【轉帖】建筑設計生成藝術的應用實驗【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邦理工學院的CAAD研究組運用生成技術合作完成的荷蘭格羅寧根市火車站站前廣場工程，探索生成藝術在建筑設計工程領域中應用的可行性及前景。
【關鍵詞】 關鍵詞 生成藝術 自組織 自生成設計系統
一 生成藝術及“自組織”
生成藝術（generative art）是一種科學的藝術創作方式，它通過一種類似生物基因編碼的轉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生無窮多種類的生命現象和生命體。生成藝術則試圖尋求可以產生無窮多形式的基因編碼，通過計算機編程實現人們的主觀想法,從而生成豐富多彩的設計形態，如同生物因不同DNA的結構特征而具有不同表現形式，生成藝術借計算機編碼的“自組織”方式實現設計思維的根本轉變，進而產生出迥然不同、不可預知的藝術品（工業產品、建筑作品、音樂作品等等）。通過生成藝術的“自組織”系統，我們可以創造設計產品的新種群，并保證其進程中的唯一性；在顯示設備上直觀認知可能生成的結果，感觸空間、建筑藝術的復雜性。生成藝術“自組織”系統的內在機制，是一個自行從簡單向復雜、從粗糙向精細不斷提高自身復雜度和精細度的過程；一個系統與外界交換物質、能量和信息，而不斷降低自身熵含量（熵是熱力學中描述系統內部無序性或混亂度的量度），提高其有序度的過程；一個自發地從可知狀態向幾率較低的方向遷移的過程；一個在“遺傳”、“變異”和“優勝劣汰”機制作用下，其組織結構和運行模式不斷地自我完善，從而提高其對于環境的適應能力的過程。
作為一種新型的方法，生成藝術正在向各個設計領域逐漸滲透，本文介紹一項運用生成藝術解答建筑設計問題的成功案例——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邦理工學院（ETH-Zurich）的CAAD研究組（以下簡稱ETH-CAAD）通過自生成設計系統合作完成。
二 應用實驗
項目位于荷蘭格羅寧根市火車站站前公共廣場，根據城市建設的需要，該設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”為豎向結構支撐, 承載交通功能的地面層，并希望最終產生的空間效果輕盈、變幻，謂之 “森林柱”。方案被定為隨機布局：三種隨機規格的柱徑、隨機的傾斜角度及方位。豎向森林柱的設計成為生成藝術需要解決的核心問題。柱網分布定義遵循ARUP的工程師提供的結構規則，建筑功能布局和設計意向由KCAP的建筑師、設計師提出，生成設計的“基因編碼”由ETH-CAAD研究組完成。
程序設計的關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、柱體的方位關系、適宜的柱距等，這些問題成為在合理的時間內完成兼顧結構規則和建筑美學的設計結果的難點。
2 實驗的原理
要實現比爾?米切爾所言的“充分理解CAAD系統”，就必須完成問題的預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、遺傳算法，已經證實可以用一個合理的程序方法處理不完善的建筑設計定義，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（一種從事物本質因素出發，探討其發展可能。相對于“自上而下”管理部門的控制方式）的研究已經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，柱網定位可以通過圖2來描述。約束概念：柱網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；柱網下部設于自行車放置區域并避開人行道和自行車的放置點。柱網的“棲息地”包括兩層：樓板層尋找柱網上部的約束點；底層尋找柱網下部的約束點。如圖2所示的樓板中，綠色的區域為可生長的“棲息地”，紅色的區域為必須避開的區域。
圖1 剖面及平面
圖2 帶洞的樓板、自行車停放地、無地下室的區域
（2）有機體。柱網表征為密集系統的質點：系統中的每根柱子為一個獨立個體，它會探測自己的“棲息地”并根據與鄰柱的關系自動反應。依據兩層不同的棲息層，柱子的模型由兩個不同的部分組成（圖3）。底端結束點可在底面層自由移動，而頂端結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變化。
圖3 柱體模型
3 實驗的過程
