參數化設計體系下的城市形態譯碼方法及其應用

王雪強 吳明萱 張穎異

20世紀80年代以來，數字技術在設計領域得到了空前發展。參數化理念的提出顛覆了傳統的設計觀，乃至認知物質世界的思維習慣。對于建筑設計來說，以參數化工具為代表的數字技術革新了傳統設計方式，建筑成為了數字設計的產品。從第一次在建筑設計過程中使用參數化工具開始，人們就已經意識到這些工具能夠給城市設計帶來相似的益處，甚至在大尺度城市項目中發揮更多優勢[1]。夸張的流線型表象只是利用參數化手段得到的眾多結果中的一種，基于算法規則的設計方案應具有更多可能性。參數化設計方法研究的意義不在于追求博人眼球的怪異曲線，而在于提供更廣闊的設計空間，更理性的設計邏輯和更高效的設計程序。隨著扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）等人在城市設計中的實踐探索，參數化技術手段逐漸延伸到了城市研究層面，設計方法及其建造流程正朝著更科學而系統的方向發展[2]。

1 參數化設計理念

1.1 參數與形式

參數化設計體系認為，所有物質實體都是通過參數系統而非幾何形體來定義的[3]。構成形體的基本要素由相關參數和參數值控制，形式來源于參數。早期的參數化理念和工具主要興起于航空航天和汽車行業，用以輔助建造復雜曲線，如今參數化方法已經對建筑設計產生了深遠影響[4]。在傳統的建筑設計中，建筑可拆解為若干具有規則形狀的組件，并以此實現對功能的理解。而對于參數化設計體系，參數和參數之間的關系決定了建筑形式。有多少種參數和參數關系，建筑設計就有多少種可能性。通過變換參數關系，建筑既可表現為規則形體，也可表現為復雜函數曲面體。

數字媒介出現以前，建筑形式和空間設計來源于歐幾里德幾何學的假設——二維平面和三維空間中的形體均以點線面為構成要素。數字技術使單純的手工繪制向非歐幾里德式的復雜曲面逐漸過渡，參數和程序被引入到設計過程當中。因此，前衛的參數化表象背后，是建筑設計觀的突破和對功能更新層次的理解，就整體風格而言，并非為求“奇形”而追求形式本身[5]。

參數化設計本質上是一個系統的方法，即利用計算機平臺建立一個相互關聯的元素集合，該集合中包含元素、元素參數，元素與元素之間的關系，及元素與參數之間的關系。元素、參數和其關聯性均取決于設計者想要得到的設計結果。當人為控制的設計意圖不明確或不完備時，參數化設計體系也無法完整。參數化設計意味著擴大設計變量的范圍和種類，除通常的幾何形體變量外，環境和設計者本身也作為一種變量被考慮在內，進而整合形成參數化系統[6]。因此，參數化設計方法并非放棄了人腦思考，而是用腳本語言更精準地表達人的思維邏輯。

1.2 參數與工具

參數化理念促進了設計的定制化。20世紀90年代初涌現了大量的計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）工具，包括快速成型設備（Rapid Protyping,R P）和計算機數控設備（C o m p u t e r Numerical Control，CNC）等。這些工具在工程建造方面顯示出明顯優勢，并被建筑師應用在方案設計的初期階段[7]。計算機輔助進行二維繪圖和三維建模，加快了方案可視化。但是，這種基于傳統的福特主義的批量化產品生產理念，一定程度上造成了建筑設計的重復性和單一性。

參數化設計使定制生產非規則構件成為可能，建筑空間和形態由此表現出復雜而唯一的特性。事實上，數字化設計與建造已經不僅局限于構建三維模型，而是在于創立融合“多目標設計模擬”以及“建造流程職能控制”的數據化交互設計[8]。參數化數字工具為建筑設計提供了新的契機，僅通過數字信息即可完成從設計到建造的整個過程[9]。

設計表達和可視化是參數化技術手段最表象的應用，究其內在，參數化設計方法論提供了一種空間研究工具，在數字環境下探討和預測建筑或城市形態。參數化設計工具，包括生成組件（Generative Components，GC），數字建造（Digital Project，GC），瑪雅（Autodesk Maya），犀牛（Rhinoceros 3D）及其插件草蜢（Grasshopper 3D）等，允許通過腳本編寫生成參數化模型，與人腦邏輯互為輔助論證（圖1）。在參數化設計中，參數比形式更重要，描述物體的是特定參數而不是幾何形式。當參數值變化或重新定義時，空間形態也將同步模擬。

2 參數化設計中的城市空間

數字技術甫一出現即得到了廣泛關注，但具有彈性和互動性的參數化設計方法仍然缺乏。20世紀90年代后期，隨著“智慧形體小組”（Smart Geometry Group）的建立，建筑、工程和結構領域的參數化工具體系開始快速發展。隨后，以扎哈·哈迪德和派特里克·舒馬赫（Patrick Schumacher）等人為代表的先鋒設計師進行了多個城市尺度下的參數化設計實踐，包括土耳其卡塔爾城市設計（圖2），新加坡One－North城市設計（圖3）等。這些具有強烈個人風格甚至戲劇性的設計方案革新了人們對于城市形態的認知，但同時也遭到了非議，被貼上“放縱”（Extravagant）的標簽[10]。

