鄭超 蘇雅婷

摘要：本文將探討以數(shù)字智能設(shè)計(jì)為手段，對(duì)廢棄材料和原生態(tài)自然材料等非標(biāo)準(zhǔn)化材料進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)研究與實(shí)驗(yàn)，以機(jī)器學(xué)習(xí)作為驅(qū)動(dòng)力，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，促進(jìn)以材料為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)圈，將廢棄材料和原生態(tài)自然材料轉(zhuǎn)化為潛在的資源，并從中提煉出新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，達(dá)到破譯與重構(gòu)的目的，并最終轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：材料創(chuàng)成；機(jī)器學(xué)習(xí)；強(qiáng)化學(xué)習(xí)；機(jī)器視覺(jué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391；TP183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 11-0127-08

基金項(xiàng)目：中國(guó)美術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目—青年項(xiàng)目（院級(jí)課題）（基于廢棄材料的數(shù)字智能設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐QN2021005）

Reform Standard——Research And Practice of Digital Intelligent Design Based on Waste Materials

ZHENG Chao， SU Ya-ting

（China Academy of Art， Hangzhou 311113， China）

Abstract： This paper will discuss innovative design research and experiment on non-standard materials such as waste materials and natural materials by means of digital intelligent design. Machine Learning will be taken as the driving force. Using Reinforcement Learning， Machine Vision， and Big Data Manipulation to promote material-informed design， transforming waste materials and natural materials into potential resources， and extracting new design systems and structural systems from that， so as to achieve the purpose of deciphering and reconstruction， which would finally be developed into design strategies.

Key words： material-based generation； machine learning； reinforcement learning； machine vision

“十四五規(guī)劃”中提到的四個(gè)重要原則中，有兩大原則值得設(shè)計(jì)師關(guān)注和思考。一是“堅(jiān)持節(jié)約集約，高質(zhì)高效。堅(jiān)持節(jié)約資源的基本國(guó)策，按照‘減量化、再利用、資源化要求，加快生產(chǎn)系統(tǒng)和生活系統(tǒng)循環(huán)鏈接，全面提升資源利用效率，以循環(huán)發(fā)展推動(dòng)碳達(dá)峰碳中和。”二是“堅(jiān)持?jǐn)?shù)字賦能，深化改革。以數(shù)字化改革為牽引，堅(jiān)持‘整體智治理念，推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型，利用數(shù)字化手段促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，提升推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的科學(xué)化、智能化水平?！?/p>

基于廢棄材料的數(shù)字智能設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐積極響應(yīng)了十四五規(guī)劃中對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和數(shù)字賦能產(chǎn)業(yè)的號(hào)召，以建筑學(xué)和廢棄材料作為切入點(diǎn)，尋找實(shí)現(xiàn)以材料創(chuàng)成空間的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和解決方案。首先，建筑學(xué)，從定義上來(lái)說(shuō)就是設(shè)計(jì)與建造的藝術(shù)與科學(xué)，是數(shù)字化建造與人工智能操作材料的重要領(lǐng)域。其次，對(duì)于廢棄回收材料的關(guān)注，是源于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程的批判性思考。

1 關(guān)于“標(biāo)準(zhǔn)化”

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO（International Standardization Organization）是這樣定義標(biāo)準(zhǔn)化的：“標(biāo)準(zhǔn)化是基于科學(xué)、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中真實(shí)存在的或潛在的問(wèn)題所建立的具有廣泛性，且可被反復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，旨在一定范圍內(nèi)獲得最佳秩序。[1]”標(biāo)準(zhǔn)化，可以理解為標(biāo)準(zhǔn)的推廣，是需要社會(huì)性的認(rèn)可與實(shí)踐的。換言之，標(biāo)準(zhǔn)就是使某一特定做法被普遍接受的正?；^(guò)程，當(dāng)人們把它們當(dāng)作自然和必要條件無(wú)意識(shí)地遵從，標(biāo)準(zhǔn)就被正?；薣2]。

