1 數(shù)字化設(shè)計(jì)方法與自然形態(tài)關(guān)系

計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的提升加快了其運(yùn)算速度，高效多元化軟件的出現(xiàn)則促進(jìn)了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)與程序的演變進(jìn)化，使其從最初只用于輔助設(shè)計(jì)的一種工具角色，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c到設(shè)計(jì)的全過程，并且會(huì)影響設(shè)計(jì)最終結(jié)果的設(shè)計(jì)載體[1]。Zaha Hadid Architects 聯(lián)合創(chuàng)始人Patrik Schumacher曾創(chuàng)作PARAMETRICISM，以“數(shù)字化主義”來詮釋21世紀(jì)建筑設(shè)計(jì)方式與思維的激進(jìn)演變。在這種趨勢中，設(shè)計(jì)師通過建立運(yùn)算邏輯鏈條,并運(yùn)用高速運(yùn)算器處理大量信息的方式，模擬越來越多的自然形態(tài)（圖1），如冰晶、蜂群、土壤的龜裂等等[2]。這些邏輯鏈條演算的設(shè)計(jì)結(jié)果，通?？梢詰{借數(shù)字化的加工、模擬方式形成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。其整個(gè)設(shè)計(jì)、制造、結(jié)果的全流程都映射了自然形式的幾何復(fù)雜性、可變性以及靈活性。

2 數(shù)字化設(shè)計(jì)方法與流體形態(tài)關(guān)系

圖1 數(shù)字模擬空間點(diǎn)群與肌理

數(shù)字化設(shè)計(jì)方法能夠重新解讀、模擬與定義，并最終應(yīng)用在自然形態(tài)中的流體形態(tài)表現(xiàn)中。傳統(tǒng)建筑觀中，實(shí)用、堅(jiān)固、美觀是維特魯威在《建筑十書》中對(duì)建筑的基本要求?；谶@一理論體系，建筑的審美偏好注重外部空間和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與統(tǒng)一，建筑空間被公認(rèn)為固體形式，獨(dú)立于自然，并永恒地存在于時(shí)間與空間之中。反觀數(shù)字化演算與模擬，由于其設(shè)計(jì)方式能夠重建并控制物理運(yùn)動(dòng)信息，并使其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模擬過程的復(fù)雜性與連續(xù)性反應(yīng)于模擬結(jié)果之中[3]。這使得設(shè)計(jì)師能夠構(gòu)建流體運(yùn)動(dòng)模擬，并捕捉瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的信息，從而構(gòu)建流體空間。換句話說，通過這樣的手段，能夠?qū)⒘黧w運(yùn)動(dòng)的瞬間形態(tài)轉(zhuǎn)化為固體空間。不同于傳統(tǒng)非線性空間塑造，數(shù)字化流體模擬后形成的空間，不僅僅具有連續(xù)性強(qiáng)、仿流體表面的建筑邊界，也可以根據(jù)流體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)信息，創(chuàng)造出具有流體受力特點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1 重視流體形態(tài)的模擬

建筑界與設(shè)計(jì)界對(duì)非線性空間與流體空間從來沒有停止探索。已經(jīng)建成的大量實(shí)際項(xiàng)目讓人們觸碰到了非線性空間，從而感受到空間內(nèi)的規(guī)律。例如，Zaha Hadid、Rem Koolhaas、Frank Owen Gehry等都以各種形式的語言探索了非線性建筑，他們的建筑作品形態(tài)中也都出現(xiàn)了復(fù)雜性、矛盾性、模糊性和不確定性，脫離傳統(tǒng)歐幾里得體系，重新演繹形式對(duì)功能的回應(yīng)[4]。