圖2 土耳其卡塔爾城市設計

圖3 新加坡緯一（One-North）科技城城市設計

“參數化城市主義”是一種在城市尺度下基于參數化理念而形成的設計思潮，主張通過提煉傳統城市語匯，探索城市構成要素之間的關系，編寫參數腳本，從而發展出新的城市形態。在參數化城市主義中，設計方案并不受控于軸線或城市要素的體塊位置，而受控于城市肌理的密度分布，建設區域對形變的敏感性或地形梯度[11]。相比于現代城市主義和后現代城市主義，參數化城市主義將空間理解為被流體充滿的場域（表1），流體運動形成的浪涌成為空間的構架。

表1 不同城市“主義”對空間的理解

城市尺度下的參數化設計方法一直飽受爭議。支持者認為參數化設計體系有其自身的規則，方法和特性，將多樣的、動態的、復雜的城市要素作為設計主體，真正適應城市設計需求[12]。參數化有利于創造更為活躍的具有互動性的設計方案[13]，是空間塑造革命的結果。反對者則認為參數化城市主義缺乏對空間構型（Space Configuration）的理解。希利爾（Hillier）提出，人類在空間中的活動與空間構型參數直接相關，城市網絡的空間構型包括人類行為模式和建筑形態，二者各自獨立或相互作用[14]。作為理解城市形態的基礎要素，空間構型參數并沒有被重點提及，參數化城市主義缺乏對人的行為方式的分析，有悖于傳統的城市生長邏輯，并可能帶來消極后果。

盡管對參數化設計方案的批判從未停止，但就設計方法而言，參數化相比傳統方法更為高效、理性、直觀。首先，當確立了設計方案的參數系統和腳本后，簡單地調整參數數值即可快速生成多個設計方案。系統內各元素之間存在聯動關系，一處更改則與之相關的元素均得到了調整，免去了復雜的設計修改過程。其次，在計算機平臺上編寫具有邏輯關系的腳本，由此得到的是滲透了邏輯思維的方案，而非單純依據經驗或審美意圖。其三，參數關系與三維模型相結合，完成腳本編寫的同時，方案模擬同步完成。當人為更改參數值時，計算機同時模擬出不同的建筑和城市情境，便于在評估過程中直觀表達設計意圖，預測建成后的結果。

3 形態譯碼方法的應用

形態譯碼是近年來興起于美國的一種城市規劃設計方法，用以緩解傳統城市規劃模式導致的土地浪費、城區無限蔓延和空間功能單一等問題。形態譯碼用物理空間形態代替土地利用劃分來重新編譯城市，具有參數化特征，因此也常作為參數化城市設計的方法之一。參數化設計體系下的形態譯碼重構使設計理念不單純地停留在概念體塊階段，而在城市設計深化中同樣具有潛力，并實現與參數化建筑設計的銜接。在參數化思維方式下，空間形態和關系都可看作是參數控制的結果，可通過具體的參數來定義。

3.1 形態譯碼（Form-Based Code）

傳統的城市規劃模式以土地利用劃分為主要依據，盡管世界各國對土地利用的分類方式不同，但其類型大體包括居住用地、商業用地、商住混合用地、工業用地和開放綠地等五類。本約瑟夫（Ben-Joseph）、帕羅里克（Parolek）、泰倫（Talen）等認為這種教條的土地規劃方法忽視了對城市空間發展的控制，無法預測城市空間的三維形態，對現代城市產生了消極影響。芝加哥形態譯碼學會（Form-Based Code Institute）提出，形態譯碼能緩解傳統土地利用規劃帶來的城市問題，有效預測建設結果，提高城市空間質量。

斷面矩陣是形態譯碼劃分城鄉區塊的主要依據，標準的形態譯碼斷面矩陣（圖4）包括自然區域（T1）、鄉村區域（T2）、亞城市區域（T3）、普通城市區域（T4）、城市中心區域（T5）、城市核心區域（T6）和特殊區域（SD）。斷面矩陣概念最初主要在生物學領域使用，用以描述生態系統內物種的分層棲息和遷徙。多恩（Duang）首次將斷面矩陣應用到城市研究中，提出從鄉村到城市的劃分應取決于多種空間構成要素，如建筑、土地、街道及一切與人類生活相關的物質[17]，城市發展不應過于依賴土地利用規劃。2000年，多恩將這種斷面矩陣概念引入實際的形態譯碼設計項目中，驗證弱化用地功能、強化形態控制在當代城市發展中的可行性。

