STEM理念下的數(shù)字時代建筑設(shè)計方法論新構(gòu)架

李 媛 | Li Yuan

于融融 | Yu Rongrong

李德新 | Li Dexin

建筑學(xué)作為高等教育工科的一員卻與其他工科有很大不同，其他工科著力解決某一類科學(xué)問題，而建筑學(xué)是把精確的科學(xué)與我們生活其中的具體世界聯(lián)系在一起，是把科學(xué)理論的總結(jié)和評判的結(jié)果轉(zhuǎn)化為具體的現(xiàn)實[1]，它融合了自然科學(xué)、社會科學(xué)和人文藝術(shù)，一直以來以理念和審美作為唯一評判標(biāo)準(zhǔn)也導(dǎo)致了設(shè)計虛無主義和創(chuàng)新能力發(fā)展的局限。在數(shù)字技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，本應(yīng)是理論應(yīng)用和創(chuàng)造力發(fā)揮如虎添翼的時代，但由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱、理論課與實踐課脫節(jié)以及方法論指導(dǎo)的缺失，數(shù)字時代的優(yōu)勢建筑學(xué)本科教育中體現(xiàn)得并不充分，而STEM的教育理念與建筑學(xué)專業(yè)的數(shù)字時代人才培養(yǎng)訴求是高度吻合的。

1 STEM教育理念簡介

STEM是工程（engineering）、技術(shù)（technology）、科學(xué)（science）和數(shù)學(xué)（mathematics）的簡稱，它不是獨(dú)立的四門學(xué)科，而是一種面對真實世界問題時跨學(xué)科的知識綜合運(yùn)用[2]。近年來，對于保持全球科技領(lǐng)先地位的危機(jī)感促使美國政府將STEM教育提上日程，并于2018年1月由國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院共同發(fā)布了《本科STEM教育監(jiān)測指標(biāo)》，明確了本科STEM教育的目標(biāo)、實現(xiàn)途徑和質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)[3]。作為一個量化指標(biāo)體系，標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)是循證教育實踐，其三要素為學(xué)生的需求與學(xué)情、校園環(huán)境與文化、教師經(jīng)驗和科學(xué)研究的依據(jù)[4]。對于建筑學(xué)教育而言，科學(xué)研究的依據(jù)在具體項目中的應(yīng)用一直比較定性和模糊，數(shù)字時代的來臨將帶來革命性的改變。

2 傳統(tǒng)建筑設(shè)計方法及思辨

建筑設(shè)計一直被稱為“黑箱”，即不可描摹、不可教授，只能靠長期的經(jīng)驗積累和自己的悟性。為了擺脫這種對個人智力和主觀性的依賴[5]，從19世紀(jì)開始就有一些建筑師致力于建筑設(shè)計方法的研究，以期使建筑設(shè)計變?yōu)橐粋€理性、透明和可預(yù)測的思維過程[1]。

2.1 “調(diào)查—分析—設(shè)計”法

“調(diào)查—分析—設(shè)計”即Su r vey—Analysis—Design，簡稱SAD法，由英國規(guī)劃師、教育家蓋德斯（Patrick Geddes，1854—1932）在19世紀(jì)提出，被認(rèn)為是富有邏輯性和理性的建筑設(shè)計過程，影響力非常深遠(yuǎn)，當(dāng)代很多建筑師都對這種設(shè)計方法持肯定態(tài)度，只是在表述具體步驟時稍有分別（表1）。

表1 當(dāng)代建筑師的SAD法

SAD類設(shè)計方法都是從收集資料入手，且盡可能多地收集和項目有關(guān)的資料，唯如此才能分析資料以及最后從這些資料中產(chǎn)生出一個或多個方案?；蛳喾吹?，如果最后不能整合出一個好方案，主要原因一是收集資料的廣度不夠；二是對資料理解的深度不夠，使得主次矛盾混淆，設(shè)計陷入了不必要的細(xì)節(jié)，出現(xiàn)了偏差[6]。

2.2 “猜想—分析”法

比爾·希列爾（Bill Hillier）認(rèn)為SAD法從收集的資料中經(jīng)過一系列“程序法則”最后“綜合歸納”出方案的過程與建筑師的思維習(xí)慣和工作程序不符。為了更真實地描述建筑師的設(shè)計經(jīng)歷，希列爾提出了猜想—分析法（Conjecture—Analysis法，簡稱CA法）。其核心特點(diǎn)是建筑師要預(yù)先基于自身的認(rèn)知能力構(gòu)想要解決的問題，這樣可以將不可計數(shù)的解決方案縮小至建筑師人腦能把握的范圍，也只有這個問題先存在了，建筑師才能通過理性分析或以往經(jīng)驗來處理這個問題。

