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智能人工建筑设计

文章来源：未知作者：深地研究院
时间：2020-05-14 20:20 访问量：

"以铜为镜，可以正衣冠"

-概念定义-

因为对于“人工智能”以及相关的概念，解读和定义有很多种，在这一节，说明一下文章中会大量用到的两个概念，避免歧义：

文中的“人工智能”主要指机器学习，详细点说是指以数据为原材料，训练相应模型得到解法的过程。而标题中和后文所提到的“智能人工”指的是用明确的数学模型或算法来辅助或替代某些人力的过程。

机器学习与人类学习的模式对比

两者区别是这个算法是不是根据使用者本身的经验来编写的，需不需要经过大量数据的训练，或者可以通过是否是编写者经过自身的训练与思考得出了相应的模型，直接规则化来进行判断。

当然，两者并没有绝对地对立，在某些特定的算法上，很难说是单独的哪一种，譬如一些统计问题，其问题本身就和机器学习的模型一致。

为什么需要强调这两者的区别？不妨引入科学哲学中的两个概念，一为“思维经济法则”，二为“解题主义”。

思维经济法则大致是说，利用尽可能少的结构和模式摹写尽可能多的事实，大部分的理论都符合这样的期待，一般而言，要求的摹写精度越高，理论会越复杂，但在相同的精度之下，越简单的理论越越好。

解题主义则是说，无论理论为何，能够更有效地解决问题的理论，就是好理论。其中“有效”一词能够很好地兼容思维经济法则的内容。

譬如预测物体的运动，在宏观低速的状态下，使用简单的牛顿力学就可以解决问题，而在微观上，需要使用量子力学，在高速的情况下，需要使用相对论，这些理论都可以视作在特定情境下解决问题的最有效的办法，并且也是淘汰了其他理论的最“经济”的理论。

那么回到建筑设计的问题上来，我们究竟要解决什么样的问题？如何使用计算机更为经济？

第一个问题，以我个人的观点来看，在不断的社会分工细化的背景下，建筑师所需要解决的关于建筑的核心问题是形式问题。绝大部分建筑师用来区别于他人的，就是所谓的“风格”，“形式”。而日常工作中，形式的运用有两种情况：

ZAHA事务所通过飞行器空气动力的分析产生新形式

1.在长期实践中，需要形成自己的独特风格与形式语言，在应用于项目时需要根据项目的具体情况作出调整。譬如诸多明星事务所。

小库科技在卓越集团项目中的运用

2.项目本身已经有了明确的形式要求，需要有经验的建筑师快速根据要求实现相应的形式。譬如大部分的住宅小区和有明确风格喜好的业主。

第二个问题，相对于人，计算机最大的优势在于能够进行高速的逻辑与数学运算，但它只能在人类编写的框架和规则下进行运算。我们通过把现实问题全部或部分转换为数学问题，就可以让计算机能够高效地进行机械计算来辅助人类。

结合以上两个问题的分析，我们得到了两个解决问题的方法：

architectural design from Xuberance

1.利用计算机的快速运算能力，创作出不同寻常的形式，譬如利用maya快速预览曲面细分造型的计算能力，创作区别于传统建筑形态的曲面造型。

NOAH计划中的快速形体生成

2.通过把形式的要求算法化，规则化，利用运算能力提升设计特定形式的速度。

这两个路径最大的区别在于，前一个为创造性的工作，没有明确的目标，是探索性的，后一个有着明确的目标，是效率性的。当然在特定的情况下，两者会交替出现，譬如某事务所已经有了成熟的风格，通过算法提高特定风格的设计效率，在效率提升之后，多出来的时间又能研发更新更多的风格细节或者新风格，如此往复就是一二两个路径的交替。

而人工智能或者说是机器学习，是需要原始数据与目标函数的，并且数据量越多越好，目标函数也需要明确，这就限制了它成为第一条路径方法的潜力。需要补充的是，限制潜力不意味着不行，譬如历史上的折衷主义，混合了两种风格，这种在现有的材料中杂交的创作，是机器学习可以也擅长的领域。

第二条路径中，由于形式的要求非常明确，譬如住宅强排所要求的各项指标与规范，直接将它们翻译成数学公式要比利用机器学习去训练模型要有效还快速得多，还记得我们之前提的“思维经济法则”么？我们不妨也设立一个“显卡经济法则”，在同等要求下，消耗显卡越少的方法越经济。从显卡的角度来看，直接根据相应的要求进行数学建模要经济得多。

