徐衛(wèi)國(guó)/XU Weiguo

參數(shù)化設(shè)計(jì)其實(shí)就是參變量化設(shè)計(jì)，也就是把設(shè)計(jì)參變量化，即設(shè)計(jì)是受參變量控制的，每個(gè)參變量控制或表明設(shè)計(jì)結(jié)果的某種重要性質(zhì)，改變參變量的值會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)果。參數(shù)化設(shè)計(jì)可用在城市設(shè)計(jì)、建筑單體設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)等等不同領(lǐng)域，就建筑單體設(shè)計(jì)而言，參數(shù)化設(shè)計(jì)也可用于不同的方面，如對(duì)已有形體的參數(shù)化控制、對(duì)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、對(duì)建筑表皮的參數(shù)化分形研究等等，而我們最感興趣的是把參數(shù)化方法用于建筑設(shè)計(jì)方案的生成。

參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

在參數(shù)化建筑方案設(shè)計(jì)中，我們把影響設(shè)計(jì)的主要因素看成參變量，即把設(shè)計(jì)要求看成參數(shù)，并首先找到某些重要的設(shè)計(jì)要求作為參數(shù)，然后通過某種或幾種規(guī)則系統(tǒng)（即算法）作為指令，來構(gòu)筑參數(shù)關(guān)系，并用計(jì)算機(jī)語言描述參數(shù)關(guān)系形成軟件參數(shù)模型，當(dāng)在計(jì)算機(jī)語言環(huán)境中輸入?yún)⒆兞繑?shù)據(jù)信息，同時(shí)執(zhí)行算法指令時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)生形目標(biāo)，得到建筑方案雛形。

軟件參數(shù)模型給建筑設(shè)計(jì)帶來了靈活性，可以滿足設(shè)計(jì)過程中生命有機(jī)特性及動(dòng)態(tài)連續(xù)復(fù)雜性的要求，當(dāng)參變量的大小值改變時(shí)，可以在已有參數(shù)模型上，改變輸入信息得到新的結(jié)果，這樣，設(shè)計(jì)結(jié)果變得可控。另一方面，影響建筑設(shè)計(jì)的因素除了主要的因素外還有其他因素，當(dāng)通過軟件參數(shù)模型得到設(shè)計(jì)的雛形后，可以根據(jù)其他因素的影響，進(jìn)一步調(diào)整雛形，得到更高程度上滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。

與人工操作的設(shè)計(jì)過程相比，計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)際上提供了一個(gè)抽象的造型機(jī)器，它可以讓設(shè)計(jì)過程反反復(fù)復(fù)不斷反饋，輸入不同條件得到多個(gè)結(jié)果，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行多次修正，這是人工操作做不到的。參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中的規(guī)則系統(tǒng)及描述規(guī)則的語言、軟件參數(shù)模型、參變量，以及生成的形體都是顯形可見的，與建筑師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程相比，再也不是人腦黑箱生形的不可見過程，相反，它是邏輯化可控的科學(xué)設(shè)計(jì)過程。

參數(shù)化方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[1]告訴我們，設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)將決定設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性及設(shè)計(jì)質(zhì)量，這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括以下6個(gè)方面。

1.設(shè)計(jì)要求信息的數(shù)據(jù)化

設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，包含了人的活動(dòng)行為對(duì)建筑的要求，以及周邊環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)的要求。對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行直觀調(diào)查可有助于我們準(zhǔn)確了解周邊環(huán)境特征，而對(duì)未來建筑使用者進(jìn)行訪談，觀察相似功能建筑中使用者的活動(dòng)行為等方法可獲得更可靠的設(shè)計(jì)信息；但對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)來說，對(duì)周邊環(huán)境特征及人的活動(dòng)行為的數(shù)字化描述是重要的工作，因?yàn)檫@些數(shù)字化的信息將是建筑形態(tài)生成的基礎(chǔ)。

2.設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系的建立

建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響設(shè)計(jì)的因素眾多，在計(jì)算機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，往往首先找到影響設(shè)計(jì)的某些主要因素表現(xiàn)出來的行為或現(xiàn)象，并用某種關(guān)系或規(guī)則來模擬這些行為或現(xiàn)象的特征，比如中國(guó)城市規(guī)劃展覽館建筑中，往往以城市總體模型為中心，參觀者通常首先環(huán)繞總體模型參觀，之后再參觀周邊的其他展廳，像“面包圈”一樣的人流參觀動(dòng)線可以被看成影響設(shè)計(jì)的主要因素，這里，面包圈可以作為設(shè)計(jì)的基本關(guān)系，而中心模型的尺寸、建筑空間的高低、人流量的大小、周邊展廳的數(shù)量及大小等可被看成決定“面包圈”這一關(guān)系的參數(shù)。當(dāng)我們有了這些認(rèn)識(shí)，我們就有了基本的設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系。

