陳毅強

(廈門中福元建筑設(shè)計研究院 福建廈門 361009)

集群智能的媒介系統(tǒng)在規(guī)劃及建筑領(lǐng)域自組織生形上的應(yīng)用

陳毅強

(廈門中福元建筑設(shè)計研究院 福建廈門 361009)

通過對兩種類別自組織生形方法的原理及案例的分析比較提出：利用從生物界抽象而出的規(guī)則，具有集群智能的媒介系統(tǒng)能提供給建筑師一種更動態(tài)、全面的方法去研究建筑及規(guī)劃領(lǐng)域的自組織生形；且在當(dāng)前日益復(fù)雜的設(shè)計條件及更全面、嚴(yán)格的設(shè)計要求下，可通過在系統(tǒng)中設(shè)定多重標(biāo)準(zhǔn)及要求，更好地滿足設(shè)計條件，并實現(xiàn)設(shè)計的多向優(yōu)化。

參數(shù)化設(shè)計；自組織生形；物質(zhì)自組織；集群自組織；基于集群智能的媒介系統(tǒng)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，規(guī)劃和建筑設(shè)計領(lǐng)域開始重視更符合內(nèi)在規(guī)律的自組織生形，其中包括物質(zhì)的自組織和來自生物界的集群自組織。通過自組織，形式是內(nèi)在規(guī)律的外在體現(xiàn)，更為合理和優(yōu)化。運用物質(zhì)的自組織和集群自組織原理的設(shè)計方法各有特點。通過對這兩種設(shè)計方法在原理和運用實例上的分析和比較，以探求在當(dāng)前日益復(fù)雜的設(shè)計條件及更全面、嚴(yán)格的設(shè)計評價標(biāo)準(zhǔn)的背景下，一種整體的設(shè)計方法，使設(shè)計成果更滿足設(shè)計條件的要求，并能更好地滿足多元設(shè)計需求。

1 規(guī)劃與建筑領(lǐng)域的自組織生形

1.1 兩種自組織生形方式

從20世紀(jì)初，人們開始注意到物質(zhì)強大的自組織特性，它能自發(fā)的形成次序并積極的組織成新的結(jié)構(gòu)和形式[1]。 自然界的例子證明，這種物質(zhì)的自組織生形是取得最優(yōu)化性能的過程，能得到合理和高效的自然形式。這種物質(zhì)的自組織生形給建筑學(xué)帶來了極大的啟發(fā)。在該理論的影響下，從20世紀(jì)初，先鋒建筑師弗雷奧托(Frei Otto)開始系統(tǒng)地研究物質(zhì)行為，通過物理模型類比的物質(zhì)計算方式去尋找形式。這個自下而上的生形方式是一種全新的設(shè)計方法，它強調(diào)將探求本質(zhì)表達(dá)的物質(zhì)系統(tǒng)作為設(shè)計的主要構(gòu)成部分。在生形過程中，物質(zhì)間的應(yīng)力作用是形式生成的內(nèi)在驅(qū)動力。

與此同時，來自生物界的自組織開始被重視，它也是一種自下而上的生形過程。它來自于昆蟲的集群行為如螞蟻、白蟻、蜜蜂、黃蜂以及鳥類和魚類的集群活動[2]。雖然這些群體的單個成員并不具備高智能，但通過成員間的交互作用和協(xié)同及對環(huán)境的反應(yīng)，能完成復(fù)雜的任務(wù)和形成復(fù)雜的模式。系統(tǒng)構(gòu)成成員間的相互作用建立在局部的信息之上，并不存在來自全局的指令[3]。在快速發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)幫助下，來自生物系統(tǒng)的具有集群智能的集群行為能夠被計算機(jī)模擬，并被運用于眾多的科學(xué)領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)搜索、路徑優(yōu)化、無人機(jī)控制等，以及規(guī)劃與建筑設(shè)計領(lǐng)域的自組織生形。

