建筑设计生成艺术的应用实验

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一　生成艺术及“自组织”

生成艺术（generative art）是一种科学的艺术创作方式，它通过一种类似生物基因编码的转换程序最终形成人造物或者人造世界。在生物世界里，不同基因组合可以产生无穷多种类的生命现象和生命体。生成艺术则试图寻求可以产生无穷多形式的基因编码，通过计算机编程实现人们的主观想法,从而生成丰富多彩的设计形态，如同生物因不同DNA的结构特征而具有不同表现形式，生成艺术借计算机编码的“自组织”方式实现设计思维的根本转变，进而产生出迥然不同、不可预知的艺术品（工业产品、建筑作品、音乐作品等等）。通过生成艺术的“自组织”系统，我们可以创造设计产品的新种群，并保证其进程中的唯一性；在显示设备上直观认知可能生成的结果，感触空间、建筑艺术的复杂性。生成艺术“自组织”系统的内在机制，是一个自行从简单向复杂、从粗糙向精细不断提高自身复杂度和精细度的过程；一个系统与外界交换物质、能量和信息，而不断降低自身熵含量（熵是热力学中描述系统内部无序性或混乱度的量度），提高其有序度的过程；一个自发地从可知状态向几率较低的方向迁移的过程；一个在“遗传”、“变异”和“优胜劣汰”机制作用下，其组织结构和运行模式不断地自我完善，从而提高其对于环境的适应能力的过程。

作为一种新型的方法，生成艺术正在向各个设计领域逐渐渗透，本文介绍一项运用生成艺术解答建筑设计问题的成功案例——荷兰格罗宁根市火车站站前公共广场更新项目,由鹿特丹的KCAP（Kees Christiaanse Architects & Planners）、阿姆斯特丹的OAP（Ove Arup & Partners）工程团队以及苏黎士联邦理工学院（ETH-Zurich）的CAAD研究组（以下简称ETH-CAAD）通过自生成设计系统合作完成。
               
                 
                  
                  
                 
        

        

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二　应用实验

项目位于荷兰格罗宁根市火车站站前公共广场，根据城市建设的需要，该设计将一条公共汽车线路的终端移至广场的周边，地面空间拓宽为步行广场，地下空间为汽车线路和与中心主火车站相连的区域。此外，该工程还要求增建一个能够容纳3 000辆自行车的半地下停车场。

1　建筑师的意图

建筑师试图用纤细的非直立混凝土柱组成的“森林”为竖向结构支撑, 承载交通功能的地面层，并希望最终产生的空间效果轻盈、变幻，谓之 “森林柱”。方案被定为随机布局：三种随机规格的柱径、随机的倾斜角度及方位。竖向森林柱的设计成为生成艺术需要解决的核心问题。柱网分布定义遵循ARUP的工程师提供的结构规则，建筑功能布局和设计意向由KCAP的建筑师、设计师提出，生成设计的“基因编码”由ETH-CAAD研究组完成。

程序设计的关键在于在哪儿放置这些柱子？由于柱子有过多的自由度，如柱子的位置、倾斜的角度、柱子的尺寸，与各种约束，如洞口、交通出入口的位置及柱体必须回避的道路、柱体的方位关系、适宜的柱距等，这些问题成为在合理的时间内完成兼顾结构规则和建筑美学的设计结果的难点。

2　实验的原理

要实现比尔•米切尔所言的“充分理解CAAD系统”，就必须完成问题的预先定义及其解答的自动生成。人工生命的研究，如细胞的自动控制、密集系统、遗传算法，已经证实可以用一个合理的程序方法处理不完善的建筑设计定义，或者不能充分地定义，如审美需求等。ETH-CAAD研究组对“自下而上”原理（一种从事物本质因素出发，探讨其发展可能。相对于“自上而下”管理部门的控制方式）的研究已经取得了积极的试验成果，类似的方法能够解决这一问题。

（1）柱子“栖息地”。建筑剖面及平面如图1所示，柱网定位可以通过图2来描述。约束概念：柱网上部必须位于楼板外线框之中，同时避开贯通空间及垂直交通井；柱网下部设于自行车放置区域并避开人行道和自行车的放置点。柱网的“栖息地”包括两层：楼板层寻找柱网上部的约束点；底层寻找柱网下部的约束点。如图2所示的楼板中，绿色的区域为可生长的“栖息地”，红色的区域为必须避开的区域。


图1　剖面及平面
图2　带洞的楼板、自行车停放地、无地下室的区域

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（2）有机体。柱网表征为密集系统的质点：系统中的每根柱子为一个独立个体，它会探测自己的“栖息地”并根据与邻柱的关系自动反应。依据两层不同的栖息层，柱子的模型由两个不同的部分组成（图3）。底端结束点可在底面层自由移动，而顶端结束点可在楼板层里移动。具有空间位置、长度和倾斜度属性的柱体被简化为空间连接线段；柱体的倾斜角度在所定义的最大值内变化。


图3　柱体模型

3　实验的过程

该项目的目标之一是要创造一个高度交互的应用软件，允许建筑师直接影响模拟过程的输出，并实时看到指令的反馈结果，因此需要图示表达整个过程。如果能够通过三维表达在极短的时间做出反应更佳。ETH-CAAD的建筑师为此建立了不同的楼板模型：根据连接节点将楼板层分隔为五个独立的区域。相应的楼板区域对结构具有不同的需求，各区域及其边缘和洞口具有各自独立的参数并以不同的颜色标识（图4）。


