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平面功能参数在建筑生成设计中的构思和应用——以通过输入草图生成类MinimalSurfaces建筑为例.rar

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    编号:20181101170526167    类型:共享资源    大小:16.00MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    平面 功能 参数 建筑 生成 设计 中的 构思 应用 通过 输入 草图 MinimalSurfaces
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    平面功能参数在建筑生成设计中的构思和应用——以 通过输入草图生成类 Minimal Surfaces 建筑 为例 邓鸿浩,李贺楠,张丽婉,王立杨天津大学建筑学院,天津大学建筑学院,天津大学建筑学院,天津大学建筑学院honghao.deng@qq.com, lihenan@tju.edu.cn, liwan.zhang@qq.com, 396947045@qq.com摘要:“建筑设计生成法” 是 20 世纪末被提出的建筑设计方法,强调通过电脑辅助完成建筑内各复杂部分的组织。现今,高度发展的电脑技术使得建筑生成设计被广泛的应用,而这一思想主旨却极少在实践中被继承。文章先结合当下复杂参数化建筑实践中所遇到的困难,对前人思想理念在当下建筑实践中的应用进行了讨论,阐述了平面功能在作为输入参数的必要性。接着以与加州大学洛杉矶分校的联合工作坊中的方案设计为例,对平面功能作为输入参数生成复杂建筑的尝试做了较为详细的介绍。完整的展示了作者以平面功能作为输入端编写的建筑生成法的生成逻辑以及最终的设计成果,藉此进一步强调了平面功能在作为生成法输入参数对后期方案深化的重要意义,并对其未来应用进行了展望。关键词:建筑设计生成法;参数化建筑设计;Minimal surface;平面功能参数; Application of Planar Function Parameters in GAAD——Creating Minimal Surface Form by Plane Sketch InputHonghao Deng, Henan Li, Liwan Zhang, Liyang WangSchool of Architecture, Tianjin University, School of Architecture, Tianjin University, School of Architecture, Tianjin University, School of Architecture, Tianjin Universitylihenan@tju.edu.cn, honghao.deng@qq.com, liwan.zhang@qq.com, 396947045@qq.comABSTRACT. Generative Art in Architectural Design (GAAD) is a design method first came up in the late 1990s. It mainly stress the important role that computer computation play in the most complex organization in architectural practice. However, few architect has applied this idea into practice, though GAAD become an emerging architectural design method in the recent years.In the first part, combined with the difficulties, which found in contemporary parametric architectural practice, the article discusses the application of primary thinking to the practice in current architectural practice. It also identifies the necessity of the function