運用基于集群智能的媒介系統(tǒng)(swarm intelligence based agent system)在計算機(jī)中模擬來自生物界的自組織，集群(swarm)中的個體稱為媒介(agent)，被賦予基本的行為規(guī)則(behavior)。媒介在集群中相互作用，使集群整體具備智能，并涌現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)。這種形態(tài)是自內(nèi)而外產(chǎn)生，是符合內(nèi)在規(guī)律的優(yōu)化體現(xiàn)。

1.2 尋找城市合理形式

通過物理系統(tǒng)自組織生形的方式去尋找合理的形式，其被運用在建筑和都市尺度的設(shè)計中。弗雷奧托研究了都市空間，認(rèn)為所有都市化過程都包含占據(jù)和聯(lián)系這兩個要素[4]。他將道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為三類：直接聯(lián)系的道路系統(tǒng)，最少曲線道路系統(tǒng)和最少路徑道路系統(tǒng)。在研究最少路徑系統(tǒng)時，設(shè)計裝置用玻璃板、肥皂泡和水，在代表目的地的針頭間形成最小路徑系統(tǒng)[5]，如圖1所示。為了尋找優(yōu)化的曲線道路系統(tǒng)用于優(yōu)化城市交通路線，發(fā)明了羊毛線物理模型。在模型里所有的目標(biāo)點被放置在一個圓上，最初每兩個目標(biāo)點之間用一條直的羊毛線連接代表直接聯(lián)系的道路；而后給每條毛線一定的自由度，將模型浸入水中。當(dāng)模型移出水面時，羊毛線互相粘合，生成的模式代表著優(yōu)化的道路系統(tǒng)，這個系統(tǒng)具有優(yōu)化的道路總長度，如圖2所示。

圖1 弗雷奧托計算最少路徑系統(tǒng)的實驗裝置

圖2 弗雷奧托羊毛線模型用于計算優(yōu)化的曲線道路系統(tǒng)

這種概念被運用于扎哈哈迪德在伊斯坦布爾的Kartal Pendik的城市規(guī)劃中，如圖3所示。規(guī)劃設(shè)計的意圖是獲得較大的建設(shè)場地，由較短的曲線道路連接，并降低道路的密度。這些道路最終融入于周邊的城市道路網(wǎng)絡(luò)中。設(shè)計中，與城市周邊道路聯(lián)接的節(jié)點作為場地內(nèi)流線的重要輸入?yún)?shù)，相當(dāng)于奧托羊毛線模型的固定端，最終得到的道路規(guī)劃是最少曲線道路系統(tǒng)和優(yōu)化的網(wǎng)格。

(a)道路系統(tǒng)設(shè)計概念 (b)模型鳥瞰圖3 Kartal-Pendik規(guī)劃設(shè)計方案

對于優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)，另一種方法是運用集群智能的媒介系統(tǒng)。這是建立在集群行為的共同識別(stigmergy)基礎(chǔ)之上(stigmergy, 一種基于荷爾蒙的識別，如螞蟻集群的識別行為)。其來源于生物系統(tǒng)，如螞蟻在搜尋食物時，通過釋放和跟隨荷爾蒙，最終形成由蟻巢到食物的最短路徑，如圖4所示。這種方法被用于多個領(lǐng)域。一個最著名的例子是銷售員最短路徑的例子：銷售員通過一組城市，每個城市經(jīng)過一次，規(guī)劃出最短的路徑，如圖5所示。運用集群智能的媒介系統(tǒng)進(jìn)行模擬，賦予媒介共同識別的行為，可得到銷售員在一系列城市間最短銷售路徑的規(guī)劃。

