过程、逻辑与模型——参数化风景园林规划设计解析

袁旸洋

成玉宁*

随着数字技术在设计领域研究的深入，参数化设计方法在二维与三维形态设计领域已有广泛运用，数字流使设计与建造、施工等过程的联系更加紧密，成为辅助设计师进行复杂形态设计与塑造的有效方法[1-2]。当代风景园林规划设计紧密围绕“生态”与“形态”两大核心展开，参数化风景园林规划设计方法的意义不囿于“形态”，更在于“生态”：通过对自然过程与规律的分析与解读，构建设计逻辑，搭建模型描述设计系统，将来源于场地分析与评价的定量化数据作为参变量，基于调控生成动态优化的设计结果，使设计与场所的固有特征、规律及过程相耦合，从科学意义上实现因地制宜。

1 风景园林规划设计的参数化原理

复杂科学的兴起对风景园林产生了重大影响，系统论的观点被引入风景园林学的研究之中。作为多目标的复杂系统，风景园林规划设计的对象与目标具有特殊性，与建筑设计相比，参数化风景园林规划设计方法有着自身的特点。

1.1 风景园林系统的复杂性

根据系统论的观点，复杂系统中不同因素相互作用产生的影响绝不是简单相加，即整体大于部分之和[3]。随着研究的深入，复杂性的内涵不断丰富，它不仅指代复杂、混乱，还意味着嵌套、自相似和突现，更意味着整体、秩序和渐次增加的层次、组织性及进化。丰富性与复杂性从语义表述上看似乎具有一定相似性，系统的丰富性包含了复杂性：风景园林环境蕴含了大量的信息，复杂性呈现了这一系统内部信息间的相互关系，场所记录了历史的时间轨迹，留存了人与自然的发展痕迹，积淀了丰富的信息。从信息的构成上看，风景园林的场所信息类型十分丰富，并且外化表现方式不一。风景园林环境由两大子系统构成，其一是遵循客观规律的自然或拟自然的生态系统，其二是人为的设计目标及功能诉求。系统的复合性分别应对不同的“秩序”。亚历山大(Christopher Alexander)于1964年在《形式综合论》(Notes On The Synthesis of Form)的导言中指出：“如今越来越多的设计问题已达到难以解决的复杂程度……与问题的复杂性增强相对应，信息量和专业经验的复杂性也在增长。这些信息广泛、分散、无序，难以把握……信息量已超出单一设计师个人所能把握的范围。[4]”随着社会的发展，人们对风景园林环境的认识逐渐加深，设计时思考的内容较以往更为广泛和丰富，需要处理的信息也呈几何倍数增长，仅凭借经验难以处理如此复杂、多元的信息，更难以驾驭庞大的信息群。参数化风景园林规划设计将整个设计流程建立在数字化软硬件平台之上，依据客观条件结合风景园林设计的多目标诉求，理性地构建逻辑模型，选择适宜的算法，并模拟复杂系统，依靠计算机的运算能力和图形处理能力，科学分析和评价风景园林环境，辅助生成设计结果。参数化的设计方法利用要素之间的关联，将复杂的风景园林环境信息统合于系统之中，通过要素调控实现风景园林环境的系统优化。

1.2 多目标的风景园林设计

“空间、生态、功能、文化”是现代风景园林环境的4个基本组成部分，四要素之间的关系犹如三棱锥体的4个节点(图1)，不同的风景园林环境中4个节点的权重与相互关联度不尽相同，使不同的风景园林环境特征表现出明显的差异性，从而呈现出千变万化的景观[5]。风景园林规划设计过程就是在研究场所条件的基础上，寻求多目标达成的途径。风景园林规划设计不是4个基本面的简单叠加，而须根据环境与诉求的不同，权衡与调节4个基本构成因素，使之在同一环境中和谐共生。风景园林环境的服务对象是人，需要满足人的诉求。当代风景园林规划设计是在满足自然系统存在及发展规律的基础上将人的需求嫁接、植入，实现设计的人工系统与场所的原生系统之间的融合。对于风景园林环境而言，容易改变的形态并非系统的本质特征：场所中的自然过程与规律不以人的意志为转移。因此，设计不应只关注“形态”，更应聚焦“生态”问题，在研究风景园林系统及其变化过程与规律的基础上开展设计，动态地调节4个基本构成要素，使风景园林环境能够自我持续发展。兼顾“形态”与“生态”的设计成为风景园林规划设计的诉求，是参数化风景园林规划设计方法的核心所在。