3.計(jì)算機(jī)軟件參數(shù)模型的建立

當(dāng)有了基本的設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系，我們還要找到某種規(guī)則系統(tǒng)（即算法）來構(gòu)筑參數(shù)關(guān)系以便生成形體，并用計(jì)算機(jī)語言描述規(guī)則系統(tǒng)，形成軟件參數(shù)模型。軟件參數(shù)模型的建立可通過不同的途徑，比如，使用已有軟件菜單，如Rhino軟件里的放樣操作；也可使用已有的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，如DP、GC、Grasshopper 等建立形態(tài)參數(shù)模型；或利用已有軟件的腳本語言的描述，如MAYA里的MEL語言或Rhino里的Rhinoscripting等；當(dāng)然，我們也可在操作系統(tǒng)平臺(tái)上編寫程序描述規(guī)則系統(tǒng)，形成軟件參數(shù)模型。當(dāng)我們給軟件參數(shù)模型各變量輸入一定數(shù)值的時(shí)候，就得到設(shè)計(jì)雛形；當(dāng)改變輸入值時(shí)，可得到新的設(shè)計(jì)雛形。

4. 設(shè)計(jì)雛形的進(jìn)化

從設(shè)計(jì)要求的某些主要因素得到的設(shè)計(jì)雛形一般只解決了建筑設(shè)計(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng)的主要矛盾，許多其他因素也應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生作用，以便最終設(shè)計(jì)成果能最大程度地滿足使用者活動(dòng)與行為的要求，并與環(huán)境相適應(yīng)。這樣，設(shè)計(jì)雛形還需在其他因素的作用下進(jìn)化，正因?yàn)樵O(shè)計(jì)雛形是在參數(shù)化軟件條件下的圖形，所以，它可以接受其他的操作指令，從而發(fā)生形態(tài)優(yōu)化變形并發(fā)展到令人滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。

5. 最終設(shè)計(jì)形體的參數(shù)化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及構(gòu)造邏輯

建筑設(shè)計(jì)這一復(fù)雜系統(tǒng)的各種因素的綜合作用通常導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)形體是一不規(guī)則的非線性體，僅僅滿足于此是不夠的，因?yàn)檫@一非線性形體如果沒有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及構(gòu)造邏輯的支持是不可實(shí)現(xiàn)的，也就是說，設(shè)計(jì)還沒完成，進(jìn)一步考慮設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及構(gòu)造邏輯可以打開通向該建筑的構(gòu)件加工及實(shí)際建造的通道。參數(shù)化的設(shè)計(jì)對(duì)確立建筑形體的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及構(gòu)造邏輯十分有利，我們可以研究計(jì)算機(jī)軟件生成非線性形體時(shí)的內(nèi)在邏輯，顯示這一建構(gòu)系統(tǒng)可把它用來作為實(shí)際建造的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；我們也可以在軟件內(nèi)根據(jù)形體的應(yīng)力分布進(jìn)行分塊并研究單元體之間的連接構(gòu)造，以這種方法作為基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；此外，也可以首先研究某種自然界生物的結(jié)構(gòu)關(guān)系，并把它用來作為非線性體的基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，諸如此類的結(jié)構(gòu)關(guān)系也是當(dāng)今建筑師及結(jié)構(gòu)工程師樂于探索的對(duì)象。構(gòu)造邏輯是指在大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)下，有限尺寸的分塊材料如何被連接到一起，聯(lián)系的關(guān)系應(yīng)該與結(jié)構(gòu)邏輯具有連續(xù)性。

1 北京798藝術(shù)中心設(shè)計(jì)總平面圖

2 三維封閉空間及景觀視線圖

3 作為觀展路徑的樹枝形狀結(jié)構(gòu)圖

4 方案形態(tài)雛形圖

5 設(shè)計(jì)方案內(nèi)部動(dòng)線圖

6 設(shè)計(jì)方案圖

(方案設(shè)計(jì): 劉傲，郄崇霄; 設(shè)計(jì)輔導(dǎo): 徐衛(wèi)國(guó)，徐豐，黃尉欣)

6. 設(shè)計(jì)成果的測(cè)試與反饋

參數(shù)化過程設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)是要獲得最高程度滿足使用要求的設(shè)計(jì)結(jié)果，盡管設(shè)計(jì)過程的邏輯性在很大程度上保證了這一點(diǎn)，但是，設(shè)計(jì)結(jié)果究竟是否滿足要求仍需進(jìn)行測(cè)試，這是必要的環(huán)節(jié)，目前我們還只能依靠有限的手段對(duì)結(jié)果檢測(cè)，如借用Ecotec、Dust等軟件或自編程序測(cè)試設(shè)計(jì)結(jié)果，并把測(cè)試的結(jié)果借助參數(shù)化平臺(tái)反饋到設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)調(diào)整各個(gè)環(huán)節(jié)使設(shè)計(jì)結(jié)果更趨完善。