圖4 證明螞蟻集群找尋最短路徑能力的實驗

圖5 銷售員旅行路徑問題

基于集群智能的自組織系統(tǒng)是一個自下而上的生形過程，它通過系統(tǒng)成員(agents)間的相互作用，最終涌現(xiàn)出復(fù)雜的全局模式。人們發(fā)現(xiàn)城市的形成也呈現(xiàn)了相似的特征。正如Neil Leach指出的，城市的運作如同一個涌動的、適應(yīng)性的系統(tǒng)，它的運作基于城市組成部分間的相互作用，信息的反饋循環(huán)，城市模式的識別和非直接的控制。城市的形成模式也帶有涌現(xiàn)的特征。它展現(xiàn)出一種自下而上的集群共同智能，比其單一的構(gòu)成部分有著更復(fù)雜和先進(jìn)的行為。城市可視為一種有“集群智能”的系統(tǒng)[6]。

Kokkugia的墨爾本碼頭區(qū)規(guī)劃是將群集智能的媒介系統(tǒng)用于城市設(shè)計的一個探索，如圖6所示。在設(shè)計的過程中設(shè)計師并沒有去模擬城市的真實人口，也沒有使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法去規(guī)劃總平面。設(shè)計師設(shè)計了一個具有彈性的系統(tǒng)，系統(tǒng)里將城市里更廣泛層面的運作抽象總結(jié)，并將設(shè)計意圖作為系統(tǒng)里成員媒介運行的規(guī)則參數(shù)，這個系統(tǒng)的運行能自組織涌現(xiàn)出城市的形式[7]。相比較去滿足有限的城市條例，這個系統(tǒng)能將城市的各種所需作為輸入?yún)?shù)，成為系統(tǒng)成員媒介的運行規(guī)則。從這個意義上，這個系統(tǒng)具有多維優(yōu)化的能力。而且這個系統(tǒng)是開放和動態(tài)的，它能根據(jù)不同的輸入?yún)?shù)(經(jīng)濟(jì)、政治和社會要素)生成不同的動態(tài)的穩(wěn)定形態(tài)，而不僅僅是一個解決方案。

圖6 Docklands 規(guī)劃設(shè)計方案

1.3 尋找建筑合理形式

公元476年～公元1453年，歐洲建筑師最早運用物理模型的物質(zhì)計算方式去尋找建筑形式，他們運用這種方法尋找以石頭為砌筑材料的拱券的合理形式，以減少拱券的側(cè)推力。 20世紀(jì)初，西班牙建筑師高迪發(fā)展了這種方法，運用著名的懸掛模型，去取得與傳統(tǒng)教堂的厚重形式完全不同的輕盈結(jié)構(gòu)和空間。此后，以弗雷奧托為代表的建筑師們發(fā)展了這個生形的方法，把它使用在膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、充氣結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、枝狀結(jié)構(gòu)等建筑設(shè)計中，并取得了大量的成果。這些成果仍對當(dāng)代的建筑師有著極大的啟發(fā)。例如，弗雷奧托用懸掛模型去生成拱頂結(jié)構(gòu)，這個生成原則是根據(jù)反轉(zhuǎn)拋物線的原理，如圖7所示。通過反轉(zhuǎn)只有拉力的懸掛模型，一個只有壓力的優(yōu)化形式生成了，它可以充分利用材料的抗壓特性，極大地節(jié)省材料并產(chǎn)生輕巧的建筑形式。

圖7 慕尼黑框架殼體結(jié)構(gòu)的懸掛模型

計算技術(shù)模擬基于集群智能的媒介系統(tǒng)通過描述個體行為及其相互作用，能在整體上涌現(xiàn)出合理的形式和空間。個體可以代表不同尺度的物質(zhì)，既可以是構(gòu)成物體的結(jié)構(gòu)單元，也可以代表集群中的人，或是構(gòu)成社會的各種組織。集群中的個體行為基于基礎(chǔ)的規(guī)則如聚集(Cohesion)，分離(Separation)，跟隨(Alignment)，其他的個體規(guī)則可由這幾個基本的規(guī)則衍生出來，給予系統(tǒng)極大的彈性和潛力。建筑師們嘗試將這個系統(tǒng)運用于設(shè)計中，找尋合理的結(jié)構(gòu)形式，由人的行為定義的合理空間，城市的合理形態(tài)等。

