過程、邏輯與模型
——參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計解析

袁旸洋

成玉寧*

隨著數(shù)字技術在設計領域研究的深入，參數(shù)化設計方法在二維與三維形態(tài)設計領域已有廣泛運用，數(shù)字流使設計與建造、施工等過程的聯(lián)系更加緊密，成為輔助設計師進行復雜形態(tài)設計與塑造的有效方法[1-2]。當代風景園林規(guī)劃設計緊密圍繞“生態(tài)”與“形態(tài)”兩大核心展開，參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計方法的意義不囿于“形態(tài)”，更在于“生態(tài)”：通過對自然過程與規(guī)律的分析與解讀，構(gòu)建設計邏輯，搭建模型描述設計系統(tǒng)，將來源于場地分析與評價的定量化數(shù)據(jù)作為參變量，基于調(diào)控生成動態(tài)優(yōu)化的設計結(jié)果，使設計與場所的固有特征、規(guī)律及過程相耦合，從科學意義上實現(xiàn)因地制宜。

1 風景園林規(guī)劃設計的參數(shù)化原理

復雜科學的興起對風景園林產(chǎn)生了重大影響，系統(tǒng)論的觀點被引入風景園林學的研究之中。作為多目標的復雜系統(tǒng)，風景園林規(guī)劃設計的對象與目標具有特殊性，與建筑設計相比，參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計方法有著自身的特點。

1.1 風景園林系統(tǒng)的復雜性

根據(jù)系統(tǒng)論的觀點，復雜系統(tǒng)中不同因素相互作用產(chǎn)生的影響絕不是簡單相加，即整體大于部分之和[3]。隨著研究的深入，復雜性的內(nèi)涵不斷豐富，它不僅指代復雜、混亂，還意味著嵌套、自相似和突現(xiàn)，更意味著整體、秩序和漸次增加的層次、組織性及進化。豐富性與復雜性從語義表述上看似乎具有一定相似性，系統(tǒng)的豐富性包含了復雜性：風景園林環(huán)境蘊含了大量的信息，復雜性呈現(xiàn)了這一系統(tǒng)內(nèi)部信息間的相互關系，場所記錄了歷史的時間軌跡，留存了人與自然的發(fā)展痕跡，積淀了豐富的信息。從信息的構(gòu)成上看，風景園林的場所信息類型十分豐富，并且外化表現(xiàn)方式不一。風景園林環(huán)境由兩大子系統(tǒng)構(gòu)成，其一是遵循客觀規(guī)律的自然或擬自然的生態(tài)系統(tǒng)，其二是人為的設計目標及功能訴求。系統(tǒng)的復合性分別應對不同的“秩序”。亞歷山大(Christopher Alexander)于1964年在《形式綜合論》(Notes On The Synthesis of Form)的導言中指出：“如今越來越多的設計問題已達到難以解決的復雜程度……與問題的復雜性增強相對應，信息量和專業(yè)經(jīng)驗的復雜性也在增長。這些信息廣泛、分散、無序，難以把握……信息量已超出單一設計師個人所能把握的范圍。[4]”隨著社會的發(fā)展，人們對風景園林環(huán)境的認識逐漸加深，設計時思考的內(nèi)容較以往更為廣泛和豐富，需要處理的信息也呈幾何倍數(shù)增長，僅憑借經(jīng)驗難以處理如此復雜、多元的信息，更難以駕馭龐大的信息群。參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計將整個設計流程建立在數(shù)字化軟硬件平臺之上，依據(jù)客觀條件結(jié)合風景園林設計的多目標訴求，理性地構(gòu)建邏輯模型，選擇適宜的算法，并模擬復雜系統(tǒng)，依靠計算機的運算能力和圖形處理能力，科學分析和評價風景園林環(huán)境，輔助生成設計結(jié)果。參數(shù)化的設計方法利用要素之間的關聯(lián)，將復雜的風景園林環(huán)境信息統(tǒng)合于系統(tǒng)之中，通過要素調(diào)控實現(xiàn)風景園林環(huán)境的系統(tǒng)優(yōu)化。

