同济生成基础课件生成基础2

TheBasicofArchitecturalGenerating建筑生成学基础教程（2）戚广平,同济大学建筑城规学院设计基础学科组,同济大学建筑学教学的总体目标是培养具有职业素质，同时具有创新精神的复合型人才，不同于以建筑类型为主的教学模式，同济的基础教学主要是建立在对建筑本质认知的基础上，“以建筑设计方法论作为核心来建构教学活动”。1，建筑教学方法论层面：同济大学建筑学基础教学的四个学期各有侧重点，从基础教学纲要中可以看出，这四个学期又可分为一年级的分项基础训练阶段和二年级下学期的建筑综合设计阶段，为此二年级上学期的教学就自然定位于是从一年级的分项基础训练向二年级下学期的建筑设计的过渡阶段，即从分项训练到设计综合。从分项训练到设计综合这个过程就“教学方法论”层面而言，并非是在教学中，我们将各种分项训练通过简单叠加就能让学生自动获得建筑设计的系统知识，而是需要让学生“重新审视”这些分项训练内容之间的相互关联，逐渐掌握从简单到复杂的设计方法，随着时间的推移和经验的积累，让学生“自我建构”其系统的建筑设计知识体系，这种具有历时性特点的知识建构过程我们将其描述为“生成性”的而非“构成性”的教学过程。,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,（一）建立以“生成”观念为核心的教学体系,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,2，建筑设计方法层面：从分项训练到设计综合这个过程就“建筑设计方法”层面而言，我们也未必将建筑学的各要素（空间、结构、功能、形态、场地、文脉等）通过简单叠加就能让学生“构成”完整的设计知识体系，而是需要让学生从这些“要素之间的关系”入手，了解“各要素之间相互作用”的机制，逐渐掌握“各要素之间协同演进”的方法和步骤，最终生成建筑形态，这个同样具有历时性特征、从局部的简单关系到整体复杂性的设计过程也是“生成性”的而非“构成性”的。因此，无论是从“教学方法论”层面还是具体的“建筑设计方法”层面，建立以“生成”观念为核心的教学体系经过这几年来的教学实践，已经成为同济大学二年级上学期基础教学的重要组成部分,（一）建立以“生成”观念为核心的教学体系,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,模型是一个实验性的理想化的结构，被用来作为测试的设备美国传统字典（AmericanHeritageDictionary）从某种意义上讲，所有的科学都是以模型为基础的。牛顿和麦克斯韦方程模拟了整个物理世界，人们可以利用这个模型推断出事物发展的结果，并且做出预测。同样，我们也可以通过建立一个这样的模型，让设计者在设计的过程中，建构其自我的设计体系，并以此模型与现实世界相对应。因此，搭建一个“生成模型”就成为我们设计的平台。,(二）建构以“生成模型”为平台的设计框架,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,主体以“生成”观念为核心的建筑生成模型，主要是通过其中“具有决策能力的个体”间的相互作用来进行描述的。在建筑设计中，我们可以将建筑的环境、建筑本身以及其内部人的活动看作是一个复杂系统。在这里，建筑内的不同空间、不同的个体以及各种环境要素等是其组成部分，这些要素之间存在很强的相互耦合作用。因此我们可以通过生成模型的“多主体代理系统”加以模拟。当我们试图给生成设计这个系统建模时，这些个体就被称为“主体”，生成设计的模型也就被称为基于“主体”的模型。由此，建筑设计生成系统可以被看做是由多个相互作用的“主体”组成的系统，其中的主体具有一定的自治性，能够根据自己周边的情况决定其行为。这样的系统可以随时间逐步迭代，呈现动态和一定程度的自组织性，成为一种预测和系统优化的途径。,1，基于主体的模型：,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,主体然而，在生成设计中，仅仅是物质性的要素，如“空间”本身是没有自主决策能力的，因此我们在生成体系中需要把“空间”这个概念进行延伸，既将设计者投射到“空间”实体上的“意识”也作为“空间”集合的一部分，也就是说，可以将空间构成的规律以及人对空间的感知等这些客观和主观因素也作为“空间”概念的组成部分，这样的“空间集合”因为有了设计者主观意识的参与，因此也就具有了能动性，在生成设计的过程中就可以和其它相同类型的要素集合进行相互作用，为此，我们将包含了“物质性空间”和设计者的“空间意识”的“集合”称为“空间主体”。物质性的空间：空间大小、方向、位置、形状、色彩、肌理等空间意识：空间体验、视觉心理、组织方式、经验历史、认知模式等,1，基于主体的模型：,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,规则在生成模型中，具有能动性的“空间意识”其实是设计者认知物质性空间的一种图式，为了方便地对这种图式进行描述，我们引入“规则”的概念。所谓“规则”，就是设计者将对空间的认知，如空间构成的规律、空间感知的体验以及空间历史的认同等通过条文的形式确定下来，具有一定的客观性和普遍性，同时对空间的属性和行为也具有一定的制约性。因此，在生成模型中，我们将主体的行为看成是由一组“规则”决定的。