Kokkugia設(shè)計的交織的復(fù)合物(Woven Composites)運用集群智能的媒介系統(tǒng)生成交織的復(fù)合表面，探索復(fù)雜的拓?fù)湫螒B(tài)的生成，如圖8所示。集群中的個體媒介對它周邊的多種環(huán)境情況作出反應(yīng)，并相互交織形成復(fù)合物的表皮[8]。Kokkugia 描述道：“這代表了從均質(zhì)表皮到將表皮作為一種涌現(xiàn)的集合轉(zhuǎn)變，這種集合由大量的‘物質(zhì)’相互作用生成。設(shè)計生成了極具美感的有機(jī)形態(tài)”。

圖8 交織的復(fù)合物

Marios Tsiliakos設(shè)計的纖維系統(tǒng)將不同的設(shè)計要求輸入具有集群智能的媒介系統(tǒng)里，以求得滿足多種要求的優(yōu)化結(jié)果。結(jié)構(gòu)的信息，外部環(huán)境和地形的數(shù)據(jù)被輸入系統(tǒng)，成為影響個體媒介行為的因素[9]。不同設(shè)計要求作為個體媒介的行為規(guī)則，具有不同的層級，決定其對個體媒介行為影響的不同重要程度。它們可對個體媒介的行為單獨發(fā)生作用，或根據(jù)其層級以不同權(quán)重綜合影響個體媒介行為，如圖9所示。比如纖維適應(yīng)應(yīng)力的排列是最主要規(guī)則，其次是太陽光線入射角度對纖維密度的影響。這些因素和規(guī)則共同影響著個體媒介的行為，最終涌現(xiàn)出的纖維表面，既具有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特性，又滿足了對于光照的控制需要。Kokkugia的香港“纖維塔”設(shè)計中，同樣運用媒介系統(tǒng)滿足多項設(shè)計需求：即結(jié)構(gòu)、形式和空間次序?！袄w維塔”的外表皮，既是網(wǎng)絡(luò)狀主要承重結(jié)構(gòu)，又表達(dá)了獨特的形式美感，同時交織的結(jié)構(gòu)間形成通風(fēng)及豎向的花園空間，如圖10所示。

圖9 運算算法的解釋圖例

圖10 kokkugia纖維塔樓

2 基于自組織生形方式的對比及思考

在探索城市和建筑的形態(tài)上，運用物理模型類比的物質(zhì)計算方式相較于計算技術(shù)模擬的基于集群智能的媒介系統(tǒng)具有一定程度的局限性，主要表現(xiàn)在三個方面：環(huán)境條件的設(shè)定，多層級設(shè)計要求的設(shè)置，及多重設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的滿足。這三個方面也是自組織生形設(shè)計方法的主要組成部分。對它們的深入研究和在設(shè)計過程中的優(yōu)化，能使自組織生形的設(shè)計方法更好地滿足當(dāng)前的設(shè)計需求，并使設(shè)計成果實現(xiàn)多向優(yōu)化(multi-performative)。

2.1 自組織生形的環(huán)境條件設(shè)定

環(huán)境條件設(shè)定即設(shè)計找形過程中初始條件設(shè)定。在弗雷奧托尋找優(yōu)化的曲線道路系統(tǒng)的羊毛線物理模型中，在圓上固定的羊毛線端頭代表著道路的接入點。帶一定冗余度的羊毛線代表著有長度余量的道路。這些以物理狀態(tài)呈現(xiàn)的設(shè)計條件傳遞著有限的信息。在這樣的物理模型中難以加入更多的設(shè)計前期條件，如地質(zhì)狀況，基地朝向，甚至是基地文脈，使其設(shè)計成果不能得到更多富有意義的形態(tài)和空間上的變化。

