序：探索数字新建筑
——“参数化非线性建筑设计”教学笔记
人们往往忽视最普通的自然现象，比如自然界中的万物都是非规则的形状便是一例。无论植物、动物还是微生物，包括人体在内，其形状都是不规则状的。但是，在人类世界中，人造物大部分却都是规则、规范的几何形体，建筑更是如此。原因之一可能与人类坚信欧几里得几何理论有关，原因之二也许因为人类生产能力有限，技术条件不够，因而，依靠仅有的生产技术能力只能制造出简单标准的人造物体。
20世纪中叶开始，复杂科学理论的不断探究，突破了经典科学对人类的束缚，人们开始研究欧几里得几何体系不能解决的问题，影响到人类产品制造业，则表现为产品形态的非标准化。模糊理论、混沌学、耗散结构理论、涌现理论、非标准数学分析等理论的建立，给人们展现了远离平衡态下的动态的稳定化有序结构；揭示了自然界丰富的复杂性潜力；清除了时间与空间的二元对立，表现了时空统一共呈的状态；歌颂了高度的连续性与流动性。建筑物也像其他人造物一样受这些新的科学理论的影响，开始摆脱规则标准几何形体的枷锁，走向非线性的发展道路，其目标正向着接近自然万物的方向。
建筑的非线性化预示着一个新的时代，它展现了人类更自由和睦的未来。正像建筑评论家查尔斯·詹克斯20世纪末所预言的那样，“非线性建筑将在复杂科学的引导下，成为下一个千年一场重要的建筑运动。”
正是在这种复杂科学及其对建筑开始产生影响的背景下，2004年清华大学建筑学院建筑设计课程开设了“非线性建筑设计”专题，并一直持续了十年的发展。
1．非线性建筑
“非线性”即不是“线性”的，所谓线性，指两个变量之间可用直角坐标系中一段直线表示的一种关系；在科学发展早期，人们首先以线性关系来近似地认识自然事物，牛顿现代科学一直在线性范围内发展求解，并形成经典。但不幸的是“大自然无情地是非线性的”，线性关系其实只是对少数简单非线性自然现象的一种理论近似，“非线性”才是自然界的真实特征。非线性科学研究自然界动态、自由、不规则、自组织、远离平衡状态的现象。非线性建筑就是以非线性科学的态度和方法处理建筑设计问题。
从形态上来看，非线性建筑是一种连续流动状的形体，这种形体作为结果来自于对建筑性能及周边环境因素的分析，建筑的设计过程即是对各种影响建筑因素的研究，并通过提炼和综合，将各种影响因子从概念发展到形象，作为建筑的最终形体。由于影响的因素是复杂的，建筑的形体也必然是不规则的。因而建筑的形体是设计研究过程的结果，是分析发展的生成物，从而也最符合建筑的性能，并能最好地适应场地。
流动状的非线性形体不仅在形体的生成上依赖于计算机软件技术，还在形体的建造上依靠于数控（CNC）加工技术。借助于编程或已有软件，影响建筑的各种因子首先转化成计算机内在逻辑语言，而后可通过计算机生成建筑形体，经过不断地修正与反馈，确立最终建筑形体。而借助于计算机数控设备，非标准的建筑形体可以拆分成不规则的部件，由计算机数控机床自动制造出来，并组装成型。计算机强大的运算能力为非线性建筑的产生与发展奠定了坚实的基础。
非线性建筑不仅在理论上遵循非线性复杂科学理论，并且在思想上以非线性哲学思想为基础。伟大的后现代哲学家吉尔·德勒兹（Gilles Deleuze）的去中心学说、非整体化思想、推崇即刻性与偶然性的观念为非线性建筑找到思想依据，特别是德勒兹对“褶子”、“平滑”、“图解”、“生成”等概念的哲学解释，更是直接给非线性建筑提供了形体创造的途径。正如荷兰建筑师Ben van Berkel（UN Studio）所说：“建筑学与科学有了令人惊喜的结合点，这完全归功于德勒兹及他的注释在我们职业内部转换所产生的巨大吸引力。”甚至可以说，德勒兹的理论是当今非线性建筑的“圣经”。
2．参数化设计
参数化设计其实就是参变量化设计，也就是把设计参变量化，即设计是受参变量控制的，每个参变量控制及表明设计结果的某种重要性质，改变参变量的值会改变设计结果。参数化设计可用在城市设计、建筑单体设计、室内设计、工业产品设计、景观设计等不同领域。而在本课程中，参数化设计方法主要用于建筑单体的方案生成。
