1.2 参数化设计(Parametric d esign) 建筑的外部影响及内部要求可以看作 一个复杂系统，众多外部及内在因素的综 合作用决定设计结果。我们可以把各种影 响因素看成参变量(Parameter)，并在对场 地及建筑性能(Performance)研究的基础上， 找到联结各个参变量的规则，进而建立参 数模型(Parametric Model)，运用计算机技 术生成建筑体量、 空间或结构， 且可以通过 改变参变量的数值，获得多解性及动态性 的设计方案[3][4]。 1.3 非线性体(Non -lin ear Volume) 设计过程中各个参数按某种规则的集 合是一个动态稳定结构，设计结果只不过 是过程某阶段的动态结构形态的定格记录。 这一动态稳定结构的形态是建筑的外部影 响及内部要求共同作用这一复杂系统的写 照，必然反映出各个参变量之间游牧状 (Nomadic)的相互关联，因而其形态也会呈 现出一种非线性的存在状态[5]。
国家自然科学基金资助项目(50578087) 作者单位：清华大学建筑学院(北京，100084) 收稿日期：2009 -06 -28
性， 从而保持三者之间的积极互动， 产生建 筑活力 。
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建筑学报
等的客观规律， 寻找适当的数理方法， 在计 算机内建构描述各因素相互关系的数字图 解，并根据不同的设计条件生成形体。在 “找形”过程中，设计者的空间构思能力处 于辅助地位，而更为强调数字图解与建筑 设计需求在科学上和哲学上的联系，以及 整个设计过程的逻辑性；另一方面， 设计者 需要自行探索各因素关系的本质和特征， 并建立数字图解，生成多解结果。 3 建筑设计中的“找形” 在非线性建筑设计教学中， “找形”是 关键一步，也是教学的重点。2008 年清华 大学建筑学院三年级非线性设计 Studio 的 设计题目为 2008 北京奥运会信息亭，该信 息亭将被设置在奥运公园等场所，可四周 环行该信息亭，内部体积 200m3，信息提供 的方式包括人工咨询、电脑咨询、大屏幕 等。要求学生使用计算机软件或编写程序 “找形” 生成建筑雏形。 ， 下面以此次非线性 设计 Studio 部分学生作品为例对 “找形” 过 程进行说明。 3.1 多代理生成 奥运赛场周围人员密集，处于过饱和 的状态，设计的目的便是如何在这种状态 下更高效的提供服务。整个找形过程是一 系列模拟和分析，通过 M E L 语言编程在 Maya 中实现。 找形过程由以下步骤组成： 1) 以拟建信息亭中心为圆心，设定半 径为20m的圆形场地作为建筑的影响范围， 并在此范围内使用随机函数生成点阵，以 代表在不同场地条件下人群的各种可能分 布 ； 2) 确定 3 个入口的方位，以使通过每 个入口的进入的人数相同，并由此确定大 屏幕位置； 3 ) 使用多代理系统( M u l t i - A g e n t System, M A S ) 的智能方法，以代理 ( Ag en t) 代表人和信息源，模拟人群的运 动。这里的多代理系统中借用了静电场中 电荷相互作用的模型来描述场地上的各种 力：广场上的人们如同正电荷， 互相排斥以 保持适当距离，与此同时他们又受到如负 电荷的信息源的吸引而向其运动。用 MEL 脚本语言编写的多代理系统程序模拟了人 们从四面走近信息亭，并进入其中获取信 息的过程； 4) 过程中发现单纯静电荷模型与人的
3 触手(学生：赵齐、张雨辰)
够通过选择数学模型和参数化控制，获得 具有复杂空间形态的无限多样的原型，大 大丰富了建筑设计语汇。 另一方面，预先设定的建筑功能独立 于原型而存在，其空间布局也存在多种可 能性。在形式和功能在计算机内的适配过 程中， 原型被筛选和变形， 得出符合需求的 建筑形体。设计中用于生成原型的高维流 形向三维空间的投影，以及生成建筑功能 气泡图的计算机程序都具有数字图解的性 质， 它们分别针对设计问题的不同方面， 因 而获得了更大的自由度。最终的适配过程 则利用计算机强大的运算能力使二者获得 统一(图 2)。 3.3 触手 马尔可夫链(Markov chains)描述了一 种离散时间随机过程。 该过程中， 在给定当 前知识或信息的情况下，过去(即当期以前 的历史状态)对于预测将来(即当期以后的未 来状态)是无关的。这类过程与人们在信息 亭中的行为相似，也就是说如果不能从某 种信息源获得其想要的信息，人们就会选 择另一种信息源，而其选择与此前的咨询 行为无关。 在奥运信息亭的设计中，从神经元和 细胞器的微观结构中获得启示，将信息按
ABSTRACT/ Based on comprehension of morphological genology, parametric design and non-linear volume, this paper gives an interpretation of "form finding" - the key of architectural non-liner design, and expatiates on its concrete method and step by example of five juniors' works of 2008 non-linear architectural studio in school of architecture, Tsinghua University. KEY WORDS/ Non-linear architectural design, form finding, architectural design teaching
