文／姜晚竹 倫敦大學(xué)學(xué)院 碩士研究生

王佳琦 倫敦大學(xué)學(xué)院 碩士研究生（通訊作者）

引言

建筑在歷史發(fā)展的過程中始終受到科學(xué)技術(shù)水平的影響與約束，或者說，建筑與科學(xué)之間具備恒久的兼容性。其中，作為人類認(rèn)識(shí)世界的基礎(chǔ)科學(xué)，數(shù)學(xué)與建筑的關(guān)系一直密不可分。

具體來說，量化作為一種數(shù)學(xué)的研究方法，真正地將數(shù)學(xué)中的抽象概念具體化到建筑實(shí)體之中。幾何中的形狀、函數(shù)中的圖像、算術(shù)中的比例，通過量化最終轉(zhuǎn)化成建筑中實(shí)際存在的形體、輪廓與尺度。在不同的歷史時(shí)期，依據(jù)數(shù)學(xué)研究水平的不同，量化模式也發(fā)生著階段性的轉(zhuǎn)變，深刻影響著不同時(shí)期建筑的風(fēng)格與狀態(tài)。

而如今，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，自治建筑成為新的發(fā)展方向。此時(shí)，一種全新的量化模式不可避免地被強(qiáng)烈需要，以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入建筑系統(tǒng)，為其注入數(shù)字化的生命力。建筑將在新的量化模式的幫助下，利用數(shù)據(jù)思考、運(yùn)算、交流、表達(dá)，成為自組織、自適應(yīng)、自進(jìn)化的高維度生命體。

1 歷史中建筑量化模式的演進(jìn)

1.1 以幾何學(xué)為基礎(chǔ)的量化模式

在古希臘古羅馬時(shí)期，幾何學(xué)是建筑量化模式的基礎(chǔ)。

幾何學(xué)處理的首要問題是“形”，這是一種擁有具象性、直觀性的量化對(duì)象。古希臘設(shè)計(jì)者與建造者關(guān)系緊密，他們手持原始的尺規(guī)，對(duì)采石場運(yùn)送而來的原材料做出最直率的判斷與處理：憑借對(duì)“形”的認(rèn)知，進(jìn)行測量、切割、雕琢、打磨。幾何學(xué)中的、或者說是設(shè)計(jì)者腦中的“形”最終被轉(zhuǎn)化為建筑中實(shí)際的形體，這是當(dāng)時(shí)人們最先掌握的初始量化模式。

以幾何學(xué)為基礎(chǔ)的量化模式的建筑，其最終目的是尋找和諧典雅的永恒形式。在對(duì)“形”的研究中，比例是最顯著的規(guī)律，賦予建筑視覺效果的精妙性。希臘人通過柱式隱喻人體的比例，多立克柱式可被簡化為高度是直徑8 倍的圓柱體，仿佛挺拔健美的站立男性，既不因?yàn)榇謮扬@得笨拙，又不因?yàn)槔w細(xì)顯得孱弱。帕特農(nóng)神廟中同樣蘊(yùn)含比例美學(xué)，外部立面符合黃金螺線，形體清晰有力。另外，視覺矯正的手法使其外觀更加筆直穩(wěn)固?？梢姡詭缀螌W(xué)為基礎(chǔ)的建筑更關(guān)注的是外部的觀感，正與大多數(shù)古希臘宗教活動(dòng)相符——人們并不真正進(jìn)入神廟內(nèi)部，而是在外部遠(yuǎn)眺與祭拜，以距離感表達(dá)尊重與崇敬。