1.2 多目標的風景園林設計

“空間、生態(tài)、功能、文化”是現(xiàn)代風景園林環(huán)境的4個基本組成部分，四要素之間的關系猶如三棱錐體的4個節(jié)點(圖1)，不同的風景園林環(huán)境中4個節(jié)點的權重與相互關聯(lián)度不盡相同，使不同的風景園林環(huán)境特征表現(xiàn)出明顯的差異性，從而呈現(xiàn)出千變?nèi)f化的景觀[5]。風景園林規(guī)劃設計過程就是在研究場所條件的基礎上，尋求多目標達成的途徑。風景園林規(guī)劃設計不是4個基本面的簡單疊加，而須根據(jù)環(huán)境與訴求的不同，權衡與調(diào)節(jié)4個基本構(gòu)成因素，使之在同一環(huán)境中和諧共生。風景園林環(huán)境的服務對象是人，需要滿足人的訴求。當代風景園林規(guī)劃設計是在滿足自然系統(tǒng)存在及發(fā)展規(guī)律的基礎上將人的需求嫁接、植入，實現(xiàn)設計的人工系統(tǒng)與場所的原生系統(tǒng)之間的融合。對于風景園林環(huán)境而言，容易改變的形態(tài)并非系統(tǒng)的本質(zhì)特征：場所中的自然過程與規(guī)律不以人的意志為轉(zhuǎn)移。因此，設計不應只關注“形態(tài)”，更應聚焦“生態(tài)”問題，在研究風景園林系統(tǒng)及其變化過程與規(guī)律的基礎上開展設計，動態(tài)地調(diào)節(jié)4個基本構(gòu)成要素，使風景園林環(huán)境能夠自我持續(xù)發(fā)展。兼顧“形態(tài)”與“生態(tài)”的設計成為風景園林規(guī)劃設計的訴求，是參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計方法的核心所在。

1.3 設計要素的動態(tài)性

風景園林設計需要處理的信息不僅數(shù)量龐大、復雜性程度高，而且并非一成不變：風景園林環(huán)境的信息在系統(tǒng)內(nèi)處于動態(tài)變化之中。草長鶯飛、飛流直下、花開花落等是風景園林環(huán)境動態(tài)景象的基本特征，也是風景園林規(guī)劃設計與建筑及城市規(guī)劃設計的顯著區(qū)別。其根本原因從古典主義與現(xiàn)代景觀設計的區(qū)別比較中不難看出，古典主義造園的特征在于依據(jù)人的意志將景物保持在“最佳狀態(tài)”，而現(xiàn)代景觀設計則強調(diào)將人的訴求融入自然的進程。不同于人工建成環(huán)境，風景環(huán)境中自然進程發(fā)揮著決定性作用，人們無法對風景園林場所形成絕對的控制。設計師必須審慎研究并巧妙運用“自然力”，在時間與自然力的共同作用下，場所呈現(xiàn)出的動態(tài)特征應納入設計師的思考范疇。據(jù)此，應當建立“過程”的意識和理念，建構(gòu)一個動態(tài)的設計過程，使之與環(huán)境的動態(tài)性積極響應。參數(shù)化的設計模型體現(xiàn)了各設計要素之間的關聯(lián)，呈現(xiàn)為一個開放、動態(tài)的系統(tǒng)，即單一要素的改變會引起設計結(jié)果的變化。由此，參數(shù)化的設計方法能夠與風景園林設計要素的動態(tài)特征相契合，體現(xiàn)自然的演進與變化過程。

2 參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計的機制

近30年來，風景園林規(guī)劃設計的變化在于“由關注結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾曔^程的設計”，即重視設計過程的設計及控制。新的設計方法通過把握動態(tài)的設計過程，結(jié)合調(diào)控與優(yōu)化，實現(xiàn)“生成設計”，體現(xiàn)了“自下而上”的特征。風景園林的參數(shù)化設計強調(diào)對過程而不是結(jié)果的控制，“自下而上”能夠?qū)崿F(xiàn)最少人工干預下的適宜性設計。

“參數(shù)化”本質(zhì)上是一個描述過程的術語，它依據(jù)設計要素之間的關系，通過在變量與輸出之間建立聯(lián)系形成衍生關系。在風景園林規(guī)劃設計中，事物之間的關系體現(xiàn)為解決設計問題所產(chǎn)生的設計邏輯。參數(shù)化設計亦可以稱為參變量化設計，即設計是受參變量控制的，改變參變量的值會使設計結(jié)果隨之變化。在設計邏輯形成的基礎上構(gòu)建模型，通過調(diào)控模型中的參變量，從而生成設計結(jié)果，是參數(shù)化設計的核心。因此，參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計包含了3個關鍵因素：參數(shù)化設計過程、參數(shù)化設計邏輯，以及參數(shù)化設計模型。

