王雪強 吳明萱 張穎異

20世紀80年代以來，數(shù)字技術(shù)在設(shè)計領(lǐng)域得到了空前發(fā)展。參數(shù)化理念的提出顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計觀，乃至認知物質(zhì)世界的思維習(xí)慣。對于建筑設(shè)計來說，以參數(shù)化工具為代表的數(shù)字技術(shù)革新了傳統(tǒng)設(shè)計方式，建筑成為了數(shù)字設(shè)計的產(chǎn)品。從第一次在建筑設(shè)計過程中使用參數(shù)化工具開始，人們就已經(jīng)意識到這些工具能夠給城市設(shè)計帶來相似的益處，甚至在大尺度城市項目中發(fā)揮更多優(yōu)勢[1]?？鋸埖牧骶€型表象只是利用參數(shù)化手段得到的眾多結(jié)果中的一種，基于算法規(guī)則的設(shè)計方案應(yīng)具有更多可能性。參數(shù)化設(shè)計方法研究的意義不在于追求博人眼球的怪異曲線，而在于提供更廣闊的設(shè)計空間，更理性的設(shè)計邏輯和更高效的設(shè)計程序。隨著扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）等人在城市設(shè)計中的實踐探索，參數(shù)化技術(shù)手段逐漸延伸到了城市研究層面，設(shè)計方法及其建造流程正朝著更科學(xué)而系統(tǒng)的方向發(fā)展[2]。

1 參數(shù)化設(shè)計理念

1.1 參數(shù)與形式

參數(shù)化設(shè)計體系認為，所有物質(zhì)實體都是通過參數(shù)系統(tǒng)而非幾何形體來定義的[3]。構(gòu)成形體的基本要素由相關(guān)參數(shù)和參數(shù)值控制，形式來源于參數(shù)。早期的參數(shù)化理念和工具主要興起于航空航天和汽車行業(yè)，用以輔助建造復(fù)雜曲線，如今參數(shù)化方法已經(jīng)對建筑設(shè)計產(chǎn)生了深遠影響[4]。在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計中，建筑可拆解為若干具有規(guī)則形狀的組件，并以此實現(xiàn)對功能的理解。而對于參數(shù)化設(shè)計體系，參數(shù)和參數(shù)之間的關(guān)系決定了建筑形式。有多少種參數(shù)和參數(shù)關(guān)系，建筑設(shè)計就有多少種可能性。通過變換參數(shù)關(guān)系，建筑既可表現(xiàn)為規(guī)則形體，也可表現(xiàn)為復(fù)雜函數(shù)曲面體。

數(shù)字媒介出現(xiàn)以前，建筑形式和空間設(shè)計來源于歐幾里德幾何學(xué)的假設(shè)——二維平面和三維空間中的形體均以點線面為構(gòu)成要素。數(shù)字技術(shù)使單純的手工繪制向非歐幾里德式的復(fù)雜曲面逐漸過渡，參數(shù)和程序被引入到設(shè)計過程當(dāng)中。因此，前衛(wèi)的參數(shù)化表象背后，是建筑設(shè)計觀的突破和對功能更新層次的理解，就整體風(fēng)格而言，并非為求“奇形”而追求形式本身[5]。

參數(shù)化設(shè)計本質(zhì)上是一個系統(tǒng)的方法，即利用計算機平臺建立一個相互關(guān)聯(lián)的元素集合，該集合中包含元素、元素參數(shù)，元素與元素之間的關(guān)系，及元素與參數(shù)之間的關(guān)系。元素、參數(shù)和其關(guān)聯(lián)性均取決于設(shè)計者想要得到的設(shè)計結(jié)果。當(dāng)人為控制的設(shè)計意圖不明確或不完備時，參數(shù)化設(shè)計體系也無法完整。參數(shù)化設(shè)計意味著擴大設(shè)計變量的范圍和種類，除通常的幾何形體變量外，環(huán)境和設(shè)計者本身也作為一種變量被考慮在內(nèi)，進而整合形成參數(shù)化系統(tǒng)[6]。因此，參數(shù)化設(shè)計方法并非放棄了人腦思考，而是用腳本語言更精準地表達人的思維邏輯。