達(dá)克（Darke）在希列爾的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步，他通過實證研究，將“猜想—分析”發(fā)展成“生成—猜想— 分析”（Generator—Conjecture—Analysis，簡稱GCA法）[7]，“生成”指的是建筑師的設(shè)計概念或設(shè)計目標(biāo)，再以此為基礎(chǔ)發(fā)展一個粗略的方案，之后針對目標(biāo)進(jìn)行檢驗，并從中發(fā)現(xiàn)其他問題[8]。

2.3 “類型—分析—設(shè)計”法

亞歷山大（Christopher Alexander）在《模式語言》中倡導(dǎo)“類型—分析—設(shè)計”法（Pattern—Analysis—Design，簡稱PAD法）。他認(rèn)為在沒有建筑師的時候人們根據(jù)環(huán)境條件C1直接建造建筑形式F1，比如愛斯基摩人的冰屋（圖1a）。而建筑師是將C1反應(yīng)到頭腦中變成其想象的設(shè)計條件C2，再根據(jù)C2和所學(xué)的知識設(shè)計出方案F2，最后被建造成F1（圖1b）。由于C2—F2是建筑師直覺思維的結(jié)果，缺乏系統(tǒng)性，所以亞氏認(rèn)為這是設(shè)計弊病的來源。于是亞氏在C2—F2之后加入了C3和F3，C3是將感性的C2邏輯化為表達(dá)圖式，F(xiàn)3是由C3抽象而來的設(shè)計圖解（一種模式），F(xiàn)2是F3的一種具體化（圖1c）。亞歷山大將設(shè)計過程歸結(jié)為設(shè)計形式（Form）與設(shè)計條件（Context）相符合的過程（fit），而“符合”正是通過排除“不符合”（misfit）實現(xiàn)的。

圖1 “類型—分析—設(shè)計”法圖示[6]

形式與設(shè)計條件間的本質(zhì)被亞歷山大歸結(jié)為253種模式，按層級樹狀排列，規(guī)模大至城鎮(zhèn)小至構(gòu)造細(xì)部[9]。亞氏試圖給出每種模式的最適合形式，并在每種模式的最后介紹了該模式與其下層模式的聯(lián)系。他希望后人可以利用他的書完成千變?nèi)f化的方案組合，且可以在抓住實質(zhì)的前提下修改模式。

綜上，前兩類設(shè)計方法說明了設(shè)計流程，而PAD法闡釋了設(shè)計策略層面和執(zhí)行層面的邏輯。SAD法認(rèn)為方案從分析材料中來（與實踐情況不符），CA類方法認(rèn)為方案從建筑師的經(jīng)驗中來，但并沒有細(xì)述經(jīng)驗對定義設(shè)計問題和形成設(shè)計方案的作用。

3 建筑設(shè)計的認(rèn)知心理學(xué)機(jī)制

建筑設(shè)計的本質(zhì)是解決多個問題，這些問題呈半樹狀半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10]，是一個復(fù)雜的體系。有很多人研究過建筑設(shè)計方法，但從更普適的認(rèn)知心理學(xué)角度去研究會給我們更堅實的理論依據(jù)和更多的啟示。

在認(rèn)知心理學(xué)中，人在解決問題時如果清楚問題的四要素便會解決它，即問題的初始狀態(tài)（initial state）、目標(biāo)狀態(tài)（goal state）、算子①（operators）和限制條件（restrictions）[11]。對應(yīng)到建筑設(shè)計中，初始狀態(tài)是項目所處的自然、社會和文化環(huán)境，以及建筑師從自身經(jīng)驗和價值觀對初始狀態(tài)的認(rèn)知和主次要方面的排序；目標(biāo)狀態(tài)是建筑建成時的結(jié)果，該結(jié)果在設(shè)計之初無法預(yù)知（定義不明確的問題，ill-defined problem），而且即便是同一個項目，也會因建筑師對目標(biāo)定位的不同而不同；限制條件包括主客觀兩個方面，建筑師對問題的認(rèn)知、思想水平和經(jīng)驗多寡為建筑設(shè)計的主觀制約，時間、經(jīng)費(fèi)、建造技術(shù)和甲方偏好為建筑設(shè)計的客觀制約；算子是建筑設(shè)計時進(jìn)行的操作，包括過程、策略和執(zhí)行三個層面，不同經(jīng)驗值的建筑師會采取不同的方法，解析如下。

3.1 過程層面的方法

由于建筑設(shè)計的“黑箱”特征，一般采用出聲思考的方式通過語義法研究建筑設(shè)計的過程。悉尼大學(xué)的約翰·赫羅（John Gero）在20世紀(jì)90年代研究了描述建筑設(shè)計過程的FBS②模型，實驗證明可以捕捉到66%的設(shè)計流程描述與該模型吻合，而后他與杰夫·凱恩（Jeff Kan）又發(fā)展了FBS模型，引入可見世界（external world）、感知世界（interpreted world）和表征世界（expected world），描述了F、B、S在這三個世界的映射以及設(shè)計流程，改進(jìn)后的模型被證明可以捕捉到92%的設(shè)計流程描述與其吻合[12]?，F(xiàn)將改進(jìn)后的FBS模型整理并完善如圖2所示。