1.3 设计要素的动态性

风景园林设计需要处理的信息不仅数量庞大、复杂性程度高，而且并非一成不变：风景园林环境的信息在系统内处于动态变化之中。草长莺飞、飞流直下、花开花落等是风景园林环境动态景象的基本特征，也是风景园林规划设计与建筑及城市规划设计的显著区别。其根本原因从古典主义与现代景观设计的区别比较中不难看出，古典主义造园的特征在于依据人的意志将景物保持在“最佳状态”，而现代景观设计则强调将人的诉求融入自然的进程。不同于人工建成环境，风景环境中自然进程发挥着决定性作用，人们无法对风景园林场所形成绝对的控制。设计师必须审慎研究并巧妙运用“自然力”，在时间与自然力的共同作用下，场所呈现出的动态特征应纳入设计师的思考范畴。据此，应当建立“过程”的意识和理念，建构一个动态的设计过程，使之与环境的动态性积极响应。参数化的设计模型体现了各设计要素之间的关联，呈现为一个开放、动态的系统，即单一要素的改变会引起设计结果的变化。由此，参数化的设计方法能够与风景园林设计要素的动态特征相契合，体现自然的演进与变化过程。

2 参数化风景园林规划设计的机制

近30年来，风景园林规划设计的变化在于“由关注结果转变为重视过程的设计”，即重视设计过程的设计及控制。新的设计方法通过把握动态的设计过程，结合调控与优化，实现“生成设计”，体现了“自下而上”的特征。风景园林的参数化设计强调对过程而不是结果的控制，“自下而上”能够实现最少人工干预下的适宜性设计。

“参数化”本质上是一个描述过程的术语，它依据设计要素之间的关系，通过在变量与输出之间建立联系形成衍生关系。在风景园林规划设计中，事物之间的关系体现为解决设计问题所产生的设计逻辑。参数化设计亦可以称为参变量化设计，即设计是受参变量控制的，改变参变量的值会使设计结果随之变化。在设计逻辑形成的基础上构建模型，通过调控模型中的参变量，从而生成设计结果，是参数化设计的核心。因此，参数化风景园林规划设计包含了3个关键因素：参数化设计过程、参数化设计逻辑，以及参数化设计模型。

图1 现代风景园林规划设计的4个目标

2.1 参数化设计过程

“过程”是对事物发展所经历的程序及阶段的称呼。在哲学领域，“过程”一词被定义为事物发展变化的连续性在时间和空间上的表现。设计同样也是一种“过程”，体现在时间和空间中。在时间维度中看，设计过程仅对应了事物发展的某一阶段。城市规划、建筑及风景园林等领域的设计活动都遵循一个基本相似的秩序。以往，设计过程常常被概念化为一个线性的过程，随着系统论的提出和当代设计的发展，逐步意识到设计所面对的对象是一个复杂的系统，而不再是单纯的要素集合体。约翰·泽塞尔(John Zeisel)在《研究与设计：环境行为研究的工具》(Inquiry by Design: Tools for Environment-Behavior Research)中将设计过程形容为“设计螺旋”, 是一个循环和反复的过程，设计者一再重复一连串的活动，每次都解决一些问题，而这些活动都指向同一个目标[6](图2)。设计需要满足各种设计需求，是在约束条件下进行的创造性工作，通过一系列设计活动具体实现。设计过程是一项复杂的系统工程，是多种知识的有效集成和耦合。由此，设计过程可以被定义为：为解决设计问题的一种创造性、系统化方法，是有计划、有步骤、渐进式不断完善的过程，即需要经过多次设计迭代才能获得满意的结果。循环迭代的设计过程可被描述为一个“设计—分析—评价—再设计”的过程。

图2 螺旋性重复进行的设计过程(改绘自参考文献[7])