幾何學(xué)基礎(chǔ)的古希臘建筑為世界留下了不朽的形式遺產(chǎn)，但其低效性以及非實(shí)用性也敦促人們探索新的量化模式。

1.2 以算術(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的量化模式

15 世紀(jì)以后，阿拉伯?dāng)?shù)字的流行提升了數(shù)字的能力與地位，算術(shù)學(xué)成為新的量化模式的基礎(chǔ)。

在算術(shù)學(xué)中，“數(shù)”成為量化對(duì)象，相比于“形”，其抽象性得到了提升。這時(shí)的設(shè)計(jì)者不再一邊設(shè)計(jì)一邊建造，而是以圖紙的方式預(yù)先將方案可視化。建筑師一旦遇到問題或差錯(cuò)，僅需擦除錯(cuò)誤印記，提筆重新繪制，以更低的成本修正方案。

以數(shù)字控制的建筑形體更具精確性與可復(fù)制性。比起古希臘時(shí)期對(duì)形體的啟蒙的、具象的理解，文藝復(fù)興時(shí)期建筑的比例關(guān)系直接被抽象為數(shù)字之間的倍數(shù)關(guān)系。在維琴察市政廳外部回廊的重建中，意大利建筑師帕拉第奧大膽創(chuàng)新，在中心處發(fā)券，將一個(gè)開間劃分為三部分，同時(shí)在兩側(cè)小額枋之上各開一個(gè)圓洞。這種細(xì)分比例使部分與整體、部分與部分之間關(guān)系協(xié)調(diào)且精致。在建筑四書中，他記錄房間的寬度應(yīng)是長度的五分之三，且每邊應(yīng)有三、五、七個(gè)奇數(shù)開口[1]。此時(shí)，以數(shù)字為基礎(chǔ)的量化模式使建筑比例向清晰、可拓展的方向發(fā)展——同樣的規(guī)律既能在圓廳別墅等多幢私人府邸找到，也能拓展成更大尺度的宗教類公共建筑。這種抽象以絕對(duì)簡潔的方式使后人方便地理解并重復(fù)使用這一法則，從而衍生出豐富繁榮的后代實(shí)例。

18 世紀(jì)末期，新古典主義誕生，與其父輩的古典主義在表面上擁有諸多相似之處，但它們?cè)诹炕Ｊ缴蠀s有根本區(qū)別。新古典主義整體上延續(xù)了古典主義的風(fēng)格與美學(xué)思想，但在細(xì)節(jié)的刻畫中摒棄了過于復(fù)雜的肌理與裝飾，轉(zhuǎn)而強(qiáng)調(diào)關(guān)系的和諧，這是在由“形”到“數(shù)”的抽象過程中的信息省略與簡化。

1.3 以代數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的量化模式

在工業(yè)革命和第二次世界大戰(zhàn)的雙重背景之下，現(xiàn)代主義建筑追求的是前所未有的低成本與高效率。代數(shù)學(xué)成為主要量化模式的基礎(chǔ)，其中一個(gè)簡短的函數(shù)公式背后隱藏著繁冗的數(shù)據(jù)列表，可以被無限次地重復(fù)運(yùn)算，正如現(xiàn)代主義范式被世界各地頻繁反復(fù)地應(yīng)用。

信息技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與普及，正在深刻影響和潛移默化地改變著每個(gè)人的生活和觀念，互聯(lián)網(wǎng)為人們構(gòu)筑起了一種全新的生活和生存方式。據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)發(fā)布的報(bào)告顯示，截至2011年底，中國網(wǎng)民規(guī)模已突破5億，其中青少年已占據(jù)了半數(shù)。正如中國青年網(wǎng)執(zhí)行總編藺紅玉說：“如今的互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)成了青少年的器官，成為他們生命中不可或缺的一部分……”

