参数化设计体系下的城市形态译码方法及其应用

王雪强 吴明萱 张颖异

20世纪80年代以来，数字技术在设计领域得到了空前发展。参数化理念的提出颠覆了传统的设计观，乃至认知物质世界的思维习惯。对于建筑设计来说，以参数化工具为代表的数字技术革新了传统设计方式，建筑成为了数字设计的产品。从第一次在建筑设计过程中使用参数化工具开始，人们就已经意识到这些工具能够给城市设计带来相似的益处，甚至在大尺度城市项目中发挥更多优势[1]。夸张的流线型表象只是利用参数化手段得到的众多结果中的一种，基于算法规则的设计方案应具有更多可能性。参数化设计方法研究的意义不在于追求博人眼球的怪异曲线，而在于提供更广阔的设计空间，更理性的设计逻辑和更高效的设计程序。随着扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）等人在城市设计中的实践探索，参数化技术手段逐渐延伸到了城市研究层面，设计方法及其建造流程正朝着更科学而系统的方向发展[2]。

1 参数化设计理念

1.1 参数与形式

参数化设计体系认为，所有物质实体都是通过参数系统而非几何形体来定义的[3]。构成形体的基本要素由相关参数和参数值控制，形式来源于参数。早期的参数化理念和工具主要兴起于航空航天和汽车行业，用以辅助建造复杂曲线，如今参数化方法已经对建筑设计产生了深远影响[4]。在传统的建筑设计中，建筑可拆解为若干具有规则形状的组件，并以此实现对功能的理解。而对于参数化设计体系，参数和参数之间的关系决定了建筑形式。有多少种参数和参数关系，建筑设计就有多少种可能性。通过变换参数关系，建筑既可表现为规则形体，也可表现为复杂函数曲面体。

数字媒介出现以前，建筑形式和空间设计来源于欧几里德几何学的假设——二维平面和三维空间中的形体均以点线面为构成要素。数字技术使单纯的手工绘制向非欧几里德式的复杂曲面逐渐过渡，参数和程序被引入到设计过程当中。因此，前卫的参数化表象背后，是建筑设计观的突破和对功能更新层次的理解，就整体风格而言，并非为求“奇形”而追求形式本身[5]。

参数化设计本质上是一个系统的方法，即利用计算机平台建立一个相互关联的元素集合，该集合中包含元素、元素参数，元素与元素之间的关系，及元素与参数之间的关系。元素、参数和其关联性均取决于设计者想要得到的设计结果。当人为控制的设计意图不明确或不完备时，参数化设计体系也无法完整。参数化设计意味着扩大设计变量的范围和种类，除通常的几何形体变量外，环境和设计者本身也作为一种变量被考虑在内，进而整合形成参数化系统[6]。因此，参数化设计方法并非放弃了人脑思考，而是用脚本语言更精准地表达人的思维逻辑。

1.2 参数与工具

参数化理念促进了设计的定制化。20世纪90年代初涌现了大量的计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）工具，包括快速成型设备（Rapid Protyping,R P）和计算机数控设备（C o m p u t e r Numerical Control，CNC）等。这些工具在工程建造方面显示出明显优势，并被建筑师应用在方案设计的初期阶段[7]。计算机辅助进行二维绘图和三维建模，加快了方案可视化。但是，这种基于传统的福特主义的批量化产品生产理念，一定程度上造成了建筑设计的重复性和单一性。

参数化设计使定制生产非规则构件成为可能，建筑空间和形态由此表现出复杂而唯一的特性。事实上，数字化设计与建造已经不仅局限于构建三维模型，而是在于创立融合“多目标设计模拟”以及“建造流程职能控制”的数据化交互设计[8]。参数化数字工具为建筑设计提供了新的契机，仅通过数字信息即可完成从设计到建造的整个过程[9]。

设计表达和可视化是参数化技术手段最表象的应用，究其内在，参数化设计方法论提供了一种空间研究工具，在数字环境下探讨和预测建筑或城市形态。参数化设计工具，包括生成组件（Generative Components，GC），数字建造（Digital Project，GC），玛雅（Autodesk Maya），犀牛（Rhinoceros 3D）及其插件草蜢（Grasshopper 3D）等，允许通过脚本编写生成参数化模型，与人脑逻辑互为辅助论证（图1）。在参数化设计中，参数比形式更重要，描述物体的是特定参数而不是几何形式。当参数值变化或重新定义时，空间形态也将同步模拟。