图3 参数化风景园林规划设计过程

图4 项目选址的参数化设计逻辑构建

除了迭代的特点，系统性、非线性也是现代风景园林规划设计过程的重要特征。自1950年以后，在计算机、自动控制及系统化的影响下，相比传统凭直觉和经验的思考，现代设计更倾向于逻辑化与系统化的思考[7]。风景园林规划设计要重视系统分析和综合判断的作用，系统分析是将风景园林场所中的各要素看作是互相关联的整体，在对要素独立分析的基础上还要注重分析各要素之间的关联。综合判断是根据系统分析的结果，经过整合分析之后，权衡各要素作出设计的判断。系统分析和综合判断是辩证统一的，系统分析是综合判断的前提，只有通过分析才能为设计提供解决问题的依据，加深对设计的认识；综合判断是对分析的总结、归纳、完善和改进。关于线性与非线性的讨论起源于自然界，在相当长的一段时间内，人们关于自然的研究局限于线性的方法。然而自然科学的成就说明人类面对的是一个复杂的非线性世界，仅仅靠线性难以囊括。风景园林规划设计面对的是复杂的非线性“对象”，因而需要以非线性的思维来看待设计问题。非线性的思维带来的是设计过程的复杂性、非线性和设计结果的不确定性。设计结果的开放与不确定带来了多解，然而最终实施的方案却是唯一的。设计师难以单纯通过主观的评价来判定方案的优劣，故而必然需要有规律的过程设计与评价机制。参数化风景园林规划设计过程体现为一个连续性的发展过程，经历设计问题的提出、设计逻辑的形成、设计模型的构建、设计结果的生成，以及设计评价与反馈5个环节，以设计方案的生成作为过程的结果，可以表述为3个关键阶段。其中，设计评价与反馈蕴含了迭代过程，体现了参数化设计非线性的特点(图3)。

2.2 参数化设计逻辑

《逻辑学讲义》开篇“逻辑的概念”中写道：“自然——无论非生物界是还是生物界中的一切，都是依照规律发生的，虽说这些规律我们并非总能认识到。水位依照重力法则下降，动物依照规律行走。鱼在水中游，鸟在空中飞，都是依照规律进行的。一般来说，整个自然界无非是现象依据规律的联系；什么地方也没有杂乱无章的东西。[8]”康德认为思维的依据是规律，而逻辑则是关于“一切一般思维的科学”。由此，逻辑可认为是思维的规律，设计逻辑就是设计思维的规律。设计思维既有理性的严谨也有感性的发散，包含了逻辑性与非逻辑性。逻辑思维是人运用概念、判断和推理等思维类型反映事物本质与规律的认识过程，从而指向结论的确定性；非逻辑思维包括了直觉、灵感、想象等，指向结论的多样性。科学思维以逻辑思维为主，艺术思维以非逻辑思维为主。风景园林兼具科学与艺术的特征，与之相应，风景园林规划设计思维包含了逻辑思维与非逻辑思维2个部分，是一种综合性的思维。逻辑思维与非逻辑思维在风景园林规划设计中不可分割，两者共同组成了设计的思维系统。

图5 风景园林规划设计的“项目选址”

参数化的设计强调逻辑思维，即具有明确的指向性，能够将设计问题清晰地转化为一系列的计算机指令，与计算机的运算逻辑相吻合。在风景园林规划设计中，设计逻辑来源于实际的设计问题，它的构建从研究自然规律入手，在符合事物客观逻辑规律的同时加入设计的要求。在此基础上，可采用一系列算法对设计逻辑进行描述，进而利用计算机的运算寻求设计问题的解答。从“设计问题”到“设计逻辑”，再到“算法”，设计问题被转换为计算机的“语言”，在实现参数化的过程中，设计逻辑扮演了关键的角色，成为抽象设计问题转化为指向性明确的计算规则的关键。以风景园林规划设计的“项目选址”为例。首先对场地进行生态敏感性评价，在此基础上根据设计的需求开展建设适宜性评价，得出的可建设区域为选址操作的基本区域。其次，依据项目选址要求，以可建设区域为基础，逐步扣除限制性区域，进而筛选出符合项目特殊要求的初步选址区域。由于选址要求为限制性的选址参数，所提条件越多，对应的地块越少，所以存在一次选址难以满足要求的情况。若初步选址所得到的地块面积难以满足项目选址的要求，则形成反馈与迭代，在进行选址条件的优化后重新进行选址，直至求出符合条件的地块[9](图4、5)。

2.3 参数化设计模型

模型是对现实世界中的实体或现象的抽象或简化，通过主观意识借助实体或虚拟来表现客观事物的一个对象或概念，是对实体或现象中最重要的构成及其相互关系的表述，目的在于描述、解释、预测或者设计该实体或现象。模型的分类有多种，例如，根据模拟对象的不同，可分为2类：用来描述物体的表征模型和用来描述过程的过程模型；按表现方式的不同，可分为实体模型与虚拟模型。科学研究中，常见的模型依据形式可分为3类：比例模型、概念模型以及数学模型。比例模型是现实世界自然物质特征的表示法，如数字地形模型(DTM)；概念模型用自然语言或流程图来表述系统要素间的关联，将现实世界中的客观对象抽象为某一种信息结构，是基于经验与知识的抽象模型，按照一定的逻辑构建，亦是一种虚拟模型；数学模型是为了解决某个实际问题，通过对实际问题的抽象、简化，确定变量和参数，并应用某些“规律”建立起变量、参数间的关联，利用数学结构表达式描述客观事物的特征及其内在联系，也是一种抽象的模型(图6)。

