建筑生成学基础概论

1、建筑生成学基础教程概论戚广平1,俞泳2,孙澄宇3同济大学建筑与城市规划学院，中国上海电子邮箱： HYPERLINK mailto: 摘 要：本文通过分析“构成”和“生成”之间的关系，阐述了 “生成”的哲学基础和“生成设计” 范式转变的过程，并结合当前的“衍生式设计”和“性能驱动式设计”两种方式，确立了建筑生 成学基础教程中的核心概念和“生成”体系的特征。同时，本文结合同济大学建筑与城市规划学 院在此方向上进行的一系列教学探索，介绍了该教程的基本内容，教学框架和课程设置。关键字：形态效能生成衍生式设计性能驱动式设计1构成和生成“构成”是一种近代造型概念。最先起源于包豪斯，发展于六、七十年代。产品

2、工业化的要求 使得形态设计难以继续维持模仿和变形的方法，为摆脱这种困境，人们需要创造全新的方法和准则。 而认为物质无限可分的现代物理学、系统论的现代方法学等近现代理论，又不可避免地形成一种新 的科技文化氛围，进一步影响了形态设计领域。新的思想认为把各种事物分析为基本因素，再找出 新的联接关系是创造性思维的关键，这种思想启迪了人们解析形态，抓住形态形成的本质，帮助设 计。所谓“构成”，是指将各种形态或材料进行分解，作为素材重新赋予秩序组织，这种造型概念不 仅仅只是一种构图原理，它更强调从“要素进行组合”为核心理论，发展出一套形态组织的新的语 法关系，并成为现代设计的基本方法。索绪尔和构成：然而，

3、“构成”作为近代造型概念的专门术语，其真正发展壮大的六、七十年代，其所谓“形 态组织的语法关系”不可避免地也具有了时代的局限性，尤其是“结构主义”的思想更为这种“语 法”打上了深深的时代烙印。自柏拉图以来，人们长久地习惯采用还原论的思维方法对世界进行简化，以达到认识世界的目 的。这种观点认为事物是静止的、封闭的，存在着绝对的时空观；时空是线性的、同质的、独立的、 局部的，整体等于各组成部分的简单叠加；在这种世界观的影响下，结构主义通过索绪尔的“能指” 和“所指”的对应关系来解释、阐释和分析整个世界，总是试图寻找表层之下隐蔽的深层结构，并 试图在表象的背后挖掘出一个终极存在或此在(ultimat

4、e being or presence)，这其实也是西方形 而上学的一贯传统所在。在这种思想影响下，现代主义的“构成”原则非常强调“主从、秩序和层 级”的观念，并用“和谐、统一、完整”等传统形而上学的主观审美原则强加在所谓“秩序”的理 性主义“构成”方法之上，并试图将自然、复杂的建筑现象简化、归纳或还原为一种人们可以认知、 把握和操作的人造物。因此，从这个角度上讲，现代主义的“构成语法”基本上是结构主义还原论 观念的具体产物。德里达与反构成：在上世纪80年代，随着复杂性科学观念的产生，建筑师也受这种复杂性思想的影响，开始突破 结构主义的“构成”观念。如果我们将以索绪尔为代表的结构主义视为对世界

5、进行简化和还原的形 而上学的巅峰的话，那么德里达的“解构主义”就是复杂性观念的代言人。“解构”思想是对传统 的形而上学那种不容质疑的哲学信念发起的挑战，是对自柏拉图以来的西方形而上学传统的大加责 难，其思想最大的特色是反中心、反权威、反二元对立、反形而上学的理论。“解构主义”对人类收稿日期：2010-07-05作者简介：戚广平，男，建筑学博士，讲师，同济大学建筑与城市规划学院设计基础学科 思想可以说产生了深远的影响，人类智力领域似乎没有一个未被它的精神所感染。然而在建筑领域， 那种基于德里达思想所派生出的解构主义建筑在将理论转化为实践的过程中却走入了困境。当解构主义“消解”和“分延”的结果就是

6、最终完全打破和切断结构主义的“能指”和“所指” 关系的同时，也是一种将建筑导向无序和非理性的过程。而结构主义和解构主义这两种对建筑“有 序”和“无序”的极端观念所导致的“构成”和“反构成”的设计方式其实都是一种人为的主观产 物，只不过前者将“和谐、统一、完整”的原则强加在了“构成”之上，而后者是将“反中心、反 权威、反二元对立”强加在“反构成”之上。但无论这两者的表现结果如何，归根结底其“构成” 或“反构成”都是一种人为的、主观的对建筑客体进行粗暴干涉的结果。德勒兹和生成：“生成(becoming)是德勒兹理论中非常独特的观念，可以用他的“块茎”(rhizome )思 想来解释。所谓的“块茎”