從以上論述我們也可看出參數(shù)化設(shè)計(jì)過程具有以下特點(diǎn)：（1）參數(shù)化設(shè)計(jì)過程的起點(diǎn)在于對(duì)人及環(huán)境的尊重；（2）設(shè)計(jì)策略在于通過判斷和取舍對(duì)過程的控制決定設(shè)計(jì)結(jié)果；（3）設(shè)計(jì)過程遵循前后連續(xù)的因果邏輯關(guān)系可獲得與設(shè)計(jì)起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果；（4）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及構(gòu)造邏輯的研究保證了設(shè)計(jì)結(jié)果的可實(shí)施性。

算法生形

在上述建筑設(shè)計(jì)方案的參數(shù)化生成過程中，“設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系的建立”及“軟件參數(shù)模型的建立”是核心內(nèi)容，實(shí)際上，這是參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)的“找形”過程，它可以被解釋為在人的活動(dòng)行為要求以及外界因素影響下，建筑作為物質(zhì)系統(tǒng)自組織的過程，它是建筑形式自下而上、自我呈現(xiàn)的形態(tài)發(fā)生過程，這種設(shè)計(jì)思想涉及到3種形態(tài)生成及反饋過程：一是作用于建筑形式的環(huán)境外力，以及形式對(duì)于外力的抵抗；二是建筑形態(tài)和人類主體之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系；三是人類主體和作用于形式的環(huán)境之間的互動(dòng)。找形過程超越了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使形態(tài)系統(tǒng)的自組織在物理的找形過程中得到了體現(xiàn)，并完成了上述反饋的過程，因而建筑形式將更趨向于對(duì)周邊建成環(huán)境的最大程度地適應(yīng)。

這一找形過程是一個(gè)解決復(fù)雜問題的過程，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法根本無法解決這一復(fù)雜問題，今天，我們主要是通過規(guī)則系統(tǒng)（即算法）來構(gòu)筑參數(shù)關(guān)系，并用某種計(jì)算機(jī)語言描述算法，來構(gòu)筑軟件參數(shù)模型解決這一復(fù)雜問題。

算法是一系列按順序組織在一起的邏輯判斷和操作，即指令，它們共同完成某個(gè)特定的任務(wù)，在這里，特定的任務(wù)就是構(gòu)筑參數(shù)關(guān)系。我們以北京798藝術(shù)中心設(shè)計(jì)為例闡述設(shè)計(jì)找形的過程， 設(shè)計(jì)場(chǎng)地位于D-Park中心（圖1），在對(duì)人的活動(dòng)及周邊環(huán)境分析及調(diào)研的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系被確定為：動(dòng)態(tài)的“觀”與“展”關(guān)系、展品位置、觀展人數(shù)、觀者運(yùn)動(dòng)線路、觀者視線等因素可作為參數(shù)。這一特定場(chǎng)地的觀展，不僅包括藝術(shù)中心內(nèi)部的觀與展，并且，在建筑里行走時(shí)觀看到場(chǎng)地周邊工業(yè)遺產(chǎn)的景觀也是非常重要的觀展內(nèi)容。

根據(jù)這一設(shè)計(jì)定位，三維DLA（Diffusion Limited Aggregation 限制性擴(kuò)散聚集）算法[2]被用來建立上述設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系。三維DLA算法可解釋為，在一個(gè)三維封閉空間里放入若干個(gè)靜止的粒子，并在空間邊界隨機(jī)放入若干個(gè)新粒子，這些粒子作隨機(jī)行走，如果碰到空間中靜止粒子則凝聚不動(dòng)；如果碰到空間外壁則不考慮它；并可不斷放入新的粒子，讓它們作同樣的運(yùn)動(dòng)，直至產(chǎn)生相對(duì)理想的凝聚結(jié)果，這一結(jié)果將是各種各樣的分形結(jié)構(gòu)，它們與自然界中樹枝形狀相似。 在用這一算法構(gòu)筑設(shè)計(jì)關(guān)系時(shí)，靜止的粒子代表展品，隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的粒子代表觀展者，最后形成的樹枝形狀結(jié)構(gòu)反映了觀展路徑；在構(gòu)筑三維封閉外壁的時(shí)候，把實(shí)地調(diào)研而得到的場(chǎng)地上觀看周邊工業(yè)遺產(chǎn)的最好角度，以若干條視線作為控制，建立管狀外壁，以留出視覺通廊，外壁的其他部分則考慮了退紅線、西南廣場(chǎng)人流活動(dòng)要求、與保留建筑的關(guān)系等因素而確定（圖2）。接著，選用了Rhinoscripting將算法寫入計(jì)算機(jī)建立了軟件參數(shù)模型，經(jīng)過多次試驗(yàn)后得到了作為觀展路徑的樹枝形狀結(jié)構(gòu)圖（圖3）。