在这样的说明和限定下，我想已经能很清楚地说明为何我认为机器学习意义下的人工智能并不适用于建筑设计领域的原因。相对的，利用自身的创意与经验积累，能够理性地予以工程化，算法化，从而大大提高设计效率与可能性的计算机方法，也就是所说的智能人工，更让我觉得合理。

"以史为镜，可以知兴替"

-演变类比-

不妨回顾一下我们所使用的设计工具的上一次演变，即从徒手画线到尺规作图。在这一过程中，绘图在这几个方面有了巨大的改变。

委内瑞拉艺术家 Rafael Araujo仅以尺规与量角器创作的艺术作品

首先提升的，是绘图的效率，相对于徒手绘制直线或圆，绘图者可以利用尺规快速地绘出大量的直线与圆形，其速度是徒手绘制所不能比拟的。其次则是绘图的准确性，尺规作图在所绘图形的准确性上有着巨大的优势，毕竟工具的物理特征决定了所绘图形的精确度会远优于人的肢体、。最后则是绘图门槛的降低，在尺规被发明之前，或许只有经过长时间训练的人才可以熟练地画出漂亮的圆和直线，但之后，任何人只要经过简单的指导便可以用工具画出超越之前熟练工的准确度的圆和直线。

正十七边形的尺规作法

效率，准确性，门槛，是这一次演变的关键词。但我们仍应该注意到的是，所有这些优化的改变都是基于特定的任务，即直线和圆，如果是画肖像或是自然物，我们仍需要经年累月的训练。但另一方面，远远超越徒手的准确性也拓展了绘图的界限，譬如在有尺规之后，数学的几何绘图有了发展的契机，譬如正十七边形这样的数学图形，徒手绘图不知要训练多少次才能够画的出来，更别提更复杂的那些几何图形了。

作图工具的进一步演化和发展，也带给工程人员以更大的便利，我们在建筑史中所见到的那些精美的古典建筑手绘图可以认为是这些工具的巅峰，也正是因为这些工具的出现，精妙的比例才得以应用于真正的工程之上。在形式创新上，我认为这一步最大的跨越在于把原本无法操作的精确数学比例变成了工程上可以操作的问题，从而能够通过“计算”而不是“摹写”来超越原本具象的自然物。

回过来看计算机介入绘图的过程，会发现历史惊人的相似，依然是效率、准确性、门槛。

在绘制工程性的图纸，以及标准几何体的领域，计算机绘图的效率提升比上一次演变的提升更加巨大，不再需要依赖所使用工具的物理特性，计算机依靠数据来存储和定义图形，从而彻底地符合了人们对于绘图的要求。譬如线段，即两点之间的连线，计算机中即存储端点的坐标以及“直线”的定义，和人的脑中愿望是完全一致的。

爱奥尼柱式的图纸

举个具体的例子，在计算机绘图出现以前，以作图工具，凭视觉拷贝图纸，无论再小心谨慎，也无法保证准确。但如果是标了尺寸的工程图纸就会好上许多，因为在工程图纸上，以数字表现的尺寸数据才是最确定的部分，几何的线条甚至可以算是这些数据的可视化。计算机绘图直接将这些数据进行了储存，从而一劳永逸地保证了绘图的准确性。

再来说门槛，比较明显的例子是，如果我只用一个手指头，我无法使用尺规画图，但是借助计算机绘图软件，我甚至可以画出完整的建筑施工图纸。学生也不再需要经过严格的画法几何的训练就可以得到他们所做设计的精准透视图或轴测图。

但老问题再次出现了，在绘制能够被数学良好定义的图形方面，计算机可以以一骑绝尘的姿态面对之前的绘图工具，但当绘制难以被数学准确定义的图形时，它有时还不如手绘。譬如临摹一张中国古典山水画，那些经过训练的赝品制作者能够很好地再现相应的图像，但如果是计算机绘图软件，对于这样的东西就是一筹莫展。

那么超越的点呢？就如同尺规将更复杂的比例引入了设计，计算机是否带来了新的，形式上的巨大可能性呢？

卡拉比-丘流形可视化，传统画法几何几乎不可能得到其透视图

当然，并且我们现在拥有了把整个数学体系搬进来的能力，毕竟计算机首先是用于“计算”，然后才是用于绘图，从计算机绘图的本质上来说，所有的绘图都是数据可视化。

但在这里我需要停一停，毕竟我们不是数学家，也不是计算机科学家，建筑设计的创作始终不能脱离现实，就像服装设计最终需要落实在布料上一样，脱离实际的空想建筑有其意义却始终不会成为推动学科进步的主动力。

