【轉(zhuǎn)帖】建筑設(shè)計(jì)生成藝術(shù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

【轉(zhuǎn)帖】建筑設(shè)計(jì)生成藝術(shù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)【摘　要】　介紹鹿特丹的KCAP和阿姆斯特丹的OAP工程團(tuán)隊(duì)以及蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院的CAAD研究組運(yùn)用生成技術(shù)合作完成的荷蘭格羅寧根市火車(chē)站站前廣場(chǎng)工程，探索生成藝術(shù)在建筑設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性及前景。
【關(guān)鍵詞】 關(guān)鍵詞　生成藝術(shù)　自組織　自生成設(shè)計(jì)系統(tǒng)

一　生成藝術(shù)及“自組織”

生成藝術(shù)（generative art）是一種科學(xué)的藝術(shù)創(chuàng)作方式，它通過(guò)一種類(lèi)似生物基因編碼的轉(zhuǎn)換程序最終形成人造物或者人造世界。在生物世界里，不同基因組合可以產(chǎn)生無(wú)窮多種類(lèi)的生命現(xiàn)象和生命體。生成藝術(shù)則試圖尋求可以產(chǎn)生無(wú)窮多形式的基因編碼，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)人們的主觀想法,從而生成豐富多彩的設(shè)計(jì)形態(tài)，如同生物因不同DNA的結(jié)構(gòu)特征而具有不同表現(xiàn)形式，生成藝術(shù)借計(jì)算機(jī)編碼的“自組織”方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思維的根本轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生出迥然不同、不可預(yù)知的藝術(shù)品（工業(yè)產(chǎn)品、建筑作品、音樂(lè)作品等等）。通過(guò)生成藝術(shù)的“自組織”系統(tǒng)，我們可以創(chuàng)造設(shè)計(jì)產(chǎn)品的新種群，并保證其進(jìn)程中的唯一性；在顯示設(shè)備上直觀認(rèn)知可能生成的結(jié)果，感觸空間、建筑藝術(shù)的復(fù)雜性。生成藝術(shù)“自組織”系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)制，是一個(gè)自行從簡(jiǎn)單向復(fù)雜、從粗糙向精細(xì)不斷提高自身復(fù)雜度和精細(xì)度的過(guò)程；一個(gè)系統(tǒng)與外界交換物質(zhì)、能量和信息，而不斷降低自身熵含量（熵是熱力學(xué)中描述系統(tǒng)內(nèi)部無(wú)序性或混亂度的量度），提高其有序度的過(guò)程；一個(gè)自發(fā)地從可知狀態(tài)向幾率較低的方向遷移的過(guò)程；一個(gè)在“遺傳”、“變異”和“優(yōu)勝劣汰”機(jī)制作用下，其組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式不斷地自我完善，從而提高其對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力的過(guò)程。

作為一種新型的方法，生成藝術(shù)正在向各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐漸滲透，本文介紹一項(xiàng)運(yùn)用生成藝術(shù)解答建筑設(shè)計(jì)問(wèn)題的成功案例——荷蘭格羅寧根市火車(chē)站站前公共廣場(chǎng)更新項(xiàng)目,由鹿特丹的KCAP（Kees Christiaanse Architects & Planners）、阿姆斯特丹的OAP（Ove Arup & Partners）工程團(tuán)隊(duì)以及蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH-Zurich）的CAAD研究組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ETH-CAAD）通過(guò)自生成設(shè)計(jì)系統(tǒng)合作完成。

二　應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

項(xiàng)目位于荷蘭格羅寧根市火車(chē)站站前公共廣場(chǎng)，根據(jù)城市建設(shè)的需要，該設(shè)計(jì)將一條公共汽車(chē)線路的終端移至廣場(chǎng)的周邊，地面空間拓寬為步行廣場(chǎng)，地下空間為汽車(chē)線路和與中心主火車(chē)站相連的區(qū)域。此外，該工程還要求增建一個(gè)能夠容納3 000輛自行車(chē)的半地下停車(chē)場(chǎng)。

