探讨生成式设计的实现方法

在传统计算机辅助设计中，工程设计的创意主要来自设计师本人，计算机是一个辅助的角色，设计师在进行设计工作时，计算机只是记录设计师脑海中的构想；参数化建模则将设计师从烦琐的计算和绘图中解放了出来；而生成式设计在此基础上更进一步地解放了设计师的思维，它可以说是参数化设计的一种高级形态。只要在参数化设计中引入评价体系（evaluation）并能够基于该评价体系进行设计迭代，那么这种参数化设计就是生成式设计。

如何在设计过程中更有效地使用计算机呢？如果设计师可以告诉计算机您想要什么或需要什么，会怎么样？它能为设计师创建选择方案吗？能够独自创造性地提出设计创意的计算机是“生成式设计”的核心。计算机建筑生成式设计（Generative Design），主要是通过构建一系列设计规则和算法，充分发挥计算机的计算智能和自身逻辑来生成大量设计方案，再由设计师的测试、分析与筛选中，选取空间合理、高效且易建造的设计方案。这种方法的计算机有着“类人”的思考，它会探索可能的解决方案，而很多解决方案可能是人类从未想到过的。

生成式设计是模仿自然的进化方法，设计师基于数字化制造、协议、规则以及用户深度参与，将设计目标（包括功能要求、材料类型、制造方法、性能标准和成本限制）以及模型参数输入计算机以生成设计产品的过程。其最大的优势在于为用户提供参与产品设计的契机，传统的设计是“设计师的创意灵感+一台计算机=一份图纸中的设计方案”，而生成式设计则是由计算机和设计师 / 工程师合作创造的，即“数据录入+人工智能算法+计算机算力=数据库中数以千计的设计方案”。

生成式设计以代码使用为基础，偏向算法设计，是一种具有人工智能特征的设计方法。常用算法包括遗传算法（Genetic Algorithms，GA）、人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）等。基于遗传算法的生成式设计思想类似于自然世界中达尔文所描述的物种进化过程，即不断增强有利于当前环境的要素和不断淘汰不利于当前环境的要素。通过设置一个或多个可计算的设计目标，计算机将不断调整不同的设计参数以取得最高的设计目标分数来最终达到类似于设计方案“优胜劣汰”的结果。基于人工神经网络的生成式设计思想类似于教授计算机学习设计师设计的过程，即通过让计算机反复学习大量的已有设计案例最终实现当计算机遭遇新情景时能通过已学习的案例自主设计出基于过去经验的新的设计方案。需要指出的是，这两种算法针对不同情景各有优劣，需要设计师针对具体的实际案例和设计条件作出判断。

生成式设计的基本原理是设计师需要考虑多维度设计空间的评估标准，利用多目标优化算法生成一系列设计方案，并通过每个维度的评价标准筛选更合适的方案。在软件工具的支撑下，生成式设计的基本流程如图3.10 所示：

图3.10　生成式设计的基本流程

（图片来源：Hartmut　Bohnacker,　Benedikt　Gross,　Julia　Laub,　Claudius　Lazzeroni,（2009）.　Generative　Gestaltung）

①设计师根据重量、成本、材料，体积和强度等约束条件输入要求。

②计算机使用算法和人工智能生成数千种设计，同时对每种设计进行性能分析。

③设计师研究设计参数，并在需要时改变设计目标，允许人类进入设计迭代循环。计算机还可以使用人工智能技术来创建预先验证的解决方案。(www.xing528.com)

④导出设计文件，并生成建筑原型。如果设计师和工程师对结果不满意，或者希望探索其他选项，可根据需要重复步骤③。

日本设计师伊东丰雄于2000 年建成了仙台媒体中心（Sendai Mediatheque），该项目为钢结构，总建筑面积2 万余m2，建筑总高36.5 m，地下2 层，地上7 层，如图3.11 所示。该项目作为生成式设计中的多米诺结构典范，获得了2002 年金狮奖。

图3.11　仙台媒体中心

（图片来源：Impact　Studio 公司）

在仙台媒体中心的设计中，伊东丰雄从仿生学的角度重新定义多米诺结构：开放楼板、表皮和核心筒，如图3.12（a）所示。通过计算机的计算智能与逻辑，把建筑空间转化为若干相同单元，经过多次迭代计算，最终筛选出合理的设计方案。关于开放式楼板采用蜂窝状的结构，伊东丰雄将媒体中心的结构系统与柯布西耶的“多米诺”体系进行比较，仙台媒体中心采用了类似多米诺的无梁楼板与柱系统，柯布西耶使用的材料是混凝土，而仙台媒体中心采用的是“蜂窝状楼板”，即两片楼板之间是钢肋，其允许的跨度远超过混凝土。铁板的厚度有6，9，12，16 和25 mm 共5 种，整个50 m 见方的楼板被分为3 个区域：与管状柱直接连接的环区、聚集楼板力流到管状柱的承台区和承受楼面荷载的跨区，如图3.12（b）所示。管状柱实际上是格构柱，通过模仿草本植物茎的结构，将多根钢管交叉扭编成中空的管柱，既作为支撑结构，又充当半透明的表皮，包裹起许多不同的功能要素：光（阳光）、空气（空调和通风装置）、水（排污、排雨水以及供应生活用水）、电（主要是电缆和数据传送带）、人的出入（电梯和楼梯间）、运送物品（食物传送机）等，如图3.12（c）所示。

图3.12　仙台媒体设计的生成式设计

（图片来源：Impact　Studio 公司）

随着计算机、网络技术的发展，建筑设计将趋近于一种基于算法的智慧设计，在建造设计阶段，设计师的双手将进一步解放，越来越强调对创意、审美和人文内涵的决策能力。智慧设计的另外一个趋势是建筑设计机器人，即计算机自主化地模拟人类思维和行动，提升计算机的智能水平，从而使计算机更好地承担起设计过程中的各种复杂任务，通过机器学习洞察、掌握设计师的行为，进一步强化设计师与机器人的合作创意设计关系，甚至摆脱人的参与，设计成果将以完全数字化、智慧化的形式存在。需要指出的是，建筑设计是一项高度复合且具有高度创造性的工作。虽然随着科技技术的不断进步，计算机在建筑设计中能发挥的功能和作用日渐增强，但计算机始终是设计师创意的“帮手”和“实行者”，而非“创造者”和“决策者”。设计师的个人主观能动性始终是建筑设计的主要推动力。