建筑設(shè)計生成藝術(shù)的應(yīng)用實驗

1、建筑設(shè)計生成藝術(shù)的應(yīng)用實驗李飚 【摘要】介紹鹿特丹的KCAP和阿姆斯特丹的OAP工程團隊以及蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院的CAAD研究組運用生成技術(shù)合作完成的荷蘭格羅寧根市火車站站前廣場工程，探索生成藝術(shù)在建筑設(shè)計工程領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性及前景?！娟P(guān)鍵詞】 關(guān)鍵詞生成藝術(shù)自組織自生成設(shè)計系統(tǒng)一生成藝術(shù)及“自組織” 生成藝術(shù)（generative art）是一種科學(xué)的藝術(shù)創(chuàng)作方式，它通過一種類似生物基因編碼的轉(zhuǎn)換程序最終形成人造物或者人造世界。在生物世界里，不同基因組合可以產(chǎn)生無窮多種類的生命現(xiàn)象和生命體。生成藝術(shù)則試圖尋求可以產(chǎn)生無窮多形式的基因編碼，通過計算機編程實現(xiàn)人們的主觀想法,從而生成豐富多彩的設(shè)

2、計形態(tài)，如同生物因不同DNA的結(jié)構(gòu)特征而具有不同表現(xiàn)形式，生成藝術(shù)借計算機編碼的“自組織”方式實現(xiàn)設(shè)計思維的根本轉(zhuǎn)變，進而產(chǎn)生出迥然不同、不可預(yù)知的藝術(shù)品（工業(yè)產(chǎn)品、建筑作品、音樂作品等等）。通過生成藝術(shù)的“自組織”系統(tǒng)，我們可以創(chuàng)造設(shè)計產(chǎn)品的新種群，并保證其進程中的唯一性；在顯示設(shè)備上直觀認(rèn)知可能生成的結(jié)果，感觸空間、建筑藝術(shù)的復(fù)雜性。生成藝術(shù)“自組織”系統(tǒng)的內(nèi)在機制，是一個自行從簡單向復(fù)雜、從粗糙向精細不斷提高自身復(fù)雜度和精細度的過程；一個系統(tǒng)與外界交換物質(zhì)、能量和信息，而不斷降低自身熵含量（熵是熱力學(xué)中描述系統(tǒng)內(nèi)部無序性或混亂度的量度），提高其有序度的過程；一個自發(fā)地從可知狀態(tài)向幾率較低

3、的方向遷移的過程；一個在“遺傳”、“變異”和“優(yōu)勝劣汰”機制作用下，其組織結(jié)構(gòu)和運行模式不斷地自我完善，從而提高其對于環(huán)境的適應(yīng)能力的過程。作為一種新型的方法，生成藝術(shù)正在向各個設(shè)計領(lǐng)域逐漸滲透，本文介紹一項運用生成藝術(shù)解答建筑設(shè)計問題的成功案例荷蘭格羅寧根市火車站站前公共廣場更新項目,由鹿特丹的KCAP（Kees Christiaanse Architects & Planners）、阿姆斯特丹的OAP（Ove Arup & Partners）工程團隊以及蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH-Zurich）的CAAD研究組（以下簡稱ETH-CAAD）通過自生成設(shè)計系統(tǒng)合作完成。二應(yīng)用實驗項目位于荷蘭格

4、羅寧根市火車站站前公共廣場，根據(jù)城市建設(shè)的需要，該設(shè)計將一條公共汽車線路的終端移至廣場的周邊，地面空間拓寬為步行廣場，地下空間為汽車線路和與中心主火車站相連的區(qū)域。此外，該工程還要求增建一個能夠容納3 000輛自行車的半地下停車場。1建筑師的意圖建筑師試圖用纖細的非直立混凝土柱組成的“森林”為豎向結(jié)構(gòu)支撐, 承載交通功能的地面層，并希望最終產(chǎn)生的空間效果輕盈、變幻，謂之 “森林柱”。方案被定為隨機布局：三種隨機規(guī)格的柱徑、隨機的傾斜角度及方位。豎向森林柱的設(shè)計成為生成藝術(shù)需要解決的核心問題。柱網(wǎng)分布定義遵循ARUP的工程師提供的結(jié)構(gòu)規(guī)則，建筑功能布局和設(shè)計意向由KCAP的建筑師、設(shè)計師提出，生