在参数化建筑方案设计中，我们把影响设计的主要因素看成参变量，也就是把设计要求看成参数，并首先找到某些重要的设计要求作为参数，然后通过某种或几种规则系统（即算法）作为指令，来构筑参数关系，并用计算机语言描述参数关系形成软件参数模型，当在计算机语言环境中输入参变量数据信息，同时执行算法指令时，就可实现生形目标，得到建筑方案雏形。
软件参数模型给建筑设计带来了灵活性，可以满足设计过程生命有机特性及动态连续复杂性的要求，当参变量的大小值改变的时候，可以在已有参数模型上，改变输入信息得到新的结果，这样，设计结果变得可控。另一方面，影响建筑设计的因素除了主要的因素外还有其他因素，当通过软件参数模型得到设计的雏形后，可以根据其他因素的影响，进一步调整雏形，得到更高程度上满足设计要求的设计结果。
与人工操作的设计过程相比，计算机参数化设计实际上提供了一个抽象的造型机器，它可以让设计过程反反复复不断反馈，可以输入不同条件得到多个结果，可以对设计结果进行多次修正，这是人工操作做不到的。参数化设计过程中的规则系统及描述规则的语言、软件参数模型、参变量，以及生成的形体都是显形可见的，与建筑师传统的设计过程相比，再也不是人脑黑箱生形的不可见过程，相反，它是逻辑化可控的科学设计过程。
3．现象因素的设计生成
清华十年“非线性建筑设计”课程的教案包含了两种不同的内容，即“现象因素的设计生成”及“物质实验的数字图解”。
我们认为建筑应该放在动态场所中进行设计，建筑的形态应该与其外部环境之间具有密切的关系，事实上，建筑的形态同时还与其内部活动之间具有紧密联系，就像舰艇的外壳形状同样要由内部功能决定一样。因而，建筑设计的使命也就是让建筑形态产生于建筑所处特定地段的外部影响，以及特定的内部要求，这样，建成的建筑才能与场所环境及建筑中活动的人之间具有协调性，从而保持三者间的积极互动，产生活力。这里，外部影响及内部要求将从根本上决定建筑的形体，并进而决定该建筑是否真正好用，是否有活力。那么，如何正确选择那些真正能给使用该建筑的人带来良好体验的设计因素呢？
我们主张通过直观观察或调查研究获得实际项目的设计影响因素，这些因素是易于让人们认识到的，能够在人的意识层面上产生认知和显现的。建筑设计的起点正是从捕捉这些因素开始，并研究它们之间的相互作用，发现它们之间的联系规则或特点，进而用参数化的关系概括规则形成参数模型，或找到符合其联系特点的参数关系作为生形工具，进而用计算机语言数字化这些关系形成计算机参数模型。最终，在通过调研获取参变量数值后，通过数字模型实现形体的转化，并获得一个形体范围作为建筑的形体雏形。这样，建筑是根植于场所和人的行为要求之中的，以这样的方法获取的设计影响因素称为“现象因素”。这种直观性以及强调在人的意识中的显现性符合了现象学的哲学原理。因而，在运用计算机技术进行设计的同时，把人放在了建筑设计的中心，在这一认识上，表现出我们与当今先锋设计倾向的不同看法。
以这一思想进行课程设计的题目包括“798艺术展览馆设计”、“信息展示中心设计”、“奥运信息亭设计”等。在这些题目的设计过程中，我们意识到设计过程的关键环节将决定设计结果的合理性及设计质量，因而，在不断总结经验的基础上，提出了6个关键环节。
（1）设计要求信息的数据化
设计要求是设计的起点，包含了人的活动行为对建筑的要求，以及周边环境对设计的要求。对场地进行直观调查可有助于准确了解周边环境特征，而对未来建筑使用者进行访谈，观察相似功能建筑中使用者的活动行为等方法可获得更可靠的设计信息；但对于参数化设计来说，对周边环境特征及人的活动行为的数字化描述是最为关键的工作，因为这些数字化的信息将是建筑形态生成的基础。
（2）设计参数关系的建立