圖1 現(xiàn)代風景園林規(guī)劃設計的4個目標

2.1 參數(shù)化設計過程

“過程”是對事物發(fā)展所經(jīng)歷的程序及階段的稱呼。在哲學領域，“過程”一詞被定義為事物發(fā)展變化的連續(xù)性在時間和空間上的表現(xiàn)。設計同樣也是一種“過程”，體現(xiàn)在時間和空間中。在時間維度中看，設計過程僅對應了事物發(fā)展的某一階段。城市規(guī)劃、建筑及風景園林等領域的設計活動都遵循一個基本相似的秩序。以往，設計過程常常被概念化為一個線性的過程，隨著系統(tǒng)論的提出和當代設計的發(fā)展，逐步意識到設計所面對的對象是一個復雜的系統(tǒng)，而不再是單純的要素集合體。約翰·澤塞爾(John Zeisel)在《研究與設計：環(huán)境行為研究的工具》(Inquiry by Design: Tools for Environment-Behavior Research)中將設計過程形容為“設計螺旋”, 是一個循環(huán)和反復的過程，設計者一再重復一連串的活動，每次都解決一些問題，而這些活動都指向同一個目標[6](圖2)。設計需要滿足各種設計需求，是在約束條件下進行的創(chuàng)造性工作，通過一系列設計活動具體實現(xiàn)。設計過程是一項復雜的系統(tǒng)工程，是多種知識的有效集成和耦合。由此，設計過程可以被定義為：為解決設計問題的一種創(chuàng)造性、系統(tǒng)化方法，是有計劃、有步驟、漸進式不斷完善的過程，即需要經(jīng)過多次設計迭代才能獲得滿意的結(jié)果。循環(huán)迭代的設計過程可被描述為一個“設計—分析—評價—再設計”的過程。

圖2 螺旋性重復進行的設計過程(改繪自參考文獻[7])

圖3 參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計過程

圖4 項目選址的參數(shù)化設計邏輯構(gòu)建

除了迭代的特點，系統(tǒng)性、非線性也是現(xiàn)代風景園林規(guī)劃設計過程的重要特征。自1950年以后，在計算機、自動控制及系統(tǒng)化的影響下，相比傳統(tǒng)憑直覺和經(jīng)驗的思考，現(xiàn)代設計更傾向于邏輯化與系統(tǒng)化的思考[7]。風景園林規(guī)劃設計要重視系統(tǒng)分析和綜合判斷的作用，系統(tǒng)分析是將風景園林場所中的各要素看作是互相關聯(lián)的整體，在對要素獨立分析的基礎上還要注重分析各要素之間的關聯(lián)。綜合判斷是根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，經(jīng)過整合分析之后，權衡各要素作出設計的判斷。系統(tǒng)分析和綜合判斷是辯證統(tǒng)一的，系統(tǒng)分析是綜合判斷的前提，只有通過分析才能為設計提供解決問題的依據(jù)，加深對設計的認識；綜合判斷是對分析的總結(jié)、歸納、完善和改進。關于線性與非線性的討論起源于自然界，在相當長的一段時間內(nèi)，人們關于自然的研究局限于線性的方法。然而自然科學的成就說明人類面對的是一個復雜的非線性世界，僅僅靠線性難以囊括。風景園林規(guī)劃設計面對的是復雜的非線性“對象”，因而需要以非線性的思維來看待設計問題。非線性的思維帶來的是設計過程的復雜性、非線性和設計結(jié)果的不確定性。設計結(jié)果的開放與不確定帶來了多解，然而最終實施的方案卻是唯一的。設計師難以單純通過主觀的評價來判定方案的優(yōu)劣，故而必然需要有規(guī)律的過程設計與評價機制。參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計過程體現(xiàn)為一個連續(xù)性的發(fā)展過程，經(jīng)歷設計問題的提出、設計邏輯的形成、設計模型的構(gòu)建、設計結(jié)果的生成，以及設計評價與反饋5個環(huán)節(jié)，以設計方案的生成作為過程的結(jié)果，可以表述為3個關鍵階段。其中，設計評價與反饋蘊含了迭代過程，體現(xiàn)了參數(shù)化設計非線性的特點(圖3)。

