魏力愷，張 頎，張 備，許 蓁，張昕楠

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072;2.美國加利福尼亞州Google公司，California 94043)

建筑數(shù)字技術(shù)的本質(zhì)是根據(jù)設(shè)計(jì)師的深層需求和習(xí)慣，將信息技術(shù)適應(yīng)性地應(yīng)用于建筑實(shí)踐之中，使設(shè)計(jì)過程更加理性、高效和令人愉悅[1]。在設(shè)計(jì)前期階段，設(shè)計(jì)師常常需要參考記憶或文檔資料中的相關(guān)案例，根據(jù)限定條件推敲后得到設(shè)計(jì)方案(見圖1)。這一過程在信息技術(shù)領(lǐng)域被稱為“基于案例推理”，并被發(fā)展為多種“基于案例設(shè)計(jì)”工具應(yīng)用于建筑實(shí)踐中。這種將數(shù)字化技術(shù)聚焦于設(shè)計(jì)過程和方式而非設(shè)計(jì)結(jié)果的研究，在未來建筑數(shù)字技術(shù)發(fā)展中具有巨大潛力，但卻往往被我國建筑學(xué)界所忽視。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與基于案例設(shè)計(jì)過程示意

一、基于案例設(shè)計(jì)思想

基于案例設(shè)計(jì)思想起源于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的基于案例推理理論，是20世紀(jì)90年代初興起的一項(xiàng)嶄新的建筑數(shù)字技術(shù)，在建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐和教學(xué)等方面發(fā)揮了重要作用。

1.基于案例推理

基于案例推理(CBR)從廣義上講，就是借鑒以往相似問題解決方案來處理新問題的過程。CBR最早可以追溯到1982年，美國耶魯大學(xué)人工智能專家羅杰[2](Roger Schank)教授建立的“動(dòng)態(tài)記憶”(dynamic memory)理論，在此基礎(chǔ)上他的學(xué)生珍尼特[3](Janet Kolodner)創(chuàng)建了最早的CBR系統(tǒng)“CYRUS”。隨著20世紀(jì)80年代相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼推出了“法律推理”、“基于記憶推理”和其他與CBR結(jié)合的系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，國際計(jì)算機(jī)領(lǐng)域已開始廣泛關(guān)注基于案例推理系統(tǒng)，并于1995年建立了“基于案例推理國際會(huì)議”。CBR理論目前在軍事、醫(yī)療、法律、教育和土木建設(shè)等領(lǐng)域均占有不可忽視的地位。

挪威科技大學(xué)的奧莫特[4](Agnar Aamodt)教授是CBR理論的重要奠基人和開拓者。他將基于案例推理形式化描述為包括4個(gè)主要過程的“CBR環(huán)”(見圖2)。

圖2 CBR環(huán)

A.檢索:從案例記憶庫中搜索得到相關(guān)方案以解決目標(biāo)問題;

B.再利用:經(jīng)過適應(yīng)性調(diào)整，將檢索得到的“建議解決方案”應(yīng)用于目標(biāo)問題之中;

C.修改:對(duì)再利用過程得到的新解決方案，在現(xiàn)實(shí)世界(或模擬)中進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)行修改，得到“最終解決方案”;

D.更新:將“最終解決方案”作為新案例存儲(chǔ)在記憶中，實(shí)現(xiàn)對(duì)案例庫的不斷更新。

2.基于案例設(shè)計(jì)

基于案例設(shè)計(jì)提供了一種從大量既有方案中快速搜索得到設(shè)計(jì)師需要的相關(guān)方案的有效方式。在建筑設(shè)計(jì)中，參考過去相關(guān)項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)方案對(duì)于解決現(xiàn)有問題具有十分重要的意義。當(dāng)設(shè)計(jì)師拿到一份新的項(xiàng)目策劃或任務(wù)書，準(zhǔn)備在空白圖紙上起草設(shè)計(jì)方案時(shí)，首先要做的事情，必然是要么回憶以往類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，要么翻開資料圖集尋找“靈感”。靈感來源于兩個(gè)載體，一個(gè)是大腦，一個(gè)是紙張(或網(wǎng)絡(luò))，二者都是集合了眾多有效解決方案的數(shù)據(jù)庫，建筑師在數(shù)據(jù)庫中檢索參考方案，并按照設(shè)計(jì)要求將其進(jìn)行調(diào)整和修改以適應(yīng)新環(huán)境的過程，就是應(yīng)用CBR理論的基于案例設(shè)計(jì)(CBD)過程。