我國(guó)可追溯的最早的一部具有影響力的關(guān)于設(shè)計(jì)與建造標(biāo)準(zhǔn)化的著作是宋朝李誡的《營(yíng)造法式》，他在書(shū)中總結(jié)了古代建筑設(shè)計(jì)和施工中的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及勞動(dòng)定額。隨著時(shí)代的進(jìn)步，廣泛存在于各行業(yè)的“標(biāo)準(zhǔn)”不斷地完善，在技術(shù)的支持下得以合法化，并以其高效的組織給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了顯著的效益。

但值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)主要面向的是通用產(chǎn)品，采用的是共性的條件，必然會(huì)在一定程度上限制個(gè)性的發(fā)揮。另外，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)施的同質(zhì)化的單向投入和進(jìn)程，最終會(huì)導(dǎo)致很多廢棄材料和廢棄用地的產(chǎn)生。作為這個(gè)時(shí)代的設(shè)計(jì)師，應(yīng)對(duì)并試圖解決這一現(xiàn)象和問(wèn)題是我們不可推脫的責(zé)任。

近年來(lái)，很多設(shè)計(jì)師已經(jīng)通過(guò)自己的作品對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化給出了全新的闡述和釋義，希望能重新定義更具有包容性的“標(biāo)準(zhǔn)化”。例如，由安東·加西亞（Antón García-Abril）和狄波拉·梅薩（Débora Mesa）聯(lián)合創(chuàng)立的Ensamble Studio，就是一個(gè)融合建筑、工程、景觀設(shè)計(jì)和材料研究的多元化跨學(xué)科設(shè)計(jì)事務(wù)所。他們?cè)诓稍L中說(shuō)，新的一代將不接受“標(biāo)準(zhǔn)的”解決方案[3]。這個(gè)觀點(diǎn)在他們?cè)O(shè)計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。不加修飾的、堅(jiān)固的模型（圖1）常常是激發(fā)他們?cè)O(shè)計(jì)靈感的重要手段。安東·加西亞和狄波拉·梅薩很擅長(zhǎng)從身邊發(fā)掘可用的材料，利用非標(biāo)準(zhǔn)的材料創(chuàng)造出令人驚喜的成果。位于圣地亞哥，德孔波斯特拉作家與出版者總會(huì)中央辦公室那道引人注目的立面（圖2），就是他們利用從采石場(chǎng)收集來(lái)的上百塊廢棄的方石所完成的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。建筑方案借助方石的重力，構(gòu)造出了一整面富有呼吸感的“野生”長(zhǎng)墻，粗獷且生動(dòng)。這完全超出了人們對(duì)于立面，對(duì)于墻，甚至對(duì)于廢棄石塊的認(rèn)知。

2 數(shù)字化進(jìn)程為重塑標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)的新機(jī)遇

首先，設(shè)計(jì)與建造工具變革為范式的轉(zhuǎn)化提供了更多可能。同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院的袁烽教授在其《數(shù)字化建造：新方法論驅(qū)動(dòng)下的范式轉(zhuǎn)化》[4]一文中提出：“設(shè)計(jì)方法工具、建筑建造的過(guò)程和流程邏輯深刻地影響著新范式的產(chǎn)生”，并明確了“數(shù)字化建構(gòu)”與“數(shù)字化建造”的不同，前者傾向于傳統(tǒng)建造工具對(duì)傳統(tǒng)材料的“半自主”操作，而后者則是數(shù)字化作為設(shè)計(jì)方法貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)始末的“自主性”設(shè)計(jì)與建造方法，體現(xiàn)為數(shù)控工具對(duì)新材料的操作。數(shù)控機(jī)床（CNC）、3D打印技術(shù)、激光切割機(jī)、各類(lèi)機(jī)器人及人工智能的使用，對(duì)材料、施工工藝有了更大程度的控制，也使得施工的精確度得到了保證。這些新技術(shù)的并行實(shí)踐為范式的轉(zhuǎn)化提供了可能。