回观建筑史，唯有材料的巨大改变与建筑形式的改变有着极强的相关性，石质与木质是东西方建筑形式差异最明显的区别来源，拱与斗拱也是适应材料特性的代表形式。工业革命之后，玻璃和钢的运用极大地改变了建筑的外观，而钢筋混凝土的出现则是又一次拓展了了建筑设计形式的可能性。

新材料使用之初，人们会习惯于用使用旧材料的方式去使用它。譬如钢梁钢柱，混凝土砌块等等。过去的工程经验能够让我们快速地把新材料适配进旧的材料形式中去，但事实上，新材料所包含的新的形式可能性是绝不会和旧材料相同的。

譬如混凝土，一开始它被大量地运用于梁柱结构，就如同以前的巨大木材一样。而后，建筑师们发现了它在形式上的潜力，创造出了一系列令人惊叹的新奇建筑形式。

沙里宁设计的TWA航站楼，建于1962年

这些形式的创新是来源于绘图工具的革新吗？不，我认为不是的，这些形式的创新首先是来源于建筑师们对材料的逐渐熟悉，其次是自身的审美素养，最后才是绘图工具所带来的工程上的可能性，要知道，早在1962年，沙里宁就创作出了不输于今天先锋建筑师的曲线形式并付诸实践。

那么绘图工具就不重要了吗？也不是，前面所说的效率，准确性，门槛三个方面的提升能够让建筑师更快，更准确，与更多人协作着去完成建筑创作。更快和更准确比较容易理解，但与更多人协作却有着我希望更深入讨论的意义。

协作不是指门槛的降低让建筑师更多，从而有更多的人去协作，而是说设计思路第一次有了被完全理解的可能性。仍以绘图工具的演变作为例子，若是纯手绘，观者只能看见图形出现而不知画者所想，但借助绘图工具作图时，通过看画者的画图顺序，工具的摆放位置（譬如能看到圆规的圆心落点），能够在一定意义上理解画图者的想法，这种观法已经很接近我们现在的所谓“生成图解”。

但更进一步，若是使用程序绘图，所有途径计算机的部分都可以被直观地理解而不依赖于画者的主观解释。譬如我用算法或是一套gh以特定场地和参数作为输入，得到了具体的建筑形式，所有看得懂代码的人会100%理解我的设计流程与思路，但看设计图解则不然。

这种协作的意义在我看来远远超过了效率和准确性的提升，而像是从占星学到天文学的转变，建筑师们终于有一个大家通用的语言能够相互无障碍地交流，在他人工作的基础上继续添砖加瓦而不是各说各的。这给了建筑学一个摆脱玄学的机会，能够把那些能够做清楚设计和功力在吹牛上的人区分开来，毕竟计算机不认名声，不认地位，只认代码。

这件事在教育上亦是意义重大，建筑学不再是需要“悟”的学科，它会变成一个可以“学”的学科，只要你能看得懂代码就能知道一切。举个最简单的例子，哪怕你没学过建筑，你如果能看懂NOAH的源码，那么里面相关的建筑设计知识你便是学会了，无需像传统的建筑设计一般还需要看大量的案例去“领悟”。

占星学？天文学？

我期待着下一个历史阶段，建筑设计的原则，手法已经被建筑师，建筑教育者们翻译成通用的代码语言，让原本需要长时间领悟的“感觉”变为像数学公式一般可以直接学习和理解的“方法”，从而解放学生的时间来做真正有创造力的事情，而在这种框架下创造出的“方法”，又能迅速地为他人所理解和借鉴。这种模式也是当代计算机科学中所谓“开源”思想的体现，而这种思想的威力人人可见，谁都知道，计算机科学是当今进步最快的学科，为什么不借鉴呢？

其实这种趋势已经发生，学习参数化学习或是算法设计的学生，从不需要“悟”，他们能够迅速学习和掌握相关的工具，高效地创作出相应的形式，相较于传统的学习与创作方式效率提升何止十倍，就怕如同布鲁诺被烧死一般，现行的体系为了自身的利益压制着新生的，先进的事物，但就像是天文学最终会击败占星学，历史兴替不会为一二人所阻。