在現(xiàn)代主義建筑中，多米諾體系的發(fā)明創(chuàng)造了一種客體類型，成為一種標(biāo)準(zhǔn)化、批量化的建造范式。如果說量化模式是用于在建筑建造之前的度量，那么現(xiàn)代主義建筑在建造之前就早已被度量完畢，這是由于它的范本是如此的清晰且固定。典型的現(xiàn)代主義建筑可以被解釋為一種近似的常函數(shù)，無論自變量如何，都以強(qiáng)硬的手段使因變量趨同。歷史背景、場地特征、用戶信息等初始條件被模糊處理，生成工業(yè)化的、統(tǒng)一化的板樓。在相距千里的美國和南亞地區(qū)可以找到別無二致的兩個(gè)建筑實(shí)例?？梢哉f，現(xiàn)代主義確實(shí)達(dá)成了高效率低成本的時(shí)代需求，但也抹殺了諸多創(chuàng)造力。

與此同時(shí)，藍(lán)圖技術(shù)以其利于復(fù)印的優(yōu)點(diǎn)成為建筑師的必備工具，但卻悄然成為設(shè)計(jì)中的桎梏——它既是橋梁也是鴻溝，一方面藍(lán)圖使設(shè)計(jì)者的想法清晰表達(dá)；另一方面，無法用藍(lán)圖表達(dá)的想法只能永遠(yuǎn)埋葬在設(shè)計(jì)者腦中。

1.4 以微積分為基礎(chǔ)的量化模式

到20 世紀(jì)末，微積分作為新的量化模式的基礎(chǔ)進(jìn)入到建筑領(lǐng)域中。這是一套關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)分支，以其為基礎(chǔ)的曲線簡化方式引領(lǐng)了新一代的形式風(fēng)格。

在20 世紀(jì)60 年代，汽車、航空等行業(yè)逐漸開始利用計(jì)算機(jī)開發(fā)圖形系統(tǒng)來提高工程師的生產(chǎn)力。這種變化產(chǎn)生于對(duì)流線形與藍(lán)圖之間的突出矛盾——流線形的形體需要千百個(gè)剖面去描述形體的變化，這顯然是一項(xiàng)繁瑣沉重的工作。法國工程師皮埃爾·貝茲（Pierre Bézier）利用伯恩斯坦因多項(xiàng)式的原理開發(fā)出以簡單的數(shù)學(xué)方程式描述自由曲線的方法，這將牛頓與萊布尼茨的微積分?jǐn)?shù)學(xué)理論帶到了廣闊的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，用緊湊、經(jīng)濟(jì)的數(shù)學(xué)腳本量化復(fù)雜、冗長的隨機(jī)點(diǎn)陣。這種量化模式被當(dāng)代著名的解構(gòu)主義建筑師弗蘭克·蓋里（Frank Owen Gehry）引入建筑設(shè)計(jì)中，點(diǎn)燃了一種新時(shí)期的風(fēng)格。

以微積分為基礎(chǔ)的量化模式的建筑，獲得了全新的形式美學(xué)。自由優(yōu)雅的曲線擺脫了夭折于設(shè)計(jì)師腦中的命運(yùn)，終于成為熠熠發(fā)光的建筑實(shí)體。與古典主義中的比例相比，這種新的形式更強(qiáng)調(diào)有機(jī)性與動(dòng)態(tài)性。在馬巖松的夢(mèng)露大廈中，連貫的、扭動(dòng)的曲線顯示出一種律動(dòng)的張力，仿佛少女腰肢婀娜，翩躚而至，與古希臘時(shí)期愛奧尼柱式中的靜態(tài)相比，展現(xiàn)出不同的美感（圖1）。

