建筑的离散化生成

严一凯 YAN Yikai 宋德萱 SONG Dexuan 梁 浩 LIANG Hao

1 信息的数字化

随着虚拟技术的发展，现实世界中的信息越来越多地以数字化形式呈现，而数字化的广泛应用也使信息本身的获取变得更加便利。结合更加高效的信息处理能力，人与人、人与环境之间形成了真正意义上的互通。从某种意义上讲，正是整个社会信息的数字化构建了这个万物互联时代的前提；同时，也成为了这个万物互联时代的重要特点。所谓“信息的数字化”，是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再基于这些数字、数据建立起相应的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程[1]。现代知识的产生，很大程度上是依靠对多样化信息本身的处理与关联性分析。

关于信息的数字化影响，主要体现在两个方面：一方面，数字化的信息可以实现更高的储存密度，使整个人类社会承载信息、保存信息的总量大幅提升，信息本身的获取也变得更加便利，结合数据科学所带来的处理信息方式的根本性革命，人们能够以更高效的方式对现有的大量碎片化信息进行分类和整理，并快速提取有用的信息；另一方面，信息的数字化意味着信息本身以数据的形式呈现，这为各个不同领域之间的信息沟通统一了语言。数据成为了信息的表达形式，其结果是不同领域之间的学科壁垒被彻底打破，大大降低了各领域信息之间的沟通难度；而互联网自身的媒体属性更是加速了学科之间的沟通频率。在信息广泛的数字化影响下，信息之间不停地互换、重组，进而产生新的知识。各个不同领域学科之间具有了更加强大的相互吸收属性，学科的弹性及延展性得到大幅提升。大量知识的产生不再依靠单一领域的纵向挖掘，而是更多地依赖广泛跨学科领域的横向延展。换言之，知识的生产方式出现了某种离散化的趋势。这一变化也促使人们从新的角度重新审视建筑学，并对处于新时代的建筑学展开更多维度的思考。

2 新时代背景下建筑设计理念的重构

全新的知识生产方式深深影响着建筑学，在万物互联的时代背景下，知识之间的界限变得模糊，建筑学也和其他学科一样，需要与其他相关领域进行深度融合，从而使建筑学的学科壁垒逐渐瓦解，其内容得到大幅延展，且终将催生出全新的建筑设计理念。

2.1 信息时代对建筑生成本质的再思考

在新时代的思维体系中，建筑不仅仅是存在于场地中的物理实体，还可以理解为来自建筑之外的各个方面信息的集中反馈。这其中既包含了由环境所决定的客观信息（地理位置、环境限制、气候条件等），也包括由使用者决定的主观信息（使用者对于建筑的使用习惯、生活模式等等），使人们可以从信息转译的角度重新解读建筑与城市。

如果将建筑理解为外界信息的集中反馈与表达，那么建筑设计就是一个通过运算体系输出结果的生成过程。传统意义上，由建筑师主导的建筑设计体系可以在某种程度上被理解为一种“中心化”算法，即：在尽可能考察相关外界条件之后，将所有信息进行汇总整合，进而生成最终的建筑方案。至于建筑最终与环境之间的互动是否为良性，则完全取决于建筑师这一核心大脑的“运算能力”。对于现代建筑师而言，这样的建筑设计过程面临着巨大挑战：现代建筑与城市的复杂属性，使得建筑师需要考虑的因素越来越复杂化与多样化；单核心的运算也越发显得捉襟见肘，往往需要在不同因素之间反复徘徊，迫使人们不得不重新思考建筑的设计方法。因此，在万物互联的时代背景下，需要寻找一种新的建筑设计方法，使整个过程具有更加高效的“运算能力”。