圖4 形態譯碼的標準斷面矩陣

3.2 應用流程

參數化形態譯碼的核心在于把斷面形態編寫進參數腳本，利用參數化圖式和模型代替傳統的二維圖示描述。本研究選取某高密度城市核心區用地為例，探討創建參數化形態譯碼的方法與流程。

首先，確定參數體系。參數體系的設置直接關系到最終設計結果，在參數選取中應明確設計方向和預期。本案例中的參數包括容積率，步行道寬度，道路等級，基礎設施等級，街巷高寬比和最大建筑高度。然后，根據路網分割，將調研區域劃分為若干地塊并逐一編號。通過實地調研，得到研究范圍內各地塊的六類參數數值。由于各參數的單位不同，不便于比較，因此利用統計學的標準化方程進行數據標準化：

其中：

Emin = E數列中的最小值；

Emax = E數列中的最大值；

當最大值和最小值相等時，標準化后的值等于0.5。

表2即各調研地塊的參數標準化情況，所有經過標準化的數據均處于[0，1]閉區間內，且不含有計量單位。標準化平均值為各地塊的人工化程度值。該值越大，則其所代表的地塊在斷面矩陣中越處于右端位置；該值越小，則地塊越處于左端位置。將[0，1]閉區間平均分成10個等級，即[0.00，0.09]，[0.10，0.19]，[0.20，0.29]，[0.30，0.39]，[0.40，0.49]，[0.50，0.59]，[0.60，0.69]，[0.70，0.79]，[0.80，0.89]，[0.90，1]。經數據整合得知，24個地塊的標準化平均值均落在0.10到0.70之間（圖5），意味著該城市核心區的斷面矩陣可劃分為6個城市核心區亞類（圖6）。比如5號地塊，其標準化平均值為0.39，則5號地塊的人工化程度值即為0.39，所屬的斷面類型為城市核心區的第三亞類（T6-3）。在實際項目中，并非所有項目都能含有標準斷面矩陣中的全部斷面類型。設計者可根據數據分析結果重新定義特定區域的斷面矩陣，增減斷面種類。

表2 各調研地塊的參數標準化值

圖5 各地塊標準化平均值分布

圖6 調研地塊的形態譯碼斷面矩陣

3.3 設計模擬

將各地塊斷面類型代回調研用地，得到空間重組后的設計方案。以T6-3斷面為例，設置地塊內建筑物的參數體系，包括最大建筑高度、建筑層高、后退紅線距離等，在參數化平臺中模擬建筑形態，即可得到街區建筑控制模型（圖7～8）。形態譯碼與參數化設計方法進行疊加，利于參數化城市設計與下游的建筑設計進行對接，二者均可通過統一的參數化設計平臺，如本案中的草蜢（Grasshopper 3D）平臺，進行建筑參數數值設定，減少數據交換產生的重復工作量。此外，在需要修改設計方案時可靈活調整數值，便于方案評估。

圖7 參數化平臺下的街區模型

圖8 某斷面類型中的建筑控制參數模型

將各地塊的建筑控制數據導入計算機后，還可通過進一步的參數設定進行環境能耗模擬、粗略造價估算等。城市環境能耗模擬可通過參數化平臺的插件實現，例如圖9，在草蜢（Grasshopper 3D）中運行阿克西姆能源（Archsim Energy）軟件，即可預估大型城市規劃的日照情況，自動模擬模型中的所有建筑，計算特定區域內每小時的自然采光。此外，通過設置控制參數，如建筑寬度、地塊劃分、后退紅線距離等，編寫造價估算腳本，可粗略估算各方案的建設費用（圖10）。

圖9 參數化平臺下的環境采光模擬

圖10 參數化平臺下的建設成本預估

結語

本研究系統地梳理了參數化設計理念的特征、邏輯和對城市空間形態模擬的方法。一方面，參數化手段的引入使建筑和城市設計更加系統和高效；另一方面，參數化手段把形態作為主要研究要素，形態譯碼方法的應用為城市空間設計提供了新的思路。

參數化城市主義將參數化方法引入城市問題研究中，革新了塑造城市空間的手段和平臺。盡管參數化城市設計的研究還處于初始階段，卻是不可忽略的趨勢。形態譯碼方法的應用使參數化理念深入到城市設計的多個層面，而非僅局限于粗略的建筑體塊表現。形態譯碼利用斷面矩陣重新定義城市空間，結合統計學方程，構建區別于傳統土地劃分的新方法。在此基礎上進行采光、造價等參數化平臺的探索，為重構城市空間提供更多可能性。

資料來源：

圖1：斯德諾（Steino）,歐博靈（Obeling），2014；

圖2：扎哈·哈迪德建筑師事務所，2006；

圖3：扎哈·哈迪德建筑師事務所，2001；

圖4：多恩（Duany）,2012；

圖9：阿克西姆（Archsim）采光分析界面，2017；

表1：在思瓦（Silva，2010）的研究基礎上改繪；

文中其余圖表均為作者繪制。