其次，第二次數(shù)字化轉(zhuǎn)折預(yù)示著制造大批量相同復(fù)制品的現(xiàn)代力量正在衰弱。建筑的第一次數(shù)字化轉(zhuǎn)折改變了我們的制作方式；而第二次數(shù)字化轉(zhuǎn)折改變了我們的思維方式。倫敦大學(xué)學(xué)院巴特萊特學(xué)院建筑歷史和理論教授馬里奧·卡波（Mario Carpo）在《字母表和算法》（The Alphabet and The Algorithm）[5]一書(shū)中指出了“現(xiàn)代性”的一個(gè)關(guān)鍵實(shí)踐：制造相同的復(fù)制品。卡波認(rèn)為，隨著數(shù)字技術(shù)的興起，這種制造“同一性”的現(xiàn)代力量正急速衰落，因?yàn)樗袛?shù)字化的東西都是可變的。在建筑中，這意味著符號(hào)限制的終結(jié)，機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化的終結(jié)，以及“阿爾伯特式”設(shè)計(jì)的終結(jié)。

另外，計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)處理的能力讓“非標(biāo)準(zhǔn)化”材料作為建造材料有了現(xiàn)實(shí)意義。馬里奧·卡波（Mario Carpo）曾在其論文《過(guò)度解析：建筑設(shè)計(jì)中的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)》（Excessive Resolution：Artificial Intelligence and Machine Learning in Architectural Design）[6]中指出：我們思考問(wèn)題的方式和計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的方式之間的主要區(qū)別是，我們自己的大腦從來(lái)沒(méi)有連接到大數(shù)據(jù)。就像當(dāng)我們需要用100萬(wàn)塊不同的磚塊來(lái)建造房子的時(shí)候，我們并不能輕易地將它們隨機(jī)地堆建起來(lái)。在這種情況下，我們對(duì)大數(shù)據(jù)天生的厭惡，會(huì)促使我們進(jìn)行一些極端的簡(jiǎn)化，將磚塊標(biāo)準(zhǔn)化，假設(shè)它們都是一樣的，然后將它們按規(guī)則排列。而計(jì)算機(jī)卻能在短時(shí)間內(nèi)掃描任何龐大而無(wú)序的數(shù)據(jù)，記住每一塊磚不同的物理形狀和肌理?，F(xiàn)今，越來(lái)越多強(qiáng)大的計(jì)算工具能夠獨(dú)立解決一些人力無(wú)法完成的設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)化材料的解讀及數(shù)據(jù)的抓取。

目前，國(guó)外也已經(jīng)有相關(guān)的研究案例，例如：Certain Measure組織的Mind the Scrap項(xiàng)目，透過(guò)機(jī)器視覺(jué)和演算法來(lái)重新分類(lèi)和切割廢棄木板并創(chuàng)造新的幾何形式；FOA設(shè)計(jì)的橫濱國(guó)際客運(yùn)大樓所展現(xiàn)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，透過(guò)對(duì)X光的研究來(lái)重新理解我們生活空間的構(gòu)成；Plastic Preneur工作室立足于回收的廢棄塑料，通過(guò)研發(fā)工具重新開(kāi)發(fā)其加工流程等等。這些組織和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目大部分還屬于研發(fā)階段，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，研究的材料相對(duì)單一，完全應(yīng)用數(shù)字智能工具做為輔助設(shè)計(jì)的方法仍然面臨挑戰(zhàn)。

3 設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

本文進(jìn)行的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將通過(guò)數(shù)字智能化的手段，進(jìn)一步發(fā)掘邊界、形態(tài)不規(guī)則的回收廢棄材料的可能性，激發(fā)材料個(gè)性，并通過(guò)新數(shù)字藝術(shù)的創(chuàng)新性應(yīng)用，對(duì)廢棄材料進(jìn)行智能化利用與重組，將其轉(zhuǎn)化為潛在的可利用資源，并從中提煉出新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，賦予它們新的功能屬性與存在價(jià)值。

以廢棄材料進(jìn)行殼結(jié)構(gòu)空間的生成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為例。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段：廢棄材料準(zhǔn)備及掃描測(cè)試、材料拼接實(shí)驗(yàn)、殼結(jié)構(gòu)邊界設(shè)定與結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)、殼結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)研究方案以機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning）為驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)對(duì)強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning）、機(jī)器視覺(jué)（Machine Vision）和大數(shù)據(jù)處理（Big Data Manipulation）的遞進(jìn)式應(yīng)用，最終形成以機(jī)制、材料及模擬為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法。