Marino Moretti于2013年在其工作室發(fā)布的流體空間形態(tài)作品EntropyA，固化了流體的瞬時(shí)形態(tài)，看起來像是受到不同方向力場的膠狀物變形（圖2）。然而，與傳統(tǒng)的非線性形態(tài)找形方式一樣，很多流體形態(tài)研究還是由設(shè)計(jì)者預(yù)先進(jìn)行設(shè)想，再通過MAYA、RHINO、3D MAX等建模輔助軟件，將形態(tài)一次性“捏”出來。流體形態(tài)的潛能到底還有多少，傳統(tǒng)“捏”形而來的流體形態(tài)結(jié)構(gòu)能否真實(shí)反映流體形態(tài)的受力特點(diǎn)，還有待探索[5]。

因此，本研究提出，通過數(shù)字化模擬軟件平臺(tái)（Processing、Realflow等圖形物理模擬軟件），利用模擬粒子重構(gòu)流體。這樣不但可以追求似流體的外部輪廓，定義、編輯流體性質(zhì)，從細(xì)節(jié)層面對(duì)流體形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成更多類流體的非線性空間，而且可以記錄其內(nèi)部流體信息，最終成為建立流體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在擁有數(shù)字化的流體模擬平臺(tái)后，如何在平臺(tái)中定義流體，如何在平臺(tái)中引導(dǎo)流體變異、變形，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的而得到流體形態(tài)，將是本研究要闡述的兩大主要問題。

2.2 重視流體信息的模擬

2.2.1 重視模擬過程而非結(jié)果

通過流體模擬來生成流體形態(tài)，需要編輯流體本身，并引導(dǎo)流體，記錄模擬過程。模擬過程中的所有信息，都有可能有益于設(shè)計(jì)結(jié)果。

（1）流體的自然特性可以被引入到建筑空間的生成和構(gòu)造過程中[2]。特別是流體模擬中，常以一定的黏度和表面張力為主要參數(shù)，使得流體模擬粒子之間具有應(yīng)力，流體整體具有運(yùn)動(dòng)趨勢與不定形狀態(tài)，最終形成一個(gè)擁有連續(xù)、平滑邊界和方向性的整體結(jié)構(gòu)。

（2）流體運(yùn)動(dòng)的模擬與空間的形成應(yīng)考慮到模擬時(shí)間。每個(gè)模擬幀的粒子位置、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度信息都可以作為一套空間結(jié)果，形成一個(gè)獨(dú)立的空間方案（圖3）[6]。因此，流體的不確定性對(duì)于流體空間的形式與設(shè)計(jì)過程都有直接影響。

2.2.2 信息化模擬過程與結(jié)果

由于設(shè)計(jì)階段借助了電腦程序模擬流體，所以流體本身的細(xì)節(jié)信息與環(huán)境信息都能夠被設(shè)計(jì)者讀取而加以利用[6]。例如，流體模擬結(jié)果的邊界可以劃分建筑空間與建筑結(jié)構(gòu)，且建筑表皮的機(jī)理、光影、形式都可以根據(jù)流體變成粒子特效重新建構(gòu)（圖3）。流體模擬結(jié)果的結(jié)構(gòu)本身也能夠根據(jù)粒子群體的速度、溫度、密度、黏度內(nèi)壓和外部壓力等信息進(jìn)行建構(gòu)，形成與流體受力關(guān)系相關(guān)的整體結(jié)構(gòu)體系。所以，流體空間的信息化不僅能夠在形式上拓展對(duì)于非線性空間形態(tài)的認(rèn)知，也能夠在獨(dú)特的視角下，拓展對(duì)非線性空間結(jié)構(gòu)、機(jī)理與材料的研究。