運用基于集群智能的媒介系統(tǒng)能更好地模擬出設(shè)計的環(huán)境條件。運用計算機(jī)技術(shù)，設(shè)計所處的物理環(huán)境可以很好地被模擬。甚至對環(huán)境的風(fēng)貌特征、文脈要求也能在一定程度上通過對建筑體量、比例、色彩等的參量控制反映在設(shè)計初始條件中。在Kokkugia的墨爾本碼頭區(qū)規(guī)劃中，城市環(huán)境被抽象的模擬作為代表著城市活動和城市組織的媒介運行的環(huán)境。Marios Tsiliakos設(shè)計的纖維系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)的信息、地形的數(shù)據(jù)以及包括日照在內(nèi)的環(huán)境信息都被作為設(shè)計條件以參量的形式輸入在系統(tǒng)中。設(shè)計師能通過對環(huán)境條件的分析判斷，將對設(shè)計過程有影響的因素抽象設(shè)置于媒介系統(tǒng)中，使設(shè)計過程能更好地體現(xiàn)真實的設(shè)計環(huán)境和意圖。

2.2 多樣多層級設(shè)計要求的設(shè)置

在設(shè)計過程中，通常需要考慮多方面的設(shè)計要求。這些設(shè)計要求，有的平行存在，相互制約；有的存在主次、輕重的等級區(qū)別。如何在設(shè)計過程中更全面地考慮各方面的設(shè)計需求，并處理好其相互關(guān)系，是設(shè)計的難點所在。運用物理模型類比的物質(zhì)計算方式去探索城市或建筑的合理形態(tài)，其裝置是應(yīng)力驅(qū)動的，它生成的形式具有優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和較少材料使用的特點。但它無法滿足非應(yīng)力的設(shè)計需求，使其也具有單一性和局限性。

在規(guī)劃和建筑領(lǐng)域運用基于集群智能的媒介系統(tǒng)，從宏觀中的社會組織，到具體的人或物，及微觀中的物質(zhì)構(gòu)成元素均可抽象為媒介(agent), 他們之間及與環(huán)境間的相互作用可抽象為規(guī)則。設(shè)計要求可以通過規(guī)則的制定體現(xiàn)在形態(tài)生成的過程中。這些規(guī)則可以對媒介(agent)的運行有相同或不同權(quán)重的影響，或是通過優(yōu)先級的設(shè)定來區(qū)分影響的等級。規(guī)則對媒介運行的影響強弱及等級區(qū)分可通過參數(shù)控制，局部的參數(shù)變化就能使全局形態(tài)涌現(xiàn)出巨大的變化，體現(xiàn)出運算化設(shè)計的魅力。在Kokkugia的墨爾本碼頭區(qū)規(guī)劃中，媒介運行有兩個層級，首先是由媒介根據(jù)規(guī)則自組織形成城市實體，其次城市實體作為媒介自組織形成網(wǎng)絡(luò)，代表著城市的基礎(chǔ)設(shè)施、流通系統(tǒng)，涌現(xiàn)出城市空間和形態(tài)。同樣的，Marios Tsiliakos設(shè)計的纖維系統(tǒng)，形態(tài)的生成是不同層級的規(guī)則影響的結(jié)果，結(jié)構(gòu)要求是第一要素，其次才是陽光的穿透率，這使設(shè)計成果更能符合實際使用需求。

2.3 多重的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及評價的滿足

設(shè)計成果的評價往往是綜合的，需要滿足多樣的評判標(biāo)準(zhǔn)。這與生形過程中初始設(shè)計環(huán)境及條件的設(shè)定和多樣設(shè)計規(guī)則的設(shè)置是密切相關(guān)的。運用物理模型類比的物質(zhì)計算方式的自組織生形，由于條件設(shè)定和規(guī)則設(shè)置的局限性，導(dǎo)致了其設(shè)計成果難以滿足綜合的評價標(biāo)準(zhǔn)。運用集群智能的媒介系統(tǒng)在這方面體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性。Kokkugia在墨爾本碼頭區(qū)規(guī)劃設(shè)計中，不再根據(jù)有限的城市設(shè)計原則去確定城市的規(guī)劃，而是將城市運行實體間的微觀關(guān)系和相互作用作為媒介運行規(guī)則，最終涌現(xiàn)的城市形態(tài)更好地反映了城市實體的需求，更好地符合城市設(shè)計的多重設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。運用集群智能的媒介系統(tǒng)，能很好滿足多重設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和評價，也使其成為實現(xiàn)設(shè)計多向優(yōu)化(multi-performative)的可靠手段之一。

