建筑的離散化生成

嚴一凱 YAN Yikai 宋德萱 SONG Dexuan 梁 浩 LIANG Hao

1 信息的數字化

隨著虛擬技術的發展，現實世界中的信息越來越多地以數字化形式呈現，而數字化的廣泛應用也使信息本身的獲取變得更加便利。結合更加高效的信息處理能力，人與人、人與環境之間形成了真正意義上的互通。從某種意義上講，正是整個社會信息的數字化構建了這個萬物互聯時代的前提；同時，也成為了這個萬物互聯時代的重要特點。所謂“信息的數字化”，是將許多復雜多變的信息轉變為可以度量的數字、數據，再基于這些數字、數據建立起相應的數字化模型，把它們轉變為一系列二進制代碼，引入計算機內部，進行統一處理，這就是數字化的基本過程[1]。現代知識的產生，很大程度上是依靠對多樣化信息本身的處理與關聯性分析。

關于信息的數字化影響，主要體現在兩個方面：一方面，數字化的信息可以實現更高的儲存密度，使整個人類社會承載信息、保存信息的總量大幅提升，信息本身的獲取也變得更加便利，結合數據科學所帶來的處理信息方式的根本性革命，人們能夠以更高效的方式對現有的大量碎片化信息進行分類和整理，并快速提取有用的信息；另一方面，信息的數字化意味著信息本身以數據的形式呈現，這為各個不同領域之間的信息溝通統一了語言。數據成為了信息的表達形式，其結果是不同領域之間的學科壁壘被徹底打破，大大降低了各領域信息之間的溝通難度；而互聯網自身的媒體屬性更是加速了學科之間的溝通頻率。在信息廣泛的數字化影響下，信息之間不停地互換、重組，進而產生新的知識。各個不同領域學科之間具有了更加強大的相互吸收屬性，學科的彈性及延展性得到大幅提升。大量知識的產生不再依靠單一領域的縱向挖掘，而是更多地依賴廣泛跨學科領域的橫向延展。換言之，知識的生產方式出現了某種離散化的趨勢。這一變化也促使人們從新的角度重新審視建筑學，并對處于新時代的建筑學展開更多維度的思考。

2 新時代背景下建筑設計理念的重構

全新的知識生產方式深深影響著建筑學，在萬物互聯的時代背景下，知識之間的界限變得模糊，建筑學也和其他學科一樣，需要與其他相關領域進行深度融合，從而使建筑學的學科壁壘逐漸瓦解，其內容得到大幅延展，且終將催生出全新的建筑設計理念。

2.1 信息時代對建筑生成本質的再思考

在新時代的思維體系中，建筑不僅僅是存在于場地中的物理實體，還可以理解為來自建筑之外的各個方面信息的集中反饋。這其中既包含了由環境所決定的客觀信息（地理位置、環境限制、氣候條件等），也包括由使用者決定的主觀信息（使用者對于建筑的使用習慣、生活模式等等），使人們可以從信息轉譯的角度重新解讀建筑與城市。

如果將建筑理解為外界信息的集中反饋與表達，那么建筑設計就是一個通過運算體系輸出結果的生成過程。傳統意義上，由建筑師主導的建筑設計體系可以在某種程度上被理解為一種“中心化”算法，即：在盡可能考察相關外界條件之后，將所有信息進行匯總整合，進而生成最終的建筑方案。至于建筑最終與環境之間的互動是否為良性，則完全取決于建筑師這一核心大腦的“運算能力”。對于現代建筑師而言，這樣的建筑設計過程面臨著巨大挑戰：現代建筑與城市的復雜屬性，使得建筑師需要考慮的因素越來越復雜化與多樣化；單核心的運算也越發顯得捉襟見肘，往往需要在不同因素之間反復徘徊，迫使人們不得不重新思考建筑的設計方法。因此，在萬物互聯的時代背景下，需要尋找一種新的建筑設計方法，使整個過程具有更加高效的“運算能力”。