"以人为镜，可以知得失"

-案例分析-

不妨就以之前提到的一些关键词作为线索，提一提那些我所认为在计算机介入后，真正合理运用了它的人们。

“算法”

Inst.AAA

Inst.AAA,全称是东南大学建筑运算与应用研究所，配图是李飚老师在《建筑学报》17年5月数字专辑中文章《算法，让数字设计回归本源》中的配图。也是在这篇文章中对于算法这一概念，李飚老师有一段精彩的阐述：

“ 建筑设计通常表现为对设计规则的揭示与重新发现，并最终以规则的折衷或妥协得以实现，诸多规则限定可以触发设计师的想象力，然而，为了体现设计的原创性，设计师也会选择性的强调某些设计规则，如文化特征、空间限定、技术要求等，创造的冲动与规则的控制形成明显的反差。与此同时，“直觉”是建筑学实践的重要因素，因而设计的评价通常也高度主观。“直觉”决定设计活动，意味着随意、模糊或武断的结果，且缺乏理性的一致性特征。

建筑数字技术隐藏着形式创新的可能，然而在这个新奇旅程中，寻求片面的形式创新已成为一种误导，它取代了建筑学学科的主导因素，并在引入建筑学学科的那一刻便违背了数字建筑的初衷：由于缺乏对数字算法本质及其计算机制的理解，数字设计中的算法逻辑以及数字概念的固有定义对某些设计者来说显得太直接，并成为合理化数字设计探索的严重障碍，设计者在利用数字工具的时候难以意识到其潜在的全部价值。”

“独特形式”

极致盛放

极致盛放创作的一系列风格是我所见的3D打印作品中风格最为张扬的之一，他们对于MAYA等建模软件的运用程度非常之高，可以说是这个领域的天花板了。

以极致盛放为例，目的是说明在数字建模技术的帮助下，设计师相对于从前的雕塑家，能够更快更好地创作出极端复杂的形式而不必每一次都使用真实的材料来练习，一旦设计完成，3D打印又能超快速地完成制造这一部分，从而使设计师的精力能够更多地集中在创作上。

“效率”“开放”

Noah

Noah是C+Z Studio主持开发的智能化设计算法工具，能够快速协助建筑师完成强排等规范明确的劳动，相对于小库科技的产品，我更欣赏Noah的态度，即“开放“，有技术的设计师能够参与开发，想学习的建筑师能够直接阅读源码来快速入门，这样平台的价值对于行业来说无疑意义更大，就像核心人物Skywoolf在《写给建筑设计的大程序时代》一文中所提到的建筑师在新时代的转变：

“先制图工作会越来越程序化，也可以说是越来越智能，建筑师的时间和精力会被大量的解放出来。这其实是一个好消息，同时也随之带来一些行业的变化。有富余时间的建筑师会越来越多，这将促使设计思考发生进一步的衍化。

一部分建筑师将有精力把建筑设计得更加精致，举个现实点的案例，当下的建筑师以每栋建筑作为一个设计命题或是作品。但因为大程序时代，建筑设计理念可以高度的程序化，那么建筑师可以将自己的作品定义为某种建筑生成逻辑程序，即使未来用地改变、使用功能改变，这套程序都可以根据相应变量演算出合适的设计结果。这意味着，我们有机会在不同的项目里始终不断深化一类建筑方案的生成逻辑，而这种建筑算法也将成为创作者的独特风格。

另外一部分建筑师可以有充裕的时间去探索全新的空间设计领域。他们可以自由地编写创作思想，让算法来执行、加工这些方案，生成更多的可能性。计算速度快一直是计算机程序最大的优势所在，在时间有限的职业生涯里。唯有更快可以让我们抵达更多未知的可能。

当然，还会有一部分建筑师成为算法的研发者。这部分人会坚守在算法逻辑与空间设计之间，一直为这个时代的衍化铺路、搭桥。他们会成为新时代的枢纽，也会是新思潮的代言人。“

“几何”

Cecil Balmond

从2017年开始，我就一直参与着Cecil Balmond的形式研究工作，他对于数学，几何的敏锐洞察力直到现在还经常震惊着我。尽管他本人并不会编码，但却对整个形式系统有着完全明确的掌控，甚至可以看到生成的形式之后告诉我应该在某一步出错了，验证之后，果然如此。