建筑设计是一复杂系统，影响设计的因素众多，在计算机参数化设计时，往往首先找到影响设计的某些主要因素表现出来的行为或现象，并用某种关系或规则来模拟这些行为或现象的特征。比如中国城市规划展览馆建筑中，往往以城市总体模型为中心，参观者通常首先环绕总体模型参观，之后再参观周边的其他展厅，这一像面包圈一样的人流参观动线可以看成影响设计的主要因素。面包圈可以作为设计的基本关系，而中心模型的尺寸，建筑空间的高低，人流量的大小，周边展厅的数量及大小等可被看成决定面包圈这一关系的参数。当我们有了这些认识，就有了基本的设计参数关系。
（3）计算机软件参数模型的建立
当有了基本的设计参数关系，我们还要找到某种规则系统（即算法）来构筑参数关系以便生成形体，并用计算机语言描述规则系统，形成软件参数模型。软件参数模型的建立可通过不同的途径，比如，使用已有软件菜单，如Rhino软件里的放样操作；也可使用已有的参数化设计软件，如DP、GC、Grasshopper等建立形态参数模型；或利用已有软件的脚本语言的描述，如MAYA里的MEL语言或Rhino里的RhinoScript等；当然我们也可在操作系统平台上编写程序描述规则系统，形成软件参数模型。当我们给软件参数模型各变量输入一定值的时候，就得到设计雏形，当改变输入值时，可得到新的设计雏形。
（4）设计雏形的进化
从设计要求的某些主要因素得到的设计雏形一般只解决了建筑设计这一复杂系统的主要矛盾，许多其他因素也应该对设计结果产生作用，以便最终设计成果能最大程度地满足使用者活动行为的要求，并与环境相适应。这样，设计雏形还需在其他因素的作用下进化，正因为设计雏形是在参数化软件条件下形成的图形，所以它可以接受其他的软件程序操作，从而发生形态优化变形并发展到令人满意的设计结果。
（5）最终设计形体的参数化结构系统及构造逻辑
建筑设计这一复杂系统的各种因素的综合作用通常导致最终设计形体是一不规则的非线性体，仅仅满足于此是不够的，因为这一非线性形体如果没有结构系统及构造逻辑的支持是没有说服力的，也就是说设计还没完成，进一步考虑设计的基本结构系统及构造逻辑可以打开通向该建筑的构件加工及实际建造的通道。参数化的设计对确立建筑形体的结构系统及构造逻辑十分有利，我们可以研究计算机软件生成非线性形体时的内在逻辑，显示这一建构系统并可把它作为实际建造的基本结构系统；我们也可以在软件内根据形体的应力分布进行分块并研究单元体之间的连接构造，以这种方法作为基本结构系统；也可以首先研究某种自然界生物的结构关系并把它作为非线性体的基本结构系统，诸如此类的结构关系也是当今建筑师及结构工程师乐于探索的对象。构造逻辑是指在大的结构系统下，有限尺寸的分块材料如何被连接到一起，联系的关系应该与结构逻辑具有连续性。
（6）设计成果的测试与反馈
参数化过程设计的终极目标是要获得最高程度满足使用要求的设计结果，尽管设计过程的逻辑性在很大程度上保证了这一点，但是，设计结果究竟是否满足要求仍需进行测试，这是必要的环节，目前我们还只能依靠有限的手段对结果检测，如借用Ecotect、DeST等软件或自编程序测试设计结果，并把测试的结果借助参数化平台反馈到设计的各个环节，同时调整各个环节使设计结果更趋完善。
4．物质实验的数字图解
另一个教案是“数字图解”，课程要求从做一个物质实验开始，实验结果要能展现动态的复杂形态现象，并通过拍摄记录实验展示的形象；在此基础上，应对实验所产生的动态的复杂形态进行分析研究，并发现其特征或规律；接着以某种规则或规则系统（算法）近似地描述形态特征或规律，进而用计算机语言将规则或规则系统写入计算机形成软件程序，这一程序应该可模拟实验的结果；同时要求用这一程序生成设计方案雏形；在得到方案初步形态之后，还要根据影响设计的其他因素，进一步深化设计，把雏形发展成设计方案。
数字图解是图解概念与计算机技术的结合，它构筑了形态生成的基本工具，包含描述形态特征的参数关系，规则系统（算法），计算机语言，以及程序等主要内容。在设计中，用数字图解的工具进行生形的过程即为设计的找形过程。