2.2 建筑的離散化生成的基本理念

隨著互聯網時代運算數量和復雜性的增加，對“運算”有了全新的定義。運算的核心不再是一種單純的算法機制，而是將其描述為數據時空安排中的一種模式。例如，目前占主導地位的人工智能(AI)研究，它依賴于大型數據集和神經網絡；同樣，今天在互聯網上構建的社交媒體平臺已不能將TCP/IP 協議視為一種行為演算來解釋，而是通過觀察與之共享的鏈接和節點數量來解釋。更高級的運算方式意味著從中心化到離散化的趨勢，給人們帶來了重要啟發（圖1）。

圖1 從中心化的整體到去中心化的離散

在離散化的思想框架之下，建筑整體可以被描述為各個影響因素之間的分布關系；而每個影響因素又獨立存在，并對建筑的最終生成產生直接影響[2]。通過建筑所涉及的不同方面、不同問題的反饋，可以描述一個建筑，抑或是一個城市。來自氣候、環境、生活方式等諸多信息共同匯聚在建筑中相互影響，最終形成各影響因素之間的動態平衡。當建筑被解讀為各種外界影響因素的集合時，傳統意義上由建筑師單一主導的建筑設計模式被徹底瓦解，建筑成為了一個多因素主導的體系——這便是一種基于離散思想框架下的建筑生成[2]。在這一思想框架下，建筑學邊界被消解，建筑師的角色也從建筑設計的“掌控者”轉變為共享知識下建筑生成體系的重要“參與者”。

3 建筑的數字化描述

構建建筑離散化生成體系的前提，是各因素之間在保證各自獨立性的同時，需保持相互之間的關聯狀態。各影響因素在動態的相互關聯中，不停地進行著自我調整。與整體論的觀念相比，由離散化代表的分體論所形成的，并非是一個靜態的個體，而是可以被想象成為一個動態的離散網格體系。在這個體系中，各個因素之間都相互獨立，同時又相互關聯；而影響設計的眾多因素則變成了直接影響整個體系的一個個網節。于是，設計的核心不再取決于單一建筑師的運算能力，而在于整個系統是否能夠接納更多的影響因子，并在影響因子之間形成關聯。因此，建筑的離散化生成體系是以建筑生成過程對外界信息的接納潛力為前提的。

3.1 以參數化為代表的數字化建筑信息模型

如前文所述，在萬物互聯的時代，只有建筑設計模式實現自身的數字化，使建筑可以被完整地數字化表達，才能夠將更多的影響因素納入到建筑生成的過程中并做出反應，這是離散化建筑生成的前提。

20 世紀60 年代，以CAD 為代表的計算機輔助設計工具的出現，有效提高了建筑設計的效率，被視為建筑數字化設計的開端；參數化設計的出現，則徹底改變了對建筑的描述方式。毫無疑問，參數化的出現大大加強了數字化在建筑學中的地位。基于參數化，建筑師可以對建筑實現更加精確、完整、有力的純數字化描述。

實際上，參數化建筑概念的出現要遠遠早于其實踐性研究。1939年，早在現代意義上的個人計算機出現之前，意大利建筑師路易吉·莫雷蒂（Luigi Moretti）便開始著手研究建筑形式與數字參數之間的關系，并提出了“參數化建筑”（Architettura Parametrica）這一概念的雛形。然而，受限于當時的計算機技術，這一概念并沒有引起人們的重視。直到20 世紀60 年代，IBM 公司正式向市場推出IBM 610 計算機并開啟了個人電腦時代，借助于計算能力的大幅增強，莫雷蒂在第十二屆“米蘭三年展”中首次向人們展示了通過參數化建模設計的體育場館模型（圖2）[3]。莫雷蒂也因此被稱為使用現代數字工具對建筑形體進行描述的第一人。