1.2 參數(shù)與工具

參數(shù)化理念促進了設(shè)計的定制化。20世紀90年代初涌現(xiàn)了大量的計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing,CAM）工具，包括快速成型設(shè)備（Rapid Protyping,R P）和計算機數(shù)控設(shè)備（C o m p u t e r Numerical Control，CNC）等。這些工具在工程建造方面顯示出明顯優(yōu)勢，并被建筑師應(yīng)用在方案設(shè)計的初期階段[7]。計算機輔助進行二維繪圖和三維建模，加快了方案可視化。但是，這種基于傳統(tǒng)的福特主義的批量化產(chǎn)品生產(chǎn)理念，一定程度上造成了建筑設(shè)計的重復(fù)性和單一性。

參數(shù)化設(shè)計使定制生產(chǎn)非規(guī)則構(gòu)件成為可能，建筑空間和形態(tài)由此表現(xiàn)出復(fù)雜而唯一的特性。事實上，數(shù)字化設(shè)計與建造已經(jīng)不僅局限于構(gòu)建三維模型，而是在于創(chuàng)立融合“多目標(biāo)設(shè)計模擬”以及“建造流程職能控制”的數(shù)據(jù)化交互設(shè)計[8]。參數(shù)化數(shù)字工具為建筑設(shè)計提供了新的契機，僅通過數(shù)字信息即可完成從設(shè)計到建造的整個過程[9]。

設(shè)計表達和可視化是參數(shù)化技術(shù)手段最表象的應(yīng)用，究其內(nèi)在，參數(shù)化設(shè)計方法論提供了一種空間研究工具，在數(shù)字環(huán)境下探討和預(yù)測建筑或城市形態(tài)。參數(shù)化設(shè)計工具，包括生成組件（Generative Components，GC），數(shù)字建造（Digital Project，GC），瑪雅（Autodesk Maya），犀牛（Rhinoceros 3D）及其插件草蜢（Grasshopper 3D）等，允許通過腳本編寫生成參數(shù)化模型，與人腦邏輯互為輔助論證（圖1）。在參數(shù)化設(shè)計中，參數(shù)比形式更重要，描述物體的是特定參數(shù)而不是幾何形式。當(dāng)參數(shù)值變化或重新定義時，空間形態(tài)也將同步模擬。

2 參數(shù)化設(shè)計中的城市空間

數(shù)字技術(shù)甫一出現(xiàn)即得到了廣泛關(guān)注，但具有彈性和互動性的參數(shù)化設(shè)計方法仍然缺乏。20世紀90年代后期，隨著“智慧形體小組”（Smart Geometry Group）的建立，建筑、工程和結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的參數(shù)化工具體系開始快速發(fā)展。隨后，以扎哈·哈迪德和派特里克·舒馬赫（Patrick Schumacher）等人為代表的先鋒設(shè)計師進行了多個城市尺度下的參數(shù)化設(shè)計實踐，包括土耳其卡塔爾城市設(shè)計（圖2），新加坡One－North城市設(shè)計（圖3）等。這些具有強烈個人風(fēng)格甚至戲劇性的設(shè)計方案革新了人們對于城市形態(tài)的認知，但同時也遭到了非議，被貼上“放縱”（Extravagant）的標(biāo)簽[10]。

圖2 土耳其卡塔爾城市設(shè)計

圖3 新加坡緯一（One-North）科技城城市設(shè)計

“參數(shù)化城市主義”是一種在城市尺度下基于參數(shù)化理念而形成的設(shè)計思潮，主張通過提煉傳統(tǒng)城市語匯，探索城市構(gòu)成要素之間的關(guān)系，編寫參數(shù)腳本，從而發(fā)展出新的城市形態(tài)。在參數(shù)化城市主義中，設(shè)計方案并不受控于軸線或城市要素的體塊位置，而受控于城市肌理的密度分布，建設(shè)區(qū)域?qū)π巫兊拿舾行曰虻匦翁荻萚11]。相比于現(xiàn)代城市主義和后現(xiàn)代城市主義，參數(shù)化城市主義將空間理解為被流體充滿的場域（表1），流體運動形成的浪涌成為空間的構(gòu)架。