3 流體模擬平臺(tái)構(gòu)建

3.1 多代理系統(tǒng)模型與模擬空間矩陣

為了搭建流體模擬信息化平臺(tái)，需要將非線性的流體空間位置信息與運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行定義用于計(jì)算。多代理系統(tǒng)具有靈活性與智能性的特點(diǎn)，能夠滿足研究的需求。它可以在局部空間中運(yùn)用多個(gè)智能化獨(dú)立代理個(gè)體充分模擬群體運(yùn)動(dòng)，最終的群體運(yùn)動(dòng)結(jié)果是每個(gè)代理物體之間互動(dòng)，以及與環(huán)境互動(dòng)的結(jié)果[7]。正如前文中提到的，流體空間模擬的關(guān)鍵點(diǎn)在于：①塑造流體自身粒子與運(yùn)動(dòng)信息；②塑造外部環(huán)境影響力。因此，我們可以利用具有多代理系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，建立流體的“粒子群”與模擬空間矩陣，從而模擬出流體粒子之間的互相作用力與流體外部環(huán)境作用力，最終獲得模擬流體粒子特性與流體外部物理影響力的結(jié)果，使得流體空間的衍生成為可能。

3.2 流體模擬平臺(tái)構(gòu)建

流體模擬代理系統(tǒng)需要將其中的粒子形成一個(gè)整體群體；而“蜂群”體現(xiàn)了具有特殊運(yùn)動(dòng)趨勢與特殊密度變化的空間連續(xù)結(jié)構(gòu)的意向。所以，設(shè)計(jì)者需要給流體模擬粒子一個(gè)可以遨游的環(huán)境，使其整體效果看起來像一個(gè)連續(xù)的流體[6]。

首先，將模擬空間劃分成若干正交矩陣細(xì)胞，并且在相鄰細(xì)胞之間建立信息數(shù)值關(guān)聯(lián)，并調(diào)節(jié)至合適的關(guān)聯(lián)度[8]。任何一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的信息數(shù)值波動(dòng)能夠順應(yīng)相鄰細(xì)胞的信息數(shù)值波動(dòng)，且波動(dòng)幅度遞減。此聯(lián)系的宏觀效應(yīng)將在模擬空間中形成波動(dòng)場，塑造流體運(yùn)動(dòng)外力與內(nèi)力，最終產(chǎn)生類流體運(yùn)動(dòng)趨勢的形態(tài)（圖4）。例如，一個(gè)初始速度產(chǎn)生于一個(gè)單元細(xì)胞中，其包圍的單元將受到該速度的相對(duì)強(qiáng)度和方向數(shù)值的影響，產(chǎn)生迭代遞減運(yùn)算結(jié)果下的速度矢量數(shù)據(jù)。然后，在整體模擬空間中觀察，發(fā)現(xiàn)速度逐漸趨于合并，看起來像一個(gè)漸變力場。通過力場在空間中的平滑變化推動(dòng)，粒子群將有序地沿力場路徑運(yùn)動(dòng)起來。同時(shí)，如果建立特殊作用力于空間單元中，就可以建立粒子群的流體性質(zhì)，如內(nèi)部壓力（internal pressure粒子之間的距離數(shù)值）、外部壓力（outer pressure粒子群體積）、黏稠度（viscosity粒子之間的吸引力）及表面張力（surface tension表面粒子間距的剛性約束）等。最終，空間代理系統(tǒng)會(huì)留給我們一個(gè)流體信息粒子群。設(shè)計(jì)師就可以根據(jù)每個(gè)代理粒子的速度、密度、粒子ID等信息構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)，將其模擬成為現(xiàn)實(shí)空間（圖5）。

圖3 流體模擬過程截取與模擬信息生成結(jié)構(gòu)

4 流體空間模擬生成

4.1 代理粒子流體特性建立

在多代理模型系統(tǒng)中，若液體粒子“個(gè)性”設(shè)置不恰當(dāng)，可能會(huì)使得其外部宏觀難以顯示氣體、液體或糖漿的特征[2]。此時(shí)，可以通過控制密度、內(nèi)部壓力、外部壓力、黏度和表面張力等幾個(gè)主要性質(zhì)來編輯粒子的“個(gè)性”，使其外在能夠表現(xiàn)出液體性質(zhì)。不僅是在外部形體方面，粒子的“個(gè)性”也體現(xiàn)于內(nèi)部粒子的速度向量、密度、分布等多個(gè)方面，從而在給出一個(gè)擁有光滑流體界面形態(tài)的同時(shí)，也給出了其詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息[2]。