1　建筑師的意圖

建筑師試圖用纖細(xì)的非直立混凝土柱組成的“森林”為豎向結(jié)構(gòu)支撐, 承載交通功能的地面層，并希望最終產(chǎn)生的空間效果輕盈、變幻，謂之 “森林柱”。方案被定為隨機(jī)布局：三種隨機(jī)規(guī)格的柱徑、隨機(jī)的傾斜角度及方位。豎向森林柱的設(shè)計(jì)成為生成藝術(shù)需要解決的核心問(wèn)題。柱網(wǎng)分布定義遵循ARUP的工程師提供的結(jié)構(gòu)規(guī)則，建筑功能布局和設(shè)計(jì)意向由KCAP的建筑師、設(shè)計(jì)師提出，生成設(shè)計(jì)的“基因編碼”由ETH-CAAD研究組完成。

程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于在哪兒放置這些柱子？由于柱子有過(guò)多的自由度，如柱子的位置、傾斜的角度、柱子的尺寸，與各種約束，如洞口、交通出入口的位置及柱體必須回避的道路、柱體的方位關(guān)系、適宜的柱距等，這些問(wèn)題成為在合理的時(shí)間內(nèi)完成兼顧結(jié)構(gòu)規(guī)則和建筑美學(xué)的設(shè)計(jì)結(jié)果的難點(diǎn)。

2　實(shí)驗(yàn)的原理

要實(shí)現(xiàn)比爾?米切爾所言的“充分理解CAAD系統(tǒng)”，就必須完成問(wèn)題的預(yù)先定義及其解答的自動(dòng)生成。人工生命的研究，如細(xì)胞的自動(dòng)控制、密集系統(tǒng)、遺傳算法，已經(jīng)證實(shí)可以用一個(gè)合理的程序方法處理不完善的建筑設(shè)計(jì)定義，或者不能充分地定義，如審美需求等。ETH-CAAD研究組對(duì)“自下而上”原理（一種從事物本質(zhì)因素出發(fā)，探討其發(fā)展可能。相對(duì)于“自上而下”管理部門(mén)的控制方式）的研究已經(jīng)取得了積極的試驗(yàn)成果，類(lèi)似的方法能夠解決這一問(wèn)題。

（1）柱子“棲息地”。建筑剖面及平面如圖1所示，柱網(wǎng)定位可以通過(guò)圖2來(lái)描述。約束概念：柱網(wǎng)上部必須位于樓板外線框之中，同時(shí)避開(kāi)貫通空間及垂直交通井；柱網(wǎng)下部設(shè)于自行車(chē)放置區(qū)域并避開(kāi)人行道和自行車(chē)的放置點(diǎn)。柱網(wǎng)的“棲息地”包括兩層：樓板層尋找柱網(wǎng)上部的約束點(diǎn)；底層尋找柱網(wǎng)下部的約束點(diǎn)。如圖2所示的樓板中，綠色的區(qū)域?yàn)榭缮L(zhǎng)的“棲息地”，紅色的區(qū)域?yàn)楸仨毐荛_(kāi)的區(qū)域。

                               
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圖1　剖面及平面
圖2　帶洞的樓板、自行車(chē)停放地、無(wú)地下室的區(qū)域

（2）有機(jī)體。柱網(wǎng)表征為密集系統(tǒng)的質(zhì)點(diǎn)：系統(tǒng)中的每根柱子為一個(gè)獨(dú)立個(gè)體，它會(huì)探測(cè)自己的“棲息地”并根據(jù)與鄰柱的關(guān)系自動(dòng)反應(yīng)。依據(jù)兩層不同的棲息層，柱子的模型由兩個(gè)不同的部分組成（圖3）。底端結(jié)束點(diǎn)可在底面層自由移動(dòng)，而頂端結(jié)束點(diǎn)可在樓板層里移動(dòng)。具有空間位置、長(zhǎng)度和傾斜度屬性的柱體被簡(jiǎn)化為空間連接線段；柱體的傾斜角度在所定義的最大值內(nèi)變化。