圖2 莫雷蒂所展示的體育場館模型設計

參數化建筑的本質是一套基于參數化建筑模型的設計方法。在建筑設計過程中，通過控制不同的參數，結合相應算法生成包含形式與相應特征屬性的形式。在這個過程中，不同的算法機制代表不同的生成規則；參數則是規則內起作用的變量，不同的參數則決定了建筑形式的最終呈現。從這個意義上講，可以將古典柱式視為一種很原始的參數化體系。在歐洲古典建筑理論中，柱式所代表的是一系列尺度關系，并以此來定義一座建筑各個部分之間的比例尺度。在這里，不同的柱式可以理解為不同形式的生成規則；基于不同的柱式，便可以產生不同風格的建筑。因此，建筑師所選擇的參數體系將會直接影響最終的建筑呈現。

現代意義上參數化建筑的出現，使建筑本身具備了數字表達的能力。借助于更高效的計算設備，可使參數在更加復雜的生成規則中發揮作用，并以數字化的方式對建筑形體進行描述，通過參數對建筑進行精確且高效的干預。有關設計的一切信息都將以數據的形式保存下來，建筑中所包含的信息越來越復雜，建筑設計過程也呈現出數字化屬性。

3.2 關于參數與生成規則的思考

參數化的出現，令當今建筑展現出與傳統建筑截然不同的風格；而參數化建筑的提出，從根本上改變了建筑的描述方式。以數字化的方式描述建筑，大大增強了建筑生成過程的兼容性。建筑信息與來自于其他領域的信息可以在同一個數字化體系中實現有效互動，使其在如今的信息和數字化時代中更加具有融合其他學科知識的潛力。

21 世紀初，英國建筑師帕特里克·舒馬赫（Patrik Schumacher）提出了“參數化主義”（Parametricism）的概念。他賦予了“參數化主義”一種明顯的二元屬性：一方面，參數化所生成的建筑應具有極強的視覺辨識度；另一方面，參數化建筑的相關理論也是一種建筑生成的方法論[4]。這無疑是相當具有遠見的一種定義，其中包含了大量的內涵。這使得參數化建筑與以往所出現的計算機輔助設計工具有了本質的區別，其作用不僅僅是提升設計效率，還形成了一套完整的建筑學理論。因此，需要跳出通過參數化設計方法實現建筑風格創新的固有思維，重新思考參數及生成規則本身的含義[5]。

以城市設計為例，在互聯網時代，人們可以以數字為媒介更好地解讀城市信息，數字化的城市管理體系可以最大范圍地收集與城市相關的各種信息，包括環境信息、交通信息、人們的行為信息，等等[6]。當諸多城市中的復雜影響因素以數據化形式呈現在面前時，這些信息便可作為影響建筑生成的重要參數；而影響因素對建筑起作用的方式，即為影響建筑設計的生成規則。利用所有的數據，結合參數化建筑設計框架，便可以形成建筑與目標之間的直接反饋。

4 多目標離散化建筑生成體系構建

建筑是處于環境中的建筑。外界環境的復雜性與多樣性決定了建筑需要具備多目標屬性，需要對各種不同的外界信息做出精確且全面的反饋。然而，外界信息并非是成體系出現的，更多是作為一種相對獨立的離散化影響因素，這對建筑設計而言，無疑是一項巨大的挑戰。為了應對這一挑戰，應構建一種多目標的離散化參數體系，以更好地實現建筑的多目標屬性。

4.1 參數化反饋優化機制

近年來，隨著我國城市化進程的推進，越來越多的城市問題被暴露出來。為了應對日趨嚴重的城市問題，實現城市的可持續發展，許多城市都對建筑密度、建筑高度、退線等技術指標提出了嚴格的要求。這種以建筑語言來規定的強制性規范，雖然在一定程度上可以有效避免高密度城市中諸如采光、通風在內的許多問題，但由于規范是基于實踐經驗的一種逆向總結，并且是以建筑專業語言描述，使得建筑設計行為與目標之間呈現出一種間接關系。這便導致了一些特殊情況的出現，如在通風設計中，經常會出現某些高密度地區的自然通風狀況反而要優于一些相對低密度的地區等。這說明建筑設計所產生的效果與目標之間的間接聯系使得建筑設計的可預期屬性較弱；而基于參數化模型建立的優化體系，則可以很好地建立設計過程與目標之間的反饋機制。