表1 不同城市“主義”對空間的理解

城市尺度下的參數(shù)化設(shè)計方法一直飽受爭議。支持者認為參數(shù)化設(shè)計體系有其自身的規(guī)則，方法和特性，將多樣的、動態(tài)的、復(fù)雜的城市要素作為設(shè)計主體，真正適應(yīng)城市設(shè)計需求[12]。參數(shù)化有利于創(chuàng)造更為活躍的具有互動性的設(shè)計方案[13]，是空間塑造革命的結(jié)果。反對者則認為參數(shù)化城市主義缺乏對空間構(gòu)型（Space Configuration）的理解。希利爾（Hillier）提出，人類在空間中的活動與空間構(gòu)型參數(shù)直接相關(guān)，城市網(wǎng)絡(luò)的空間構(gòu)型包括人類行為模式和建筑形態(tài)，二者各自獨立或相互作用[14]。作為理解城市形態(tài)的基礎(chǔ)要素，空間構(gòu)型參數(shù)并沒有被重點提及，參數(shù)化城市主義缺乏對人的行為方式的分析，有悖于傳統(tǒng)的城市生長邏輯，并可能帶來消極后果。

盡管對參數(shù)化設(shè)計方案的批判從未停止，但就設(shè)計方法而言，參數(shù)化相比傳統(tǒng)方法更為高效、理性、直觀。首先，當(dāng)確立了設(shè)計方案的參數(shù)系統(tǒng)和腳本后，簡單地調(diào)整參數(shù)數(shù)值即可快速生成多個設(shè)計方案。系統(tǒng)內(nèi)各元素之間存在聯(lián)動關(guān)系，一處更改則與之相關(guān)的元素均得到了調(diào)整，免去了復(fù)雜的設(shè)計修改過程。其次，在計算機平臺上編寫具有邏輯關(guān)系的腳本，由此得到的是滲透了邏輯思維的方案，而非單純依據(jù)經(jīng)驗或?qū)徝酪鈭D。其三，參數(shù)關(guān)系與三維模型相結(jié)合，完成腳本編寫的同時，方案模擬同步完成。當(dāng)人為更改參數(shù)值時，計算機同時模擬出不同的建筑和城市情境，便于在評估過程中直觀表達設(shè)計意圖，預(yù)測建成后的結(jié)果。

3 形態(tài)譯碼方法的應(yīng)用

形態(tài)譯碼是近年來興起于美國的一種城市規(guī)劃設(shè)計方法，用以緩解傳統(tǒng)城市規(guī)劃模式導(dǎo)致的土地浪費、城區(qū)無限蔓延和空間功能單一等問題。形態(tài)譯碼用物理空間形態(tài)代替土地利用劃分來重新編譯城市，具有參數(shù)化特征，因此也常作為參數(shù)化城市設(shè)計的方法之一。參數(shù)化設(shè)計體系下的形態(tài)譯碼重構(gòu)使設(shè)計理念不單純地停留在概念體塊階段，而在城市設(shè)計深化中同樣具有潛力，并實現(xiàn)與參數(shù)化建筑設(shè)計的銜接。在參數(shù)化思維方式下，空間形態(tài)和關(guān)系都可看作是參數(shù)控制的結(jié)果，可通過具體的參數(shù)來定義。

3.1 形態(tài)譯碼（Form-Based Code）

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃模式以土地利用劃分為主要依據(jù)，盡管世界各國對土地利用的分類方式不同，但其類型大體包括居住用地、商業(yè)用地、商住混合用地、工業(yè)用地和開放綠地等五類。本約瑟夫（Ben-Joseph）、帕羅里克（Parolek）、泰倫（Talen）等認為這種教條的土地規(guī)劃方法忽視了對城市空間發(fā)展的控制，無法預(yù)測城市空間的三維形態(tài)，對現(xiàn)代城市產(chǎn)生了消極影響。芝加哥形態(tài)譯碼學(xué)會（Form-Based Code Institute）提出，形態(tài)譯碼能緩解傳統(tǒng)土地利用規(guī)劃帶來的城市問題，有效預(yù)測建設(shè)結(jié)果，提高城市空間質(zhì)量。