CBD在智能過程中使用空間拓補(bǔ)關(guān)系對(duì)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行特征描述，并以此為基礎(chǔ)尋找、生成和比較解決方案[5]。無論在城市、建筑還是景觀設(shè)計(jì)中，通過分別從不同層面提取空間關(guān)系特征，比較設(shè)計(jì)方案中空間拓補(bǔ)關(guān)系的相似程度，即可利用基于案例推理技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的檢索、再利用、修改和方案庫更新。CBD工具的核心技術(shù)是如何對(duì)既有設(shè)計(jì)方案內(nèi)部的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理架構(gòu)，這直接決定系統(tǒng)是否能夠快速有效地進(jìn)行案例檢索和適應(yīng)性調(diào)整。深入剖析不同CBD原型的工作原理和特征，有利于我國研究者了解基于案例設(shè)計(jì)的技術(shù)方法，為開發(fā)滿足我國建設(shè)發(fā)展需求的CBD工具提供參考。

二、基于案例設(shè)計(jì)原型

自20世紀(jì)90年代初，基于案例設(shè)計(jì)成為建筑數(shù)字技術(shù)中的一項(xiàng)熱門領(lǐng)域[7]，眾多CBD原型相繼出現(xiàn)。本文將CBD實(shí)例劃分為“基于單機(jī)”和“基于網(wǎng)絡(luò)”兩部分介紹。

1.基于單機(jī)

“基于單機(jī)”CBD原型指需要安裝的CBD應(yīng)用程序，主要特點(diǎn)是開發(fā)靈活、功能多樣。

(1)Archie-II。Archie-II是1992年美國佐治亞理工大學(xué)建筑學(xué)院和人工智能實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的CBD建筑師輔助工具[8-9]，是由CBR最早在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用之一Archie延續(xù)而來。Archie-II在公共建筑設(shè)計(jì)的前期構(gòu)思階段為設(shè)計(jì)師提供過去的相關(guān)案例，并主要將功能定位在案例的檢索與展示，并未涉及案例的適應(yīng)性調(diào)整與修改(見圖3)。

圖3 Archie-II使用界面

Archie-II作為最早的CBD工具之一，其重要特征是將人們對(duì)既有建筑方案的評(píng)價(jià)也作為建筑知識(shí)信息，使設(shè)計(jì)師將此類建筑生命周期中的影響因素也考慮在內(nèi)。此外，其獨(dú)特的將“關(guān)系性索引”和“描述性索引”相結(jié)合的檢索方式，使建筑不需要將設(shè)計(jì)要求一一割裂開來，可以同時(shí)輸入多種要求進(jìn)行綜合檢索。Archie-II也存在一些缺陷，一是其復(fù)雜的檢索系統(tǒng)很難對(duì)數(shù)據(jù)庫中的案例進(jìn)行添加、移除和重組;二是其過多地針對(duì)于公共建筑，而對(duì)其他建筑卻并不適用。

(2)CADRE。CADRE系統(tǒng)是“基于案例空間設(shè)計(jì)推理”(case-based spatial design reasoning)和“通過降維的基于案例建筑設(shè)計(jì)”(case-based building design through dimensionality reduction)的縮寫，1994年由蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)建筑與CAAD實(shí)驗(yàn)室、鋼結(jié)構(gòu)研究所和人工智能研究所共同開發(fā)的，輔助建筑設(shè)計(jì)前期階段的CBD工具[10]。CADRE系統(tǒng)中的案例整合了建筑的空間、流線和結(jié)構(gòu)3方面信息，并主要集中于將設(shè)計(jì)案例根據(jù)新環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整[11](見圖4)。

圖4 CADRE根據(jù)地形環(huán)境對(duì)案例進(jìn)行的適應(yīng)性調(diào)整

CADRE系統(tǒng)與Archie-II明顯不同的是，后者旨在幫助設(shè)計(jì)師搜索相關(guān)案例，而前者則關(guān)注在得到相關(guān)案例后如何將其修改為新設(shè)計(jì)方案。CADRE系統(tǒng)存在的主要問題是，一個(gè)包含空間功能、流線和結(jié)構(gòu)在內(nèi)的完整建筑方案很難僅通過簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)、復(fù)制和刪減直接適應(yīng)到新環(huán)境中。同時(shí)，由于CADRE是采用AUTOCAD模型的CBD工具，所以使用者很可能直接將案例模型復(fù)制到新項(xiàng)目中，從而導(dǎo)致法律問題的出現(xiàn)。