圖1 歷史中建筑量化模式的演進(jìn)（圖片來源：作者自繪）

2 小數(shù)據(jù)量化邏輯的衰落與大數(shù)據(jù)量化邏輯的興起

2.1 小數(shù)據(jù)邏輯下量化模式的局限性

然而，時(shí)至今日，參數(shù)化設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)美感已經(jīng)難以滿足實(shí)質(zhì)的需求，這種量化模式的弊端逐漸浮現(xiàn)。一方面，這種建筑在形式上的有機(jī)性來源于對(duì)自然中有機(jī)體的模仿，如山峰的弧度、沼澤的構(gòu)圖，但這種模仿往往側(cè)重于外在的刻畫，而鮮少對(duì)建筑內(nèi)部空間帶來實(shí)質(zhì)性的優(yōu)勢(shì)；另一方面，雖然在設(shè)計(jì)過程中，這種量化模式幫助建筑設(shè)計(jì)獲得光滑舒展的輪廓，但卻并沒有進(jìn)入到建造過程中。在實(shí)際建造時(shí)，光滑的表面不得不被肢解成各不相同的碎片，逐個(gè)制作安裝，施工成本高、難度大。而實(shí)際的建成效果已在兩階段量化模式的齟齬中喪失了應(yīng)有的流暢美感。

以微積分為基礎(chǔ)的量化模式只能為建筑帶來生動(dòng)的外衣，卻無法賦予生命的內(nèi)核。在計(jì)算機(jī)與人工智能飛速發(fā)展的背景下，人們不再滿足于雕塑般華麗的外表，而是開始轉(zhuǎn)向真正的自治建筑——擁有靈魂的智慧體。在這種情況下，一種新的以大數(shù)據(jù)計(jì)算為基礎(chǔ)的量化邏輯無疑被強(qiáng)烈需要。

2.2 第二次數(shù)字革命：大數(shù)據(jù)計(jì)算帶來的生命力

受制于數(shù)據(jù)的數(shù)量與處理數(shù)據(jù)的能力，歷史上的諸多量化模式皆符合小數(shù)據(jù)邏輯[2]，即將復(fù)雜的信息歸納簡化，方便儲(chǔ)存與處理。從幾何學(xué)到微積分，壓縮數(shù)據(jù)的能力逐級(jí)提升，大量的數(shù)據(jù)最終可以濃縮于極簡的參數(shù)方程中。

而如今，大數(shù)據(jù)時(shí)代使人類首次獲得比需求量更多的數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)的能力也今非昔比。這種情況下，冗余的數(shù)據(jù)、繁多的計(jì)算，不再成為束縛量化模式的枷鎖。此時(shí)的量化模式出現(xiàn)了一種前所未有的反抽象的趨勢(shì)——小數(shù)據(jù)邏輯變得沒有價(jià)值，計(jì)算機(jī)無需像人腦一樣利用歸納總結(jié)后的函數(shù)，而是可以直接應(yīng)對(duì)背后無限的數(shù)據(jù)列表。這時(shí)的量化對(duì)象從“數(shù)”或“代數(shù)符號(hào)”變?yōu)榱她嫶蟮摹皵?shù)據(jù)”。數(shù)據(jù)，也就成了進(jìn)入建筑整個(gè)生命周期、穿梭于建筑內(nèi)外的語言般的交流媒介。

馬里奧·卡普（Mario Carpo）①將這一轉(zhuǎn)變定義為“第二次數(shù)字化革命”[2]，與前一階段相比，形式上的動(dòng)態(tài)美被轉(zhuǎn)化成建筑內(nèi)在的生命力。通過擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)輔助，人類不適合的全局運(yùn)算或者重復(fù)試錯(cuò)，計(jì)算機(jī)都能在極短的時(shí)間內(nèi)完成。建筑不再只是單次計(jì)算導(dǎo)向下的靜態(tài)實(shí)體，而是在長期大數(shù)據(jù)計(jì)算的輔助下轉(zhuǎn)變?yōu)樽越M織、自適應(yīng)、自進(jìn)化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