图解概念在建筑设计上的使用由来已久，作为解释性的图解通常表示某种几何关系，进行形式研究；作为分析性的图解通常表示事物之间某种内在关系，为建筑设计奠定功能基础；生成性的图解是把时间的概念或动态活动的内容引入分析的过程，对某一主题的事物进行历时性的研究并记录，从而产生建筑设计。生成性的图解离我们所要探讨的数字图解的距离已经很近了，它是由埃森曼开发的，埃森曼把建筑作为一个事件不断展开，形式是运动的积累，他的具体操作是从某一原始形式或初始概念出发，运用某种方法或规则，逻辑性地变化原始形式，从而形成系列形体并置，由此产生建筑设计雏形；库哈斯也用生成性的图解进行设计，他善于进行新闻报导式的发掘研究，他的设计正是来自于社会研究，并对研究的过程记录进行操作，发展成建筑方案；另外，很多建筑师注重建筑所在场地及周边的特征，建筑形态的起点从研究地段及环境开始，环境及生活现象，以及其逻辑性的发展，形成最终的设计方案。比如赫尔佐格的日本东京Prada项目，地段周边建筑的高度，日照分析，各个不同角度上的视觉景观等现状条件经过图解分析决定了建筑的基本形体。
但是，虽然生成性图解把历时性及动态性引入了设计过程，然而它的操作结果对这两个特性的表达却显得十分地不连续，埃森曼的生成性只是并置了原始形式运动过程中有限的瞬时踪迹，其叠合图并不能完全反映原始形式的完整运动过程；库哈斯的社会学图解，实际上还停留在从统计学的角度找到形式灵感，并进行人为操作发展设计，它对社会生活的反映是十分片面的。因而，生成性图解的设计结果并没有真正反映初始要求及条件，这是因为设计过程还是手工操作的结果。
图解概念与计算机技术的结合还要感谢哲学家对图解概念的抽象解释。M.福柯的《监视与惩罚》（1975年）阐述了图解概念；吉尔·德勒兹的《福柯》（1986年），书中第一章第二节“新一代制图者”（A New Cartographer）重新解释了福柯的图解概念。福柯认为，图解是“一种函数关系，从一些必须分离于具体用途的障碍和冲突中抽象出来的关系”。德勒兹认为，图解不再是视听案卷，而是一种图，一种与整个社会领域有共同空间的制图术。它是一部抽象机器，一方面由一些可述的功能及事物所定义，另一方面，产生出不同的可见的形式；它是一部无声的看不见的机器，但是又让别人看见和言说。德勒兹在讨论了权力概念及社会势力问题之后，又进一步定义图解。什么是图解？图解是构成权力的各种势力之间关系的显示。权力或势力之间的关系是微观物理的、策略性的、多点状的、扩散的，它们决定了特征并构成纯粹的“可述的功能”。图解或抽象的机器是力之间的关系图，密度或强度之图，它通过原初的非局部化的关系而发展，并在每一时刻通过每一点，“或者更恰当地说，处于从一点到另一点的每一种关系之中”。
由此可见，哲学家认为，图解表示了各种力之间的关系，它是一部抽象的机器，一边输入可述的功能，另一边输出可见的形式。在这一点上，建筑设计过程与其相似，也是将一些可述的功能要求及影响设计的要素通过某种关系转化成各种可能的可见的形态，因而我们可以认为，前述埃森曼开发的生成性图解也正是基于这一点，在设计过程中引入图解工具，将传统设计改变成图解过程。
但是，由于图解本身表示了各种影响力之间的关系，或称它是一个函数关系，并且输入的可述的因素不止一种因素且具有动态性，这样输出的结果也具有多样性，如果要人为地控制这一过程是不可能的，而计算机技术却可以控制并实现这一过程的转化。因而，计算机技术与图解概念找到了结合点，依靠计算机语言可以将各种影响力之间的关系，通过指令集合的方式（算法）写入计算机形成程序，并输入那些影响设计的要素的信息量，运行程序便可获得各种可能的形式作为建筑设计的雏形。
在这里，程序即是数字图解，或称数字的抽象机器：程序由计算机语言写成，程序包含了算法，算法是对描述特征的各种影响力（参数）之间的关系的概括。
在这一“非线性建筑设计”课程教案中，要求学生理解“图解”及“数字图解”的基本概念，学习与其相关的哲学思想和建筑理论，培养学生创造性地开发生形工具，掌握数字图解的设计过程及设计方法，最终设计出既符合使用者行为特点、又与场所环境相协调的建筑方案。