(3)Casebook。2000年，由代爾夫特理工大學(xué)建筑學(xué)院依楠克[12]提出的“案例書”，利用住宅建筑的空間-功能關(guān)系對(duì)平面布局圖進(jìn)行儲(chǔ)存和檢索。開發(fā)者想通過“懶惰”和“后協(xié)調(diào)”方式提供一種靈活的建筑平面分類方式(見圖5)。

圖5 Casebook通過查詢圖(左上)檢索到的案例方案

Casebook的重要特征在于，其圖形化的檢索方式突破了以往CBD工具基于關(guān)鍵字搜索的束縛，認(rèn)識(shí)到圖形信息對(duì)于設(shè)計(jì)師的重要性。然而，這卻加重了使用者的負(fù)擔(dān)，需要輸入較為清晰的空間-功能圖形信息后才能搜索到參考案例。盡管Casebook具有良好的人機(jī)交互機(jī)制，但忽略了系統(tǒng)根據(jù)使用者大量檢索活動(dòng)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提供更貼近設(shè)計(jì)師需求的搜索結(jié)果的可能。此外，僅針對(duì)單一功能的住宅平面檢索，也成為Casebook的一種局限。

(4)Space index。2010年，蘇黎世聯(lián)邦大學(xué)Benjamin Dillenburger開發(fā)了Space index，在將蘇黎世街區(qū)矢量地圖輸入計(jì)算機(jī)后，系統(tǒng)根據(jù)使用者手繪或指定地塊的建筑布局圖，搜索得到蘇黎世范圍內(nèi)所有建筑周邊具有類似環(huán)境的相似地塊[13](見圖6)。Space index將檢索對(duì)象限定于建筑單體而非內(nèi)部空間，不僅能夠搜索具有特定尺度的建筑基地，而且實(shí)現(xiàn)以基地形狀和周邊環(huán)境為特征進(jìn)行地塊檢索。然而，Space index將蘇黎世城區(qū)各地塊以特殊的位圖形式存儲(chǔ)，并采用圖像識(shí)別完成檢索的方法，雖可推廣至其他類似地區(qū)，但對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式的特殊要求卻成為其應(yīng)用推廣的瓶頸。

圖6 Space index通過尺度、形狀和周邊環(huán)境等特征檢索到的相似地塊

2.基于網(wǎng)絡(luò)

“基于網(wǎng)絡(luò)”CBD原型是利用Java script等網(wǎng)絡(luò)編程語言開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)程序，主要特點(diǎn)是無需安裝，通過網(wǎng)頁瀏覽器直接運(yùn)行，可達(dá)性好。

DYNAMO是由比利時(shí)魯汶大學(xué)建筑學(xué)院海雷根開發(fā)的，供建筑學(xué)院學(xué)生和設(shè)計(jì)師使用的網(wǎng)上設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，源于CBR中的“動(dòng)態(tài)記憶理論”(theory of dynamic memory)，為使用者個(gè)性化提供所需要的建筑案例[14]。每個(gè)案例包含多項(xiàng)索引特征，如建筑師、空間形象、結(jié)構(gòu)材料和風(fēng)格流派等，并由id、design和theory 3個(gè)窗口分別顯示(見圖7)。使用者通過3種方式得到參考方案，首先可輸入一項(xiàng)或多項(xiàng)索引信息，如wright、dwelling和hillside等關(guān)鍵字檢索到一系列符合要求的案例。其次通過案例之間的索引網(wǎng)絡(luò)也能夠鏈接到與其具有相同或相似關(guān)鍵字的相關(guān)案例，索引網(wǎng)絡(luò)隨案例增加的不斷更新正是DYNAMO“動(dòng)態(tài)記憶”的體現(xiàn)。如使用者未輸入任何查詢信息，系統(tǒng)將自動(dòng)列出所有案例以供查看，這通常是建筑初學(xué)者尋找設(shè)計(jì)靈感的方法。

與DYNAMO類似，ARCHINFORM也是一個(gè)網(wǎng)上建筑案例資料庫，包含超過53 000個(gè)由不同建筑師設(shè)計(jì)完成或未完成的建筑案例，大多以20世紀(jì)建筑為主。數(shù)據(jù)庫通過名稱、建筑師、所在地或其他關(guān)鍵詞進(jìn)行案例檢索。