3 大數(shù)據(jù)計(jì)算與自治建筑

3.1 以大數(shù)據(jù)計(jì)算為基礎(chǔ)的量化模式

如今，大數(shù)據(jù)計(jì)算將成為建筑量化模式的新基礎(chǔ)。

由于數(shù)據(jù)的多樣性，量化模式的關(guān)注點(diǎn)不再局限于歷史中的形態(tài)美學(xué)或功能效用，而是變?yōu)橐环N綜合的因素統(tǒng)籌——場地中的氣候、地形、人流、遺址；用戶的特征、習(xí)慣、審美、偏好等多種條件都可被同時(shí)納入考慮范圍，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生影響。為了整合多種來源、不同類型的數(shù)據(jù)集合，算法作為一種預(yù)先定義的、計(jì)算機(jī)可運(yùn)行的有限步驟或次序，應(yīng)當(dāng)被引入到建筑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。此時(shí)，建筑師的任務(wù)將從傳統(tǒng)的繪圖或建模轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)框架的搭建及邏輯關(guān)系的梳理。他們選擇一些影響方案結(jié)果的因素作為輸入變量，并將原有的設(shè)計(jì)問題分解為多個(gè)離散計(jì)算目標(biāo)，設(shè)立其中的邏輯關(guān)系，然后調(diào)用相應(yīng)功能函數(shù)，編寫出解決問題的組合程序。在這個(gè)過程中，輸入變量與生成結(jié)果之間可以產(chǎn)生直接聯(lián)動(dòng)，針對(duì)不同的初始條件給出不同的解決方案，甚至在使用中依照數(shù)據(jù)的變化情況對(duì)建筑進(jìn)行改造或重構(gòu)。

3.2 自治建筑的外在表現(xiàn)——從連續(xù)到離散

在外在表現(xiàn)方面，由于計(jì)算機(jī)在運(yùn)算過程中使用離散數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)量化為基礎(chǔ)的建筑體系往往呈現(xiàn)出一種高分辨率的離散特征——以相似的、重復(fù)的、可重組的通用離散元件集組裝成完整且復(fù)雜的建筑物。這種離散單元的尺度各異，整體建筑的表現(xiàn)形式也會(huì)出現(xiàn)明顯的積木感或虛假的連續(xù)性。配合增材制造技術(shù)，大數(shù)據(jù)計(jì)算的量化邏輯也隨之進(jìn)入到建造過程中，從減法變?yōu)榧臃?，從雕刻變?yōu)樯L，對(duì)每一處建造單元進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)算。在邁克爾·漢斯邁耶（Michael Hansmeyer）②創(chuàng)造的3D 打印石窟數(shù)字怪誕（Digital Grotesque）中，40 億個(gè)微小的體素單元被單獨(dú)計(jì)算，這種人類無法完成的任務(wù)對(duì)于計(jì)算機(jī)來說卻是輕而易舉（圖2）。吉爾·雷辛（Gilles Retsin）③為塔林（Tallinn）雙年展設(shè)計(jì)的戶外裝置以通用的木材單元組成梁柱及樓板，且組裝邏輯不遵循嚴(yán)格的幾何概念，而是保持一種開放狀態(tài)，以便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整[3]（圖3）。

圖2 3D 打印石窟：數(shù)字怪誕（Digital Grotesque）（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

