数字建筑增强打印技术：生成设计

计算机系统模型、数理知识及计算机编程是建筑生成设计技术的三大基本要素。不言而喻，除了数理知识与计算机编程之外，它涵盖与建筑原型问题相对应的任何可能存在的学术领域，计算机图形学、线性代数、微积分等便是其中重要子集。借助计算机模型和程序工具可以梳理与建筑原型相对应的各种数理逻辑关系，通过针对模型问题的多次程序代码调试及反馈，进而完成从简单模型到复杂系统模型的逐步提升。

（1）生成设计建模及原型提炼

建模是从原始静态抽象模型到高度抽象和形式化的数理模型解析过程，如今的各种计算机程序工具已发展为动态模型表征。模型通常运用主体及其相互作用或演化结构来描述，人们对世界的认识过程就是对世界不断建立模型的过程 ；同时，通过建立模型反过来又可以不断提高人类对世界的认识。计算机建模对相关领域信息和行为的某种形式描述，并将真实对象及其互相关系中某种特性抽象、简化，进而运用计算机程序数理方法加以描述和呈现。计算机建模可通过如下公式描述 ：

计算机模型＝概念模式 （ 含公共、专业知识 ）+ 个体观察 + 提取和筛选 +程序架构 + 修订

概念模式是构建模型前必须具备的预设知识，相关公共与专业知识确保模型可以在一定范围内讨论，它们是建立模型的理论基础 ；个体观察是建模者根据公共、专业知识的信息收集及个人概念对模型对象的操作过程 ；提取与筛选是根据建模的目的、数据及建模手段等对信息的分析过程，并在此基础上建立可行计划 ；程序架构是建模者具体化模型的过程，通常通过计算机程序完成现实观测到模型空间的选择性映射 ；修订的目的则是将程序模型运行结果与实际系统比较，从而调整模型参数及程序结构以达到建模者预先的模型计划。建立计算机模型是每一个生成程序开发必备的工作过程，模型的建立不是对原型的复制，而是按研究目的实际需要及其侧重面的信息提炼，从而取得便于进行系统研究的“替身”。建模者根据对原型系统规律的认识建立计算模型，同时也可以从该过程中挖掘新规律。模型一般比原型系统更简单，建模过程需要对原型系统简化，从系统属性中寻找典型性指标，再根据系统原型逐步加入其他算法，从而达到程序系统与实际需要之间最大程度的逼近。

原型作为建筑生成设计研究的初始基础，对原初类型、形式或例证提供预设，建筑生成设计可以将不同的建筑原型问题扩展到各类形式和内容迥异的建筑设计课题。以采光问题为例，一套系统严密的采光程序包可以映射到内涵各异的建筑设计应用中，如针对居住区规划的日照计算及平面布局的自生成、基于建筑室内采光及节能需求的建筑形体自生成、与建筑内部功能同步的建筑立面生成等。这些从建筑设计角度看似不同的设计问题均可以统一于相同的基础程序包。通常，建筑原型的挖掘往往比建模程序本身更为重要，完善的程序原型包为建筑生成设计奠定必要的基础工作。计算机建模是程序工具对原型系统的同态建模，是数学、系统科学和人工智能等学科密切结合的综合性实用性技术学科，需要计算机编程知识和相关研究实体的专业知识支持。计算机可以表征人类思维和创造过程，建筑生成设计是人类知识向计算机运算的转化过程，将计算机建模运用于建筑设计领域可以引发建筑设计生成方法深层次算法的探索。

复杂网络、多智能体系统、细胞自动机等模型系统为建筑生成设计提供了大量与生成设计相关的建模方法，借助必要的程序算法 （ 如遗传算法 ） 便可以进行各种建筑设计原型问题研究。建筑生成技术涉及诸多复杂系统建模方法，不同学科对复杂性的观点及概念不尽相同，但具有共同的研究特征。这就是它们均试图从不同的角度，使各学科概念与直觉的复杂性概念相符合，力图用精确的手段 （ 如程序编码 ） 解释这些直觉上的复杂性概念。正是因为复杂性具有这种学科概念的差异性特征，所以，研究复杂性概念往往从常识性概念开始，并由此导出复杂性概念与特定学科之间的互相关联。与时下流行的“参数设计”不同，建筑生成设计引进非完全随机和非简单迭代的程序进化机制，并以动态和自组织方式让程序完成建筑方案的自身优化，进而提炼并转化建筑设计相关进化规则，这已成为建筑师更为重要的工作。

（2）生成设计的模型特征

建筑生成设计需要从实际数据和直观感觉出发模仿原型系统。通过离散的数值模拟各种建筑设计活动，其严谨的数据结构可以方便地描述系统各瞬时状态，并通过图像直观显示。计算机程序提供的数值计算能力、逻辑判断能力可以灵活描述多种复杂进程。除此之外，建筑生成设计大量采用计算机程序具备的随机、模糊变量功能成为其模拟、逼近建筑师思维特征的基础。一旦明确原型问题的数据特征后，生成工具开发者便可以用计算机程序直接模拟建筑设计中各种复杂现象。计算机模型具有广泛的应用空间，可以涉及各种专业领域，如城市规划设计及决策等。建筑生成设计面向建筑学科及其他新兴交叉学科领域，这类复杂性系统来源于建筑环境景观特征、建筑功能空间布局、建筑技术建模方式等诸多因素。它们具有以下共同特点 ：

①多个元素直接或间接交互作用。(www.xing528.com)

生成工具以多元素作为其基本特征，模型主要探索系统内各元素之间直接或间接交互关系。这种交互作用具有非线性特征，元素间相互作用、相互影响不能简单地线性叠加。以建筑功能布局为例，功能的合理性不通过空间中随机加入所需的功能空间获得，平面面积指标、空间拓扑关系、周围文脉关联等一系列元素直接或间接的交互作用最终导出合理的建筑成果，它们之间还存在彼此互为因果的反馈关系，这种非线性特征体现在建筑学的方方面面。

②动态研究特征。

生成系统需要动态研究思路，系统状态随时间变化不断演化趋优，这与遗传算法、多智能体系统算法的人工智能研究方法相应。

③“流”通畅与否直接影响系统演化进程。

生成系统与系统外的环境存在信息、能量的交换。而环境影响通过随机方式实现，生成系统内的元素受到系统状态的影响也呈现随机特征。该特征与既定因素控制下建筑设计成果多样性相对应。

④生成系统内的构成元素

系统元素具有层次结构，且各元素具有多种属性，并具备一定主动适应性。系统总体演化随定义元素的逻辑关系的发展而演变。元素层次之间存在互相关联，其规则也会在程序演化过程中发生变更。灵活多样的计算机模型实现手段，对于相同的原型通常仁者见仁、智者见智，不同建模者的建模方式常常因人而异。不同的模型也可以反映同一原型的不同侧面，只要其结论不矛盾便可以算成功的模型，但模型正确与否的最终衡量标准必须通过程序编写的客观实践的检验。

（3）案例作为建筑生成设计的研究策略

就建筑设计计算机生成方法研究的本质看，统一的研究模式或不变的模型框架并无太大意义，这与该方法所涉足的跨学科研究特征相关。在生成方法的实际操作及其研究过程以及解决“生成什么”与“如何生成”两大疑问时，计算机生成方法往往首先选择“如何生成”作为操作出发点。科学的模型方法可以使特定的专业课题在“山重水复疑无路”之时，顿有“柳暗花明”之感。在当前状况及背景下，依据建筑设计中的问题类型选择适宜的案例展开研究是一种有效的工作策略，这也是相关领域最普遍的研究状态。