圖7 DYNAMO界面

DYNAMO和ARCHINFORM等基于網(wǎng)絡(luò)的CBD原型實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)案例在全球范圍的檢索、共享和更新，使基于案例設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加普及化和協(xié)同化。然而，經(jīng)過10多年發(fā)展，此類工具也面臨諸多發(fā)展瓶頸。首先，由于需要使用者花費(fèi)精力和公開設(shè)計(jì)隱私等弊端，基于網(wǎng)絡(luò)的CBD工具不能實(shí)現(xiàn)如“社交網(wǎng)絡(luò)”的良性循環(huán)，激勵(lì)機(jī)制的不完善，使用戶大多處于“潛水”狀態(tài)，缺乏上傳資料和評(píng)論案例的活躍性。其次，僅有的一些上傳案例也由于上傳者水平和對(duì)于案例特征理解的參差不齊而難以統(tǒng)一，從而降低檢索結(jié)果的精確性。更重要的是，CBD工具與Google等搜索引擎的本質(zhì)區(qū)別在于能夠?qū)咐苯踊蚪?jīng)過適應(yīng)性調(diào)整后轉(zhuǎn)化為IFC格式導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件中，但在目前基于網(wǎng)絡(luò)的CBD工具中尚無體現(xiàn)。

3.原型比較分析

CBD原型在案例存儲(chǔ)、查詢、適應(yīng)性調(diào)整和輸出等方面具有不同的功能特性。文中所有CBD工具都將建筑方案圖紙和說明文字作為重要存儲(chǔ)信息，而CADRE還包含了空間、流線和結(jié)構(gòu)的拓補(bǔ)關(guān)系，Casebook也在檢索中自動(dòng)從案例中提取空間拓補(bǔ)信息。發(fā)展較早的 Archie-II和基于網(wǎng)絡(luò)的 DYNAMO與ARCHINFORM通過輸入關(guān)鍵字進(jìn)行案例查詢，Casebook和Space index中的圖形輸入方法則更有利于檢索查詢的形式化，并符合建筑師工作的行為習(xí)慣。適應(yīng)性調(diào)整是基于案例設(shè)計(jì)的核心任務(wù)，CADRE通過尺度知識(shí)和拓補(bǔ)知識(shí)對(duì)適應(yīng)性調(diào)整加以控制，其他CBD不具備案例修改功能?；诰W(wǎng)絡(luò)的DYNAMO和ARCHINFORM僅檢索和輸出方案整體性的圖文信息，不能深入方案空間、功能和流線等層面處理問題，而CADRE和Casebook則將所處理的元數(shù)據(jù)細(xì)化到建筑空間和構(gòu)件的拓補(bǔ)關(guān)系中，能夠從本質(zhì)上控制案例檢索和生成。基于案例推理思想的一個(gè)重要特征就是學(xué)習(xí)，這一特征在DYNAMO中有所體現(xiàn)。DYNAMO提出了一種手動(dòng)索引編輯方法，系統(tǒng)可以記憶使用者檢索內(nèi)容和習(xí)慣特征，自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)庫參數(shù)進(jìn)行修改和添加。總之，基于單機(jī)的CBD原型由于使用更成熟的圖形化技術(shù)而能夠深入操控建筑方案圖形信息，而基于網(wǎng)絡(luò)的CBD原型則因面向更廣大的使用群體，故可通過大量案例檢索使用者的檢索習(xí)慣特征(見表1)。

表1 CBD 原型功能分析

三、Architable:基于網(wǎng)絡(luò)和觸摸技術(shù)的CBD原型

針對(duì)以往CBD工具的功能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，筆者開發(fā)出一種基于網(wǎng)絡(luò)和觸摸技術(shù)的全新CBD原型，即Architable，意為“拓展建筑可能的智能桌”。Architable是采用Javascript語言編寫的面向觸摸系統(tǒng)的網(wǎng)頁程序，在HTML 5標(biāo)準(zhǔn)下利用更成熟的網(wǎng)頁圖形化技術(shù)，將傳統(tǒng)單純的“基于單機(jī)”和“基于網(wǎng)絡(luò)”的CBD工具整合于一體，發(fā)揮處理深層建筑模型及其網(wǎng)絡(luò)信息可達(dá)性的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在智能手機(jī)、平板電腦和觸摸板等多點(diǎn)觸摸設(shè)備支持下，Architable作為一種建筑輔助設(shè)計(jì)工具，更符合設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的手繪設(shè)計(jì)習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地通過終端設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢索、修改、生成和更新。