5．数字建筑教育的立足点
建筑师乃至全社会在经历了现代建筑高度发展后，至少达成两点共识，即建筑应该更人性化，更环境友好。前者意味着建筑设计应该更多基于人的行为及舒适性要求，考虑动态变化及精神感受，建筑应该是事件发生的场所，是活动进行的空间，等等；而后者则指建筑设计应以各种环境条件为基础，充分考虑建设场地内以及周边各种人造的及自然的因素，节能环保。来自人及环境如此众多的要求应该综合性地塑造建筑设计，作为形态而存在的建筑设计结果，其实就像自然界中的生物，其形态在各种环境力的作用下，通过自组织而调整为适应环境的连续体量，它应该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，必然反映各个影响因素之间游牧状的相互关联，因而其形态也会呈现出一种非线性的存在状态。
要把众多的使用及环境要求转译成建筑形体，这是一个复杂的课题，因而我们可用复杂科学理论来解决复杂问题，算法或规则系统正是复杂科学思想最好的表现形式，再加上计算机强大的运算能力，可以说“数字设计”正是我们解决问题的方法。显而易见，这一新的设计术可以实现人们希望建筑物满足人的动态活动要求及环境条件要求的夙愿。
因而，这也是“非线性建筑设计”课程的基本立足点。表现在课程教案的设计上，我们强调以下几点：（1）设计过程的起点在于对人及环境的尊重；（2）设计方法在于建立参数模型生成多选择雏形，并进行判断和取舍；（3）设计策略在于对过程的控制和把握决定设计结果；（4）强调整个设计过程坚持前后连续的因果逻辑关系，以获得与设计起点相对应的设计结果；（5）重视结构系统及构造逻辑的研究，以保证设计结果的可实施性。
再者，随着智能制造业的蓬勃兴起，建筑工业也将在这场信息工业革命中脱胎换骨；数字建筑产业链是智能建筑工业的端倪，它包括数字建筑设计、建筑构件产品的数控加工、数控技术及设备用于施工、智能物业管理等方面。在这一产业链中，数字建筑设计是起点和先端，它首先决定建筑的空间形式及各专业系统，并进而决定建材构件及产品的加工方式，同时影响或决定施工方法。建筑建成后，设计文件的好坏还将影响建筑全寿命周期运营管理的质量，数字设计作为联系纽带贯穿产业链的始终，因而，数字建筑设计将决定数字建筑产业系统的优劣。
数字建筑设计包含两方面内容：一方面，数字技术渗透到现行建筑设计的方方面面，其结果将提高现有建筑设计的效率和质量，对于几何形体的生成及控制变得更容易，设计的精确度将大大提高；它还可以解决过去遗留的许多症结，比如以建筑信息模型（BIM）及协同设计为基础的设计组织方式，使得设计团队里不同建筑师的局部工作得到整体统合、不同专业的矛盾可以在设计阶段及时发现并消灭；它还可以实现建筑师过去的许多建筑理想，比如建构理论推崇建筑形式忠实表现结构及构造逻辑，而软件生形及数控加工可以最高程度地实现形式与结构系统、材料构造逻辑之间的对应。
另一方面，数字技术正在催生新的建筑设计趋势，首先，数字技术改变了建筑师的设计思考方式，比如将寻找“关系”及“规则”作为设计的出发点，将算法作为设计的核心内容，这与传统的设计思维有着极大的不同；其次，数字技术还改变了设计过程，它不再是建筑师通过灵感的形式创造过程，而变成了基于设计需求、通过构筑参数模型反复求解的形式搜寻及形式优化过程；再者，数字技术将彻底改变设计、加工、施工的组织方式，在设计的过程中，建筑师需要与跨专业的专家如结构工程师、软件工程师、材料工程师、加工厂商、施工技术员等通力合作来完成设计，而设计与加工、施工之间的联系方式将以数据及软件参数模型为媒介进行传递，建筑师对加工及施工的控制程度将极大的提高。
清华“非线性建筑设计”课程正是为上述建筑设计内容的新变化积极准备新知识，它包含了数字建筑设计的思想与理论、过程与方法、技术与工具、技巧与经验。希望通过该课程的学习与探索，学生可为未来的职业新需求奠定基础。
徐卫国
2016年1月于清华园