2.2 建筑的离散化生成的基本理念

随着互联网时代运算数量和复杂性的增加，对“运算”有了全新的定义。运算的核心不再是一种单纯的算法机制，而是将其描述为数据时空安排中的一种模式。例如，目前占主导地位的人工智能(AI)研究，它依赖于大型数据集和神经网络；同样，今天在互联网上构建的社交媒体平台已不能将TCP/IP 协议视为一种行为演算来解释，而是通过观察与之共享的链接和节点数量来解释。更高级的运算方式意味着从中心化到离散化的趋势，给人们带来了重要启发（图1）。

图1 从中心化的整体到去中心化的离散

在离散化的思想框架之下，建筑整体可以被描述为各个影响因素之间的分布关系；而每个影响因素又独立存在，并对建筑的最终生成产生直接影响[2]。通过建筑所涉及的不同方面、不同问题的反馈，可以描述一个建筑，抑或是一个城市。来自气候、环境、生活方式等诸多信息共同汇聚在建筑中相互影响，最终形成各影响因素之间的动态平衡。当建筑被解读为各种外界影响因素的集合时，传统意义上由建筑师单一主导的建筑设计模式被彻底瓦解，建筑成为了一个多因素主导的体系——这便是一种基于离散思想框架下的建筑生成[2]。在这一思想框架下，建筑学边界被消解，建筑师的角色也从建筑设计的“掌控者”转变为共享知识下建筑生成体系的重要“参与者”。

3 建筑的数字化描述

构建建筑离散化生成体系的前提，是各因素之间在保证各自独立性的同时，需保持相互之间的关联状态。各影响因素在动态的相互关联中，不停地进行着自我调整。与整体论的观念相比，由离散化代表的分体论所形成的，并非是一个静态的个体，而是可以被想象成为一个动态的离散网格体系。在这个体系中，各个因素之间都相互独立，同时又相互关联；而影响设计的众多因素则变成了直接影响整个体系的一个个网节。于是，设计的核心不再取决于单一建筑师的运算能力，而在于整个系统是否能够接纳更多的影响因子，并在影响因子之间形成关联。因此，建筑的离散化生成体系是以建筑生成过程对外界信息的接纳潜力为前提的。

3.1 以参数化为代表的数字化建筑信息模型

如前文所述，在万物互联的时代，只有建筑设计模式实现自身的数字化，使建筑可以被完整地数字化表达，才能够将更多的影响因素纳入到建筑生成的过程中并做出反应，这是离散化建筑生成的前提。

20 世纪60 年代，以CAD 为代表的计算机辅助设计工具的出现，有效提高了建筑设计的效率，被视为建筑数字化设计的开端；参数化设计的出现，则彻底改变了对建筑的描述方式。毫无疑问，参数化的出现大大加强了数字化在建筑学中的地位。基于参数化，建筑师可以对建筑实现更加精确、完整、有力的纯数字化描述。

实际上，参数化建筑概念的出现要远远早于其实践性研究。1939年，早在现代意义上的个人计算机出现之前，意大利建筑师路易吉·莫雷蒂（Luigi Moretti）便开始着手研究建筑形式与数字参数之间的关系，并提出了“参数化建筑”（Architettura Parametrica）这一概念的雏形。然而，受限于当时的计算机技术，这一概念并没有引起人们的重视。直到20 世纪60 年代，IBM 公司正式向市场推出IBM 610 计算机并开启了个人电脑时代，借助于计算能力的大幅增强，莫雷蒂在第十二届“米兰三年展”中首次向人们展示了通过参数化建模设计的体育场馆模型（图2）[3]。莫雷蒂也因此被称为使用现代数字工具对建筑形体进行描述的第一人。

图2 莫雷蒂所展示的体育场馆模型设计

参数化建筑的本质是一套基于参数化建筑模型的设计方法。在建筑设计过程中，通过控制不同的参数，结合相应算法生成包含形式与相应特征属性的形式。在这个过程中，不同的算法机制代表不同的生成规则；参数则是规则内起作用的变量，不同的参数则决定了建筑形式的最终呈现。从这个意义上讲，可以将古典柱式视为一种很原始的参数化体系。在欧洲古典建筑理论中，柱式所代表的是一系列尺度关系，并以此来定义一座建筑各个部分之间的比例尺度。在这里，不同的柱式可以理解为不同形式的生成规则；基于不同的柱式，便可以产生不同风格的建筑。因此，建筑师所选择的参数体系将会直接影响最终的建筑呈现。