與參數化體系相對應，參數化反饋優化機制主要包含3 個部分，即可控參數、生成規則以及目標參數[6]。其中，可控參數是指能夠直接影響建筑方案生成的量化指標；生成規則是建筑方案與環境之間互動而產生的實際效果預測機制。例如，在城市可持續住區設計中，保證整個社區的自然采光效率是塑造城市可持續及低碳生態城市的基本要求，而建筑的朝向、高度、建筑密度等具體指標都會影響自然采光效率。這些具體指標便作為建筑生成過程中的可控參數，成為優化過程中的具體調節對象；而自然光照條件作用于建筑所產生具體效果的規則，即為生成規則[7]。

與上述兩者不同，目標參數并不直接參與建筑的生成過程，而是作為建筑生成的邊界對照條件參與到優化過程中。目標參數是在確定“明確目標”的基礎上，通過對目標進行數字化描述，進而轉化成為具體的量化指標。生成規則所預測的實際效果通過參數化建筑信息模型進行數字化表述，并與目標參數進行對比。在反復的對比過程中，逐漸接近目標參數，從而實現建筑的優化生成。

基于明確的生成規則，在參數化建筑信息模型的幫助下，將建筑方案產生的預測效果與目標參數進行反復優化比對，可以在一定程度上實現設計與目標之間的直接聯系[8]。借助于數據科學，可以確定并量化諸如容積率、自然采光等明確目標參數，并通過對參數的控制來確保預期結果的準確性，使建筑可以在一種自適應的靈活控制體系下，實現對特定目標的精準反饋。

4.2 多目標的離散化體系

在參數化反饋優化機制的基礎上，引入離散化的建筑生成理念，可實現多目標的建筑生成優化體系。例如，在城市設計中，建筑師所面臨的問題往往是多樣化的，建筑間距及建筑高度不僅影響了建筑本身的采光通風，還對城市公共空間的人流量、交通擁擠程度有直接影響。借助現代數據科學對數據本身的分析處理能力，可以在各個目標參數之間建立離散化體系，實現多目標優化。在一系列的目標參數影響之下，通過將不同的設計量化指標轉化為控制參數，利用參數化模型實現信息化推演，并進行反復的生成與對比，最終形成一個兼顧多方面的穩定的城市建筑系統。

在這個過程中，首先需要確定所面對的問題，并確定相應的目標體系，將目標轉化為目標參數。例如，在高密度城市進行超高層建筑設計時，需將建筑通風、日照、面積等目標轉換為目標參數納入到目標體系中來，并以數字化形式整合到整個建筑體系中，通過整體將應對各個不同目標的建筑生成規則關聯起來。之后再借助參數化建筑信息模型，對樣本地塊進行多目標體系的優化迭代，繼而對生成過程進行統一的調整優化。

4.3 案例分析

位于美國紐約曼哈頓的范德比爾特一號大廈(One Vanderbilt)（圖3），便是這種多目標體系優化的產物。該建筑高度超過420 m，特殊的地理位置配合巨大的體量，決定其需要兼顧來自城市、環境及使用人群等各方面的需求。其中既包括優化步行交通體系、引導城市人流，也包括優化城市視野，最大限度地減少對自然光照的遮擋等。因此，如何整合不同相關群體所提出的各種目標，成為了項目設計過程中的最大挑戰。為此，設計團隊（KPF）創建了一套獨有的基于多目標優化的設計流程，通過對不同目標及建筑參數進行量化并多次迭代的方式，實現建筑方案的最優化，最終實現了多目標體系下的建筑生成。

圖3 范德比爾特一號大廈

設計團隊首先通過公開數據獲取了場地周邊的日常人流量數據信息，并構建數字化模型用以模擬建筑對于人流量的影響情況。根據現有數據顯示，緊鄰建設場地的紐約中央車站承擔的峰值客流達69 700 人/h（圖4）；而在規劃中，未來中央車站的峰值客流可達134 700 人/h。考慮到疏散人流壓力，團隊將建筑地下層與中央車站聯通，以緩解紐約中央車站巨大的人流壓力，這就需要通過針對性的設計以應對來自地下的大量人流。