7、首先不同于我们所通常认为的那种“一脉相承”或者是“高度统一”的 结构，这些结构往往被称为树状(arborescent structure)或根状(rhizomic structure)结构： 树状结构用来比喻线性的、循序渐进的、有序的系统；根状结构假定了一种隐藏的或潜在的统一性， 尽管表面上看起来是无中心的，非统一的。然而，“块茎”结构既是地下的，同时又是一个完全显 露于地表的多元网络，有根茎和枝条所构成；它没有中轴，没有统一的源点(points of origin)， 没有固定的生长取向，而只有一个多产的、无序的、多样化的生长系统。就方法论而言，“生成”同“构成”表象背后的终极存在或此在不同

8、，“生成”所感兴趣的恰恰 是从未隐藏过的关系，不是表象和其背后隐藏的意义之间的关系，而是一个现象与其它客体、一个 现象与其外部的关系。“生成”从不追问现象是什么，“能指”和“所指”的意义是什么，所要理解 的内容是什么；相反，它追问现象的状态是什么，与它相关或不相关的强力是什么关系，它是如何 演进的，又引起了哪些自身的变形。由此可以看出，德勒兹的“生成”观念既和传统“结构主义” 的“构成”划清了界限，因为它并不探求事物表象背后的本质，同时它也和德里达的“反构成”保 持了距离，“生成”在否认本质的时候，并未像德里达那样通过“暴力”切断了事物的“能指”和 “所指”的关系，而只是将探求的重点转向了该事

9、物和其它事物的联系或者关系，并以动态的眼光 审视该事物在这种关系中的变化和演进。正是“生成”这种既无源点又重视事物之间联系的观念为我们在一个复杂性世界中重新审视建 筑学提供了一种新方法论。在这个方法论中，“构成”不再等同于确定性，“反构成”也不再同于 无序，和它们相比，“生成”更多地受到各种内部和外部因素的影响。同时，“生成”并不以某种 人为的法则或者是审美情趣作为预设的目标，而是在设计中强调“生成”的方式，即重视各种影响 设计的参变量的相互作用，也重视设计自身的逻辑规则的演化过程，从而最终让建筑形态自然的浮 现。这样就将作为“结果”的“构成”转化成了作为“过程”的“生成”。因此，从这个意义上

10、讲， 如果说结构主义的“构成”方法论更多地被描述为是“自上而下”的话，那么，“生成”就体现出“自 下而上”的设计思想。2衍生式设计和性能驱动式设计尽管当前建筑界存在众多的生成设计的方式方法，但总体而言，都可以归结为两种不同的设计 模式：一个是衍生式设计(Generative Design)；另一个是性能驱动式设计(Performative Design)0衍生式设计(Generative Design)：衍生式设计是一种基于逻辑、算法或者说基于规则的设计过程，以此来创造出多种的设计解决 方案。这些规则首先基于一些明确的逻辑架构，并可以由许多不同方法来定义，诸如语义文法(Verbal Gramm

11、ar).图解、几何变形等方式。同时，衍生式设计系统还可以包括一些参数或变量，通过在系 统的初始环境中定义它们，运用计算机脚本语言的方式可以生成一系列可能的设计方案，这就是建筑设计界当前普遍探索的“参数化设计”(Parametric Design)。1971年由，由George Stiny和James Gips提出的形体文法(Shape Grammar)成为最早的以设 计为导向的衍生式设计系统。随后，随着各学科的发展，许多衍生式设计系统借鉴了如生物学、数 学等其它学科的方法，在建筑设计与实践领域里加以应用，促进了大量新形态的产生。这些衍生式 设计系统还包括：L系统(L-system)、不规则碎片

12、形(Fractals)、细胞自动机(Cellular Automata)、 维诺图案(Voronol Diagram)、以及遗传算法(Genetic Algorithms)等。性能驱动式设计(Performative Design)性能驱动式设计也称为性能优化设计，原本是一种用于研发工业产品的设计方法，在航空和汽 车工业中得到广泛应用。如果我们将建筑性能定义为建筑行为与客观要求的一种整合，那么性能驱 动式设计就是一种整体地看待建筑行为表现的方式。也就是说，性能驱动式设计是涉及从社会、文 化到技术、经济等多方面的学科领域，建筑师通过对这些方面的考量，试图确保个人和社会的实效 性、环境质量、以及建