2 参数化设计中的城市空间

数字技术甫一出现即得到了广泛关注，但具有弹性和互动性的参数化设计方法仍然缺乏。20世纪90年代后期，随着“智慧形体小组”（Smart Geometry Group）的建立，建筑、工程和结构领域的参数化工具体系开始快速发展。随后，以扎哈·哈迪德和派特里克·舒马赫（Patrick Schumacher）等人为代表的先锋设计师进行了多个城市尺度下的参数化设计实践，包括土耳其卡塔尔城市设计（图2），新加坡One－North城市设计（图3）等。这些具有强烈个人风格甚至戏剧性的设计方案革新了人们对于城市形态的认知，但同时也遭到了非议，被贴上“放纵”（Extravagant）的标签[10]。

图2 土耳其卡塔尔城市设计

图3 新加坡纬一（One-North）科技城城市设计

“参数化城市主义”是一种在城市尺度下基于参数化理念而形成的设计思潮，主张通过提炼传统城市语汇，探索城市构成要素之间的关系，编写参数脚本，从而发展出新的城市形态。在参数化城市主义中，设计方案并不受控于轴线或城市要素的体块位置，而受控于城市肌理的密度分布，建设区域对形变的敏感性或地形梯度[11]。相比于现代城市主义和后现代城市主义，参数化城市主义将空间理解为被流体充满的场域（表1），流体运动形成的浪涌成为空间的构架。

表1 不同城市“主义”对空间的理解

城市尺度下的参数化设计方法一直饱受争议。支持者认为参数化设计体系有其自身的规则，方法和特性，将多样的、动态的、复杂的城市要素作为设计主体，真正适应城市设计需求[12]。参数化有利于创造更为活跃的具有互动性的设计方案[13]，是空间塑造革命的结果。反对者则认为参数化城市主义缺乏对空间构型（Space Configuration）的理解。希利尔（Hillier）提出，人类在空间中的活动与空间构型参数直接相关，城市网络的空间构型包括人类行为模式和建筑形态，二者各自独立或相互作用[14]。作为理解城市形态的基础要素，空间构型参数并没有被重点提及，参数化城市主义缺乏对人的行为方式的分析，有悖于传统的城市生长逻辑，并可能带来消极后果。

尽管对参数化设计方案的批判从未停止，但就设计方法而言，参数化相比传统方法更为高效、理性、直观。首先，当确立了设计方案的参数系统和脚本后，简单地调整参数数值即可快速生成多个设计方案。系统内各元素之间存在联动关系，一处更改则与之相关的元素均得到了调整，免去了复杂的设计修改过程。其次，在计算机平台上编写具有逻辑关系的脚本，由此得到的是渗透了逻辑思维的方案，而非单纯依据经验或审美意图。其三，参数关系与三维模型相结合，完成脚本编写的同时，方案模拟同步完成。当人为更改参数值时，计算机同时模拟出不同的建筑和城市情境，便于在评估过程中直观表达设计意图，预测建成后的结果。

3 形态译码方法的应用

形态译码是近年来兴起于美国的一种城市规划设计方法，用以缓解传统城市规划模式导致的土地浪费、城区无限蔓延和空间功能单一等问题。形态译码用物理空间形态代替土地利用划分来重新编译城市，具有参数化特征，因此也常作为参数化城市设计的方法之一。参数化设计体系下的形态译码重构使设计理念不单纯地停留在概念体块阶段，而在城市设计深化中同样具有潜力，并实现与参数化建筑设计的衔接。在参数化思维方式下，空间形态和关系都可看作是参数控制的结果，可通过具体的参数来定义。

3.1 形态译码（Form-Based Code）

传统的城市规划模式以土地利用划分为主要依据，尽管世界各国对土地利用的分类方式不同，但其类型大体包括居住用地、商业用地、商住混合用地、工业用地和开放绿地等五类。本约瑟夫（Ben-Joseph）、帕罗里克（Parolek）、泰伦（Talen）等认为这种教条的土地规划方法忽视了对城市空间发展的控制，无法预测城市空间的三维形态，对现代城市产生了消极影响。芝加哥形态译码学会（Form-Based Code Institute）提出，形态译码能缓解传统土地利用规划带来的城市问题，有效预测建设结果，提高城市空间质量。

断面矩阵是形态译码划分城乡区块的主要依据，标准的形态译码断面矩阵（图4）包括自然区域（T1）、乡村区域（T2）、亚城市区域（T3）、普通城市区域（T4）、城市中心区域（T5）、城市核心区域（T6）和特殊区域（SD）。断面矩阵概念最初主要在生物学领域使用，用以描述生态系统内物种的分层栖息和迁徙。多恩（Duang）首次将断面矩阵应用到城市研究中，提出从乡村到城市的划分应取决于多种空间构成要素，如建筑、土地、街道及一切与人类生活相关的物质[17]，城市发展不应过于依赖土地利用规划。2000年，多恩将这种断面矩阵概念引入实际的形态译码设计项目中，验证弱化用地功能、强化形态控制在当代城市发展中的可行性。