斷面矩陣是形態(tài)譯碼劃分城鄉(xiāng)區(qū)塊的主要依據(jù)，標(biāo)準的形態(tài)譯碼斷面矩陣（圖4）包括自然區(qū)域（T1）、鄉(xiāng)村區(qū)域（T2）、亞城市區(qū)域（T3）、普通城市區(qū)域（T4）、城市中心區(qū)域（T5）、城市核心區(qū)域（T6）和特殊區(qū)域（SD）。斷面矩陣概念最初主要在生物學(xué)領(lǐng)域使用，用以描述生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種的分層棲息和遷徙。多恩（Duang）首次將斷面矩陣應(yīng)用到城市研究中，提出從鄉(xiāng)村到城市的劃分應(yīng)取決于多種空間構(gòu)成要素，如建筑、土地、街道及一切與人類生活相關(guān)的物質(zhì)[17]，城市發(fā)展不應(yīng)過于依賴土地利用規(guī)劃。2000年，多恩將這種斷面矩陣概念引入實際的形態(tài)譯碼設(shè)計項目中，驗證弱化用地功能、強化形態(tài)控制在當(dāng)代城市發(fā)展中的可行性。

圖4 形態(tài)譯碼的標(biāo)準斷面矩陣

3.2 應(yīng)用流程

參數(shù)化形態(tài)譯碼的核心在于把斷面形態(tài)編寫進參數(shù)腳本，利用參數(shù)化圖式和模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維圖示描述。本研究選取某高密度城市核心區(qū)用地為例，探討創(chuàng)建參數(shù)化形態(tài)譯碼的方法與流程。

首先，確定參數(shù)體系。參數(shù)體系的設(shè)置直接關(guān)系到最終設(shè)計結(jié)果，在參數(shù)選取中應(yīng)明確設(shè)計方向和預(yù)期。本案例中的參數(shù)包括容積率，步行道寬度，道路等級，基礎(chǔ)設(shè)施等級，街巷高寬比和最大建筑高度。然后，根據(jù)路網(wǎng)分割，將調(diào)研區(qū)域劃分為若干地塊并逐一編號。通過實地調(diào)研，得到研究范圍內(nèi)各地塊的六類參數(shù)數(shù)值。由于各參數(shù)的單位不同，不便于比較，因此利用統(tǒng)計學(xué)的標(biāo)準化方程進行數(shù)據(jù)標(biāo)準化：

其中：

Emin = E數(shù)列中的最小值；

Emax = E數(shù)列中的最大值；

當(dāng)最大值和最小值相等時，標(biāo)準化后的值等于0.5。

表2即各調(diào)研地塊的參數(shù)標(biāo)準化情況，所有經(jīng)過標(biāo)準化的數(shù)據(jù)均處于[0，1]閉區(qū)間內(nèi)，且不含有計量單位。標(biāo)準化平均值為各地塊的人工化程度值。該值越大，則其所代表的地塊在斷面矩陣中越處于右端位置；該值越小，則地塊越處于左端位置。將[0，1]閉區(qū)間平均分成10個等級，即[0.00，0.09]，[0.10，0.19]，[0.20，0.29]，[0.30，0.39]，[0.40，0.49]，[0.50，0.59]，[0.60，0.69]，[0.70，0.79]，[0.80，0.89]，[0.90，1]。經(jīng)數(shù)據(jù)整合得知，24個地塊的標(biāo)準化平均值均落在0.10到0.70之間（圖5），意味著該城市核心區(qū)的斷面矩陣可劃分為6個城市核心區(qū)亞類（圖6）。比如5號地塊，其標(biāo)準化平均值為0.39，則5號地塊的人工化程度值即為0.39，所屬的斷面類型為城市核心區(qū)的第三亞類（T6-3）。在實際項目中，并非所有項目都能含有標(biāo)準斷面矩陣中的全部斷面類型。設(shè)計者可根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果重新定義特定區(qū)域的斷面矩陣，增減斷面種類。