现代意义上参数化建筑的出现，使建筑本身具备了数字表达的能力。借助于更高效的计算设备，可使参数在更加复杂的生成规则中发挥作用，并以数字化的方式对建筑形体进行描述，通过参数对建筑进行精确且高效的干预。有关设计的一切信息都将以数据的形式保存下来，建筑中所包含的信息越来越复杂，建筑设计过程也呈现出数字化属性。

3.2 关于参数与生成规则的思考

参数化的出现，令当今建筑展现出与传统建筑截然不同的风格；而参数化建筑的提出，从根本上改变了建筑的描述方式。以数字化的方式描述建筑，大大增强了建筑生成过程的兼容性。建筑信息与来自于其他领域的信息可以在同一个数字化体系中实现有效互动，使其在如今的信息和数字化时代中更加具有融合其他学科知识的潜力。

21 世纪初，英国建筑师帕特里克·舒马赫（Patrik Schumacher）提出了“参数化主义”（Parametricism）的概念。他赋予了“参数化主义”一种明显的二元属性：一方面，参数化所生成的建筑应具有极强的视觉辨识度；另一方面，参数化建筑的相关理论也是一种建筑生成的方法论[4]。这无疑是相当具有远见的一种定义，其中包含了大量的内涵。这使得参数化建筑与以往所出现的计算机辅助设计工具有了本质的区别，其作用不仅仅是提升设计效率，还形成了一套完整的建筑学理论。因此，需要跳出通过参数化设计方法实现建筑风格创新的固有思维，重新思考参数及生成规则本身的含义[5]。

以城市设计为例，在互联网时代，人们可以以数字为媒介更好地解读城市信息，数字化的城市管理体系可以最大范围地收集与城市相关的各种信息，包括环境信息、交通信息、人们的行为信息，等等[6]。当诸多城市中的复杂影响因素以数据化形式呈现在面前时，这些信息便可作为影响建筑生成的重要参数；而影响因素对建筑起作用的方式，即为影响建筑设计的生成规则。利用所有的数据，结合参数化建筑设计框架，便可以形成建筑与目标之间的直接反馈。

4 多目标离散化建筑生成体系构建

建筑是处于环境中的建筑。外界环境的复杂性与多样性决定了建筑需要具备多目标属性，需要对各种不同的外界信息做出精确且全面的反馈。然而，外界信息并非是成体系出现的，更多是作为一种相对独立的离散化影响因素，这对建筑设计而言，无疑是一项巨大的挑战。为了应对这一挑战，应构建一种多目标的离散化参数体系，以更好地实现建筑的多目标属性。

4.1 参数化反馈优化机制

近年来，随着我国城市化进程的推进，越来越多的城市问题被暴露出来。为了应对日趋严重的城市问题，实现城市的可持续发展，许多城市都对建筑密度、建筑高度、退线等技术指标提出了严格的要求。这种以建筑语言来规定的强制性规范，虽然在一定程度上可以有效避免高密度城市中诸如采光、通风在内的许多问题，但由于规范是基于实践经验的一种逆向总结，并且是以建筑专业语言描述，使得建筑设计行为与目标之间呈现出一种间接关系。这便导致了一些特殊情况的出现，如在通风设计中，经常会出现某些高密度地区的自然通风状况反而要优于一些相对低密度的地区等。这说明建筑设计所产生的效果与目标之间的间接联系使得建筑设计的可预期属性较弱；而基于参数化模型建立的优化体系，则可以很好地建立设计过程与目标之间的反馈机制。