圖4 初始人流情況

根據人流測算，設計團隊最終采取將地下空間拆分為2 個上層平臺、2 個下層平臺及1 個夾層的形式，并通過反復的數字推演，形成了依靠4 部電梯加4 部樓梯來疏解內部交通壓力的最終解決方案。根據目前的模擬數據顯示，范德比爾特一號大廈的建設不僅沒有造成進一步的交通擁堵，反而在參數化輔助設計的幫助下，以復合地下空間設計的方式，疏解了原本雜亂的城市地下空間，使得場地周圍的可步行性提升了2.9%（圖5）。

圖5 改造后人流情況

此外，曼哈頓市中心作為早期高密度城市的代表，其核心區域的陽光照射率嚴重不足，因此，設計的另一個重要的目標是盡可能地減少建筑主體對城市陽光的遮擋。為此，設計團隊對日照率進行了量化，并設置了建筑形體的變化規律，通過關鍵的形體參數來控制建筑形體的變化。根據日照效率與建筑形體的關聯，應用遺傳算法進行尋優，最終實現了在保障最大體量的前提下獲得最佳的城市日照效率（圖6）。

圖6 基于多目標的可控參數優化過程

從范德比爾特一號大廈的例子中可以發現，將原本離散的建筑目標體系轉化為數據，再通過參數化建筑生成技術，可實現多目標體系下的建筑生成。離散化的建筑生成體系意味著一次對建筑話語權的分享，所有影響建筑生成的因素都以數字化形式被納入到建筑的構建體系中來，每個因素相互獨立又通過建筑彼此關聯，在各個因素的反復相互作用中，最終達成一種相對穩定的關系。

5 結論與展望

建筑的離散化生成是針對城市多樣化需求提出的建筑生成新理念，其中包含了多個要素。

（1）基于具體需求所確定的明確目標參數。在現代生存環境尤其是城市的復雜環境中，人們對建筑及城市的需求往往是多樣化的，且呈現出互不關聯的離散化特點，因此，其目標并非是單一的，而是離散的目標參數組。

（2）建筑方案生成及反饋優化機制。首先，直接決定建筑方案生成的，是包括建筑朝向、建筑密度、建筑高度等在內的可控參數，這也是建筑師的主要操作領域；通過對可控參數的調整，使最終的建筑方案與目標相契合。其次，判斷建筑是否滿足目標，則需要考察外界條件與建筑之間相互作用的最終效果。在這里，外界環境信息便是作為客觀狀態的固定參數，而預測效果與目標之間的差異，便是建筑方案優化的依據。

（3）借助數字化建筑信息模型，來調整決定建筑生成的可控參數。在指標體系的影響下，利用參數化模型進行一系列的信息化推演（圖7）。在這一過程中，會生成大量的結果樣本，成千上萬的可能性將逐一與目標參數進行對比，最終實現建筑方案的優化。

圖7 建筑的離散化生成體系框架

由此可見，構建建筑的離散化生成體系，一方面，需要建筑師更加深入地理解建筑所處的環境，敏銳地發掘環境中的問題及建筑設計本身所應對的多方面需求，并將需求轉化為可量化的數字化目標體系；另一方面，則需要深入探尋環境要素與建筑及城市之間相互作用的內在機制。例如，在針對高密度城市的建筑設計中，建筑所面對的需求不僅僅是人們對建筑的使用需求，還承擔了修復城市生態環境的生態需求，以及創造更加健康的人居環境的健康需求等。建筑師需要在這個過程中廣泛借鑒生態學、公共衛生學等相關學科領域的研究成果，針對多樣化的需求制定相應的目標；同時，通過深入研究建筑本身對周邊生態環境，以及所塑造的城市空間對人們健康狀況的影響規律，制定更為合理的目標，使得信息對建筑生成的影響更加科學并更具邏輯性。