表2 各調(diào)研地塊的參數(shù)標(biāo)準化值

圖5 各地塊標(biāo)準化平均值分布

圖6 調(diào)研地塊的形態(tài)譯碼斷面矩陣

3.3 設(shè)計模擬

將各地塊斷面類型代回調(diào)研用地，得到空間重組后的設(shè)計方案。以T6-3斷面為例，設(shè)置地塊內(nèi)建筑物的參數(shù)體系，包括最大建筑高度、建筑層高、后退紅線距離等，在參數(shù)化平臺中模擬建筑形態(tài)，即可得到街區(qū)建筑控制模型（圖7～8）。形態(tài)譯碼與參數(shù)化設(shè)計方法進行疊加，利于參數(shù)化城市設(shè)計與下游的建筑設(shè)計進行對接，二者均可通過統(tǒng)一的參數(shù)化設(shè)計平臺，如本案中的草蜢（Grasshopper 3D）平臺，進行建筑參數(shù)數(shù)值設(shè)定，減少數(shù)據(jù)交換產(chǎn)生的重復(fù)工作量。此外，在需要修改設(shè)計方案時可靈活調(diào)整數(shù)值，便于方案評估。

圖7 參數(shù)化平臺下的街區(qū)模型

圖8 某斷面類型中的建筑控制參數(shù)模型

將各地塊的建筑控制數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機后，還可通過進一步的參數(shù)設(shè)定進行環(huán)境能耗模擬、粗略造價估算等。城市環(huán)境能耗模擬可通過參數(shù)化平臺的插件實現(xiàn)，例如圖9，在草蜢（Grasshopper 3D）中運行阿克西姆能源（Archsim Energy）軟件，即可預(yù)估大型城市規(guī)劃的日照情況，自動模擬模型中的所有建筑，計算特定區(qū)域內(nèi)每小時的自然采光。此外，通過設(shè)置控制參數(shù)，如建筑寬度、地塊劃分、后退紅線距離等，編寫造價估算腳本，可粗略估算各方案的建設(shè)費用（圖10）。

圖9 參數(shù)化平臺下的環(huán)境采光模擬

圖10 參數(shù)化平臺下的建設(shè)成本預(yù)估

結(jié)語

本研究系統(tǒng)地梳理了參數(shù)化設(shè)計理念的特征、邏輯和對城市空間形態(tài)模擬的方法。一方面，參數(shù)化手段的引入使建筑和城市設(shè)計更加系統(tǒng)和高效；另一方面，參數(shù)化手段把形態(tài)作為主要研究要素，形態(tài)譯碼方法的應(yīng)用為城市空間設(shè)計提供了新的思路。

參數(shù)化城市主義將參數(shù)化方法引入城市問題研究中，革新了塑造城市空間的手段和平臺。盡管參數(shù)化城市設(shè)計的研究還處于初始階段，卻是不可忽略的趨勢。形態(tài)譯碼方法的應(yīng)用使參數(shù)化理念深入到城市設(shè)計的多個層面，而非僅局限于粗略的建筑體塊表現(xiàn)。形態(tài)譯碼利用斷面矩陣重新定義城市空間，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方程，構(gòu)建區(qū)別于傳統(tǒng)土地劃分的新方法。在此基礎(chǔ)上進行采光、造價等參數(shù)化平臺的探索，為重構(gòu)城市空間提供更多可能性。

資料來源：

圖1：斯德諾（Steino）,歐博靈（Obeling），2014；

圖2：扎哈·哈迪德建筑師事務(wù)所，2006；

圖3：扎哈·哈迪德建筑師事務(wù)所，2001；

圖4：多恩（Duany）,2012；

圖9：阿克西姆（Archsim）采光分析界面，2017；

表1：在思瓦（Silva，2010）的研究基礎(chǔ)上改繪；

文中其余圖表均為作者繪制。