但这里需要声明的是，在定义这些“规则”时，我们的意图并不是宣称我们能够在真实世界中明确地找出这些主体的“规则”，“规则”只不过是用来在生成设计过程中选择一种描述主体的策略。空间规则：空间单元的构成方式（围合、设立、覆盖、凹、凸、架起、肌理等）空间单元的关系（并置、交融、包含等）空间组织方式（序列、并列、主从等）,1，基于主体的模型：,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,适应性对于一个给定的主体，我们能够得到包含一系列规则类型的集合，但在生成设计系统中，我们并非需要用到所有的规则，我们只会选择一些和生成设计当前状态有关的规则，因此从这个角度讲：生成设计的空间主体，并非是指真正的空间，因为我们所选择的空间规则是有限的、不完全的，因此，空间主体其实是一种空间的“代理”，为此我们也将主体成为“代理主体”（agent）一个经济学中具有自主性的个体。在生成设计所描述主体的一系列规则的集合中，我们将具有“适应”能力的规则放在了首位。从生物学角度说，“适应”是生物体调整自己以适合环境的过程。粗略地说，生物体结构的变化是经验引导的结果，因此随着时间的推移，生物体将更好地利用环境达到自己的目的。同样，在生成模型中，任何特定的主体所处环境的主要部分，都由其他主体所组成，因此，任何主体在适应上所做的努力就是通过调整自身的结构去适应别的主体，同时也更好地利用其他主体的资源以最终达成自身的目的，否则，主体间的关系达不成和解，就意味着生成模型的解体，设计过程的中断。因此，我们可以将生成设计模型看成是由规则描述的，相互作用的主体组成的系统。这些主体随着时间的进程，靠不断变换其规则来相互适应。,1，基于主体的模型：,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,动态生成过程生成模型是由规则描述的，相互作用的主体组成的系统，这些主体随着随时间逐步迭代，靠不断变换其规则来相互适应，因此，设计的生成过程具有典型的历时性特征，我们所建立的生成模型其实是一种动态的模型。由于模型是动态的，所以我们将设计称之为“过程”；支撑这个模型的机制“生成”了动态的行为；而事先规定好的机制间的相互作用“约束”或“限制”了这种可能性，就像游戏的规则约束了可能的棋局一样，因此，生成模型的过程我们将其称为“受限生成过程”：首先，“受限生成过程”将由一系列状态所定义，按照系统的迭代周期，每个周期又可分为“初始状态、衍生状态和临界状态”三个阶段。相应地，主体也将随着系统状态的演化，经历“元主体、衍生主体和介主体”三个阶段。在受限生成过程中，系统将从一个状态转换为另一个状态，为此，每个状态我们都用相应的规则来定义该状态下的主体，随着主体的迭代，规则依据“适应性”来不断进行调整，并衍生出新的规则。,2，受限生成过程,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,机制规则的“适应性衍生”是生成设计得以进行的根本，为了揭示规则变化的深层结构，我们借用“机制”来描述规则衍生的过程。“机制”就是规则的“生成器”，它的作用原理就是不断调整规则，改变规则，并输出规则。正是“机制”让不同的规则发生相互的作用，从而产生了主体间复杂的有组织的行为，并最终构成了一个完整的受限生成过程。有鉴于此，受限生成过程可以通过“机制”来这样描述：首先，“机制”可分为使主体发生变化的“转换机制”和对主体进行评估的“评价机制”两种类型。系统的初始状态：“机制”根据其它主体的行为（或信息）作出反应，使元主体的规则对输入进行接受；系统的衍生状态：“机制”使元主体的规则来对输入的信息进行处理，并产生新的规则，衍生出新的主体；系统的临界状态：“机制”通过新的规则将衍生主体的行为（或信息）输出给其它主体，以便其它主体也作出相应地调整，并暂时达成系统中各主体相对稳定的临界状态。新的迭代周期：系统到达暂时的稳定状态后，通过系统的“评价机制”对各主体的“效能”进行评估，并标示信用等级，同时将进一步通过向系统“相关”主体输入新的信息，使其作出进一步反应，从而激活下一轮的初始状态。,2，受限生成过程,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,1，生成设计的教学目的生成设计教学的主要目的就是帮助学生建构“生成设计模型”，让学生在掌握建筑学各“主体”构成“规则”的基础上，从各主体之间的“关系”入手，了解各主体之间相互作用的“机制”，逐渐掌握各主体之间“协同演进”的方法和步骤，学会对阶段性的生成设计过程进行“效能评价”，以推进整个设计的进程，并最终产生建筑形态。2，生成设计的主要内容：建筑生成设计的内容主要包括：设定初始状态、建立转换机制、制定评价机制、编写生成程序、建构生成模型、生成建筑形态。,（三）建筑生成设计纲要,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,A设定初始状态生成设计的初始状态主要内容包括：确定主体的类型；界定构成主体的规则集合主体：同济建筑学一年级教学的分项训练主要围绕“功能与空间”、“材料与建造”、“场地与环境”三个方面进行，因此在分项训练综合为生成设计的过程中，我们将以“空间”、“结构”和“环境”三个要素来涵盖一年级分项训练的内容，由前入深，循序渐进地帮助学生建构其基于个体的“生成模型”。