該項目的目標之一是要創造一個高度交互的應用軟件，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更佳。ETH-CAAD的建筑師為此建立了不同的樓板模型：根據連接節點將樓板層分隔為五個獨立的區域。相應的樓板區域對結構具有不同的需求，各區域及其邊緣和洞口具有各自獨立的參數并以不同的顏色標識（圖4）。
圖4 ARUP對結構不同區域的劃分
要避免柱網成為道路障礙物可以通過定義道路中心線取得。根據其交通流量，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。
柱網的分布算法采用具有壓力感應及可變的柱體來模擬逼真的生長過程。柱體隨著環境參數的變化自動適應各自的尺寸和定位，建筑師不必在初始狀態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，柱體便開始持續的擴展（圖5a）。當它達到了最大柱徑而周圍依然沒有鄰柱，該柱分裂為兩根子柱，它們同時開始生長（圖5b）。當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，柱體則按照相同的方式收縮（圖5c）。如果已經達到了最小的狀態同時壓力依然很大，最終它將消亡（圖5d）。
圖5 柱體的擴展、分裂、收縮與消亡
遵循這種生成規則，建筑師在五個樓板區域中各自“種下”一棵柱子后，它開始生長、分裂直至鋪滿整個區域。柱型根據其位置而調節。經過數次的嘗試可以調節到最大化滿足初始參數設置的狀態，從而理想地實現其結構限定。運用不同顏色的編碼對這一進程很有幫助，可以相對于柱網的不同動能區分以不同的顏色（圖6a），或者標記那些超出初始參數，如最大傾斜度的柱子（圖6b）。KCAP的建筑師能夠在很短的時間內處理各種各樣的參數，并提出大量關于柱網的設計版本。理想的版本被輸出到AutoCAD中，作為進一步設計的基本資料。
圖6 柱型的調節
a 用顏色區分不同的動能
b 紅色標注過大的傾斜度
4 實驗成果
成果以三維動態模型呈現，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生了改變，系統會迅速達到新的動平衡狀態；另一方面可以重新定義柱網及環境屬性的相關參數，系統會提供實時反饋，柱網的分布及時適應不斷變化的參數配置。這就使建筑師可以在短時間內實現多種可供選擇的解決方案。穩定而滿意的結果生成之后，構筑柱網位置的相關數據可以輸出成多種多樣的數碼文件格式。
該工程已經在荷蘭格羅寧根市動工建設（圖7，8）。
圖7 最終的成果
圖8 廣場模型
三 生成設計實驗的啟示
作為生成藝術的實現基本手段，“自組織”系統正引領人類的設計系統從傳統的“他組織”中解脫出來。這雖然顯示出技術上的進步與升級，但首先是一種觀念與理論上的轉變。“自組織”系統不是現有應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”系統相比，按照自組織原則構建和運行的制造系統具有以下突出的優點：①更強的駕馭復雜性的能力。非常復雜的行為模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；②更強的適應環境的能力。各自律單元見機行事，對于環境的隨機變化和突變具有更為靈活機動的響應特性；③更強的自行趨優的能力。自組織系統一旦開始運行，它就具有一種“自提升”的功能，能夠、而且必須在內部機制的作用下，不斷地優化其組織結構，完善其運行模式。
非生成設計之初通常有構思階段，構思成熟時形象已經基本分明、呼之欲出。相比之下，生成藝術所能構思的只有規則，如算法、約束，但根據規則而生成的結果則是不可預計的。生成藝術的創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一，它的設計原則是理性的，而結果更為感性。
透過研究的整個過程，我們看到生成設計作為一種新的設計方法使建筑作品具有與眾不同、不可重復的特征，對特定建筑項目的設定條件或其規則的適應性導致生成結果的唯一性與不可重復性，生成藝術提供創作行為的人類模仿自然的機會。它代表設計方法的革命，引領建筑成為科學與藝術融合、理性與感性并存、人工與自然共生的客觀產物。
承蒙ETH：Prof. Ludger Hovestadt, Prof. Bruno Keller, Fabian Scheurer, Odilo Schoch, KaiRüdenauer, Stephan Rutz及東南大學仲德崑先生、單踴先生等多位學者幫助，專此致謝。
圖片來源：蘇黎世聯邦理工學院CAAD研究組
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