as input parameter and illustrates the attempt by introducing the design practice in UCLA joint workshop. As a result, the article presents the generating method and logic by equipping the function as input parameter as 自然科学基金项目资助(51308377)well as final design result to stress its significance on the subsequent design, and prospect on its application on GAAD in the future.KEY WORDS. GAAD; Parametric design; Minimal surface; Plane function parametric; Joint workshop前言使用参数化进行建筑形体生成的尝试时,往往会采用数学规则或是环境参数作为必要参量而计算出形体,选择出合适的形体再进行适当的“打磨” 使它适合任务书的功能要求。这种做法犹如用“高科技雕刀 ”操刀大型雕塑,虽然能够更加轻松地获得同时具备数字逻辑美和工匠情感的建筑外观,但是形态一旦形成,要使这美轮美奂的建筑满足指定的各种功能却举步维艰。情况往往是数学逻辑及外部参数早已将形态可能的调整区间限定下来,但如果硬是要塞下某种特定功能就必须对原有完整形体进行人工打磨,而这一过程几乎是对完整生成逻辑的彻底破坏,使得概念不再纯粹。即便是参数调整可以满足功能改动所需要的改动范围,但由于功能并非是能直接影响建筑形体的第一变量,我们需要间接的使用其他变量来控制形体以满足功能需求。而这一步骤是非常不直观的,甚至在本质上是违背参数化的基本目标与逻辑的。这使得建筑师耗费大量时间在寻找调整功能的方法上,而非在更好地调整功能和流线这些真正创造建筑价值的部分上。以上提到的采用参数化进行建筑设计时,大多时候建筑师不得不最终从形体中重新“发现”空间。这种将主动权交给随机的退让很大程度限制了建筑师对空间真实的使用质量和和功能的追求,是对参数化和“建筑生成法”这一强大的设计工具和方法的不合理利用。那么如何使得参数化建筑设计的工作流更加合理,使得建筑师在主要概念编程完成之后,从后续方案流线和功能调整造成的繁杂的程序的修改任务中解放,从而将精力集中在创造建筑的核心使用价值上。笔者认为不如直接将每层平面和功能作为控制整个参数化生成的主要参数变量接口。这样后续功能调整就不会对后续方案深化造成重新编程的压力,而是随着功能调整对整个形体自动进行更新。笔者有幸在本校与加州大学洛杉矶分校的联合工作坊的方案设计中尝试了这一想法,后文将对这种以平面功能参数为“建筑生成法”提供控制接口的尝试进行详细介绍。1.“建筑设计生成法”的源起与应用1.1 “建筑设计生成法 ”的概念“建筑设计生成法 ”指建筑师不直接对现有材料进行操作,而是通过生成系统得出建筑设计结果。生成系统是一种能够实现或创造出人工设计结果的、为解决某些具体建筑问题而定制的、基于设计多样化的、抽象定义的计算机程序 (倪翔宇,2007)。“艺术家应用一个计算机程序、一系列自然语言规则和一个机器或其他发明物产生出的一个具有一定自控性的过程的艺术实践,这个艺术实践的结果是一个完整的艺术品”这个概念在 20 世纪 90 年代末由意大利米兰工学院的Celestino Soddu 教授首次提出,并被纽约大学Galanter (2003)推广。这个概念受“生成艺术Generative Art”的启蒙影响而发展出来,也被称为“衍生艺术 ”、“演化艺术”或者“自我衍化艺术”、“生成艺术” 。建筑设计、工业设计、计算机图形学、音乐创作及绘画等多种领域都对其有所涉及。从建筑设计角度,它象征着建筑师对复杂形体驾驭的渴望。面对日益复杂的建筑外形和美学追求,计算机建筑设计生成法成为了建筑师解决苛刻的功能要求和复杂的建筑造型间的矛盾的尝试。它是建筑师渴望通过计算机辅助组织建筑内部各复杂元素关系的体现。1.2“建筑设计生成法 ”的应用探索当在计算机成为建筑绘图和设计表现的主要工具时,一些建筑师就开始探索在建筑设计环节应用计算机的可能性,以美国哥伦比亚大学计算机学派为首的一些建筑师创造出了许多突破传统形态的空间和形式;再如瑞士苏黎世联邦理工学院开展的名为 Endless Space Generated Pavilion 的“建筑设计生成法”课程设计研究 (刘宛育, 2006)。