數(shù)字營(yíng)造與實(shí)驗(yàn)建構(gòu)

張穎

摘 要：隨著數(shù)字技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐方式在數(shù)字平臺(tái)下被重新改寫，建筑設(shè)計(jì)師在注重設(shè)計(jì)生成的同時(shí)，也需要設(shè)計(jì)理論的支持。場(chǎng)域理論作為一個(gè)跨學(xué)科理論，對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)研究有著重要的價(jià)值與意義。在復(fù)雜性科學(xué)與參數(shù)化技術(shù)的影響下，場(chǎng)域理論與參數(shù)化設(shè)計(jì)之間存在密不可分的關(guān)系。文章以場(chǎng)域理論為研究基礎(chǔ)，以算法為切入點(diǎn)，以數(shù)字化建筑裝置為設(shè)計(jì)對(duì)象，研究分析參數(shù)化實(shí)踐背景下的數(shù)字營(yíng)造與實(shí)驗(yàn)建構(gòu)。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計(jì);場(chǎng)域理論;算法;數(shù)字營(yíng)造

基金項(xiàng)目：本文系江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJCX19_0446）研究成果。

一、場(chǎng)域理論

（一）場(chǎng)域概念

場(chǎng)域（Field）理論最早可追溯到19世紀(jì)中葉的物理學(xué)，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）首先發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，由此以“field”一詞開啟了物理場(chǎng)論的序章。這里“場(chǎng)”指的是一個(gè)以時(shí)空為變量的物理量。在之后的所有學(xué)科研究中，心理學(xué)首先引入物理學(xué)中的“磁場(chǎng)”概念，并將其哲學(xué)轉(zhuǎn)向?yàn)椤靶睦韴?chǎng)”。隨后這一詞不斷被引入多個(gè)學(xué)科之中，包括社會(huì)學(xué)、建筑學(xué)、藝術(shù)學(xué)等學(xué)科。社會(huì)學(xué)將場(chǎng)域理論作為學(xué)科內(nèi)部主要的理論之一，法國(guó)社會(huì)學(xué)大師布爾迪厄在社會(huì)學(xué)領(lǐng)域中將場(chǎng)域定義為社會(huì)關(guān)系中的網(wǎng)絡(luò)或結(jié)構(gòu)，并提出資本、慣習(xí)、場(chǎng)域三個(gè)概念作為剖析社會(huì)環(huán)境的范式。從人類社會(huì)關(guān)系上看，人的行為與行為發(fā)生的場(chǎng)地將構(gòu)成一個(gè)場(chǎng)域環(huán)境，在此環(huán)境中，身在其中的人也會(huì)受自身影響。由此可見，場(chǎng)域并非是單純的物理環(huán)境，也包括人們的行為以及相關(guān)聯(lián)的諸多因素，強(qiáng)調(diào)的是場(chǎng)內(nèi)單元與群體、環(huán)境關(guān)系的探究。從物理學(xué)到心理學(xué)再到社會(huì)學(xué)，可見場(chǎng)域不僅是一種空間關(guān)系，也是一種社會(huì)關(guān)系。

（二）建筑場(chǎng)域

20世紀(jì)末，美國(guó)建筑師斯坦·艾倫首先提出了“場(chǎng)域狀態(tài)”來(lái)解釋場(chǎng)域建筑內(nèi)的形式與空間的關(guān)系，探究場(chǎng)內(nèi)個(gè)體規(guī)則性與集體秩序性之間的關(guān)聯(lián)，以此創(chuàng)新型方式應(yīng)對(duì)現(xiàn)代城市的復(fù)雜性。自此，場(chǎng)域理論在建筑學(xué)科中開始出現(xiàn)并發(fā)展。步入21世紀(jì)，參數(shù)化設(shè)計(jì)逐漸走入人們的視野，帕特里克·舒馬赫提出了“參數(shù)化主義”來(lái)定義這一時(shí)代風(fēng)格。同時(shí)，他將“場(chǎng)域”一詞引為“參數(shù)化主義”建立的概念。他與扎哈合伙建立的扎哈·哈迪德建筑事務(wù)所也一直以“field”等詞匯作為設(shè)計(jì)的核心思想，一種動(dòng)態(tài)的、流動(dòng)的、關(guān)聯(lián)的場(chǎng)域在建筑領(lǐng)域中形成。科技的迅猛發(fā)展，使實(shí)際建造逐漸不再受到技術(shù)的限制，致使設(shè)計(jì)形態(tài)造型不斷突破常規(guī)形式，涌現(xiàn)出大批先鋒建筑。快速生長(zhǎng)的先鋒設(shè)計(jì)與當(dāng)下城市面貌中仍然存在一定的沖突性，這一問(wèn)題也引發(fā)諸多設(shè)計(jì)師的思考，他們由此將目光轉(zhuǎn)向環(huán)境場(chǎng)域的構(gòu)建中去。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給設(shè)計(jì)方法注入了新的血液，給設(shè)計(jì)師帶來(lái)巨大助力，場(chǎng)域理論在此背景下發(fā)展，于參數(shù)化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了相關(guān)算法應(yīng)用。