3 結(jié)語

當(dāng)前，規(guī)劃和建筑設(shè)計總是在復(fù)雜多樣的設(shè)計條件中進(jìn)行，其中包括區(qū)位環(huán)境、用地條件、氣候狀況、交通設(shè)施等。 其設(shè)計成果需滿足多樣的設(shè)計需求，如功能需求、造價控制、綠色節(jié)能、美觀舒適、文脈傳承。這也促使設(shè)計師們?nèi)ヌ綄?gòu)成整體設(shè)計的不同部分的優(yōu)化可能性，如去尋找優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、適合的建筑形體以呼應(yīng)環(huán)境并將環(huán)境外力的影響最小化、優(yōu)化的建筑表皮以盡量減小建筑能耗并提高室內(nèi)舒適性。運用計算技術(shù)模擬的基于集群智能的媒介系統(tǒng)提供了一種強有力的方法，它能在系統(tǒng)中模擬復(fù)雜環(huán)境，定義復(fù)雜的條件限定，不同行為規(guī)則的媒介，多層級的設(shè)計要求，以回應(yīng)在設(shè)計過程中的多樣設(shè)計條件、多重設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，滿足對設(shè)計成果的多重評價標(biāo)準(zhǔn)、及對設(shè)計多向優(yōu)化的追求；同時它具有參數(shù)化設(shè)計方法的共同優(yōu)點，即動態(tài)、開放及高效。當(dāng)然，這種設(shè)計方法仍處于探索及初步運用階段，在運用過程中有許多難點及問題需要設(shè)計師們發(fā)動智慧創(chuàng)造性的解決，以推動其不斷發(fā)展，為設(shè)計師尋找創(chuàng)意和實現(xiàn)更優(yōu)化的設(shè)計提供有力支持。

[1] Manuel Delanda. "Material Complexity". Leach, Niel (Ed). Digital Tectonics. Page 17.

[2] Christian Blum, Daniel Merkle (Eds.) ."Swarm Intelligence". Page 43

[3] Scott Camazine, Jean-Louis Deneubourg, Nigel R. Franks, James Sneyd, Guy Theraulaz, Eric Bonabeau, "Self-Organization in Biological Systems". Page 8.

[4] Frei Otto. "Occupying and Connecting". Axel Menges Edition.

[5] Frei Otto, op cit, Page 64.

[6] Neil Leach. "Swarm Urbanism" in "Digital Cities，Architectural Design, 08,2009". Page 56.

[7] Neil Leach. "Swarm Urbanism" in "Digital Cities，Architectural Design, 08,2009". Page 61.

[8] Roland Snooks, Kokkugia. "Self-Organised Bodies" in "Architecture in Formation: On the Nature of Information in Digital Architecture". Page 264.

[9] Marios Tsiliakos. "Swarm Materiality". Page302.

Swarm Intelligence Based Agent System in Urban and Architectural Form Finding

CHENYiqiang

(Xiamen Zhongfuyuan Institute Of Architectural Design and Research, Xiamen 361009)

Through comparison of these two self-organization methodologies, the article has come to a conclusion that with the rules from the animate world, swarm intelligence based agent-system can provide architects a more dynamic and holistic way in finding form both in architecture and urban scale; furthermore, in order to meet the more complicated design restrictions and more rigorous design requirements, through incorporating numerous design criteria within the system, it can lead to multi-performative architecture.

Parametric design; Self-organization; Self-organizing matter; Self-organization of biological colony; Swarm intelligence based agent system

陳毅強 (1976.7- )，男，工程師。

E-mail:cyqarchitect@163.com

2017-05-22

TU11

A

1004-6135(2017)07-0048-05