他的作品往往体现着简单规则产生复杂形式的能力，其规则甚至简单到只有四则混合运算和10以内的自然数，而作品的复杂度却远远超出了更复杂算法的成果。几何与数学的威力可见一斑。

“形式潜力”

Team CAFA/WILD

一个简单的操作，把倒悬的铁链焊接起来，Team CAFA/WILD创作出了和建构紧密联系的数字形式。悬链线天然地富含着结构意义，之前却没有人用如此低成本的方式实现出来，这样的巧思无疑是极有意思的。

经过改进，用焊接铁链已经可以进行空间定位了，而和这次试验一样，是不是会有更多的古老建造方法或是工程方法中蕴含着更多的形式潜力？我期待着他们会有更多有意思的实验。

“空间”

THEVERYMANY

用独创的材料和构造体系，真实地建造出了复杂数学曲面，其中构造和形式的统一是吸引人的，而利用数字设计实现的复杂空间关系更是在他之前难以想象的，更不要提建造了。请仔细观察这构筑物所围合的空间和拓扑关系，是之前任何建筑中都没有出现过的。

“结构”

Ameba

不妨看一看Ameba的宣传动画，就能知道它有多么有意思。将结构设计与建筑形式创作在一个算法框架下统一起来，在一个理性科学的框架下又不断迭代着新的功能以适应设计需要，我们需要这样的开发者与设计师去真正推动学科进步。

“优雅”

ZHACODE

ZHACODE的神奇之处我认为倒不在于其强悍的代码开发能力，而在于他们开发的形式每一个都仍然体现着ZAHA事务所优雅的审美特质。THALLUS装置是我最喜欢的ZAHA事务所的作品之一，从设计到制造完整的数字化流程，花纹本身的独特形式都令人难忘。

“材料”

连联

连联是一家独特的设计企业，他们有着巨大的材料库，作为新材料供应商，他们那里有着各种各样神奇的新材料，而这些材料的奇妙特性所蕴含的设计潜力大到难以置信。譬如上图均是相机直接拍摄，区别仅在于是否打开闪光灯，这种材料的光学特性令人称奇。

这仅仅是他们作为展示的一个产品，就已经足够惊人，我也期待着这些新材料中能够不断产生前所未见的形式创新。

“细节”

Michael Hansmeyer

Michael Hansmeyer利用数字技术所产生的细节层次是传统设计所无法想象的，不借助数字设备我们甚至无法想象，如果说极致盛放的细节还能为人所想象和把握，那么Michael Hansmeyer所创作的作品已经完全超越了人的想象能力了。

当这几近无穷多的细节展示在你面前时，你将毫不怀疑数字技术所蕴含的巨大设计力量。

“生成”

无尽之形

这一把椅子，让张周捷把中国设计师创作的数字艺术带到了世界艺术舞台上，如他在《造就》中所谈到的那样：

“造物不是像我们现在的工业设计这种方式，而是有另外一种更强大的方式，而这种方式来自于，“道”。即“造物有道”，为什么这么说，因为所有的创造的东西，它都是有规律、有自然的法则所约束的，而道是最核心的。

道，来自于自然法则的演化的一个结果，自然就是宇宙的总规律，而规律又可以被解释成逻辑，而逻辑，我们往往用数学的关系来定义他们。

十年前，我就推理出一个概念，就是自然造物的法则是由大自然数学逻辑构建的，在漫长的演化过程中形成的，而终极的造物方法，也必将是逻辑构建的数学关系为基础的方式，不是我们人能够想象得到的。

未来数字设计的一个很强的能力，就是演化，这跟大自然一样，它是可以演化成无穷无尽的，我们要培养计算机的可能性，创作不再以人为中心。

对中国设计师来说，这是一个很好的时代，因为我们可以建立新的评价体系，我们创造了数字的物种，我们有很多机会。

我也相信，会有越来越多的人参与这个行业，而我们也将继续努力，把计算机特有的创造力给激发出来，它超越我们的想象，幻化出无穷无尽的魅力。”

“暧昧”

StudioAlpha

在实际工程中，我自己都惊讶于数字设计的力量，因为是自己的作品，自夸有些不妥，就只放我自己最喜欢的两张图吧，它们完全由算法生成。

项目施工时的照片，希望自己也能不断进步，广泛实践

结语：

我犹记得在数学学习中看到过的一句话：“数学，即为人类心智的荣耀”，那么，设计，或者说创造性的设计，在计算机的辅助下，是否也能成为人类心智荣耀的一部分？

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