2.2 參數(shù)化設計邏輯

《邏輯學講義》開篇“邏輯的概念”中寫道：“自然——無論非生物界是還是生物界中的一切，都是依照規(guī)律發(fā)生的，雖說這些規(guī)律我們并非總能認識到。水位依照重力法則下降，動物依照規(guī)律行走。魚在水中游，鳥在空中飛，都是依照規(guī)律進行的。一般來說，整個自然界無非是現(xiàn)象依據(jù)規(guī)律的聯(lián)系；什么地方也沒有雜亂無章的東西。[8]”康德認為思維的依據(jù)是規(guī)律，而邏輯則是關于“一切一般思維的科學”。由此，邏輯可認為是思維的規(guī)律，設計邏輯就是設計思維的規(guī)律。設計思維既有理性的嚴謹也有感性的發(fā)散，包含了邏輯性與非邏輯性。邏輯思維是人運用概念、判斷和推理等思維類型反映事物本質(zhì)與規(guī)律的認識過程，從而指向結(jié)論的確定性；非邏輯思維包括了直覺、靈感、想象等，指向結(jié)論的多樣性。科學思維以邏輯思維為主，藝術思維以非邏輯思維為主。風景園林兼具科學與藝術的特征，與之相應，風景園林規(guī)劃設計思維包含了邏輯思維與非邏輯思維2個部分，是一種綜合性的思維。邏輯思維與非邏輯思維在風景園林規(guī)劃設計中不可分割，兩者共同組成了設計的思維系統(tǒng)。

圖5 風景園林規(guī)劃設計的“項目選址”

參數(shù)化的設計強調(diào)邏輯思維，即具有明確的指向性，能夠?qū)⒃O計問題清晰地轉(zhuǎn)化為一系列的計算機指令，與計算機的運算邏輯相吻合。在風景園林規(guī)劃設計中，設計邏輯來源于實際的設計問題，它的構(gòu)建從研究自然規(guī)律入手，在符合事物客觀邏輯規(guī)律的同時加入設計的要求。在此基礎上，可采用一系列算法對設計邏輯進行描述，進而利用計算機的運算尋求設計問題的解答。從“設計問題”到“設計邏輯”，再到“算法”，設計問題被轉(zhuǎn)換為計算機的“語言”，在實現(xiàn)參數(shù)化的過程中，設計邏輯扮演了關鍵的角色，成為抽象設計問題轉(zhuǎn)化為指向性明確的計算規(guī)則的關鍵。以風景園林規(guī)劃設計的“項目選址”為例。首先對場地進行生態(tài)敏感性評價，在此基礎上根據(jù)設計的需求開展建設適宜性評價，得出的可建設區(qū)域為選址操作的基本區(qū)域。其次，依據(jù)項目選址要求，以可建設區(qū)域為基礎，逐步扣除限制性區(qū)域，進而篩選出符合項目特殊要求的初步選址區(qū)域。由于選址要求為限制性的選址參數(shù)，所提條件越多，對應的地塊越少，所以存在一次選址難以滿足要求的情況。若初步選址所得到的地塊面積難以滿足項目選址的要求，則形成反饋與迭代，在進行選址條件的優(yōu)化后重新進行選址，直至求出符合條件的地塊[9](圖4、5)。

2.3 參數(shù)化設計模型

模型是對現(xiàn)實世界中的實體或現(xiàn)象的抽象或簡化，通過主觀意識借助實體或虛擬來表現(xiàn)客觀事物的一個對象或概念，是對實體或現(xiàn)象中最重要的構(gòu)成及其相互關系的表述，目的在于描述、解釋、預測或者設計該實體或現(xiàn)象。模型的分類有多種，例如，根據(jù)模擬對象的不同，可分為2類：用來描述物體的表征模型和用來描述過程的過程模型；按表現(xiàn)方式的不同，可分為實體模型與虛擬模型?？茖W研究中，常見的模型依據(jù)形式可分為3類：比例模型、概念模型以及數(shù)學模型。比例模型是現(xiàn)實世界自然物質(zhì)特征的表示法，如數(shù)字地形模型(DTM)；概念模型用自然語言或流程圖來表述系統(tǒng)要素間的關聯(lián)，將現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象為某一種信息結(jié)構(gòu)，是基于經(jīng)驗與知識的抽象模型，按照一定的邏輯構(gòu)建，亦是一種虛擬模型；數(shù)學模型是為了解決某個實際問題，通過對實際問題的抽象、簡化，確定變量和參數(shù)，并應用某些“規(guī)律”建立起變量、參數(shù)間的關聯(lián)，利用數(shù)學結(jié)構(gòu)表達式描述客觀事物的特征及其內(nèi)在聯(lián)系，也是一種抽象的模型(圖6)。

圖6 比例模型、概念模型與數(shù)學模型圖6-1 比例模型：南京紫清湖旅游度假區(qū)數(shù)字地形模型

圖6-2 概念模型：GIS與遺傳算法相結(jié)合的道路選線模型(改繪自參考文獻[10])