4.1.1 密度

在現(xiàn)實(shí)中，我們將每單位體積的質(zhì)量定義為物質(zhì)的密度。在流體模擬中，控制密度能夠使其在流動(dòng)過程中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男袨?。密度越大的流體越穩(wěn)定，粒子移動(dòng)需要的推進(jìn)力強(qiáng)度也越大。因此，控制流體粒子移動(dòng)所需的加速度條件，是建立流體密度的捷徑。此外，密度對(duì)比的建立也使不同性質(zhì)的流體在同一模擬體系中得以區(qū)分，如較高密度的流體，其整體運(yùn)動(dòng)速度的增益較慢。再有，不同的密度設(shè)置使得粒子按同密度聚集，不會(huì)混合。值得一提的是，如果我們施加同一個(gè)力于不同密度液體，則流體阻力變得不穩(wěn)定且可能發(fā)生波動(dòng)，形成擺動(dòng)形態(tài)。若流體粒子加速度不斷變化，流體各自的邊界會(huì)變得模糊，不同流體粒子就有可能相互進(jìn)入臨近流體，從而形成所謂的沸騰或湍流效果（圖6）。

圖4 多代理系統(tǒng)建構(gòu)與模擬空間矩陣建構(gòu)

圖5 流體空間效果

4.1.2 壓力

在數(shù)字化語境中，我們通過吸引力和排斥力決定粒子之間的距離，并通過外部邊界限制使流體粒子間形成壓力。在流體運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)中，形成了內(nèi)部壓力與外部壓力。內(nèi)部壓力保證流體粒子填充到相應(yīng)體積的空間中，而外部壓力能夠限制其體積的擴(kuò)張。若內(nèi)部壓力和外部壓力不存在，流體粒子就會(huì)失去流體行為，只會(huì)各自在場中運(yùn)動(dòng)而缺乏粒子之間的互動(dòng)。如果定義內(nèi)部壓力值非常低，而外部壓力值非常高，則會(huì)形成煙霧般的形態(tài)（圖6）。

4.1.3 黏稠性

一些流體黏稠度特征表現(xiàn)明顯，例如蜂蜜群、焦油或糖漿。模擬這些黏稠特征，需要借助相對(duì)一致的矢量系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)流體的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，需要粒子系統(tǒng)中產(chǎn)生一些拖曳力來平靜流體粒子，使其運(yùn)動(dòng)連續(xù)、緩慢、有序，這樣可以實(shí)現(xiàn)具有一定黏稠度的流體形態(tài)。反之，無規(guī)律的加速容易使得液體模擬出現(xiàn)飛濺、氣泡、龜裂、湍急的表面，而不形成光滑的邊界（圖6）[6]。

4.1.4 表面張力

表面張力形成于流體表層粒子受力的特殊狀態(tài)。流體單位表面積上切線方向所受到的拉力即為表面張力。如果我們可以控制模擬粒子群上層粒子的動(dòng)力水平，就可以控制流體表面的性質(zhì)[7]。合適的表面張力使得流體空間形成明顯而光滑的邊界，并且將空間中上、下、左、右統(tǒng)一于連續(xù)的形態(tài)中，打破傳統(tǒng)的樓板、梁柱體系。同時(shí)，表面張力也能夠形成較為穩(wěn)定與致密的流體表層結(jié)構(gòu)，使得流體粒子在表層的速度向量與表面切線方向一致，限制流體形式的擴(kuò)張與發(fā)展（圖6）。

圖6 模擬粒子的流體性質(zhì)建構(gòu)