13、筑物本身的完整性。性能驱动式设计突破了仅从美学角度考虑的设计方法，如何调整一个设计更主要的依据是它的 性能表现而非它的造型表达。在传统的设计方法中，是在建筑物建成以后，再将其形体根据性能标 准进行评估并修改，但性能驱动式设计中，我们用系统优化和模拟技术来对设计过程中的形体进行 评估并修改，因此性能变量和约束条件将影响、甚至主导着建筑造型的整个过程。生成设计(Generative Performative Design)衍生式设计是一种基于规则自身逐渐演化和扩展的设计过程，在建筑设计中具有创造新形态的 巨大潜能，但这种基于规则自身演化和扩展的进程如何能进行控制，即在衍生的过程中如何对生成 的形体

14、进行评价、反馈和调整一直是这种衍生式设计的一个难点，最终的形态是否满足建筑各方面 的要求也是一个经常被人所诟病的缺陷。同时，性能驱动式设计是一种基于系统评估和优化的设计过程，在建筑设计中具有完善建筑各 方面要求和达到标准的重要作用，但这种基于评价、反馈和优化的形态是如何产生，即形态的衍生 规则和可能发展的潜力在哪里一直是这种性能驱动式设计的一个先天不足。衍生式设计总体而言是一种“由内向外”进行系统扩展的设计过程，而性能驱动式设计则是一种 “由外向内”进行系统优化的设计过程。这两种设计方法可以说是优势和缺陷正好互补，如果我们 将这两种设计方式结合为一种新的设计方式，即衍生式结合性能驱动式设计(G

15、enerative Performative Design)，那么这种方式即可有效地生成形体，同时也结合了性能模型、模拟技术和 系统优化算法。这种模式的本质在于：设计过程中所设立的生成规则把衍生式规则和性能回馈两项 内容包含在内，来产生和评估各种可能的架构，将被研究的问题最优化或可接受的解决方案呈现出 来，从而即能创造出新的形体，又使这种形体产生的过程可被评估和进行最终的有效控制。衍生式结合性能驱动式设计的目的在于生成由“形态衍生”和“性能表现”两个因素主导的设计 多选方案，这样能较好地平衡系统扩展和系统优化两个方面的优势，因此在建筑设计过程中具有巨 大的发展潜力，也是我们在建筑生成学基础教程

16、中所倡导的主要生成方式。3建筑生成学基础教程的基本内容和课程设置在当前中国建筑界的参数化设计探索过程中存在的主要问题是，与丰富的计算机软件和众多生 成方式相对照的是生成理论的贫瘠和创新手段的匮乏。其主要原因在于一方面是生成观念转变的缺 失，另一方面是生成原理研究的缺乏。一种仅仅建立在计算机软件应用和众多形体生成手段上的建 筑生成将不会给我们带来设计范式上的真正转变。同时，对于基础教学的学生而言，既不具备建筑学深厚的专业知识，也不具备参数化设计所需 的复杂计算机技术，在这种条件下，如何进行建筑生成的教学也是当前所面临的一个棘手问题。因此，同济大学建筑与城市规划学院的建筑生成学基础教程的重点不在于

17、计算机技术和专 业技能，而在于建立建筑生成的基本思维方式，即从生成设计的哲学基础、原理，并通过一系列的 课程设计来形成本科一二年级学生关于建筑生成学的观念和方法。生成设计的哲学基础：在建筑生成学基础教程中，我们将德勒兹的“生成”理论作为了建筑生成学的哲学基础， 其理论部分主要包含以下两个比较研究：一是围绕“结构主义”、“后结构主义”和德勒兹的“生成观念”这三种哲学思想进行比较研究； 二是结合以上的哲学思想比较研究了 “构成”、“反构成”和“生成”这三种建筑设计观念，从而 促成学生从“构成设计”到“生成设计”思想观念的转变。“生成”哲学基础研究的主要目的是促使学生发生“生成设计”观念的转变，其最

18、重要的成果 就是“客体优先”原则的建立。所谓的“客体优先”指的是将建筑生成的过程看作是一个具有发生、 发展和演化的客观过程，即一个具有自身客观发展规律的“主体”。但“生成”在强调“客体优先” 的同时，并不是完全否定或排斥人为的主观控制，因为在“生成”中强调“客体”优先是一个相对 概念，即相对于“主观构成”而言，“生成”更加推崇设计自身规律的发展过程，并将这个客观过程 上升到一定的“主体”地位，这样就有效地减少了设计过程人为的主观干扰。总之，“客体优先”原则建立的目的是将“生成”过程从一种完全人为主观结果的建筑设计转化 为一种作为客体自身演进“过程”的生成方式，从而还建筑设计以自身的发展规律。生