                               
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圖3　柱體模型

3　實(shí)驗(yàn)的過(guò)程

該項(xiàng)目的目標(biāo)之一是要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)高度交互的應(yīng)用軟件，允許建筑師直接影響模擬過(guò)程的輸出，并實(shí)時(shí)看到指令的反饋結(jié)果，因此需要圖示表達(dá)整個(gè)過(guò)程。如果能夠通過(guò)三維表達(dá)在極短的時(shí)間做出反應(yīng)更佳。ETH-CAAD的建筑師為此建立了不同的樓板模型：根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)將樓板層分隔為五個(gè)獨(dú)立的區(qū)域。相應(yīng)的樓板區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)具有不同的需求，各區(qū)域及其邊緣和洞口具有各自獨(dú)立的參數(shù)并以不同的顏色標(biāo)識(shí)（圖4）。

                               
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圖4　ARUP對(duì)結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的劃分

要避免柱網(wǎng)成為道路障礙物可以通過(guò)定義道路中心線取得。根據(jù)其交通流量，由三類(lèi)具有不同抵制強(qiáng)度的道路組成，它們由通過(guò)中心的主自行車(chē)線路、通往樓梯的二級(jí)道路及自行車(chē)之間的小徑組成。

柱網(wǎng)的分布算法采用具有壓力感應(yīng)及可變的柱體來(lái)模擬逼真的生長(zhǎng)過(guò)程。柱體隨著環(huán)境參數(shù)的變化自動(dòng)適應(yīng)各自的尺寸和定位，建筑師不必在初始狀態(tài)指定柱子的直徑及其生長(zhǎng)的位置。倘若柱體探測(cè)到距離鄰柱太遠(yuǎn)，其周?chē)幱诘蛪籂顟B(tài)，柱體便開(kāi)始持續(xù)的擴(kuò)展（圖5a）。當(dāng)它達(dá)到了最大柱徑而周?chē)廊粵](méi)有鄰柱，該柱分裂為兩根子柱，它們同時(shí)開(kāi)始生長(zhǎng)（圖5b）。當(dāng)柱體探測(cè)到距離鄰柱或“棲息地”邊緣太近，其周?chē)鷮⑻幱诟邏籂顟B(tài)，柱體則按照相同的方式收縮（圖5c）。如果已經(jīng)達(dá)到了最小的狀態(tài)同時(shí)壓力依然很大，最終它將消亡（圖5d）。

                               
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圖5　柱體的擴(kuò)展、分裂、收縮與消亡

遵循這種生成規(guī)則，建筑師在五個(gè)樓板區(qū)域中各自“種下”一棵柱子后，它開(kāi)始生長(zhǎng)、分裂直至鋪滿(mǎn)整個(gè)區(qū)域。柱型根據(jù)其位置而調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)數(shù)次的嘗試可以調(diào)節(jié)到最大化滿(mǎn)足初始參數(shù)設(shè)置的狀態(tài)，從而理想地實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)限定。運(yùn)用不同顏色的編碼對(duì)這一進(jìn)程很有幫助，可以相對(duì)于柱網(wǎng)的不同動(dòng)能區(qū)分以不同的顏色（圖6a），或者標(biāo)記那些超出初始參數(shù)，如最大傾斜度的柱子（圖6b）。KCAP的建筑師能夠在很短的時(shí)間內(nèi)處理各種各樣的參數(shù)，并提出大量關(guān)于柱網(wǎng)的設(shè)計(jì)版本。理想的版本被輸出到AutoCAD中，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的基本資料。

                               
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圖6　柱型的調(diào)節(jié)
　 a 用顏色區(qū)分不同的動(dòng)能
　 b 紅色標(biāo)注過(guò)大的傾斜度
　　
4　實(shí)驗(yàn)成果

成果以三維動(dòng)態(tài)模型呈現(xiàn)，建筑師可以交互控制模型的生成過(guò)程，通過(guò)兩種不同的方式控制這一進(jìn)程：一方面可以直接改變單一柱子的位置，一旦某根柱體的位置被動(dòng)地發(fā)生了改變，系統(tǒng)會(huì)迅速達(dá)到新的動(dòng)平衡狀態(tài)；另一方面可以重新定義柱網(wǎng)及環(huán)境屬性的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)提供實(shí)時(shí)反饋，柱網(wǎng)的分布及時(shí)適應(yīng)不斷變化的參數(shù)配置。這就使建筑師可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種可供選擇的解決方案。穩(wěn)定而滿(mǎn)意的結(jié)果生成之后，構(gòu)筑柱網(wǎng)位置的相關(guān)數(shù)據(jù)可以輸出成多種多樣的數(shù)碼文件格式。