图4　ARUP对结构不同区域的划分

要避免柱网成为道路障碍物可以通过定义道路中心线取得。根据其交通流量，由三类具有不同抵制强度的道路组成，它们由通过中心的主自行车线路、通往楼梯的二级道路及自行车之间的小径组成。

柱网的分布算法采用具有压力感应及可变的柱体来模拟逼真的生长过程。柱体随着环境参数的变化自动适应各自的尺寸和定位，建筑师不必在初始状态指定柱子的直径及其生长的位置。倘若柱体探测到距离邻柱太远，其周围处于低压状态，柱体便开始持续的扩展（图5a）。当它达到了最大柱径而周围依然没有邻柱，该柱分裂为两根子柱，它们同时开始生长（图5b）。当柱体探测到距离邻柱或“栖息地”边缘太近，其周围将处于高压状态，柱体则按照相同的方式收缩（图5c）。如果已经达到了最小的状态同时压力依然很大，最终它将消亡（图5d）。

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要避免柱网成为道路障碍物可以通过定义道路中心线取得。根据其交通流量，由三类具有不同抵制强度的道路组成，它们由通过中心的主自行车线路、通往楼梯的二级道路及自行车之间的小径组成。

柱网的分布算法采用具有压力感应及可变的柱体来模拟逼真的生长过程。柱体随着环境参数的变化自动适应各自的尺寸和定位，建筑师不必在初始状态指定柱子的直径及其生长的位置。倘若柱体探测到距离邻柱太远，其周围处于低压状态，柱体便开始持续的扩展（图5a）。当它达到了最大柱径而周围依然没有邻柱，该柱分裂为两根子柱，它们同时开始生长（图5b）。当柱体探测到距离邻柱或“栖息地”边缘太近，其周围将处于高压状态，柱体则按照相同的方式收缩（图5c）。如果已经达到了最小的状态同时压力依然很大，最终它将消亡（图5d）。


图5　柱体的扩展、分裂、收缩与消亡

遵循这种生成规则，建筑师在五个楼板区域中各自“种下”一棵柱子后，它开始生长、分裂直至铺满整个区域。柱型根据其位置而调节。经过数次的尝试可以调节到最大化满足初始参数设置的状态，从而理想地实现其结构限定。运用不同颜色的编码对这一进程很有帮助，可以相对于柱网的不同动能区分以不同的颜色（图6a），或者标记那些超出初始参数，如最大倾斜度的柱子（图6b）。KCAP的建筑师能够在很短的时间内处理各种各样的参数，并提出大量关于柱网的设计版本。理想的版本被输出到AutoCAD中，作为进一步设计的基本资料。


图6　柱型的调节
　 a 用颜色区分不同的动能
　 b 红色标注过大的倾斜度

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4　实验成果

成果以三维动态模型呈现，建筑师可以交互控制模型的生成过程，通过两种不同的方式控制这一进程：一方面可以直接改变单一柱子的位置，一旦某根柱体的位置被动地发生了改变，系统会迅速达到新的动平衡状态；另一方面可以重新定义柱网及环境属性的相关参数，系统会提供实时反馈，柱网的分布及时适应不断变化的参数配置。这就使建筑师可以在短时间内实现多种可供选择的解决方案。稳定而满意的结果生成之后，构筑柱网位置的相关数据可以输出成多种多样的数码文件格式。

该工程已经在荷兰格罗宁根市动工建设（图7，8）。


图7　最终的成果

图8　广场模型

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三　生成设计实验的启示

作为生成艺术的实现基本手段，“自组织”系统正引领人类的设计系统从传统的“他组织”中解脱出来。这虽然显示出技术上的进步与升级，但首先是一种观念与理论上的转变。“自组织”系统不是现有应用软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决策能力的单元所组成的整体。每个单元都可以最大限度地争取其自身的“利益”，同时，也是整体平衡体系中不可缺少的一部分。与人为的“他组织”系统相比，按照自组织原则构建和运行的制造系统具有以下突出的优点：①更强的驾驭复杂性的能力。非常复杂的行为模式通过以自律原则组织起来的、大量相互作用的、相对简单的单元来实现；②更强的适应环境的能力。各自律单元见机行事，对于环境的随机变化和突变具有更为灵活机动的响应特性；③更强的自行趋优的能力。自组织系统一旦开始运行，它就具有一种“自提升”的功能，能够、而且必须在内部机制的作用下，不断地优化其组织结构，完善其运行模式。

非生成设计之初通常有构思阶段，构思成熟时形象已经基本分明、呼之欲出。相比之下，生成艺术所能构思的只有规则，如算法、约束，但根据规则而生成的结果则是不可预计的。生成艺术的创作可以说是有计划的随机运作，是确定性与非确定性的高度统一，它的设计原则是理性的，而结果更为感性。

透过研究的整个过程，我们看到生成设计作为一种新的设计方法使建筑作品具有与众不同、不可重复的特征，对特定建筑项目的设定条件或其规则的适应性导致生成结果的唯一性与不可重复性，生成艺术提供创作行为的人类模仿自然的机会。它代表设计方法的革命，引领建筑成为科学与艺术融合、理性与感性并存、人工与自然共生的客观产物。