二年级教学上学期的生成设计课程根据基于主体数量的系统复杂程度，呈现循序渐进的三个阶段：a基于水平两维空间和单层结构的形态生成（空间与结构）b基于竖向两维空间和多层结构的形态生成（结构与空间）c.基于立体三维空间和空间结构的形态生成（环境、空间与结构）“基于水平两维空间和单层结构的形态生成”是生成设计训练的初级阶段，为了降低系统的复杂程度，设计将以“空间”与“结构”两个“主体”来建构生成模型。,（三）建筑生成设计纲要,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,A设定初始状态空间-规则-适应性：a单元空间：模式一：四面围合模式二：三面围合、一面敞开模式三：两面相对围合、两面敞开模式四：两面相邻围合、两面敞开模式五：一面围合、三面敞开模式六：无围合、四面敞开b空间关系：模式一：相邻关系模式二：相交关系模式三：相容关系c空间路径：模式一：横向穿越模式二：纵向穿越d。空间模式：模式一：序列空间模式二：并列空间模式三：主从空间模式四：序列、并列及主从空间的混合,（三）建筑生成设计纲要,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,空间单元,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,空间关系,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,空间路径,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,空间元主体模式,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,A设定初始状态结构-规则-适应性：a框架结构体系：b墙板结构体系：,（三）建筑生成设计纲要,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,框架结构及适应性,正交,拉伸,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,框架结构及适应性,高低,扭曲,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,连续墙板结构及适应性,正交,平移,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,弯折,间隔,连续墙板结构及适应性,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,单元墙板结构及适应性,正交,拉伸,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,单元墙板结构及适应性,旋转,高低,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,结构形态生成的多样性,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,B建立转换机制在生成模型中，“空间”与“结构”两个主体之间相互作用的基础必须通过中介来进行，就像公司之间的经济行为，尽管行业不同，但都可以通过“货币”来进行交易。因此在基于水平两维空间和单层结构的生成模型中，我们将设定“形态”作为平台进行“空间”与“结构”的“对话”，并建立以“形态的拓扑变换”为核心的转化机制，从而将空间与结构转换为“空间形态”与“结构形态”来进行生成模型的建构。此外，以“形态”为平台的生成机制必须通过“可视化”的方式来表达，因此，“图解和工作模型”是推进生成模型进程的有效手段。“形态的拓扑变换”“图解和工作模型”C制定评价机制生成设计的评价主要包含两个方面的内容：衍生方式的合理性（而非逻辑性）效能评价,（三）建筑生成设计纲要,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,D编写设计程序鉴于生成模型的动态特征，其设计的基本程序为：步骤一：系统初始状态1：主体的确定、规则的设定、机制的建立与效能指标的设定。步骤二：系统衍生状态1：机制的转换、规则适应性的研究与衍生、各主体的协同演进。步骤三：系统临界状态1：生成逻辑与效能的评价，新信息的反馈、初始状态2的激活。步骤四：一至三步骤过程的再循环设定、衍生、评价、反馈和完善。生成模型的迭代周期一般控制在三个周期左右，至少两个周期。教师需对每个学生的个体差异进行时间节点的控制，随机调整和因人而异是教学进程控制的重点。,（三）建筑生成设计纲要,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,1，元空间主体规则的产生在茶室设计建构生成模型的初始阶段，由于学生在一年级的分项训练中只掌握了空间构成的基本方式，因此对教案中关于元空间主体的构成规律了解不多，因此，在实践教学中，我们特意引入“中国江南古典园林的空间分析”作为设计伊始的案例分析。在这个环节中，教学要求学生通过实地调研选择一块50米见方的园林完成两个内容的分析和研究：通过1米见方的网格将园林形态像素化，以此为基础，运用“线”和“面”的形态构件，重新再现该园林空间。通过“图底反转”的方式，将园林空间转换为实体，通过分析、归纳、抽象出该园林的空间关系。