4.2 流體環(huán)境驅(qū)動(dòng)力建立

流體模擬環(huán)境多代理系統(tǒng)的應(yīng)用，以及流體內(nèi)部各項(xiàng)參數(shù)的建立，是流體模擬的第一步。接下來，需要建立一個(gè)“找型”過程，清華大學(xué)徐衛(wèi)國教授定義其為構(gòu)建非線性數(shù)字圖解，并生成非線性體的過程。在這類“找型”過程中，設(shè)計(jì)者的空間構(gòu)思處于輔助地位，方案形態(tài)根據(jù)建立的運(yùn)輸邏輯鏈條與多個(gè)初始信息生成多解結(jié)果。而在我們的多代理流體模擬系統(tǒng)中，可以引入多種空間幾何算法生成形態(tài)力場，引導(dǎo)代理粒子形成多種獨(dú)特空間分布，生成多樣化的流體空間形態(tài)[3]。

不同算法在多代理模擬系統(tǒng)中產(chǎn)生的力場驅(qū)動(dòng)粒子形成流體空間形態(tài)，其模擬過程具有不可預(yù)測性與不可復(fù)制性。模擬過程本身也是影響設(shè)計(jì)結(jié)果的重要因素，人們無法精確判斷模擬過程中的任何變化，模擬參數(shù)的結(jié)果能夠無限演變，具有偶然性與不確定性。對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，模擬過程也是至關(guān)重要的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師需要關(guān)注每一幀多種算法的模擬運(yùn)行效果，并針對(duì)必要的算法逐個(gè)調(diào)整或整體修整，使得結(jié)果趨近于理想狀態(tài)[2]。

在多代理系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)師可以利用3個(gè)主要策略靈活控制形狀演化：①修剪粒子群體，模擬結(jié)果可以是模擬群體的局部；②吸引力、排斥力、螺旋力、向心力、柏林噪波運(yùn)動(dòng)算法（Perlin Noise）、自組織運(yùn)動(dòng)算法（Stigmerg）等都能通過多代理系統(tǒng)形成空間力場，從而作用于流體模擬粒子運(yùn)動(dòng)，改變粒子群空間分布狀態(tài)；③整個(gè)模擬過程需要精心設(shè)計(jì)，力場隨時(shí)間的變化能直接作用于形體演變。因此，需要記錄模擬過程，每一幀的形態(tài)組合都可以形成多解結(jié)果，構(gòu)成圖解（圖7）[1]。

4.2.1 修剪粒子群

控制粒子群體的數(shù)量與邊界可以直接在模擬數(shù)據(jù)中刪除粒子數(shù)據(jù)。只要設(shè)計(jì)師設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔缧螒B(tài)或者障礙物，那些通過邊界或碰撞到障礙物的模擬粒子就會(huì)被自動(dòng)刪除。這樣通常能夠避免一些空間被流體粒子侵犯，引起流體粒子自身的屬性變化，并且邊界或者障礙物的形態(tài)可以是任何形態(tài)[9]。

由于模擬過程中，粒子的速度向量、位置、密度、序列號(hào)、運(yùn)行壽命等數(shù)值非常容易獲得，設(shè)計(jì)師可以通過控制這些參數(shù)，對(duì)個(gè)別粒子或者同類粒子進(jìn)行刪除。在宏觀模擬看來，也就是限制了流體的最高速度、密度、液體松弛度等。例如，設(shè)計(jì)師對(duì)運(yùn)行壽命做出設(shè)定后，流體粒子將不會(huì)無限運(yùn)動(dòng)下去，存在時(shí)間超過壽命的粒子將被自動(dòng)刪除，粒子群的宏觀形態(tài)像瀑布一樣，最終會(huì)保持一個(gè)穩(wěn)定的、不斷更新的形態(tài)[6]。