二、參數(shù)化空間設(shè)計(jì)

（一）概念定義

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指受參變量控制的設(shè)計(jì)，經(jīng)一定的邏輯關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言計(jì)算出有序的數(shù)據(jù)用于設(shè)計(jì)中。把限制、影響設(shè)計(jì)的諸多要素?cái)?shù)據(jù)化，通過(guò)建立一種或者幾種邏輯規(guī)則和關(guān)系借用某種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行運(yùn)算，在計(jì)算機(jī)之中建立出設(shè)計(jì)雛形，通過(guò)調(diào)整、改變參數(shù)的值來(lái)改變整個(gè)數(shù)據(jù)，以生成最后的設(shè)計(jì)結(jié)果。參數(shù)化空間就是利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方式物質(zhì)性呈現(xiàn)的客觀形式，本課題研究的參數(shù)化空間以建筑學(xué)相關(guān)概念為主。舒馬赫將參數(shù)化設(shè)計(jì)風(fēng)格稱為“參數(shù)化主義”，當(dāng)代建筑已經(jīng)開始在重新組織與更新設(shè)計(jì)方式，來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性需求。參數(shù)化設(shè)計(jì)風(fēng)格已然在當(dāng)代建筑界占據(jù)主導(dǎo)地位，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)范式，發(fā)展出這一先鋒的建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格。不同于解構(gòu)主義的無(wú)序性，參數(shù)化的特性就是其有序性、關(guān)聯(lián)性、連續(xù)性，參數(shù)化內(nèi)部單體與群體之間的存在差異之外，也存在個(gè)體的差異性。正是因?yàn)槠渥陨淼奶匦?，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)的空間層出不窮，其新穎獨(dú)特的形式逐漸被大眾喜愛(ài)，甚至成為一種設(shè)計(jì)潮流趨勢(shì)。

（二）設(shè)計(jì)發(fā)展

1960年后，現(xiàn)代主義的衰落使參數(shù)化的種子悄悄地種下了。以先鋒建筑師弗雷·奧托（Frei Otto）為代表的參數(shù)化先驅(qū)們開始通過(guò)物理模型進(jìn)行找形實(shí)驗(yàn)，這之后逐漸發(fā)展直至當(dāng)今參數(shù)化在各個(gè)領(lǐng)域的普及。到了2008年，帕特里克·舒馬赫參加了第十一屆威尼斯雙年展“Dark? Side”俱樂(lè)部，首次提出“參數(shù)化主義”一詞?！皡?shù)化主義”作為傳統(tǒng)建筑風(fēng)格的繼任者，具有全新的時(shí)代性特征，顛覆以往的設(shè)計(jì)風(fēng)格。如舒馬赫之言，參數(shù)化設(shè)計(jì)表現(xiàn)出的強(qiáng)烈時(shí)代感以及不可復(fù)制的特征。他強(qiáng)調(diào)，傳統(tǒng)建筑是自上而下的，人們描述理想化的形式、對(duì)稱的形態(tài)、精細(xì)的結(jié)構(gòu)、清晰的幾何關(guān)系和功能分區(qū)。如今，建筑進(jìn)入了他所說(shuō)的“自主性”階段。就像蝴蝶效應(yīng)一樣，細(xì)節(jié)的規(guī)則將引起一系列整體的變化，事物之間不受控制地折疊，功能也將出現(xiàn)多區(qū)域、模糊化、高混合的概念。自此，參數(shù)化設(shè)計(jì)正式被定義，成為一種具有復(fù)雜、現(xiàn)代特征的新型設(shè)計(jì)風(fēng)格，飛速應(yīng)用于諸多設(shè)計(jì)當(dāng)中。因此，從弗雷·奧托到帕特里克·舒馬赫，從物理找形到系統(tǒng)生形，從手工模擬原型到計(jì)算機(jī)模擬生形，可以將參數(shù)化的發(fā)展過(guò)程分為四個(gè)階段，分別是原型階段、初始階段、參數(shù)化主義 1.0 階段、參數(shù)化主義 2.0 階段。參數(shù)化設(shè)計(jì)通過(guò)四個(gè)階段的發(fā)展，逐漸走向成熟，并且在世界范圍內(nèi)表現(xiàn)出獨(dú)樹一幟的設(shè)計(jì)風(fēng)格。被參數(shù)化方法所定義的設(shè)計(jì)，在建筑、室內(nèi)、景觀、產(chǎn)品等多種設(shè)計(jì)領(lǐng)域中成為最亮眼的一部分，這是人類在設(shè)定規(guī)則之后，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言再生的直觀呈現(xiàn)。

三、算法實(shí)驗(yàn)建構(gòu)

