商业建筑所具有的特征。同时一一整理分析卡纸、打印纸 和硫酸纸的性质特征,并将其分别对应于公共空间、住宅建筑和办公建筑所具有的建筑性质。

                               
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(2)在计算机中,仍然采用Rhino Grasshopper对之前生成的Mesh面赋予材质属性,并进行滴墨模拟。在算法上用粒子系统模拟墨滴的运动,并追踪粒子在Mesh面上的运动轨迹,形成一系列样条曲线。随着初始设定的不同(位置、起始粒子数量 、初速度 、Mesh面坡度等 ),其运动的 轨迹也会不同,从而得到如图所示的模拟的墨水路径。

                               
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(3)通过进行大量的单体物理实验和计算机模拟实验,让实验产生的结果通过 数据可控后,在整个基地上进行物理实验模拟。选择单一的效果明显的材质作为主要的实验用材,以增强实验结果的可观察性。从整个场地的物理实验中发现了另一个可用的实验建筑性:利用宣纸的折叠拼接来模拟前期分析所得出的用地价值基本面,在物理模型上进行滴墨实验,得到的结果明确地显示了滴墨点、墨水流经路径和墨水扩散点的位置及关系。之后发现可将结果假设为可以人为控制的场地入口 (滴墨点)、希望在场地中大量聚集人群的区域(墨水扩散点)以及从场地入口引导人流进入场地、到达目标区域的路径(墨水流经路径) 。

                               
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    通过上述两个现象和所假设出的实验建筑性,归纳出此次设计中可以运用到的逻辑工具,即可以通过设置场地入口(滴 墨 点)、人群聚集区域(墨水扩散点)和不同的功能区域(纸张材质)来影响人流(墨水路径)的方向、速度并对人流的被拉动性和可达性进行优化。

7 针对项目基地的设计
    由于前文已分析到的项目基地相对封闭的特殊性,设计概念被确定为分期建设:从场地周边的商业敏感地带入手,大量引进商业,为中央商务区、南部住宅区以及周边地区提供快捷的商业服务;当商业运作正常进行后,每个区域之间产生次中心区,用以连接两个边缘中心,从而既建立起地块边缘中心之间的联系,又对人流的城市穿越需求起到一定的辅助作用,将人流渐渐引入中心区域 ;第三 、四阶段的目标是发展更为密集的微中心区域,进而建立起整个基地的关系网络,划分不同功能用地中的人流路径,实现最优化的城市穿越;最终通过人流的大量穿越和聚集来激活整个区域。

                               
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7.1 人流路径的确定
    首先随机选择基地周边的入口以及基地内部需要人流汇集的点进行人流路径模拟。同时变换不同功能用地价值的基本面来影响模拟出的人流路径,并将二维的平面路径转化为三维的立体路径。
    根据设计概念,通过数据分析得出基地周边最具商业敏感度的区域,将其设定为计算机模拟的第一期基地入口。选择适用于商业功能的用地价值基础面和相对应的纸张材质,进行第一期计算机模拟。分析得到的结果并选择次中心区的位置, 进行第二期计算机模拟。依此类推完成第三、四期的微中心吸引人流的计算机模拟。当完成最后一期的计算机模拟后可发现,整个场地基本已完全被人流路径所覆盖,从而达到了设计概念所预期的场地激活的目标。

                               
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    在垂直空间模拟时,首先导入根据最初收集的数据所分析出的基地功能用地价值基本面。由于不同的功能在基地中的用地分布不同,分期建设中不同功能的建设时段也不尽相同,所以模拟产生的路径所形成的空间也存在着时间和空间上的差异。

                               
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    对所得到的横向和纵向路径进行三维转化,即可形成较为完整且分期明确的三维人流动线图(上图右)。

7.2 参数化工具的辩证使用
    应当看到,参数化工具(主要在Rhino Grasshopper内)的使用最大的优势是建立起从场地数据到抽象形态的关联,通过场地数据的分析和计算机里的重新处理,在场地内建立起一个动态的力场。这个力场与场地周边的因素如交通、城市功能、气候、日照、水文等相互影响,在其作用下, 场地内部的功能布局、人流组织和密度分 布能够初步整合在一起,通过一系列动态三维路径图展示出来。从这个意义上讲, 三维人流路径图所展示的并非传统意义上的城市布局或城市设计所指向的形态,而是数据在时间、空间维度上的具象转译和展示,因此将三维人流路径图看作更高层次的数据图也不为过。
    在此基础上,需对三维人流路径图进行进一步的处理和转化,才能形成传统意义上的建筑和城市形态。

7.3 从人流路径到建筑形态的转化尝试
    最终得到的人流路径结果明确分为四个建设时间段。尝试将最为简易的第一期路径进行建筑建造优化后发现,多数路径由于不同功能的用地价值基本面的引导作用偏向于同一方向,从平面图上可以清晰 地看到人流路径(未来的人流聚集地—— 道路网)和空白区域(未来的建筑、景观位置)的划分明确。将优化过后的路径曲线 进行筛选整理后,分析挑选出更适宜建造的空白单元区域进行建筑架构的制作,而对于剩余未被开发的空白单元区域,可根据周边发展情况,将业态从公共空间逐步过渡为商业用地,最终形成建筑与景观相互结合的规划概念方案。