比较典型的利用 CAAD 生成建筑平面的方法有:建筑对偶图法,史密斯图 Smith Graph法,用网格方式表示和生产建筑平面图等。这些早期 CAAD 软件较少由建筑师参与设计,同图 1早期建筑实践: Endless Space Generated Pavilion.来源: DETAIL-ONLINE [1]图 2早期建筑实践: 以太雕塑图片来源: CAAD-ETHZ,瑞士时,其理论还存在一定局限性,难以被实际应用于建筑设计。早期相关技术理论体系中,形成了两种经典的理论思想:(1)复杂系统(Complex System)理论思想,其基本特征——系统由大量的单元组成;系统是开放的,受外界影响;在特定条件下,单元相互作用;相互作用开始,将有微小变化,但系统能自组织、自加强、自协调,并随之扩大、发展、发生质变,即涌现——直接影响了“ 建筑设计生成法” 。(2)自组织(Self-organization )理论思想,与上文所述的复杂系统密切相关,认为系统均是由多个元素在一定的外界条件作用下相互协调作用所组成的一个有组织的整体,具有一定的演化能动性(张利,2001)。但是在当时无论是以哪种经典理论为支撑所做的建筑尝试,都停留在了实验阶段,很少真正应用于实际项目的建成。原因在于,这些探索者们尝试通过电脑完全代替设计师的思考,将设计师的参与价值置于了更接近于程序员的位置上。而在当时的工具条件限制下,这对设计师意味着极高的编程学习成本,同时也是对编程过程本身的复杂性的忽视。也正是这些问题导致当时的建筑设计生成法参与实际设计的尝试困难重重。现如今,很多学习门槛低、工作界面和工作流程设计友好的参数化建筑设计软件都被开发出来,建筑设计生成法才从此被广泛应用于实际项目。即便如此,我们并没有感受到设计师的工作强度有所下降或是简化。原因可能是现今“ 建筑设计生成法 ”大多情况下只应用在复杂形体的构成和探索上,而非在前人所追求的处理建筑各复杂元素的综合解决方案上。图 3“鸟巢 ”所运用的生成法则 ,图片来源: CAAD-ETHZ,瑞士图 2早期建筑实践:以太雕塑图片来源: CAAD-ETHZ,瑞士现代建筑设计中计算机辅助以及计算机生成的必要性主要体现在方案的各个片段中。比如初期的探索以及后期的生产上,但极少是贯穿始末的一致性处理。而“建筑生成法” 在方案生成时产生的粗精准性和与后期项目调整时的困难性,使其成为建筑师探讨初期建筑形态可能性的“橡皮泥 ”,但往往无法自主解决调整建筑内部功能、使用等多方面的复杂矛盾。原因在于编程初期设定的调整参数通常与实际项目中的修改调整对象不直接相关,这导致计算机无法自行适应各方面矛盾,也间接导致设计后期难以靠一种简易的方式实现矛盾元素的修改与调整,如建筑功能和流线变量的调整。如果我们梳理近代建筑师的参与项目的工作方式,可以得到图 4 中客户、建筑师以及计算机之间的关系。根据前人尝试的经验,完全使设计师脱离方案成形的环节,让计算机自行解决矛盾,或者说是完全用程序员和计算机代替设计师的脑力劳动,从各行各业的角度去看,现今也是早于时代科技的进程的。但若合理运用计算机生成法的逻辑,减少设计师工作的繁杂和困难程度,甚至降低一般人参与设计的门槛,还是完全有可能的。计算机虽不可以完全代替人在设计过程中的脑力劳动,但却可以极大减少传统设计深化中设计师的重复劳动。这种能适应控制者需求变化的“生成艺术” 的尝试,笔者将在后文结合自己在设计中的探索来详细阐述。2.以汽车博物馆设计探索平面功能参数在建筑生成设计中作为主导的可能性2.1 设计概念任务书要求在 4 万平方米的场地上设计一个可容纳 500 辆社会停车的停车楼和一个汽车博物馆。笔者和小组组员采取的概念是将汽车博物馆和社会停车楼相互结合,方便居民参与到汽车博物馆的参观中,同时使公众停车成为博物馆的展品的一部分。为了将二者相互渗透的优势充分发挥,首要解决的是停车流线和观图 4建筑师工作流程示意及未来猜想(作者自绘)图 5汽车博物馆方案概念示意 (作者自绘)览流线的重大冲突。通过大量的尝试和探索,我们选择了一种类似“minimal surface”的空间原型来解决这一问题。(空间功能概念示意见图5)这种空间原型产生了一种“隔而不离” 的空间效果。落到方案中来说 2、4 层的博物馆是跨越 3 层相连的室内单独体系。而 1、3 层中间虽然隔着 2 层博物馆,但也是相互连通且与博物馆体系完全隔离开的室外停车体系。二者紧密咬合,同时也互不干扰。这就使得二者的流线各自独立不发生冲突。在此同时观览人群在从 2 层穿越到四层的过程当中可以观赏来自三层停车场的社会停车,周围居民也更轻易地参与到博物馆的建筑当中。