学生通过以上两个步骤的案例分析，将对中国江南古典园林的空间组织方式如“序列空间、并列空间或主从空间”等，产生深刻的认识和理解，并以此为基础，将这种空间组织方式的机制来构成茶室生成设计初始状态的元空间主体。,（三）建筑生成设计课程分析,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,2.形态转换机制的生成：随着初始状态主体的确立，学生的生成设计将进入一个相对困难的时期，即建立一种什么样的“形态”机制可以将空间与结构有机整合起来。为此，我们在这个阶段引导学生通过借鉴“网格渐变”的分项训练来获得启发。“网格渐变”是一年级的一个形态生成训练，其初始状态为一个8*8的白色网格，而其终止状态（临界的稳定状态）为8*8的黑色网格。在这两张互为图底关系的网格图案中，插入10-15张过渡图案，使首尾两张图案之间形成均匀连续的渐变。要求每张过渡图案本身不得存在对称轴；由于均匀过渡和自身非对称的要求，学生需要计算出每张过渡图案的黑白比例，再设定一套渐变规则来控制图案中每个局部变化的位置和数量。在作业的过程中，学生需要决定两件事情，一是变化的规则，二是结果的优选。最终，在一种近乎游戏的设计过程中，两张十分简单的网格图案，借助不同的演变规则，获得了千变万化的结果。,（三）建筑生成设计课程分析,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,3.主体间交互作用生成形态：根据网格渐变的启发，建立独特的“形态的转换机制”：,（三）建筑生成设计课程分析,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,3.主体间交互作用生成形态：首先将茶室40米*24米的基地分割为若干网格，从而首先建立起一套结构的柱网或墙板体系，并符合最大跨度小于8米的设计要求。然后对网格进行形态的拓扑变换，从而获得空间与结构在网格的基准框架内的交互作用，其生成途径归纳起来基本有三种模式：a，“点”的形态机制：一方面，该生成模型首先通过将基地划分为6*5的网格，并将网格的每个区内空间视为一个点、或单元体，同时该单元体也被定义为四边围合的墙板结构体系，从而确定出单元体类型的墙板结构元主体；另一方面，学生通过对江南园林空间的分析，将“元空间主体”的类型确定为“序列空间”，并进一步制定出“院落”与“空间”沿“路径”交替出现的空间规则。随后，设计由单元体构成的序列空间以及由网格单元体构成的墙板结构体系通过形态的拓扑变换，可以随机移动、旋转以及缩放网格中的单元体来适应序列空间的要求，同时也保证了结构体系的合理性，并最终获得“空间”与“结构”两个主体之间的协同演进，生成了一种空间丰富的建筑形态。,（三）建筑生成设计课程分析,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,点的形态机制,6*5的网格,网格空间为单元墙板体系,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,网格空间为单元墙板体系,点的形态机制,单元结构可旋转与变形,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,点的形态机制,空间与院落交替出现的序列空间模式,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,空间与院落交替出现的序列空间模式,序列空间的拓扑变换,点的形态机制,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,点的形态机制,序列空间模式,单元墙板体系,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,点的形态机制,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,点的形态机制,生成性的图解,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,3.主体间交互作用生成形态：首先将茶室40米*24米的基地分割为若干网格，从而首先建立起一套结构的柱网或墙板体系，并符合最大跨度小于8米的设计要求。然后对网格进行形态的拓扑变换，从而获得空间与结构在网格的基准框架内的交互作用，其生成途径归纳起来基本有三种模式：b，“线”的形态机制：一方面，该生成模型首先将基地划分为10*12的网格，并将网格线视为连续的墙板结构；另一方面，学生通过对江南园林空间的分析，将“元空间主体”的类型确定为“并列空间”，通过网格骨骼线的移动和旋转，进行结构形态和空间形态双重的拓扑变换，将基地分割为大小不一的若干个并列空间，从而获得空间与结构的协同演进。此外，该设计还通过垂直方向墙体高低变化，获得了折面型的屋面形态，生成了一个逻辑严谨、空间丰富的建筑形态。,（三）建筑生成设计课程分析,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,ARCITECTURALGENERATING,TONGJIUNIVERSITY,CAUP,3.主体间交互作用生成形态：首先将茶室40米*24米的基地分割为若干网格，从而首先建立起一套结构的柱网或墙板体系，并符合最大跨度小于8米的设计要求。然后对网格进行形态的拓扑变换，从而获得空间与结构在网格的基准框架内的交互作用，其生成途径归纳起来基本有三种模式：c，“面