                               
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参考文献:
[1] C Alexander. A Pattern Language[M]. New York: Oxford University Press, 1977.
[2] Ball P. Pattern Formation in Nature[M]. Oxford: Oxford University Press, 1999.
[3] Bentley P J, Corne D W. “Creative Evolutionary Systems” in Computa- tional Design Thinking, ed. A. Menges and S. Alquist[M]. London: Wiley, 2002.
[4] Chung C J, Inaba J, Koolhaas R, et al. Great Leap Forward[M]. Koln: Taschen, 2001.
[5] De Landa M. “Deleuze and the Use of the Generative Algorithm in Architecture”in Phylogenesis: FOA’s Ark[M]. Barcelona: Actar, 2003.



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参与人数 1强度 +2 照度 +5 收起 理由
月之眼 + 2 + 5 很有启发!

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发表于 2015-4-1 08:10:19 | 显示全部楼层
好牛,值得学习
发表于 2015-4-1 08:43:23 来自手机 | 显示全部楼层
学习了。。!来自: Android客户端
发表于 2015-4-1 11:00:00 | 显示全部楼层
很久没有出现这么有价值的文章了
发表于 2015-4-2 13:43:15 | 显示全部楼层
爱小囧 发表于 2015-4-1 00:29
6 与场地结合的物理实验
    通过设计前期的数据收集、整理与分析,得到了项目用地中不同功能用地的价值;在 ...

强贴细读!什么时候完成的?历时多久?
发表于 2015-4-2 15:57:11 | 显示全部楼层
太厉害了!我也得努力学习才行
发表于 2015-4-5 10:29:01 | 显示全部楼层
“将这两步工作进行整合,即可将收集到的用地价值分析数据具象为可用于物理模拟的可视化的无线网格网络(mesh面)”,不好意思,这一步没看懂额,是根据用地价值的高低来生成网格么,为什么这样结合呢?
 楼主| 发表于 2015-4-5 18:42:35 | 显示全部楼层
夏始春余 发表于 2015-4-5 10:29
“将这两步工作进行整合,即可将收集到的用地价值分析数据具象为可用于物理模拟的可视化的无线网格网络(mesh ...

从物理实验中,得到了纸和墨水之间是存在某种联系的,用地价值和人流之间,我们也假设了这种联系,比如:在传统设计中,价值高的地方,我们是需要在规划上作出吸引人流走向的设计点。

不知道我有没有错误理解你的疑问,我想你的疑问也许是在,为什么用地价值会直接生成带有空间的网格。其实我想解释的是在整个设计中,仅仅在最后一个阶段我们才生成了“虚拟空间”而已。在前期的电脑模拟中,我们并没有把mesh当作一个空间,而仅仅是一个引导人流走向的载体。

点评

这样啊,嗯,有一些明白了,其实还是有些模糊,不过我也是新手啦,谢谢指教  详情 回复 发表于 2015-4-6 23:36
 楼主| 发表于 2015-4-5 18:48:16 | 显示全部楼层
G.Y. 发表于 2015-4-2 13:43
强贴细读!什么时候完成的?历时多久?

设计在14年初完成的。老师的选题我不知道花了多久,我的设计阶段在半年左右(其实真正设计花的时间很少,多都是花在了前期对物理实验的探索和试验建筑意义的验证上),后期理论性的完善工作也花了半年吧。
发表于 2015-4-6 23:36:41 | 显示全部楼层
爱小囧 发表于 2015-4-5 18:42
从物理实验中,得到了纸和墨水之间是存在某种联系的,用地价值和人流之间,我们也假设了这种联系,比如: ...

这样啊,嗯,有一些明白了,其实还是有些模糊,不过我也是新手啦,谢谢指教
发表于 2015-4-7 18:32:09 | 显示全部楼层
师兄 拜学了!
发表于 2015-4-16 08:43:14 | 显示全部楼层
记不清在哪见到了,看到了 就过来点赞。分享精神伟大!
发表于 2015-4-22 00:23:21 | 显示全部楼层
事物之间的类比与联系~\(≧▽≦)/~
发表于 2015-5-10 13:57:25 | 显示全部楼层
这个好厉害!。。。马下等会仔细看
发表于 2015-5-28 16:55:04 | 显示全部楼层
感觉很有学习价值,赞一个!
发表于 2016-7-9 18:55:30 | 显示全部楼层
爱小囧 发表于 2015-4-1 00:29
6 与场地结合的物理实验
    通过设计前期的数据收集、整理与分析,得到了项目用地中不同功能用地的价值;在 ...

赞一个。。。。。。。。
发表于 2018-8-23 22:14:30 | 显示全部楼层
膜拜大神,好好学习ing
发表于 2018-9-12 09:57:38 | 显示全部楼层
楼主厉害了,不过觉得将不同纸张的物理性质类比于场地对于人流的影响这点牵强了些。虽然在物理表现上有相似的特点,但他们形成这样渗透现象的背后的原理应该还是有区别的。
发表于 2021-7-7 15:37:12 | 显示全部楼层
挺好的出发点。

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