4.2.2 粒子集群結(jié)隊(duì)行為

通過一些基本物理力組合，常見的集群運(yùn)動(dòng)行為（如蜂群、鳥群等動(dòng)物群體運(yùn)動(dòng)）在多代理系統(tǒng)中能夠被成功還原。自然界中的流體運(yùn)動(dòng)是嚴(yán)格遵循經(jīng)典物理學(xué)的，也就是順應(yīng)驅(qū)動(dòng)力的方向運(yùn)動(dòng)。結(jié)合集群運(yùn)動(dòng)模擬與流體運(yùn)動(dòng)模擬，就能夠得到既具有流體性質(zhì)，又帶有動(dòng)物集群智能的流體粒子群體。這使得流體粒子不僅僅是流動(dòng)的物質(zhì)，不規(guī)則漩渦、回流、均勻開裂、溝壑都有可能在其流體中發(fā)生，極大地豐富了流體空間形態(tài)的可能性。

在多代理系統(tǒng)中，通過構(gòu)建粒子之間的3對(duì)力——吸引力、排斥力和對(duì)齊力，可以得到近似的集群運(yùn)動(dòng)行為。控制這3對(duì)力的影響范圍與強(qiáng)度，使其達(dá)到合適的值，就能得到較為近似的動(dòng)物集群運(yùn)動(dòng)[7]。吸引力在滿足距離的條件下，以兩粒子之間產(chǎn)生的同向向量為加速度，使得兩粒子互相靠近，保證了群體粒子的聚集；排斥力則以粒子之間的反向向量為加速度，使得兩粒子互相遠(yuǎn)離，保留了群體粒子之間的間隔距離，避免粒子黏連；而對(duì)齊力在整個(gè)模擬過程中，不停地將粒子們的向量加速度調(diào)整為同向向量，使它們不斷地往一個(gè)平均方向趨近，最終形成同向隊(duì)伍。

集群結(jié)隊(duì)行為模擬通過調(diào)整上述3對(duì)主要力的配比，形成復(fù)雜的粒子聚集或分散行為，每對(duì)力的絕對(duì)值基本沒有限制，甚至可以構(gòu)建向心力等其他力形成漩渦等形體，并最終于流體粒子中形成各類“湍流”，實(shí)現(xiàn)超越自然形態(tài)的美學(xué)模擬（圖8）。

圖7 流體形態(tài)干擾“找形”--不同算法對(duì)流體粒子的驅(qū)動(dòng)

4.2.3 柏林噪波算法（Perlin Noise）

由Ken Perlin于1983年創(chuàng)造的柏林噪波算法，能夠在空間中形成連續(xù)變化的非對(duì)稱空間數(shù)據(jù)布局。該算法可以輕易模擬如云、大理石、纖維、木紋等自然肌理。這也啟示我們，利用這個(gè)數(shù)據(jù)布局能夠在多代理系統(tǒng)空間中形成連續(xù)變化的、復(fù)雜的力場來驅(qū)動(dòng)粒子，最終形成變化的空間或紋理結(jié)構(gòu)[4]。

在模擬中，為了得到優(yōu)美的噪波模擬形態(tài)，設(shè)計(jì)師需要對(duì)柏林噪波的參數(shù)特征進(jìn)行控制。調(diào)整噪波的波長、頻率、振幅、模擬時(shí)間、初始模擬態(tài)，能夠使噪波力場達(dá)到合適的強(qiáng)度與形態(tài)。柏林噪波的空間數(shù)值可以作用于粒子的速度、位置等信息，也可以在多代理系統(tǒng)中形成自己的噪波力場來干擾粒子的運(yùn)動(dòng)，從而引導(dǎo)粒子群，形成意想不到的空間效果。

柏林噪波作為獨(dú)立算法，通過多代理系統(tǒng)與流體動(dòng)力算法耦合到一起，體現(xiàn)了計(jì)算邏輯推演過程對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。推演過程中，設(shè)計(jì)師通過不斷地修改和優(yōu)化計(jì)算邏輯鏈條，得到自己滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果（圖9）。