与参数化体系相对应，参数化反馈优化机制主要包含3 个部分，即可控参数、生成规则以及目标参数[6]。其中，可控参数是指能够直接影响建筑方案生成的量化指标；生成规则是建筑方案与环境之间互动而产生的实际效果预测机制。例如，在城市可持续住区设计中，保证整个社区的自然采光效率是塑造城市可持续及低碳生态城市的基本要求，而建筑的朝向、高度、建筑密度等具体指标都会影响自然采光效率。这些具体指标便作为建筑生成过程中的可控参数，成为优化过程中的具体调节对象；而自然光照条件作用于建筑所产生具体效果的规则，即为生成规则[7]。

与上述两者不同，目标参数并不直接参与建筑的生成过程，而是作为建筑生成的边界对照条件参与到优化过程中。目标参数是在确定“明确目标”的基础上，通过对目标进行数字化描述，进而转化成为具体的量化指标。生成规则所预测的实际效果通过参数化建筑信息模型进行数字化表述，并与目标参数进行对比。在反复的对比过程中，逐渐接近目标参数，从而实现建筑的优化生成。

基于明确的生成规则，在参数化建筑信息模型的帮助下，将建筑方案产生的预测效果与目标参数进行反复优化比对，可以在一定程度上实现设计与目标之间的直接联系[8]。借助于数据科学，可以确定并量化诸如容积率、自然采光等明确目标参数，并通过对参数的控制来确保预期结果的准确性，使建筑可以在一种自适应的灵活控制体系下，实现对特定目标的精准反馈。

4.2 多目标的离散化体系

在参数化反馈优化机制的基础上，引入离散化的建筑生成理念，可实现多目标的建筑生成优化体系。例如，在城市设计中，建筑师所面临的问题往往是多样化的，建筑间距及建筑高度不仅影响了建筑本身的采光通风，还对城市公共空间的人流量、交通拥挤程度有直接影响。借助现代数据科学对数据本身的分析处理能力，可以在各个目标参数之间建立离散化体系，实现多目标优化。在一系列的目标参数影响之下，通过将不同的设计量化指标转化为控制参数，利用参数化模型实现信息化推演，并进行反复的生成与对比，最终形成一个兼顾多方面的稳定的城市建筑系统。

在这个过程中，首先需要确定所面对的问题，并确定相应的目标体系，将目标转化为目标参数。例如，在高密度城市进行超高层建筑设计时，需将建筑通风、日照、面积等目标转换为目标参数纳入到目标体系中来，并以数字化形式整合到整个建筑体系中，通过整体将应对各个不同目标的建筑生成规则关联起来。之后再借助参数化建筑信息模型，对样本地块进行多目标体系的优化迭代，继而对生成过程进行统一的调整优化。

4.3 案例分析

位于美国纽约曼哈顿的范德比尔特一号大厦(One Vanderbilt)（图3），便是这种多目标体系优化的产物。该建筑高度超过420 m，特殊的地理位置配合巨大的体量，决定其需要兼顾来自城市、环境及使用人群等各方面的需求。其中既包括优化步行交通体系、引导城市人流，也包括优化城市视野，最大限度地减少对自然光照的遮挡等。因此，如何整合不同相关群体所提出的各种目标，成为了项目设计过程中的最大挑战。为此，设计团队（KPF）创建了一套独有的基于多目标优化的设计流程，通过对不同目标及建筑参数进行量化并多次迭代的方式，实现建筑方案的最优化，最终实现了多目标体系下的建筑生成。

图3 范德比尔特一号大厦

设计团队首先通过公开数据获取了场地周边的日常人流量数据信息，并构建数字化模型用以模拟建筑对于人流量的影响情况。根据现有数据显示，紧邻建设场地的纽约中央车站承担的峰值客流达69 700 人/h（图4）；而在规划中，未来中央车站的峰值客流可达134 700 人/h。考虑到疏散人流压力，团队将建筑地下层与中央车站联通，以缓解纽约中央车站巨大的人流压力，这就需要通过针对性的设计以应对来自地下的大量人流。