5、成設(shè)計的“基因編碼”由ETH-CAAD研究組完成。程序設(shè)計的關(guān)鍵在于在哪兒放置這些柱子？由于柱子有過多的自由度，如柱子的位置、傾斜的角度、柱子的尺寸，與各種約束，如洞口、交通出入口的位置及柱體必須回避的道路、柱體的方位關(guān)系、適宜的柱距等，這些問題成為在合理的時間內(nèi)完成兼顧結(jié)構(gòu)規(guī)則和建筑美學(xué)的設(shè)計結(jié)果的難點。2實驗的原理要實現(xiàn)比爾米切爾所言的“充分理解CAAD系統(tǒng)”，就必須完成問題的預(yù)先定義及其解答的自動生成。人工生命的研究，如細胞的自動控制、密集系統(tǒng)、遺傳算法，已經(jīng)證實可以用一個合理的程序方法處理不完善的建筑設(shè)計定義，或者不能充分地定義，如審美需求等。ETH-CAAD研究組對“自下而上”原理（

6、一種從事物本質(zhì)因素出發(fā)，探討其發(fā)展可能。相對于“自上而下”管理部門的控制方式）的研究已經(jīng)取得了積極的試驗成果，類似的方法能夠解決這一問題。（1）柱子“棲息地”。建筑剖面及平面如圖1所示，柱網(wǎng)定位可以通過圖2來描述。約束概念：柱網(wǎng)上部必須位于樓板外線框之中，同時避開貫通空間及垂直交通井；柱網(wǎng)下部設(shè)于自行車放置區(qū)域并避開人行道和自行車的放置點。柱網(wǎng)的“棲息地”包括兩層：樓板層尋找柱網(wǎng)上部的約束點；底層尋找柱網(wǎng)下部的約束點。如圖2所示的樓板中，綠色的區(qū)域為可生長的“棲息地”，紅色的區(qū)域為必須避開的區(qū)域。圖1剖面及平面圖2帶洞的樓板、自行車停放地、無地下室的區(qū)域（2）有機體。柱網(wǎng)表征為密集系統(tǒng)的質(zhì)點：

7、系統(tǒng)中的每根柱子為一個獨立個體，它會探測自己的“棲息地”并根據(jù)與鄰柱的關(guān)系自動反應(yīng)。依據(jù)兩層不同的棲息層，柱子的模型由兩個不同的部分組成（圖3）。底端結(jié)束點可在底面層自由移動，而頂端結(jié)束點可在樓板層里移動。具有空間位置、長度和傾斜度屬性的柱體被簡化為空間連接線段；柱體的傾斜角度在所定義的最大值內(nèi)變化。圖3柱體模型3實驗的過程該項目的目標(biāo)之一是要創(chuàng)造一個高度交互的應(yīng)用軟件，允許建筑師直接影響模擬過程的輸出，并實時看到指令的反饋結(jié)果，因此需要圖示表達整個過程。如果能夠通過三維表達在極短的時間做出反應(yīng)更佳。ETH-CAAD的建筑師為此建立了不同的樓板模型：根據(jù)連接節(jié)點將樓板層分隔為五個獨立的區(qū)域。相

8、應(yīng)的樓板區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)具有不同的需求，各區(qū)域及其邊緣和洞口具有各自獨立的參數(shù)并以不同的顏色標(biāo)識（圖4）。圖4ARUP對結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的劃分要避免柱網(wǎng)成為道路障礙物可以通過定義道路中心線取得。根據(jù)其交通流量，由三類具有不同抵制強度的道路組成，它們由通過中心的主自行車線路、通往樓梯的二級道路及自行車之間的小徑組成。柱網(wǎng)的分布算法采用具有壓力感應(yīng)及可變的柱體來模擬逼真的生長過程。柱體隨著環(huán)境參數(shù)的變化自動適應(yīng)各自的尺寸和定位，建筑師不必在初始狀態(tài)指定柱子的直徑及其生長的位置。倘若柱體探測到距離鄰柱太遠，其周圍處于低壓狀態(tài)，柱體便開始持續(xù)的擴展（圖5a）。當(dāng)它達到了最大柱徑而周圍依然沒有鄰柱，該柱分裂為兩根