以此樹枝形狀結(jié)構(gòu)圖作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)者又用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中變形球技術(shù)（Metaball）[3]獲得建筑設(shè)計(jì)方案雛形。具體做法是在樹形結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處布置變形球，并調(diào)節(jié)變形球的能量場(chǎng)，變形球技術(shù)就可根據(jù)等勢(shì)面原則構(gòu)筑出不規(guī)則曲面體作為設(shè)計(jì)方案雛形（圖4）。再根據(jù)其他設(shè)計(jì)要求及條件的作用，設(shè)計(jì)雛形便發(fā)展到設(shè)計(jì)方案（圖5，6）。

在這一設(shè)計(jì)案例中，設(shè)計(jì)者借用了DLA 這一已有算法并進(jìn)行了修改來解決建筑設(shè)計(jì)問題，但實(shí)際上，面對(duì)有些設(shè)計(jì)問題，我們有時(shí)并不能找到合適的已有算法來解決問題，這就需要根據(jù)具體設(shè)計(jì)問題，運(yùn)用某種理論創(chuàng)造算法來解決問題，比如本期專欄后兩篇文章所介紹的兩位西方年輕建筑師羅蘭·斯努克斯及愛麗莎·安德羅塞克，他們就是在不同理論的指導(dǎo)下，創(chuàng)造算法并編程解決生形問題，前者善長(zhǎng)于運(yùn)用集群智能思想，自寫算法生成設(shè)計(jì)形態(tài)，而后者則在涌現(xiàn)思想及多代理思想指導(dǎo)下，自寫算法生成設(shè)計(jì)。另一方面，對(duì)于有些設(shè)計(jì)問題， 我們也不一定需要通過算法及編程這種高級(jí)的生形手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們也可以直接使用已有軟件菜單，如Rhino軟件里的放樣操作、已有的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，如Grasshopper 等手段直接將設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系在這些軟件里建立參數(shù)模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)生形，其實(shí)，這些軟件操作指令的背后也是一種算法在起作用。

算法由于有計(jì)算機(jī)程序的驅(qū)動(dòng)可以生成形態(tài)，因而，使得建筑設(shè)計(jì)“找形”的形態(tài)發(fā)生及反饋過程成為可能，從而，實(shí)現(xiàn)了建筑形態(tài)在與環(huán)境外力及人類主體行為動(dòng)態(tài)相互作用下，建筑形體的自組織生成目標(biāo)。作為結(jié)果，建筑形態(tài)與周邊建成環(huán)境及人的活動(dòng)要求之間將具有最大程度的協(xié)調(diào)性?！酰ū菊撐膶賴?guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)51078218）

注釋：

[1] 清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑設(shè)計(jì)系列課從2004年開始，每年在三年級(jí)第二學(xué)期設(shè)置“非線性建筑設(shè)計(jì)課”，在至今8年的課程實(shí)踐中，初步探索了參數(shù)化非線性建筑設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)過程。

[2] DLA算法由美國(guó)人T. A.Witten 和L. M. Sander于1980年代初提出，這是一個(gè)分形生長(zhǎng)模型，最初該模型主要是為了研究懸浮在大氣中的煤灰、金屬粉末或煙塵擴(kuò)散的凝聚問題；目前DLA 模型主要應(yīng)用在分形聚集生長(zhǎng)、絮凝體仿真模擬、植物生長(zhǎng)模擬以及圖案設(shè)計(jì)等方面。

[3] 變形球（Metaball）技術(shù)是由Jim Blinn于1982年發(fā)明， 它是一種建立變形曲面的技術(shù)。它的主要原理是利用變形球建立能量場(chǎng)，然后通過標(biāo)量域的等勢(shì)面來建立三維曲面模型。簡(jiǎn)單的說，就是在空間里布置一些變形球，每個(gè)變形球都有一個(gè)能量場(chǎng)，通常用勢(shì)能函數(shù)來表示；設(shè)空間里布置著無數(shù)個(gè)點(diǎn)，在其中某一點(diǎn)，它的能量為每個(gè)變形球給它的勢(shì)能的疊加，然后在空間的所有點(diǎn)找出勢(shì)能相同的點(diǎn)，就得到一個(gè)由這些點(diǎn)組成的曲面。