卡尔·斯坦尼兹可变建筑设计模型及优化*

2022-04-22张欢欢

西安工业大学学报 2022年2期

曹青，张欢欢，吴奇

(1.安庆职业技术学院建筑工程学院，安庆 246003；2.华南理工大学建筑学院，广州 510641)

建筑学在长期的发展过程中，和相关专业出现了学科交叉并产生了新的研究和设计方向，而生态学、建筑学、力学等相关学科的交叉在生态建筑理论的产生过程中起到了重要的作用。卡尔·斯坦尼兹的建筑设计相关理论就来源于这些学科之间的交叉关系[1]。建筑理解的实用主义方法发展出了多种形式，其中具有代表性的方法为格式塔法，其从整体来考察和理解，而不是从环境、结构等单因素角度进行研究[2]。建筑生态系统概念的核心是趋向平衡，而建筑生态系统从未到达过完全的平衡。为此，建筑整体性设计框架应运而生[3-4]，其主要包括以下方面：① 结构设计；② 过程设计；③ 区位设计。然而整体性设计框架体系引起设计边界的可变性，弱化了整体结构稳定性，破坏了设计动态性、交互性。针对以上问题，文中基于卡尔·斯坦尼兹多解框架理论，通过建筑设计元素重构，建立可变建筑设计模型，并对模型进行优化，以期提高建筑设计效率，缩短设计周期。

1 卡尔·斯坦尼兹多解设计框架

卡尔·斯坦尼兹在未开发土地区域的生态建筑设计中提出了六个问题，在此基础上形成了后来的卡尔·斯坦尼兹多解框架理论体系[5-6]。这六个问题描述如下：① 建筑该如何描述；② 建筑是如何运作的；③ 建筑运作是否良好；④ 建筑该如何改变；⑤ 这些变化将会产生哪些后果；⑥ 建筑是否要作改变。针对以上六个问题，建立建筑设计模型体系。通过采集模型所需数据，在空间和时间上对数据进行可视化，建立表示模型，实现数据在设计团队成员之间的共享。对表示模型进行简化、校准和测试，通过将表示模型适当地连接在一起，得出过程模型。评估过程模型过去和现在的情况，利用模型本身构想并传达评估结果，建立评估模型。在评估模型中提出或模拟未来的动态变化，将它们表现出来，构建动态模型，并在可视化的变化过程中与其他设计者交流。通过过程模型评估，建立影响模型，对影响模型进行可视化并传达影响结果，基于动态模型的影响做出决策。一旦设计团队完成了框架问题的三个迭代，就会有三个可能的决策结果:不；可能；或者是。这是卡尔·斯坦尼兹多解框架理论的核心。

当建筑环境的任何一部分发生大的改变，所有其他的部分都会产生相应性或补偿性的改变[7-8]。由于建筑环境和设计要素之间的相互关系处在动态变化过程中，且建筑设计受到城市结构、空间形态、生态环境以及历史文化保护等条件约束，因此整体性设计框架体系引起设计边界的可变性，进而弱化了整体结构稳定性。为此，通过调查区域建筑视觉形象及各方面的历史状况，结合区域诉求的表达，修正当前的建筑设计理念。通过区域建筑设计元素重构，建立基于多解框架理论的可变建筑设计模型。为使该模型更具扩展性和过程性，文中对建筑设计过程中的环节、要素以及设计数据进行分析，通过系统性模块划分、对象定义、数据归类、设计方法嵌入等途径进行最优性整体建模。

2 可变建筑设计模型构建及约束

2.1 模型构建

将建筑设计看成由若干个设计要素组成的多层系统，通过对系统进行层次划分，可将最优性整体模型分解成预期模型、参与模型、序列模型、原则模型和中介模型等。

在多解框架理论的基础上，结合建筑设计师的信心和经验可以为建筑设计提供创新性概念，进行预期模型构建，如图1所示。这必须假定设计者有足够的经验可以借鉴。将功能需求带回到现有的条件，通过演绎逻辑向前推进，以实现预先设想的设计。Ri(i=1,2,…，n)为需求项。