3.1 廢棄材料準(zhǔn)備及掃描測(cè)試

實(shí)驗(yàn)初期，需要對(duì)各種廢棄材料進(jìn)行收集和分析，關(guān)注材料的在地性及基本屬性。根據(jù)前期調(diào)研，項(xiàng)目將同一類(lèi)形狀、大小不一的廢棄木料作為實(shí)驗(yàn)材料。實(shí)驗(yàn)初始，我們通過(guò)Reality Capture這一攝影測(cè)量軟件的無(wú)接縫激光掃描功能，創(chuàng)建所有收集來(lái)的廢棄木料的3D模型（圖3）。每個(gè)被掃描的碎片都會(huì)配有一系列分析輸出（圖4）。其中利用了HU Moment、骨架形態(tài)、總質(zhì)量、遞歸圖等分析結(jié)果，對(duì)這些幾何模型進(jìn)行歸類(lèi)。被歸類(lèi)后的幾何模型會(huì)按照給定的順序，提供給機(jī)器學(xué)習(xí)模型。目前，Reality Capture軟件已廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，包括文化遺產(chǎn)、全身掃描、游戲、勘測(cè)、測(cè)繪、視覺(jué)效果和一般的虛擬現(xiàn)實(shí)等。

需要強(qiáng)調(diào)的是，面對(duì)不同類(lèi)別的非標(biāo)準(zhǔn)化材料，我們需要找到與之相匹配的機(jī)器識(shí)別和閱讀方法；根據(jù)不同材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的材料解讀建模邏輯。例如，可使用攝影測(cè)量法、光學(xué)雷達(dá)、三角測(cè)量等工具設(shè)定對(duì)應(yīng)的掃描環(huán)境及掃描背景，選擇適合的掃描方式，以確立明確的數(shù)位模型邊界，在建模軟件中生成精準(zhǔn)的模型并確保其能夠適用在設(shè)計(jì)流程當(dāng)中。這是該設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐的第一個(gè)難點(diǎn)。

3.2 材料拼接實(shí)驗(yàn)

通過(guò)Unity引擎進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning），將掃描的3D模型根據(jù)特性，進(jìn)行組織排列。隨后，利用人工測(cè)試材料的拼接、分解、融合與生長(zhǎng)方式，獲得完整的數(shù)位模型。同時(shí)，利用物理手段測(cè)試材料拼接的其他可能，同步數(shù)位模型與物理模型的拼接方法。機(jī)器學(xué)習(xí)的核心是設(shè)計(jì)師不直接參與方法論，而是設(shè)定目標(biāo)和操作模式，讓程序來(lái)尋找設(shè)計(jì)方法，即機(jī)制導(dǎo)向性的設(shè)計(jì)思維。

這個(gè)過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)，是論證智能拼接邏輯的合理性及可行性。這需要我們將數(shù)字化模型與物理模型的拼接實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，相互推導(dǎo)，反復(fù)推敲、驗(yàn)證。數(shù)字化模型從機(jī)器閱讀的角度去理解拼接邏輯的可能性和創(chuàng)新性，而物理模型則是從手工技藝和直覺(jué)性創(chuàng)作去探索建構(gòu)方法。兩者應(yīng)該相輔相成，以強(qiáng)化建構(gòu)邏輯和美學(xué)理念。

3.3 殼結(jié)構(gòu)邊界設(shè)定與結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

材料拼接實(shí)驗(yàn)完成后，需要設(shè)定殼結(jié)構(gòu)的邊界或初始形態(tài)作為指導(dǎo)框架。當(dāng)Unity引擎學(xué)會(huì)了基礎(chǔ)的殼結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)師可介入并調(diào)整部分參數(shù)，以客制化機(jī)器學(xué)習(xí)，定義優(yōu)先指標(biāo)，通過(guò)基于虛擬環(huán)境的智能強(qiáng)化學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning AI）有針對(duì)性地解決方案生成中的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)拼接節(jié)點(diǎn)和生長(zhǎng)方式（圖5）。隨后，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)（Machine Vision）對(duì)生成的殼結(jié)構(gòu)的光線復(fù)雜度、風(fēng)場(chǎng)、有效遮蔽面積、對(duì)稱(chēng)性、高度等空間使用感受進(jìn)行測(cè)量和判斷，選出較優(yōu)方案（圖6）。較優(yōu)方案為上述因素加權(quán)平均出來(lái)的高分方案。