19、成设计的基本原理：建筑生成学基础教程的基本原理包含以下两个部分：建筑生成学的基本概念和建筑生成体 系的主要内容。(1)建筑生成学主要由以下三个基本的核心概念组成：形态(Form)：“形态”在建筑学理论与实践的历史过程中，一向都是建筑学的核心。无论从维特鲁威的“比 例建筑学”开始，还是现代建筑学，其实都是围绕建筑“形态”的产生原则来探索建筑的发展规律 的，只不过不同的历史阶段其定义“形态”的原则不同罢了。西方古典建筑是以柱式以及建筑各部 分的比例来定义“形态”；中国古代是以“营造方式”来定义“形态”；施马索夫的“空间概念”是 以空间为核心来定义“形态”；散普尔则强调以材料和技艺的建构体系来定义“

20、形态”；甚至现代主 义中的“形式追随功能”也是通过功能来定义“形态”，由此可见，“形态”的产生原则是建筑学的 核心概念，“形态”同时也成为建筑学最终的物质载体。同样，在建筑生成学中，我们探索一种符合 建筑性能表现的衍生规则，其目的也是寻找一种能平衡系统扩展和系统优化的建筑“形态”。效能(performance)：“效能”主要包含“功能”以及实现这种功能的“效率”两个层面的涵义。首先建筑必须满足 某种功能，但我们现在所说的“功能”往往被异化为一种“使用功能”同时，这种“使用功能”的 评价又往往只用“好”或者“坏”这种“定性”的方式来描述，而缺乏好坏程度这种“定量”的指 标衡量。因此这样在建筑生成

21、中就很难进行功能优劣的具体评价，优化设计也就缺乏具体“量”的 指向，同时整个系统中的多种功能要素之间的平衡也难以进行。在建筑生成中，我们用“效能”来替代通常所说的“功能”，这样，“效能”将总是指向某一种 具体要素的“功能”以及其“运行效率”这样就避免了 “功能”的泛化。为此，所谓的“效能”(p erformance )在建筑生成学中被定义为：一方面是指建筑实现其所需要的某种“功能”的能力，另 一方面是指建筑能实现这种“功能的程度”和“持久性的度量“，这样就使“效能”在生成设计中便于参数化和赋值。生成（Generation）：结合衍生式设计与性能驱动式设计的方法，建筑生成学中的“生成”概念包含以

22、下三个方 面：首先，“生成”指的是整个生成体系动态的设计过程；其次，“生成”的过程是同时由“形态衍生”和“性能表现”两个因素主导的设计过程；三是，“生成”的规则是包含“衍生式规则”和“性能回馈”两项内容，其“生成”的“形态” 将是建筑系统中各要素的效能最大化和最优化的结果。以上三个核心概念所建立的群组关系为：“形态”是“生成体系”的物质载体；“生成”是整个 “生成体系”动态的设计过程，它包含“形态衍生”和“性能表现”两个双向的过程。效能是“生 成体系”的目标，也是评价、反馈和调整“形态衍生”过程的指南；基于德勒兹的“生成”观念，“生成体系”还具有以下三个方面的特征：“随机性”的生成“体系”如果

23、我们将“构成”看作是人为对事物本质的再现，那么“生成”不存在于一个本原、本质或 深层结构，但存在于千层的平台（mille plateaux），一种无止境的多重性立场，由此可建造的只是 临时性的工程。建筑生成设计只探索建筑的表层结构，生成的体系是临时性的稳定，像块茎状蔓延; “自下而上”的生成“途径”如果我们将“构成设计”比喻为是一个“自上而下”（top down）的过程，那么“生成设计” 就是一个“自下而上（bottomup ）的过程。“利益单元的生成“结果”如果我们将“构成设计”看作是人为主观的法则将建筑各要素进行组织，那么“生成设计”的 基本方式是利益界定的单元（外部环境和内部机能各要素）