整个博物馆的功能采用了相对均质化的设计,大小不一的柱筒中的空间承担了从结构到卫生间、楼梯间到特殊展厅放映室等不同的定制化的功能。而柱筒外的空间则为均质的大型的展厅和公共空间。2.2 建筑形体生成逻辑生成此种具有错层相连的性质的类“minimal surface”型建筑的逻辑本质非常简单。基本逻辑在于通过平滑柱筒使错层的空间相连,隔层的空间相互隔开。在方案中就是 1、3 层停车空间和 2、4 层博物馆空间分别是通过柱筒相互连接的,而不存在连通贯穿两个体系的高度大于三层的柱筒。而四周和内院展现出来的这种空间关系的各立面则是通过纵切柱筒来实现的。整个建筑的生成经过了两次完整的上述操作。而柱筒的大小和功能则由输入端直接指定。这里笔者通过将特定格式的功能草图直接输入程序当中,使得程序能自行改变建筑模型中的柱筒大小和关系,即平面的流线与功能。整个建筑的生成法可以概括为以下步骤:(1)读取草图信息(2)按照草图信息创造柱筒和楼板(3)通过交、并、反集运算保证柱筒的错层相连(4)经过柱筒做建筑外立面切割图 6汽车博物馆概念生成效果示意 (作者自绘)图 7参数化形体生成步骤 (作者自绘 )(5)经过柱筒对内部要创造的公共广场再次进行切割同时平滑各切割面。2.3 草图信息的收集与逻辑处理草图的绘制方式如下图,GRASSHOPPER通过读取平面草图该位置范围内的灰度值确立指定柱筒的大小和功能。其中白色可被解读为不设柱筒,而由浅到深的颜色所生成的柱筒功能和大小皆有不同,大体可解读为浅色的更偏向结构和小的基础性功能,如卫生间、楼梯间;而深色则更倾向于大型的特殊功能的服务空间如特别展厅、大汇报厅。(各层草图对应生成效果见右图)整个绘制草图的过程非常简单,可直接按照白色区域更加公共,越深的区域功能越加定制化进行第一遍绘画、之后再用白色绘出流线、同时对有指定功能区域施加特定的灰度,来逐步细化调整草图。而草图的灰度信息是直接与每层柱筒空间的放样控制线直径构成逻辑联系的,所以在草图被修改的同时,整个建筑形体就会产生相应的改变。2.4 设计后的思索与总结这次对平面功能参数作为输入端口来编写建筑生成法的尝试,在整个方案功能和形体调整中都起到了重要作用。这种编程逻辑使得设计者在功能和流线上的想法可以零时差地在模型上得以实现和验证,既减少了重复劳动,又解放了方案在后期调整时的限制。然而这种效率的提升还是一定程度建立在最小曲面这种空间原形的单纯性上的。最小曲面形成的空间类型在参数化翻译的逻辑上易于与空间功能构成联系,且其对空间的描绘并不需要太多的参数信息来控制。所以这种单纯以灰度草图信息来生成整个建筑空间的方法的普适性还有待进一步的考量。但是从另外一个角度想,这种运用笔者手工绘制的水墨草图进行建筑生成,某种程度上也是对生成艺术的一种新的尝试。在这种尝试中,生成艺术的随机性不仅来源于机器本身,同时更多来源于人自身绘画的随机性和艺术性。甚至我们可以说这种随机性是来源于人自身的情图 10草图对应平面生成结果示意 (作者自绘 )图 8草图绘制方法图 9不同程度灰度对应柱筒空间效果示意感和意愿,这点让笔者着实觉得可贵。因为无论科技发展的到什么程度,人在设计活动中的参与是不可或缺的。设计最终是由人来体验、使用和参与的。空间的意境、情感与诉求是唯有人心能够判断感受体验的。甚至可能在未来,人们无需动手,心中一想就能生成建筑整体。到时,人人都可以做设计师,电脑将代替所有繁杂的体力和脑力劳动。但是由人去想象和思索这个步骤依然是不可或缺的,因为设计需要的是情感而不是演算。参考文献Galanter, P, 2003, ‘What is generative art? complexity theory as context for art theory’,Proceedings of GA 2003, pp.4-5{Reference}刘宛育,2006,‘风格辨识观点的转换’, 中国台湾: 国立交通大学 ,p.25. {Reference}倪翔宇,2007,‘建筑设计生成法初探’, 东南大学 ,p.2. {Reference}张利, 2001, 从 CAAD 到 Cyberspace——信息时代的建筑与建筑设计 ,南京:东南大学出版社,pp.28-38 {Reference}[1]http://www.detail-online.com/inspiration/esg-pavilion-digital-technologies-in-design-and-production-103661.html {Reference}
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