該工程已經(jīng)在荷蘭格羅寧根市動(dòng)工建設(shè)（圖7，8）。

                               
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圖7　最終的成果

                               
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圖8　廣場(chǎng)模型

三　生成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的啟示

作為生成藝術(shù)的實(shí)現(xiàn)基本手段，“自組織”系統(tǒng)正引領(lǐng)人類(lèi)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“他組織”中解脫出來(lái)。這雖然顯示出技術(shù)上的進(jìn)步與升級(jí)，但首先是一種觀念與理論上的轉(zhuǎn)變?！白越M織”系統(tǒng)不是現(xiàn)有應(yīng)用軟件和建筑元素的集合，而是由一系列具有自身利益界定和自主決策能力的單元所組成的整體。每個(gè)單元都可以最大限度地爭(zhēng)取其自身的“利益”，同時(shí)，也是整體平衡體系中不可缺少的一部分。與人為的“他組織”系統(tǒng)相比，按照自組織原則構(gòu)建和運(yùn)行的制造系統(tǒng)具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：①更強(qiáng)的駕馭復(fù)雜性的能力。非常復(fù)雜的行為模式通過(guò)以自律原則組織起來(lái)的、大量相互作用的、相對(duì)簡(jiǎn)單的單元來(lái)實(shí)現(xiàn)；②更強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力。各自律單元見(jiàn)機(jī)行事，對(duì)于環(huán)境的隨機(jī)變化和突變具有更為靈活機(jī)動(dòng)的響應(yīng)特性；③更強(qiáng)的自行趨優(yōu)的能力。自組織系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行，它就具有一種“自提升”的功能，能夠、而且必須在內(nèi)部機(jī)制的作用下，不斷地優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，完善其運(yùn)行模式。

非生成設(shè)計(jì)之初通常有構(gòu)思階段，構(gòu)思成熟時(shí)形象已經(jīng)基本分明、呼之欲出。相比之下，生成藝術(shù)所能構(gòu)思的只有規(guī)則，如算法、約束，但根據(jù)規(guī)則而生成的結(jié)果則是不可預(yù)計(jì)的。生成藝術(shù)的創(chuàng)作可以說(shuō)是有計(jì)劃的隨機(jī)運(yùn)作，是確定性與非確定性的高度統(tǒng)一，它的設(shè)計(jì)原則是理性的，而結(jié)果更為感性。

透過(guò)研究的整個(gè)過(guò)程，我們看到生成設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)方法使建筑作品具有與眾不同、不可重復(fù)的特征，對(duì)特定建筑項(xiàng)目的設(shè)定條件或其規(guī)則的適應(yīng)性導(dǎo)致生成結(jié)果的唯一性與不可重復(fù)性，生成藝術(shù)提供創(chuàng)作行為的人類(lèi)模仿自然的機(jī)會(huì)。它代表設(shè)計(jì)方法的革命，引領(lǐng)建筑成為科學(xué)與藝術(shù)融合、理性與感性并存、人工與自然共生的客觀產(chǎn)物。

承蒙ETH：Prof. Ludger Hovestadt, Prof. Bruno Keller, Fabian Scheurer, Odilo Schoch, KaiRüdenauer, Stephan Rutz及東南大學(xué)仲德崑先生、單踴先生等多位學(xué)者幫助，專(zhuān)此致謝。
圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院CAAD研究組

好文，收藏了。

生成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)規(guī)則和建筑美學(xué)的統(tǒng)一，同時(shí)還要有高超的計(jì)算機(jī)編程能力！要做到這些單憑個(gè)人能力是很難完成的。中國(guó)有很多這方面的人才，如果能夠有效地組織起來(lái)，就可以發(fā)揮很強(qiáng)的設(shè)計(jì)力量！期待中國(guó)設(shè)計(jì)的騰飛！