图6 比例模型、概念模型与数学模型图6-1 比例模型：南京紫清湖旅游度假区数字地形模型

图6-2 概念模型：GIS与遗传算法相结合的道路选线模型(改绘自参考文献[10])

图6-3 数学模型：最短路径数学模型

在《形式综合论》名为“理性的必要性”的引言中，亚历山大提出了当代设计所面对的问题：“设计中的问题的数量、复杂性和难度都增加了，而社会形态和文化本身的变化也比过去任何时候都要更快。”他还指出在这样的情况下,由于人的认知和创造能力有限，要解决设计中越发复杂多变的问题，仅凭直觉难以把握。亚历山大在《形式综合论》中努力地将设计问题建立在一个逻辑和科学的基础上，以克服经验的主观性和直觉的不确定性[4]。亚历山大这种将设计构建于理性之上的思想在当下仍然闪耀着光芒。尼格尔·克洛斯(Nigle Cross)指出，在研究对象上，科学针对自然世界；人文针对人类经验；而设计针对人工世界。在方法体系上，科学应用受控的实验进行分类、分析；人文采用类比、比喻和评价的方法；设计则采用建模、图示-模式化和综合的方法[11]。

对于参数化风景园林规划设计而言，模型重在对关联与过程的描述，表达了一种逻辑的概念，在参数化的设计过程中包含了比例模型、数学模型的综合及组合应用：设计的逻辑可通过逻辑模型来表达，算法是模型基础上的实现工具，是数学模型构成的运算逻辑，需要以软件和计算机平台为支撑，通过运算生成结果。以依托于Grasshopper软件平台的拟自然水景参数化设计为例[12]，设计的目标是在有限干预下，利用人工营造具有自然形态的水景观。首先，需要将该设计问题转化为设计逻辑的构建：描述水体形态、水量与工程量三者之间的动态关联；其次，基于设计逻辑搭建参数化设计模型(图7)，模型由地形处理模块、坝数据处理模块、形态评价模块、土方量计算模块、水体生成及水量计算模块构成；再次，选择适宜的算法，输入参数进行分析计算(图8)。通过设计结果的评价与反馈，对参数进行调控，可得到最优设计结果。参数化模型的构建与运用优化了传统的设计过程，呈现了系统化设计思维与动态的特点。基于设计逻辑，依托于参数化模型，设计师通过调节要素，运用计算机平台，引导设计结果的生成。这种设计方式是自下而上的，以逻辑思维为基础，更为理性，这与传统的设计思维有显著的区别。

3 结语

风景园林规划设计面对的是复杂的环境，需要调控多样、动态的设计要素与客观规律，在风景园林规划设计中运用参数化技术能够实现参数调控下的多目标实现与系统优化，是一种有效的规划设计调控方法，景观项目选址、道路选线、水景规划、竖向规划等风景园林规划中的专项设计均可借助其实现。设计过程、逻辑与模型是参数化风景园林规划设计的核心机制。参数化的设计方法不仅可运用于大尺度风景环境的规划设计，亦可覆盖中小尺度的风景园林设计，实现风景园林“生态”与“形态”设计的协同。在风景园林规划设计实践中，参数化风景园林规划设计及技术大有可为，但需结合不同研究对象以及拟解决的设计问题分别加以对待，不局限于单一软件平台，也不可为“工具”所困，而应根据设计特点，广泛尝试、择优运用。

图7 拟自然水景参数化设计“逻辑模型”

图8 基于Grasshopper软件平台的拟自然水景参数化设计“算法模型”

在风景园林规划设计方法中融入以参数化设计为代表的逻辑与理性方法，使当代风景园林规划设计实现了“定性”与“定量”相生，“感性”与“理性”交融的科学化设计。参数化作为前沿的设计工具与技术，带来了设计方法与方式的变革，不仅将设计师从“画图”中解放出来，也赋予了风景园林规划设计更多的科学意义。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。