非线性参数化风景园林设计的低技策略探索以“心灵的花园”为例

刘通 王向荣

1 风景园林学数字化时代的来临

随着计算机和信息技术的发展，在相对论、语言学、混沌理论、新几何学、系统论、涌现理论的影响下，建筑学进入数字化时代。伴随着GIS系统、物理环境分析技术、参数化设计，运算生成设计，BIM建筑信息模型，数字图解与虚拟现实，数控建造和数字管理等新技术的层出不穷，建筑学掀起了数字化浪潮。随后，这股数字化浪潮开始影响城市规划学，并与城市经济学、城市环境分析、空间句法、自组织网络系统、分形学、多代理模型理论等相结合，推动着城市规划学的数字化进程。面对这股不可阻挡的数字化浪潮，风景园林学又会以怎么样的方式进入数字化时代呢？[1]

2 非线性参数化风景园林设计低技策略的必要性

在琳琅满目的技术名词中，参数化设计无疑是最被设计师们熟知的名词之一。

参数化设计是计算机辅助设计技术发展到一定阶段时，伴随着生产组织集成化和自动化技术的发展而诞生的，并一直广泛应用于工业设计领域。在建筑学领域，参数化设计的核心是把设计的限制条件，通过相关数字化设计软件，与设计的形式输出之间建立参数关系，生成可以灵活调控的计算机模型。参数可以是与设计相关的各种信息，比如造价、密度、气候等，通过编码转换成计算机可以识别的语言。[2]参数化设计可用于全生命周期，也可仅用于其中的某个阶段，如设计方案的生成、对已有形体的参数化控制、对构造节点的参数化设计等。[3]

同时，随着自然科学和哲学的发展，基于复杂科学理论，产生了非线性科学。它揭示了线性科学还原论的局限性，反对将复杂系统简化或还原分解为低级的简单系统，主张从整体上把握事物本来的特征和规律。[4]非线性科学使人们对欧几里德几何体系产生了怀疑，影响到产品制造业，表现为产品形态的非标准化。建筑学受其影响，开始摆脱规则标准几何形体的束缚，朝非线性的方向发展。非线性建筑是一种连续流动状的形体，这种形体作为结果来自于对各种影响建筑因素的分析、提炼和综合。由于影响因素是复杂的，建筑也呈现出不规则的形态。[5]因而建筑形体是从设计的分析研究过程推导而来，是一种自下而上的生成设计过程。

图01 斑驳的竹影洒在白色的帷幕上

图02 平静的睡莲水池

非线性建筑思想和参数化设计技术的结合，产生了非线性参数化建筑设计思潮。这一思潮强调对影响因素的综合分析，强调自下而上的生成设计过程，对风景园林学，尤其是风景园林设计有积极的借鉴意义。风景园林学是处理人与自然关系的学科，其范围比建筑学和城市规划学更大，所面对的系统更复杂，影响因素更多，非线性参数化设计方法的引入，将为风景园林学提供了一种分析、思考、处理问题的新方式。

图03 Rhinoceros模型

非线性参数化设计作为一种新兴的“高技术”设计方式，从设计到建造，具有修改的快捷方便、组件的定制加工、施工的精确拼接等特点。但这种“数字设计”并“数字建造”的“高技术”方式也意味着高造价和长工期。而在风景园林设计领域，其单位面积的造价难以与建筑设计领域相提并论，“数字建造”需要的激光切割技术、多轴机床技术、数控弯曲成形技术、智能机器人技术、快速原型技术等昂贵技术，必然与有限的预算相矛盾。并且，目前国内风景园林设计领域整体处于一种低造价、低技术、短工期的现状中。因此，如果直接将非线性参数化建筑设计的理论和技术应用在风景园林上，恐怕难以消化。所以需要针对风景园林学的学科特点和自身限制，进行转化和重构，建立起适应于风景园林未来发展的设计建造策略。

在这种情况下，探索一条符合国内现状的“低技术”非线性参数化设计策略将具有积极的现实意义，即“高技术”的非线性参数化设计方法与“低技术”施工工艺相结合的策略。这将对非线性参数化设计在风景园林领域中的发展起到极大的推动作用，也将为充满想象力的风景园林设计师们提供更多施展创意的机会。