9、子柱，它們同時開始生長（圖5b）。當(dāng)柱體探測到距離鄰柱或“棲息地”邊緣太近，其周圍將處于高壓狀態(tài)，柱體則按照相同的方式收縮（圖5c）。如果已經(jīng)達到了最小的狀態(tài)同時壓力依然很大，最終它將消亡（圖5d）。圖5柱體的擴展、分裂、收縮與消亡遵循這種生成規(guī)則，建筑師在五個樓板區(qū)域中各自“種下”一棵柱子后，它開始生長、分裂直至鋪滿整個區(qū)域。柱型根據(jù)其位置而調(diào)節(jié)。經(jīng)過數(shù)次的嘗試可以調(diào)節(jié)到最大化滿足初始參數(shù)設(shè)置的狀態(tài)，從而理想地實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)限定。運用不同顏色的編碼對這一進程很有幫助，可以相對于柱網(wǎng)的不同動能區(qū)分以不同的顏色（圖6a），或者標(biāo)記那些超出初始參數(shù)，如最大傾斜度的柱子（圖6b）。KCAP的建筑師能夠在

10、很短的時間內(nèi)處理各種各樣的參數(shù)，并提出大量關(guān)于柱網(wǎng)的設(shè)計版本。理想的版本被輸出到AutoCAD中，作為進一步設(shè)計的基本資料。圖6柱型的調(diào)節(jié) a 用顏色區(qū)分不同的動能 b 紅色標(biāo)注過大的傾斜度4實驗成果成果以三維動態(tài)模型呈現(xiàn)，建筑師可以交互控制模型的生成過程，通過兩種不同的方式控制這一進程：一方面可以直接改變單一柱子的位置，一旦某根柱體的位置被動地發(fā)生了改變，系統(tǒng)會迅速達到新的動平衡狀態(tài)；另一方面可以重新定義柱網(wǎng)及環(huán)境屬性的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)會提供實時反饋，柱網(wǎng)的分布及時適應(yīng)不斷變化的參數(shù)配置。這就使建筑師可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)多種可供選擇的解決方案。穩(wěn)定而滿意的結(jié)果生成之后，構(gòu)筑柱網(wǎng)位置的相關(guān)數(shù)據(jù)可以

11、輸出成多種多樣的數(shù)碼文件格式。該工程已經(jīng)在荷蘭格羅寧根市動工建設(shè)（圖7，8）。圖7最終的成果圖8廣場模型三生成設(shè)計實驗的啟示作為生成藝術(shù)的實現(xiàn)基本手段，“自組織”系統(tǒng)正引領(lǐng)人類的設(shè)計系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“他組織”中解脫出來。這雖然顯示出技術(shù)上的進步與升級，但首先是一種觀念與理論上的轉(zhuǎn)變。“自組織”系統(tǒng)不是現(xiàn)有應(yīng)用軟件和建筑元素的集合，而是由一系列具有自身利益界定和自主決策能力的單元所組成的整體。每個單元都可以最大限度地爭取其自身的“利益”，同時，也是整體平衡體系中不可缺少的一部分。與人為的“他組織”系統(tǒng)相比，按照自組織原則構(gòu)建和運行的制造系統(tǒng)具有以下突出的優(yōu)點：更強的駕馭復(fù)雜性的能力。非常復(fù)雜的行為模

12、式通過以自律原則組織起來的、大量相互作用的、相對簡單的單元來實現(xiàn)；更強的適應(yīng)環(huán)境的能力。各自律單元見機行事，對于環(huán)境的隨機變化和突變具有更為靈活機動的響應(yīng)特性；更強的自行趨優(yōu)的能力。自組織系統(tǒng)一旦開始運行，它就具有一種“自提升”的功能，能夠、而且必須在內(nèi)部機制的作用下，不斷地優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，完善其運行模式。非生成設(shè)計之初通常有構(gòu)思階段，構(gòu)思成熟時形象已經(jīng)基本分明、呼之欲出。相比之下，生成藝術(shù)所能構(gòu)思的只有規(guī)則，如算法、約束，但根據(jù)規(guī)則而生成的結(jié)果則是不可預(yù)計的。生成藝術(shù)的創(chuàng)作可以說是有計劃的隨機運作，是確定性與非確定性的高度統(tǒng)一，它的設(shè)計原則是理性的，而結(jié)果更為感性。透過研究的整個過程，我們看到生成設(shè)計作為一種新的設(shè)計方法使建筑作品具有與眾不同、不可重復(fù)的特征，對特定建筑項目的設(shè)定條件或其規(guī)則的適應(yīng)性導(dǎo)致生成結(jié)果的唯一性與不可重復(fù)性，生成藝術(shù)提供創(chuàng)作行為的人類模仿自然的機會。它代表設(shè)計方法