图1 预期模型

在建筑设计过程中，不同设计人员对建筑设计的考虑角度、评价标准和领域知识不尽相同。为充分解决设计中的冲突以保证建筑设计过程收敛于客户需求，根据设计数据结构，建立参与模型，以便满足设计各阶段对建筑设计模型的不同需求，如图2所示。这一模型将个人的建筑静态设计聚合成一个统一的动态设计，有效提高了建筑设计效率，缩短了设计周期，使差错减少，时效增强。

图2 参与模型

在进行建筑设计时按一定次序做出系列选择，将这些选择系统地表达到未来的建筑中，对这一过程建模，可得序列模型，如图3所示。这种模型从目前状况开始进行设计，按照选择序列进行推理，并使用外展逻辑，因为它可以确定地直接转移到单个指标的需求选项中，根据选择序列得到建筑设计的最优表达。

图3 序列模型

基于规则的建筑设计方法，通常被组织成一组计算机算法，但它们也可以表示成可人为设定的思维步骤，对思维步骤进行建模，可得原则模型，如图4所示。

图4 原则模型

图4中不同颜色箭头代表不同的要求，假设设计团队有足够的知识和信心来制定一组用于开发设计的正式规则。这些规则可以受环境条件限制，也可以与环境脆弱度相关。每个需求的规则都按设计决策序列进行组合。

在建筑设计过程中，设计师想法和客户意图的有效协调直接关系到建筑设计效率。为减少设计师和客户的交流障碍，缩短建筑设计周期，通过在设计师和客户之间引入设计中介人，以便协调设计师和客户的思路想法。设计中介人可以是利益相关者或决策者。对于每种类型的设计中介人，通过设计过程建模建立中介模型。将设计中介人的数据交换发布规则嵌入到中介模型中，如图5所示。图5中不同颜色箭头代表不同的要求，不同类型的设计中介人有着不同的数据交换发布规则。当不同类型的设计中介人同时发布数据时，需根据设计需求顺序进行数据更新。中介模型提高了客户需求和设计决策之间的交互效率。

图5 中介模型

2.2 模型约束

当设计目标或需求的相对重要性接近齐普夫定律时，约束方法是有用的，因此可建立设计模型的约束，如图6所示。由于每一需求存在多个选项，决策模型不确定且数据符合齐普夫分布，因此对齐普夫概率质量函数的连续性关系进行分析，寻求可变参数下的序列模型和组合模型。

图6 模型的约束

3 模型优化及组合

建筑设计优化方法要求客户和设计团队事先了解每个期望需求的相对重要性及其决策标准，基于决策者的文化知识构建优化模型，如图7所示。图7中不同颜色线条代表不同的要求，优化模型反映了决策目标、设计决策价值以及决策者对这些目标和价值的相对重视程度。这种方法需要在单个度量中识别和比较这些标准，以便能够声明设计达到最优。

图7 优化模型

当设计人员在创建的设计决策序列中不能确定适当选项时，需求组合模型有效，建立的需求组合模型如图8所示。这种策略通常用于研究未来的备选方案，在少数几个主要目标具有类似的重要性时，继续处理不太重要的目标之前必须解决关键需求的组合。

图8 需求组合模型

在组合模型设计方法中，几种不同的建筑设计模型全部或部分地结合在一起，建立组合模型，如图9所示。图9中不同颜色线条代表不同的要求，组合模型的结合途径几乎是无限的。组合模型可以为新建筑提供概念设计，在设计过程中尽可能使用序列模型，并使用中介模型进行模拟。通过持续对模型进行评估和更新，实现模型的优化。

图9 组合模型

基于卡尔·斯坦尼兹建筑设计理论建立一种可变化的设计模型，最重要的考虑因素是设计中的合作者对决策模型及其相关假设和要求的确定或不确定程度。对于预期模型、参与模型、序列模型和优化模型，假定设计团队对决策模型及其相关假设是确定的；相反，对于组合和约束模型，假定设计团队对决策模型及其相关假设是不确定的。为此，系统研究假设和需求之间组件选项是必要的。采用原则模型、优化模型和中介模型进行设计时，假定最终设计结果中的不确定性。因此，可变建筑设计模型经常用于测试设计结果对不确定性参数的敏感性或者用于多变量建筑设计中。