3 心灵的花园——多义景观的非线性参数化设计低技策略的实践

作为一个学术研究型的设计事务所，多义景观的设计师也在深刻思考和积极探索着风景园林的数字化之路。在“心灵的花园”项目中，多义景观在构造节点设计阶段探索式地运用了非线性参数化设计方法，并在设计过程中充分考虑到低施工技术水平的制约，采用“低技”的施工工艺完成建造，最终达到设计预期的效果，为探索非线性参数化风景园林设计的低技策略提供了宝贵而有益的经验。

2012年2月，新加坡国家公园局邀请多义景观在2012新加坡花园节（Singapore Garden Festival）上设计一个“梦幻花园”。花园节在新加坡新达城国际会展中心召开，7月展出，工期1周，展期1周。设计师将这个花园理解为一个室内的临时花园装置，最终的方案是一个浪漫而富有禅意的花园，取名为“心灵的花园”，希望它能够给人们带来心灵的宁静和感悟。花园平面为10m×10m的正方形。多义景观希望在有限的面积内，通过白色的帷幕、苍翠的竹丛和平静的水池表现出中国花园的空间变化和诗意（图01-02）。[6]

3.1 数字设计+低技建造

方案一开始的构思就不是在平面上完成的，而是设计师在一个用纸片、竹签和橡皮泥制作的手工模型上完成空间的推敲和把握：白色的帷幕曲折蜿蜒，从入口逐渐升高、到最高处时螺旋翻转、转到中央时下降、最后再次升高转向出口，围合出迷宫一般的空间。

然后在Rhinoceros中进行方案的定形和细化（图03）。帷幕两边需要用钢丝固定，利用钢丝受弯时的弹性来绷紧具有伸缩性的帷幕。根据Rhinoceros中曲面曲率的分析（图04），在曲率变化剧烈的位置（图04中红色区域），也就是钢丝弯曲程度剧烈的位置，即受力点处布置竹柱，以牵引并固定弯曲的钢丝，从而满足钢丝和帷幕的不同的力学特性要求，即建立起“曲面曲率——钢丝弯曲受力强度——柱点”三者关联的非线性参数化体系。

接着在Rhinoceros中将帷幕展开到平面上，调整其平面线形，使得帷幕弯曲程度和平面线形变化程度相一致。标出帷幕与竹柱对应的固定点并进行对应编号，标出帷幕的分割线，将帷幕分割为若干段，以便打板加工、运输和现场拼装（图05）。为了更好地控制设计，提前发现后期施工可能出现的问题，设计师在把先加工好的两段帷幕进行拼装试验，以测试钢丝弯曲受力特性和帷幕的透明度。

这是一个低精度施工的设计，需要设计一些方法降低施工过程中必然会产生的误差，以达到非精确现场拟合。一是设计可以单轴转动的钢套做基础固定竹柱，施工时可以水平方向、竖直方向上转动竹柱来降低放线时产生的误差、竹竿不同外形产生的误差、安装帷幕时产生的误差和帷幕拉伸时产生的误差（图06）。二是通过在竹柱之间设置鱼线，将帷幕拉开，不但能降低误差，还能现场灵活调整帷幕线形。

花园中央的异形水池在设计时，考虑采用能弯曲的薄金属板，以与帷幕相似的方法建造：将水池分解为三个面，展开到平面上标注尺寸，按平面图切割好金属板后，弯曲拼接成形。但聪明的新加坡工人采用了更加低技的方法建造：用薄木板拼接成一个近似圆滑的水池，然后用纤维和胶将内外表面抹成平滑的弧面，类似于混泥土抹面的方式，最终实现的效果也比较接近设计预期（图07）。

图04 曲面曲率的分析

图05 帷幕展开平面

图06 可旋转的竹柱基础

图07 木板拼接，纤维抹面制作的异形水池

3.2 低技策略的实现途径

一个“聪明”的非线性参数化设计是可以通过简单的方式实现的。在“心灵的花园”项目中，设计师从可塑性的材料选择、简单的拼接建造流程、弹性的误差控制机制三方面途径来探索非线性参数化设计的低技策略。

3.2.1 可塑性的材料选择

平滑的曲面是非线性参数化设计的常见特征。在“心灵的花园”项目中，设计师以帷幕作为塑造空间的材料，利用织物的强可塑性结合钢丝的弹性来实现蜿蜒曲折的流畅曲面。花园中央的异形水池无论是以薄金属板还是纤维抹面的方式实现，也都是出于同样的原因。此外，混凝土、金属板、竹（木）编网架、小砌块整形等材料也具有很强的可塑性。