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4 元胞自手” 上并向外探出，主动地为 人们提供服务。调查得出人们对人工咨询、 电脑查询、大屏幕发布信息等各类信息的 需求比例被作为原始数据，然后输入 Matlab 中，经过基于马尔可夫链(Markov chains)理论的多次迭代以后，模拟出稳定 的人群分布图，得出不同空间适宜的面积 和高度，以此为基础在 Maya 中生成花瓣状 的形体。 各种咨询和大屏幕沿墙面布置， 因 此墙面被尽可能地弯曲，以增加信息交流 的强度(图 3)。 3 .4 元胞自动机 元胞自动机(Cellular Automata)是一 时间和空间都离散的动力系统。散布于规 则网格中的元胞(Cell)取有限的离散状态， 并依据某种局部规则做同步更新。大量元 胞相互作用便形成了动态的演化。 元胞自动机在时间和空间中的消长、 变化过程展现出生命系统的动态变化。 在信息亭的设计中，建 筑 被 作 为 记 录 这 样生命过程的载体和反映生命活动的响 应体。元胞随时间的演化过程被转化为 极坐标系统中沿径向扩大的柱面上的一 系列控制曲线，并由此生成组成建筑形 体的 3 个曲面： 起伏的地面、 建筑外皮以 及与之相交错的灰空间系统。功 能 通 过 适配被置入曲面体系的某个片段，从而 赋予非线性形体以存在意义和存在可能， 生成建筑(图 4 )。 3.5 控制线 非线性的建筑形体被认为是由人们在 建筑中穿行的流线和穿行过程中心理气泡 的轮廓线决定的。流线 L 连接起点和终点， 但是受外界干扰度 O 和目的地明确度 D 影 响， 产生弯曲和偏移。 心理气泡则受特定功 能的使用要求和人的行为的影响，并在人 与人交流时发生变化， 其大小S受功能权重 F 和人数权重 N 控制。找形过程中编制了 2 个 C 语言程序，输入控制参数，程序便能 够随机生成流线和心理气泡剖面线。将多 条程序生成的流线和心理气泡剖面线叠加， 便可得到在大量人员使用的情况下建筑轮 廓的控制线，从而放样得到建筑形体。由 O、D、F、N 取值的不同组合可以得到大量 空间形体， 最终形体从中选出， 并进行细化 编辑(图 5)。 结语 三年级非线性建筑设计 Studio 今年已
2 适配(学生： 吴一凡、李倩怡) 1 多代理生成(学生：刘哲、何帆)
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数字建筑
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行为仍有较大差别， 因此对其作了改进， 考 虑了不同层次的信息对人流的过滤，人的 决策行为，以及正常的行走速度范围等各 种因素； 5) 最终信息亭形体由室外和室内人体 气泡的轨迹挤压而成，它是对人的行动和 心理空间的合理包裹，是场地和人群活动 的共同产物。 这一设计中多代理系统描述了场地上 各种力相互作用的动态过程，即找形过程 中的数字图解。整个生成过程的起点是场 地上人群的分布，因此改变其分布即可通 过数字图解得到与场地相适应的空间形体 (图 1)。 3.2 适配 受德勒兹“游牧”哲学思想的启发，尝 试在设计过程中摆脱形式与功能的非相互制 约关系，认为功能、形式自成体系，处于多 态、 游牧的状态。 建筑的诞生是适配的结果， 即在计算机内找到形式与功能的最优组合。 如海洋生物般的形式并非来自生物界， 而是由数学公式描述的高维空间流形向三 维投影得出。这一抽象机器使得建筑师能
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非线性建筑设计中的“找形”
黄蔚欣
徐卫国
1 非线性建筑设计 随着信息技术近年来在理论和实践中 的迅速发展，计算机在建筑设计领域的作 用已逐步从单纯的制图工具( C o m p u t e r Aided Drawing)和模拟、分析工具向更深 层次渗透。涌现[1]、参数化设计、非线性建 筑等概念在国际建筑领域受到越来越广泛 关注，并成为当代建筑研究和实践的重要 方面。 在建筑设计教学中， 非线性设计方法 的重要性也逐步显现出来。 非线性建筑设计作品虽然往往以其丰 富多样的曲面形态为特征，但其本质上却 是利用计算机技术对复杂设计问题的综合 求解过程。在当代计算机非凡的运算能力 支持下，非线性建筑设计力图从建筑存在 更基本的层面描述制约设计的各种因素， 从而自发的、自然的、自动化的生成建筑。 我们对非线性建筑设计可做如下阐述： 1.1 形态发生学(Phy logenesis) 植物或动物之所以长成某种形状，有 两种力量控制着它成型，第一种力量来自 于自身的遗传基因(DNA)作用，它作为内 在法则构成形态代码，制约了生物形态的 生成；第二种力量来自于外部动力的限制， 各种外部条件作用于某种生物，它们只能 调节自身形态，迂回或融入各种外力和关 系结构之中， 才能长期存活生长。 因而外部 的条件及内在的基因促使生物进行自组织 及自调节，从而自适应于各种条件而得以 生存。 如果我们承认建筑是有生命行为的动 态场所，那么， 按照生物形态发生规则，建 筑的形体应该与其外部环境以及内部活动 之间具有密切的关系。 因而， 建筑设计的使 命也就是让建筑形体产生于建筑所处特定 地段的外部影响以及特定建筑的内部要求， 这样，建成的建筑可与所处场地的条件及 在建筑中活动的人之间具有连续性及协调 2 数字图解与找形 由以上分析可知，非线性建筑设计的 关键就是在解读设计条件的基础上，构造 出反映各种力之间关系的参数模型，并在 此基础上依据建筑内外条件生成非线性体。 这里的参数模型不仅有分析设计条件和阐 释设计概念的作用，而且利用了数字技术， 能够依据条件生成建筑形体，因此可以被 看作是在传统建筑学图解的基础上发展而 成的数字图解。 法国后现代哲学家吉尔・德 勒兹(Gills Louis RŽn Ž Deleuze)在《福柯》 中将图解阐释为“构成权利的各种势力之 间关系的显示” ，而数字图解则是一种抽象 机器， 它具有普适性， 一端输入不同的设计 要素，另一端则能输出相适应的形体[2]。 在非线性建筑设计中构建数字图解并 生成非线性体的过程被称为“找形” 。它是 非线性建筑设计区别于以往建筑设计的重 要特点。设计者需要分析场所、功能、建造