（一）實(shí)驗(yàn)緣起

人類實(shí)則生存于一個(gè)巨大的場(chǎng)域之中，人類、環(huán)境、文脈、自然之間存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。正是在此環(huán)境下，隨著工業(yè)革命以及技術(shù)的發(fā)展，城市環(huán)境與面貌受到一定沖擊，使得人們開始將目光從城市轉(zhuǎn)向自然景觀。場(chǎng)域算法是根據(jù)物理現(xiàn)象研究得出的一種形態(tài)生成方法，蘊(yùn)含一定的科學(xué)性與數(shù)字美感。筆者將以數(shù)字手段抽象表現(xiàn)為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的切入點(diǎn)，借助算法模擬來(lái)試圖轉(zhuǎn)譯自然景觀，嘗試運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段與數(shù)字建造方式再現(xiàn)風(fēng)景。

（二）數(shù)字營(yíng)造

在應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，首先確立設(shè)計(jì)靈感，以風(fēng)吹過(guò)麥田留下麥浪后的景致為設(shè)計(jì)著眼點(diǎn)，將這一自然律動(dòng)景觀投射到設(shè)計(jì)中;而后提取定格畫面下，麥子充滿動(dòng)態(tài)、自然、隨機(jī)的變化形態(tài);最后通過(guò)運(yùn)用場(chǎng)域算法，生成多變的自由形態(tài)，參數(shù)化模擬出這一景觀現(xiàn)象。在模擬過(guò)程中，先是在二維空間中預(yù)設(shè)點(diǎn)陣，通過(guò)場(chǎng)域算法中的點(diǎn)磁場(chǎng)干擾，集散偏移出新形式的點(diǎn)陣，以此得到目標(biāo)點(diǎn)的X軸Y軸坐標(biāo)。點(diǎn)陣中每一個(gè)點(diǎn)隨著場(chǎng)域中的干擾因素而在二維空間中移動(dòng)變化，這便形成了二維空間點(diǎn)，以此為進(jìn)一步生成點(diǎn)做準(zhǔn)備。之后將原始點(diǎn)陣中的點(diǎn)與之前的干擾點(diǎn)拉進(jìn)，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)到干擾點(diǎn)的最近距離，提取距離將其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化成區(qū)間在 [0.6，3]的數(shù)值當(dāng)中，并輸出作為之前二維空間偏移點(diǎn)的 Z 坐標(biāo)。由此得到了桿件兩端的端點(diǎn)，即預(yù)設(shè)點(diǎn)陣為起始端，磁場(chǎng)干擾到的三維點(diǎn)陣為桿件末端。這些點(diǎn)將隨著參變量的變化而變化，無(wú)序漸變位置不同。這樣一來(lái)，生成的桿件長(zhǎng)度不一，傾斜方向不一，每一根桿件都獨(dú)一無(wú)二，不可復(fù)制。

（三）實(shí)驗(yàn)生成

實(shí)驗(yàn)裝置最終以600根桿件，且每根圓管都有不同的傾斜角度和高度，按序排列組合而成。裝置空間中每一個(gè)單元圓管相互之間存在一定聯(lián)系，有序連續(xù)成為整體，但彼此之間存在差異性。裝置整體呈現(xiàn)秩序性，但局部呈現(xiàn)差異性，在此場(chǎng)域內(nèi)部對(duì)于同一與差異和諧包容。裝置內(nèi)部預(yù)留了穿越漫游、駐足體驗(yàn)的路徑與休憩空間，生成具有趣味性與參與性的空間形態(tài)，以此將“風(fēng)景再現(xiàn)”與“風(fēng)景敘事”用一種數(shù)字形式呈現(xiàn)出來(lái)，數(shù)字設(shè)計(jì)的現(xiàn)代手法與材料的非自然屬性從另一面來(lái)呼吁大眾對(duì)原生自然環(huán)境的重視（圖1、2）。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)場(chǎng)域理論的多學(xué)科概念、參數(shù)化空間設(shè)計(jì)的概念與發(fā)展的梳理，能夠發(fā)現(xiàn)場(chǎng)域理論于多學(xué)科之間的貫通以及參數(shù)化設(shè)計(jì)多元發(fā)展的趨向。在數(shù)字營(yíng)造實(shí)驗(yàn)中，筆者以場(chǎng)域理論為研究依據(jù)，以腳本算法為實(shí)踐方式，將自然界中風(fēng)吹麥浪的印象投射到數(shù)字營(yíng)造實(shí)驗(yàn)中，以參數(shù)化設(shè)計(jì)手段創(chuàng)造性地再現(xiàn)動(dòng)態(tài)的視覺(jué)景觀。在一系列實(shí)踐研究過(guò)程中可知，算法的應(yīng)用突破了傳統(tǒng)手工的生成方式，其理論的提出使得人類文明不斷進(jìn)步。在技術(shù)革新的社會(huì)背景下，場(chǎng)域理論所具有的全局觀，具備的動(dòng)態(tài)、關(guān)聯(lián)的應(yīng)用格局，給參數(shù)化設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)。在快節(jié)奏的城市氛圍下，關(guān)聯(lián)場(chǎng)域環(huán)境對(duì)人類生活有著決定性作用，借此希望參數(shù)化設(shè)計(jì)以自由、綠色、平衡的趨向發(fā)展，并且期望人們能夠更多地以全局觀看待自然、城市、建筑之間的和諧關(guān)系。

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作者單位：

南京藝術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)學(xué)院