24、遵循建筑自身规则进行演化并扩展形成 整体。其中，每个单元都可以最大限度地争取其自身的“利益”，同时，也是整体建筑效能最优化 平衡体系中不可缺少的一部分。（三）建筑生成学基础教程的课程设置建筑生成学基础教程的主要目的是培养一二年级本科生建立“生成”的基本思维方式，形 成“生成”的观念和掌握一定的“生成设计”方法。为此，建筑生成学基础教程首先制定了一 套完整的“生成”训练的基本步骤：步骤一：设计效能的设定一一要素性能指标步骤二：衍生逻辑的产生一一引导与代理：步骤三：衍生规则的制定一一规则的编程步骤四：衍生设计的过程一一图解与计算）步骤五：形态效能的评价一一，性能评价与反馈步骤六：二至五步骤过程的再

25、循环一一修改、评价、反馈和完善建筑生成学基础教程结合同济大学建筑与城市规划学院两年的建筑基础教学计划，分为两 个阶段的课程针对一二年级本科生进行了系列的“生成”课程的训练。其中，第一阶段为单一 “生成”要素的分项训练阶段：（1）形态生成一一网格渐变：在图底互换的首尾两张图案中插入10-15张过渡图案，使之形成 连续渐变，并将平面图案转换为立体形态。在生成过程中，可量化的渐变逻辑成为必然的工具， 不同的逻辑、变量控制以及结果的不确定性，成为与传统“形态构成”方法最大的区别（图）（2）材料生成一一材料重构：将一组相同的现成品解体为要素，重复使用同一种连接方式，将 要素连接整合为非匀质的平面和空间形

26、态。材料的形状、色彩、肌理、加工特性以及联接方式 等将成为形态重要的“生成”规律。（图2）（3）空间生成一一事件立方：根据人体的行为模式，在一个2.4米见方的立方体内进行空间的 “生成”过程，使之在特定的场所内能够激发特定的行为事件，实现事件与空间之间的“生成”规律形成。（图3）第二阶段为多种“生成”要素的综合训练阶段：（4）路径、场所与中国空间一一瓷器展厅：在威尼斯圣马可广场中根据中国古典江南园林的空 间、路径和场所的特征，建立这三个要素之间和共同的衍生规则，满足一座由12间中国瓷器 展厅组成的建筑。这里，环境因素通过路径和场所的方式开始介入建筑空间的“生成”过程。（图4）（5）结构、材料与

27、多样性一一广场连接体在同济大学建筑与城市规划学院A、B楼之间，应用不超过3米的木材胶合板、金属连结件、钢索及相应材料，根据结构单元式的衍生规则，生成 一个连接两栋教学楼之间的风雨棚，其生成的结构和空间必须满足“生长、“变异”和“多样 性”的效能要求。（图5）（6）环境、行为与空间结构一一城市活力体：在城市商业广场中，提供30个标准展位和一个 200m2的演讲空间。通过空间结构的衍生式设计过程，优化环境、展示、行为以及自然采光和 通风等多要素的效能指标，生成出内外部空间界面，并通过评价、反馈和优选以获得最终的建 筑形态。（图6）结语：建筑生成学基础教程的学科设立是建立在一整套完整的学科理论基础和

28、教学实践基础 之上的，经过三年来的建设，现在这门课程已成为了国家级基础教学精品课程中的一个重要组成部 分，并随着全体老师的日益努力，仍处于不断地完善和发展之中。同时，这门课程的建设也得益于 同济大学建筑与城市规划学院强大的各种软硬件配套设施，其中的软件配套设施学生必须掌握和熟 悉的包括以下类型：衍生式设计软件:3dmax，Microstation， Skethup， ACAD 以及其下编程 VBA， Revit， Rhino 以 及其下编程 RhinoScript 和 Grasshopper， Digital Project by Gehry Technology性能分析类软件：渲染工具VRA

29、Y，Ecotect，能耗分析EnergyPlus，通用有限元分析Algor，有 限元流体分析Fluent，鸿业日照模拟软件，空间句法Depth / Syntax2D，有限元结构分析Robot 基础工具类软件：折纸工具pepakura， ArcGIS，通用程序开发平台Microsoft Visual Studio图1网格图底渐变及平立转换图2材料重构图3事件立方图4威尼斯瓷器展厅图5广场连接体图6城市活力体以上图片来源：均为俞泳自摄和编辑。参考文献【1】戚广平，非同一性的奇迹一一建构的现代性批评，博士论文，2007【2】 俞泳，基础教学中的参数化思维方法训练，2010【3】莫天伟，建筑形态设计基础，中国建筑工业出版社，1991【4】Eleftheria E.Fasoulaki,钱烨译，一体化设计，数字营造，中国建筑工业出版社【5】 戚广平、俞泳，建筑生