图4 初始人流情况

根据人流测算，设计团队最终采取将地下空间拆分为2 个上层平台、2 个下层平台及1 个夹层的形式，并通过反复的数字推演，形成了依靠4 部电梯加4 部楼梯来疏解内部交通压力的最终解决方案。根据目前的模拟数据显示，范德比尔特一号大厦的建设不仅没有造成进一步的交通拥堵，反而在参数化辅助设计的帮助下，以复合地下空间设计的方式，疏解了原本杂乱的城市地下空间，使得场地周围的可步行性提升了2.9%（图5）。

图5 改造后人流情况

此外，曼哈顿市中心作为早期高密度城市的代表，其核心区域的阳光照射率严重不足，因此，设计的另一个重要的目标是尽可能地减少建筑主体对城市阳光的遮挡。为此，设计团队对日照率进行了量化，并设置了建筑形体的变化规律，通过关键的形体参数来控制建筑形体的变化。根据日照效率与建筑形体的关联，应用遗传算法进行寻优，最终实现了在保障最大体量的前提下获得最佳的城市日照效率（图6）。

图6 基于多目标的可控参数优化过程

从范德比尔特一号大厦的例子中可以发现，将原本离散的建筑目标体系转化为数据，再通过参数化建筑生成技术，可实现多目标体系下的建筑生成。离散化的建筑生成体系意味着一次对建筑话语权的分享，所有影响建筑生成的因素都以数字化形式被纳入到建筑的构建体系中来，每个因素相互独立又通过建筑彼此关联，在各个因素的反复相互作用中，最终达成一种相对稳定的关系。

5 结论与展望

建筑的离散化生成是针对城市多样化需求提出的建筑生成新理念，其中包含了多个要素。

（1）基于具体需求所确定的明确目标参数。在现代生存环境尤其是城市的复杂环境中，人们对建筑及城市的需求往往是多样化的，且呈现出互不关联的离散化特点，因此，其目标并非是单一的，而是离散的目标参数组。

（2）建筑方案生成及反馈优化机制。首先，直接决定建筑方案生成的，是包括建筑朝向、建筑密度、建筑高度等在内的可控参数，这也是建筑师的主要操作领域；通过对可控参数的调整，使最终的建筑方案与目标相契合。其次，判断建筑是否满足目标，则需要考察外界条件与建筑之间相互作用的最终效果。在这里，外界环境信息便是作为客观状态的固定参数，而预测效果与目标之间的差异，便是建筑方案优化的依据。

（3）借助数字化建筑信息模型，来调整决定建筑生成的可控参数。在指标体系的影响下，利用参数化模型进行一系列的信息化推演（图7）。在这一过程中，会生成大量的结果样本，成千上万的可能性将逐一与目标参数进行对比，最终实现建筑方案的优化。

图7 建筑的离散化生成体系框架

由此可见，构建建筑的离散化生成体系，一方面，需要建筑师更加深入地理解建筑所处的环境，敏锐地发掘环境中的问题及建筑设计本身所应对的多方面需求，并将需求转化为可量化的数字化目标体系；另一方面，则需要深入探寻环境要素与建筑及城市之间相互作用的内在机制。例如，在针对高密度城市的建筑设计中，建筑所面对的需求不仅仅是人们对建筑的使用需求，还承担了修复城市生态环境的生态需求，以及创造更加健康的人居环境的健康需求等。建筑师需要在这个过程中广泛借鉴生态学、公共卫生学等相关学科领域的研究成果，针对多样化的需求制定相应的目标；同时，通过深入研究建筑本身对周边生态环境，以及所塑造的城市空间对人们健康状况的影响规律，制定更为合理的目标，使得信息对建筑生成的影响更加科学并更具逻辑性。