3.2.2 简单的拼接建造流程

以工人的“手工建造”代替机器的“数字建造”，是“低技”策略的重要方面。给工人们一个简单的分工和明确的任务，就能在很短的时间内实现复杂设计的准确完成。因此，这就要求设计师在设计阶段能预见性地将施工方案进行明确的拆解和简化，使设计方案和施工方案无缝对接，让工人以正常的方式就能进行施工作业，从而保证非线性参数化设计方案的可行性。

多义景观的设计师把帷幕和钢丝分解为若干段，并与柱点对应编号，帷幕与帷幕之间用拉链就能简单方便的连接。现场施工时，先立竹柱，再按编号挂上帷幕，然后按编号穿钢丝，最后连接帷幕、固定钢丝即可。由于拼接安装过程简单明确，10多名工人配合起来有条不紊，3天的时间内即准确无误地完成帷幕的施工。

3.2.3 弹性的误差控制机制

“数字建造”技术使用高精度的机器能使误差降到最低，而在工人以手工方式进行的低精度建造过程中，则会产生大量误差。实际工程中有各种控制误差的方法，而弹性的误差控制机制强调在设计阶段，设计要素本身具有适应和调整的可能性，譬如常见的弹簧、拉索两端的螺丝等。在“心灵的花园”项目中，设计师把竹柱基础设计成可以水平方向、竖直方向旋转，具有较好的现场拟合弹性，能充分适应现场的产生的各种误差。而半透明的鱼线，则是作为补充方法来克服帷幕的误差。最后在建成的花园里，几乎很难察觉到鱼线的存在。

4 局限与总结

由于非线性参数化风景园林设计正处于萌芽阶段，无论国外还是国内，目前都没有统一的认识，相关的理论和概念都还处于模糊、不稳定和争论的状态。因此，真正意义上的非线性参数化风景园林实践案例极少，多数案例只是在设计的某个阶段或某个局部使用了非线性参数化设计方法。在“心灵的花园”项目中，非线性参数化设计方法的运用也不完全，只是在构造节点设计阶段进行了初步运用，在设计方案的生成、对已有形体的参数化控制等方面并没有运用，通过这一项目所总结的非线性参数化风景园林设计低技策略的基本途径还需要不断地发展和完善。但可以预见的是，非线性参数化设计的方法将为风景园林设计提供了新的思路，对风景园林学的未来发展有积极的意义。

“低技”策略是相对于“高技”策略而存在的，由于学科之间的差异性和地区发展的差异性，从以前到现在到未来，两者一直并且继续并存。“高技”策略作为技术不断进步的直接体现，推动着风景园林学的持续发展，具有先锋性；“低技”策略作为其补充，则具有更强广泛性和普遍性。“高技”的非线性参数化设计方法提供了一种处理场地、环境和文脉条件的方式，拓展了设计师的能力，提高了设计的合理性；“低技”的建造策略则提供了应对现实条件制约的有效途径，增强了设计的可实施性。两者的结合并非妥协，而是智慧，让满怀激情的设计师们更好地实现一个个充满创造力和想象力的作品。

值得一提的是，“低技”策略与乡土材料、传统手工艺有着千丝万缕的联系，呈现出一定的地域性特征。如同“心灵的花园”，虽然运用了非线性参数化设计的方法，但通过对空间、意境、材料和工艺的准确把握，最终呈现出来的是一个具有中国诗意的花园，以现代的设计手法表达了对中国优秀园林传统的继承与发展这一宏大命题的探索。

图片来源：

所有图片均由北京多义景观规划设计事务所提供

[1]蔡凌豪.风景园林规划设计数字策略论[J].中国园林, 2012,(1) :14-19.

[2]高岩.参数化设计——更高效的设计技术和技法[J].世界建筑, 2008,(5) :28-33.

[3]徐卫国.参数化设计与算法生形[J].世界建筑, 2011,(6) :110-111.

[4]匡纬.基于非线性思维观的景观设计策略研究[D].北京林业大学, 2011.

[5]徐卫国.非线性建筑设计[J].建筑学报, 2011,(6) :32-35.

[6]林箐,王向荣.心灵的花园[J].中国园林, 2012,(8) :83-85.