這是一個(gè)自定義機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵過(guò)程。在“基于廢棄材料的數(shù)字智能設(shè)計(jì)與實(shí)踐”的探究過(guò)程中，人對(duì)材料的認(rèn)知和對(duì)空間、生命意義的理解應(yīng)先于機(jī)器和人工智能，在此基礎(chǔ)上，設(shè)定機(jī)器學(xué)習(xí)的運(yùn)算邏輯和參數(shù)指標(biāo)，讓計(jì)算機(jī)協(xié)助完成人力無(wú)法處理的大量數(shù)據(jù)及人力無(wú)法完成的成千上萬(wàn)的模擬實(shí)驗(yàn)，找到提高材料利用率，減少?gòu)U棄材料產(chǎn)生的可行方法，同時(shí)兼顧材料的結(jié)構(gòu)性能和美學(xué)價(jià)值，完成廢棄材料創(chuàng)成的擇優(yōu)、驗(yàn)證和完善。

3.4 殼結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)實(shí)驗(yàn)

結(jié)合機(jī)器視覺(jué)與機(jī)器學(xué)習(xí)，生成最終得分最佳的殼結(jié)構(gòu)庫(kù)（圖7）后，設(shè)計(jì)師可根據(jù)個(gè)人喜好進(jìn)行下一步的殼結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)實(shí)驗(yàn)（圖8）。建構(gòu)過(guò)程可以與機(jī)械臂相配合。機(jī)械臂是具有模仿人類(lèi)手臂功能并可完成各種作業(yè)的自動(dòng)控制設(shè)備，可由程序根據(jù)作業(yè)需求設(shè)定模型構(gòu)建的指定動(dòng)作（圖9）。

4 利用數(shù)字智能化對(duì)于廢棄材料的處理和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的意義

該設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐為設(shè)計(jì)行業(yè)創(chuàng)造了一種可供選擇的設(shè)計(jì)流程，對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的徹底實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了新的可能。此處提及的重塑標(biāo)準(zhǔn)化，其實(shí)就是一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的搜索引擎，利用現(xiàn)有的廢棄材料設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)。利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)和自動(dòng)搜索過(guò)程，該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟了材料信息設(shè)計(jì)循環(huán)，并將廢棄物轉(zhuǎn)化為潛在資源。存在于標(biāo)準(zhǔn)化中的不同程度的適應(yīng)性通過(guò)人工智能和計(jì)算機(jī)搜索能力，最終將重新客觀化地評(píng)估“廢棄物”，并重新定義“廢棄用地”的概念。未來(lái)世界的“廢棄物”與“廢棄用地”極有可能成為居民和經(jīng)濟(jì)實(shí)體探索、設(shè)計(jì)和使用的新元素及可用土地。這無(wú)疑對(duì)工業(yè)、生產(chǎn)和設(shè)計(jì)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化提出了挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將廢棄的不規(guī)則碎塑料塊重新分類(lèi)，并轉(zhuǎn)換成了一種新的形態(tài)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的搜索引擎企圖尋找那些被忽視的廢棄物，解讀它們的復(fù)雜性，構(gòu)建新的以機(jī)制為導(dǎo)向的美學(xué)，而不僅僅只是單純地從能源密集輸出的設(shè)計(jì)過(guò)程中回收廢棄物。

另外，這一設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的踐行是作為設(shè)計(jì)者履行社會(huì)責(zé)任感的一次嘗試。在設(shè)計(jì)之初，通過(guò)材料的投入來(lái)獲得信息，使其能夠在更具體的環(huán)境中更好地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)潛力和社會(huì)價(jià)值。這同時(shí)也是一次藝科融合的重要嘗試，希望通過(guò)這樣一個(gè)創(chuàng)新性實(shí)踐，可以有效地振興廢舊材料的生命周期，發(fā)展出一種更加可持續(xù)的設(shè)計(jì)方法，從根本上改變我們認(rèn)識(shí)和評(píng)估材料的方式。

參考文獻(xiàn)：

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