圖6-3 數(shù)學模型：最短路徑數(shù)學模型

在《形式綜合論》名為“理性的必要性”的引言中，亞歷山大提出了當代設計所面對的問題：“設計中的問題的數(shù)量、復雜性和難度都增加了，而社會形態(tài)和文化本身的變化也比過去任何時候都要更快?！彼€指出在這樣的情況下,由于人的認知和創(chuàng)造能力有限，要解決設計中越發(fā)復雜多變的問題，僅憑直覺難以把握。亞歷山大在《形式綜合論》中努力地將設計問題建立在一個邏輯和科學的基礎上，以克服經(jīng)驗的主觀性和直覺的不確定性[4]。亞歷山大這種將設計構(gòu)建于理性之上的思想在當下仍然閃耀著光芒。尼格爾·克洛斯(Nigle Cross)指出，在研究對象上，科學針對自然世界；人文針對人類經(jīng)驗；而設計針對人工世界。在方法體系上，科學應用受控的實驗進行分類、分析；人文采用類比、比喻和評價的方法；設計則采用建模、圖示-模式化和綜合的方法[11]。

對于參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計而言，模型重在對關聯(lián)與過程的描述，表達了一種邏輯的概念，在參數(shù)化的設計過程中包含了比例模型、數(shù)學模型的綜合及組合應用：設計的邏輯可通過邏輯模型來表達，算法是模型基礎上的實現(xiàn)工具，是數(shù)學模型構(gòu)成的運算邏輯，需要以軟件和計算機平臺為支撐，通過運算生成結(jié)果。以依托于Grasshopper軟件平臺的擬自然水景參數(shù)化設計為例[12]，設計的目標是在有限干預下，利用人工營造具有自然形態(tài)的水景觀。首先，需要將該設計問題轉(zhuǎn)化為設計邏輯的構(gòu)建：描述水體形態(tài)、水量與工程量三者之間的動態(tài)關聯(lián)；其次，基于設計邏輯搭建參數(shù)化設計模型(圖7)，模型由地形處理模塊、壩數(shù)據(jù)處理模塊、形態(tài)評價模塊、土方量計算模塊、水體生成及水量計算模塊構(gòu)成；再次，選擇適宜的算法，輸入?yún)?shù)進行分析計算(圖8)。通過設計結(jié)果的評價與反饋，對參數(shù)進行調(diào)控，可得到最優(yōu)設計結(jié)果。參數(shù)化模型的構(gòu)建與運用優(yōu)化了傳統(tǒng)的設計過程，呈現(xiàn)了系統(tǒng)化設計思維與動態(tài)的特點。基于設計邏輯，依托于參數(shù)化模型，設計師通過調(diào)節(jié)要素，運用計算機平臺，引導設計結(jié)果的生成。這種設計方式是自下而上的，以邏輯思維為基礎，更為理性，這與傳統(tǒng)的設計思維有顯著的區(qū)別。

3 結(jié)語

風景園林規(guī)劃設計面對的是復雜的環(huán)境，需要調(diào)控多樣、動態(tài)的設計要素與客觀規(guī)律，在風景園林規(guī)劃設計中運用參數(shù)化技術能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)調(diào)控下的多目標實現(xiàn)與系統(tǒng)優(yōu)化，是一種有效的規(guī)劃設計調(diào)控方法，景觀項目選址、道路選線、水景規(guī)劃、豎向規(guī)劃等風景園林規(guī)劃中的專項設計均可借助其實現(xiàn)。設計過程、邏輯與模型是參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計的核心機制。參數(shù)化的設計方法不僅可運用于大尺度風景環(huán)境的規(guī)劃設計，亦可覆蓋中小尺度的風景園林設計，實現(xiàn)風景園林“生態(tài)”與“形態(tài)”設計的協(xié)同。在風景園林規(guī)劃設計實踐中，參數(shù)化風景園林規(guī)劃設計及技術大有可為，但需結(jié)合不同研究對象以及擬解決的設計問題分別加以對待，不局限于單一軟件平臺，也不可為“工具”所困，而應根據(jù)設計特點，廣泛嘗試、擇優(yōu)運用。

圖7 擬自然水景參數(shù)化設計“邏輯模型”

圖8 基于Grasshopper軟件平臺的擬自然水景參數(shù)化設計“算法模型”

在風景園林規(guī)劃設計方法中融入以參數(shù)化設計為代表的邏輯與理性方法，使當代風景園林規(guī)劃設計實現(xiàn)了“定性”與“定量”相生，“感性”與“理性”交融的科學化設計。參數(shù)化作為前沿的設計工具與技術，帶來了設計方法與方式的變革，不僅將設計師從“畫圖”中解放出來，也賦予了風景園林規(guī)劃設計更多的科學意義。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。