图4 形态译码的标准断面矩阵

3.2 应用流程

参数化形态译码的核心在于把断面形态编写进参数脚本，利用参数化图式和模型代替传统的二维图示描述。本研究选取某高密度城市核心区用地为例，探讨创建参数化形态译码的方法与流程。

首先，确定参数体系。参数体系的设置直接关系到最终设计结果，在参数选取中应明确设计方向和预期。本案例中的参数包括容积率，步行道宽度，道路等级，基础设施等级，街巷高宽比和最大建筑高度。然后，根据路网分割，将调研区域划分为若干地块并逐一编号。通过实地调研，得到研究范围内各地块的六类参数数值。由于各参数的单位不同，不便于比较，因此利用统计学的标准化方程进行数据标准化：

其中：

Emin = E数列中的最小值；

Emax = E数列中的最大值；

当最大值和最小值相等时，标准化后的值等于0.5。

表2即各调研地块的参数标准化情况，所有经过标准化的数据均处于[0，1]闭区间内，且不含有计量单位。标准化平均值为各地块的人工化程度值。该值越大，则其所代表的地块在断面矩阵中越处于右端位置；该值越小，则地块越处于左端位置。将[0，1]闭区间平均分成10个等级，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]。经数据整合得知，24个地块的标准化平均值均落在0.10到0.70之间（图5），意味着该城市核心区的断面矩阵可划分为6个城市核心区亚类（图6）。比如5号地块，其标准化平均值为0.39，则5号地块的人工化程度值即为0.39，所属的断面类型为城市核心区的第三亚类（T6-3）。在实际项目中，并非所有项目都能含有标准断面矩阵中的全部断面类型。设计者可根据数据分析结果重新定义特定区域的断面矩阵，增减断面种类。

表2 各调研地块的参数标准化值

图5 各地块标准化平均值分布

图6 调研地块的形态译码断面矩阵

3.3 设计模拟

将各地块断面类型代回调研用地，得到空间重组后的设计方案。以T6-3断面为例，设置地块内建筑物的参数体系，包括最大建筑高度、建筑层高、后退红线距离等，在参数化平台中模拟建筑形态，即可得到街区建筑控制模型（图7～8）。形态译码与参数化设计方法进行叠加，利于参数化城市设计与下游的建筑设计进行对接，二者均可通过统一的参数化设计平台，如本案中的草蜢（Grasshopper 3D）平台，进行建筑参数数值设定，减少数据交换产生的重复工作量。此外，在需要修改设计方案时可灵活调整数值，便于方案评估。

图7 参数化平台下的街区模型

图8 某断面类型中的建筑控制参数模型

将各地块的建筑控制数据导入计算机后，还可通过进一步的参数设定进行环境能耗模拟、粗略造价估算等。城市环境能耗模拟可通过参数化平台的插件实现，例如图9，在草蜢（Grasshopper 3D）中运行阿克西姆能源（Archsim Energy）软件，即可预估大型城市规划的日照情况，自动模拟模型中的所有建筑，计算特定区域内每小时的自然采光。此外，通过设置控制参数，如建筑宽度、地块划分、后退红线距离等，编写造价估算脚本，可粗略估算各方案的建设费用（图10）。

图9 参数化平台下的环境采光模拟

图10 参数化平台下的建设成本预估

结语

本研究系统地梳理了参数化设计理念的特征、逻辑和对城市空间形态模拟的方法。一方面，参数化手段的引入使建筑和城市设计更加系统和高效；另一方面，参数化手段把形态作为主要研究要素，形态译码方法的应用为城市空间设计提供了新的思路。

参数化城市主义将参数化方法引入城市问题研究中，革新了塑造城市空间的手段和平台。尽管参数化城市设计的研究还处于初始阶段，却是不可忽略的趋势。形态译码方法的应用使参数化理念深入到城市设计的多个层面，而非仅局限于粗略的建筑体块表现。形态译码利用断面矩阵重新定义城市空间，结合统计学方程，构建区别于传统土地划分的新方法。在此基础上进行采光、造价等参数化平台的探索，为重构城市空间提供更多可能性。

资料来源：

图1：斯德诺（Steino）,欧博灵（Obeling），2014；

图2：扎哈·哈迪德建筑师事务所，2006；

图3：扎哈·哈迪德建筑师事务所，2001；

图4：多恩（Duany）,2012；

图9：阿克西姆（Archsim）采光分析界面，2017；

表1：在思瓦（Silva，2010）的研究基础上改绘；

文中其余图表均为作者绘制。