4.2.4 自組織算法（Stigmergy）

自組織算法起源于生物界共識(shí)主動(dòng)性概念，其描述生物個(gè)體通過識(shí)別其他個(gè)體留下的信息和存留物，來獨(dú)立完成下一個(gè)任務(wù)，如蜂群的信息交換、蟻群的移動(dòng)等等。這啟發(fā)了設(shè)計(jì)師在多代理系統(tǒng)粒子之間建立間接的信息繼承方式，從而使得粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生跟隨、趨近，并最終整合為一個(gè)群體“共識(shí)”路徑[7]。因此，自組織算法也是模擬自然形態(tài)與肌理的重要算法。在我們的多代理系統(tǒng)空間中，可以將前文中的模擬空間矩陣作為粒子儲(chǔ)藏運(yùn)動(dòng)信息的單元，并將粒子的運(yùn)動(dòng)信息記錄在單元格中，再通過預(yù)留信息影響隨后而來的粒子運(yùn)動(dòng)。這樣，前后粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡與方向會(huì)互相耦合與繼承，自發(fā)地出現(xiàn)連貫、明顯、統(tǒng)一的綜合路徑與運(yùn)動(dòng)方式（圖10）。

圖8 Flocking算法驅(qū)動(dòng)粒子

通過自組信息系統(tǒng)的預(yù)留信息整合，最終會(huì)得到自發(fā)形成的、智能化的自然紋理形態(tài)。通過粒子捕捉空間中的預(yù)留信息來影響自身的運(yùn)動(dòng)模式，繼而可以通過控制粒子的輔佐視角寬度、捕捉范圍、控制視覺角度、影響因子（預(yù)留信息對(duì)粒子速度或加速度的影響比例）、粒子速度等參數(shù)，去影響與控制紋理方向、密度和形態(tài)，并進(jìn)行圖解分析[6]。只要我們提高多代理系統(tǒng)的運(yùn)算量與運(yùn)算速度，提高代理數(shù)量就能夠得到樹木表皮、土壤龜裂等信息量巨大的、豐富的自然形態(tài)模擬。

5 總結(jié)

圖9 Perlin Noise算法驅(qū)動(dòng)粒子

圖10 Stigmergy算法驅(qū)動(dòng)粒子

本研究通過數(shù)字化多代理系統(tǒng)平臺(tái)為模擬粒子定義了流體特性，并在空間中通過多種算法模擬力場驅(qū)動(dòng)，從而形成具有建筑功能可能性的流體空間。其粒子運(yùn)動(dòng)信息能夠被轉(zhuǎn)化為獨(dú)特的、帶有流體運(yùn)動(dòng)趨勢的結(jié)構(gòu)體系?？偟膩碚f，此模擬的策略重點(diǎn)在于搭建數(shù)字化綜合平臺(tái)，在模擬過程中，將不同的模擬算法組合、關(guān)聯(lián)起來，這脫離了傳統(tǒng)數(shù)字化非線性空間模擬的單一算法運(yùn)行狀態(tài)。多重算法的組合增加了模擬程序的靈活性和復(fù)雜性，也增加了結(jié)果的不確定性與找形控制難度。多代理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)韌性也被體現(xiàn)出來，粒子并不是按照精確規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行，而是通過調(diào)整各自的移動(dòng)狀態(tài)，最終形成一個(gè)可以被識(shí)別的有機(jī)流體形態(tài)群體，并根據(jù)形態(tài)信息構(gòu)建結(jié)構(gòu)以固化模擬結(jié)果。其固化結(jié)果的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、空間效果、肌理效果都體現(xiàn)了流體特性。

經(jīng)過努力，本研究展示了對(duì)于非線性形態(tài)中流體形態(tài)的解構(gòu)與重組過程，最終探討出一種可操作的流體形態(tài)生成策略。當(dāng)然，在眾多數(shù)字化形態(tài)衍生方法中，這只是冰山一角。我們希望通過本文的介紹，結(jié)合算法耦合的設(shè)計(jì)方法與結(jié)果的梳理，幫助設(shè)計(jì)師們看到數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的前瞻性、韌性、開放性和不確定性給設(shè)計(jì)過程帶來的益處。這種“至下而上”的模擬找形方式的潛能，值得設(shè)計(jì)人員多做探索與利用。

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