Architable的操作核心是人機(jī)交互的圖形用戶界面(GUI)，用戶通過導(dǎo)入IFC文件或手動(dòng)繪制空間圖形，并分別將其賦予數(shù)據(jù)庫中預(yù)設(shè)的功能類別，實(shí)現(xiàn)案例信息的存儲(chǔ)。檢索前，用戶首先繪制建筑分區(qū)或房間布局的設(shè)計(jì)構(gòu)思，賦予其功能，并在通過觸摸屏或鼠標(biāo)調(diào)整空間方位和鄰接關(guān)系后開始檢索。檢索結(jié)果按照與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)案例的相似度高低依次排列，使用者選取某一案例后即可進(jìn)行方案預(yù)覽。設(shè)計(jì)師在參考相關(guān)案例后可手動(dòng)修改空間布局，或在選定某一案例空間特征后由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整?？臻g布局調(diào)整完成后，使用者將選擇某一功能分區(qū)進(jìn)行平面布局的自動(dòng)生成。數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了若干預(yù)先定義的房間布局模式的尺度和拓補(bǔ)知識(shí)，與CADRE的適應(yīng)性調(diào)整方法類似，用戶選擇某種房間布局模式后，計(jì)算機(jī)將在尺度知識(shí)和拓補(bǔ)知識(shí)的共同控制下實(shí)現(xiàn)建筑平面布局的自動(dòng)生成。此外，Architable還將提供溝通交流與協(xié)作設(shè)計(jì)平臺(tái)，用戶可分享案例、在線討論以及同時(shí)對(duì)同一建筑方案的不同部分進(jìn)行合作設(shè)計(jì)。

與其他CBD工具相比，Architable的特征集中在以下方面:1)網(wǎng)絡(luò)化，網(wǎng)頁圖形界面為CBD發(fā)展開拓了新的平臺(tái)，社交網(wǎng)絡(luò)式的Architable使CBD策略更廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)開發(fā)和城市建設(shè)管理等領(lǐng)域，使項(xiàng)目成員跨越地理和專業(yè)的限制，實(shí)時(shí)上傳資料、溝通討論以及合作設(shè)計(jì);2)觸摸平臺(tái)，多點(diǎn)觸摸系統(tǒng)的普及，使Architable更貼近設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的手繪習(xí)慣，使設(shè)計(jì)過程更加令人愉悅;3)空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫，Architable不僅包含建筑案例的圖紙和文字資料，而且具有空間拓補(bǔ)關(guān)系信息，不僅能快速完成案例檢索，而且為計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)建筑空間組合特征提供了基礎(chǔ)，使未來的自動(dòng)生成更加具有實(shí)際意義和可靠性;4)應(yīng)用智能算法自動(dòng)生成，Architable的適應(yīng)性調(diào)整應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)和自動(dòng)生成，激發(fā)設(shè)計(jì)師靈感，使Architable源于CBR而又超越CBR。

需要指出的是，無論基于案例設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成技術(shù)發(fā)展到何種程度，CBD工具只是幫助建筑師完成簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)，使建筑設(shè)計(jì)的過程更加理性和高效的一種建筑數(shù)字技術(shù)。建筑設(shè)計(jì)的核心思想和內(nèi)容始終掌握在建筑師手中。盡管“參數(shù)化設(shè)計(jì)”等主要針對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的建筑數(shù)字技術(shù)，能夠立桿見影取得輔助設(shè)計(jì)師的成效，然而“基于案例”等針對(duì)設(shè)計(jì)方法和過程的建筑數(shù)字技術(shù)，卻能夠從更廣泛和更深刻層面對(duì)建筑師設(shè)計(jì)前期的構(gòu)思過程產(chǎn)生影響，并力求實(shí)現(xiàn)一種相對(duì)理性、高效和使人享受其中的設(shè)計(jì)過程，這正是建筑數(shù)字技術(shù)的根本目的，也是我國建筑師和研究者在未來建筑實(shí)踐中需要更加重視的領(lǐng)域。

四、結(jié) 語

本文探索了基于案例推理和基于案例設(shè)計(jì)的發(fā)展起源和過程，將幾種主要的CBD原型分為“基于單機(jī)”和“基于網(wǎng)絡(luò)”兩類加以論述，并比較分析不同CBD工具的功能特性。在借鑒其他CBD工具特征基礎(chǔ)上，筆者開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)和觸摸系統(tǒng)的Architable原型，整合“基于單機(jī)”和“基于網(wǎng)絡(luò)”優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)師提供更加便捷且貼近傳統(tǒng)設(shè)計(jì)習(xí)慣的社交網(wǎng)絡(luò)式的CBD工具。未來研究將主要集中在以下方面:1)深入分析介紹Architable工作機(jī)理;2)探索并實(shí)現(xiàn)Architable的適應(yīng)性調(diào)整與自動(dòng)生成。

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