圖3 塔林（Tallinn）雙年展戶外裝置（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

3.3 自治建筑的內(nèi)在邏輯——從靜止到進(jìn)化

在內(nèi)在邏輯方面，以大數(shù)據(jù)量化為基礎(chǔ)的建筑體系實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的升級(jí)。算法程序?qū)ν獠康臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行感知、接收、處理、反饋，從而控制實(shí)質(zhì)的空間物質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造、調(diào)配、移除，形成自身的思維閉環(huán)。這一長期的計(jì)算流程貫穿建筑系統(tǒng)的整個(gè)生命周期，不斷適應(yīng)來自用戶或環(huán)境的各種動(dòng)態(tài)需求。與此同時(shí)，算法內(nèi)部的計(jì)算邏輯也將在與用戶或環(huán)境的磨合中進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，完成系統(tǒng)本身的智能進(jìn)化。在這種情況下，算法不再或不再僅僅是要執(zhí)行的指令，而是變成了執(zhí)行實(shí)體：選擇、評(píng)估、轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)[4]。算法將來源于用戶及環(huán)境的隨機(jī)數(shù)據(jù)熵能量轉(zhuǎn)化成新的編碼指令串實(shí)現(xiàn)進(jìn)化，以擺脫計(jì)算極限的限制，幫助建筑系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)適應(yīng)性。在R（&）Sie（n）2010 年的研究項(xiàng)目情緒建筑（Une Architecture Des humurs）中，來訪者的生物物理數(shù)據(jù)，如情緒狀態(tài)（愉悅、壓力等），將被數(shù)字裝置測量，然后依據(jù)這些荷爾蒙變化數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)并調(diào)整住房單元與城市設(shè)施（圖4）。艾麗莎·安德拉塞克（Alisa Andrasek）④帶領(lǐng)的Wonderlab 團(tuán)隊(duì)在游絲塔（The Gossamer Tower）項(xiàng)目中將機(jī)器人3D 打印與生物系統(tǒng)中的共識(shí)主動(dòng)性聯(lián)系起來，應(yīng)用于建筑系統(tǒng)。光、溫度和聲學(xué)等環(huán)境數(shù)據(jù)被輸入到算法程序中，改變不同區(qū)域的孔隙度，呈現(xiàn)高分辨率的動(dòng)態(tài)美學(xué)，并在濾光、散熱等方面表現(xiàn)出卓越的實(shí)用性能（圖5）。

圖4 情緒建筑（Une architecture des humurs）（圖片來源：參考文獻(xiàn)[4]）

圖5 游絲塔（The Gossamer Tower）（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

結(jié)語

建筑的量化模式始終與歷史的腳步并行，與科技的發(fā)展兼容。經(jīng)歷漫長的不斷簡化的小數(shù)據(jù)科學(xué)，大數(shù)據(jù)時(shí)代是對(duì)原有思維方式的全面顛覆。在這種根本性的轉(zhuǎn)折時(shí)期，我們所追求的量化模式和建筑理想也注定史無前例。

以大數(shù)據(jù)計(jì)算為基礎(chǔ)的量化模式引領(lǐng)建筑走向生命化的進(jìn)程，為自治建筑系統(tǒng)開啟廣闊的研究方向。從連續(xù)到離散的外在表現(xiàn)、從靜止到進(jìn)化的內(nèi)在邏輯，都標(biāo)志著自治建筑系統(tǒng)已然從單一的空間實(shí)體變?yōu)殡S需求變化的四維空間系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)更加精進(jìn)，計(jì)算進(jìn)程更加快速，數(shù)據(jù)來源更加廣泛，建筑系統(tǒng)也將擁有更靈活的材料構(gòu)件與更智能的算法內(nèi)核。確定、機(jī)械的指令集合，將向開放、進(jìn)化的方向發(fā)展，更多無法被直接理性化的因素也可以納入考量。建筑師從獨(dú)立于外部的建設(shè)者與觀察者，轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)入計(jì)算循環(huán)、受結(jié)果影響的參與者與維護(hù)者。由此，建筑系統(tǒng)也必將在前沿科學(xué)的照耀下，煥發(fā)出全新的生命光彩。

注釋：

①馬里奧·卡普：建筑歷史學(xué)家、評(píng)論家，現(xiàn)任倫敦大學(xué)學(xué)院巴特萊特建筑學(xué)院教授。

②邁克爾·漢斯邁耶：建筑師與程序開發(fā)師，維也納應(yīng)用藝術(shù)大學(xué)與東南大學(xué)訪問教授。

③吉爾·雷辛：建筑師，倫敦大學(xué)學(xué)院巴特萊特建筑學(xué)院副教授，AUAR實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人。

④艾麗莎·安德拉塞克：設(shè)計(jì)師，皇家墨爾本理工大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新教授，AI Build聯(lián)合創(chuàng)始人之一。