圖2 整理完善后的FBS模型

3.2 策略層面的方法

心理學(xué)采用啟發(fā)式方法④（heuristic）中的“手段——目標(biāo)分析”法來解決類似建筑設(shè)計中的多目標(biāo)問題，即將目標(biāo)拆分成一系列子目標(biāo)，逐步縮小當(dāng)前狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的差距，但目標(biāo)眾多，而人腦同一時間內(nèi)能加工信息的數(shù)量又很有限，尤其是這些目標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn)不同又相互矛盾，這就需要一個科學(xué)合理的方法——多目標(biāo)決策方法，其方法種類見表2。

對于初學(xué)者而言，一般采用分層序列法與目標(biāo)規(guī)劃法：將所有目標(biāo)按照制約程度由強(qiáng)到弱排列，先在第一個目標(biāo)的約束條件下，找出與期望值最接近的解（約束條件下的最優(yōu)解），然后在保持該目標(biāo)解不變動的前提下尋找第二個目標(biāo)的最優(yōu)解，如果找不到，或者退而求其次，或者放棄前一目標(biāo)的最優(yōu)解改用其非劣解，繼續(xù)找下一目標(biāo)的最優(yōu)解，如此直到求出最后一個目標(biāo)的可行解。這也是彼得·羅（Peter Rowe）所說的“順階式”或“層級分解”（hierarchical decomposition）方法[14]，隨著時間的推移，建筑師依層級自上而下地解決問題（圖3）。

圖3 “層級分解”方法示意圖

對于熟練者，由于長期從事設(shè)計或者專注于某類建筑的設(shè)計，再設(shè)計同類項目時，建筑師從一開始就能提供一個關(guān)于問題空間內(nèi)在結(jié)構(gòu)的完整或至少廣泛的描述，他們知悉各成分間的系統(tǒng)化關(guān)系，并根據(jù)需求重新組構(gòu)，這就是“倒階式”或“層級分解—重構(gòu)”（hierarchical decomposition—recomposition）方法[14]，心理學(xué)家也證實熟練者之所以能夠采用這種方法是因為發(fā)生了自上而下的認(rèn)知過程，更高抽象水平的概念控制了知覺組塊的排列[15]，這種情況下，熟練者胸中有數(shù)，會采用表2中的直接求非劣解法，設(shè)計出若干方案。

對于卓越者，他們致力于從更本質(zhì)的層面或者哲學(xué)的深度來考慮設(shè)計問題，創(chuàng)造新的范式，在關(guān)鍵性的問題上他們采用“順階式”的方法探索，此時記憶中備存的不只是設(shè)計方案，而是大千世界的林林總總，而在非關(guān)鍵的問題上他們和熟練者一樣，直接從已建立的知識架構(gòu)中重組取用。

3.3 執(zhí)行層面的方法

在具體解決每一個問題的時候，建筑師從記憶中提取各種案例或案例的片段進(jìn)行適應(yīng)性修正、有效表征和重新整合，這是一個通過類比進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)的過程，但通過觀察可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗值不同的建筑師采用不同做法，低年級學(xué)生的作品總讓人輕而易舉地發(fā)現(xiàn)他學(xué)習(xí)了某位或某些大師的作品；熟練者的作品基本上沒有這種痕跡，而是具備了項目任務(wù)條件下的合理性；卓越者的作品很有創(chuàng)造力，使人感到意想不到而又十分妥帖，但即便是天馬行空的幻想，在現(xiàn)實中必然存在其參考的原型[16]。

在認(rèn)知心理學(xué)中，舒馬赫和契爾文斯基（Schumacher and Czerwinski）提出記憶表征的三階段模型來對這種差異進(jìn)行解釋，即史前階段（pretheoretical stage）、經(jīng)驗階段（experiential stage）和專家階段（expert stage）[15]，各階段的類比特征和思維邏輯見表3。處于史前階段的初學(xué)者對案例的理解停留于表面，能在相似的問題情境中進(jìn)行類比遷移；處于經(jīng)驗階段的熟練者已經(jīng)在諸多案例的積累和個人經(jīng)驗中從特殊歸納出普遍性結(jié)論，又在具體情境中由普遍性結(jié)論演繹出具體的解決方案；處于專家階段的卓越者不再拘泥于本專業(yè)的普遍性結(jié)論，而是采用溯因推理，從諸如哲學(xué)、社會學(xué)、藝術(shù)等其他領(lǐng)域進(jìn)行較高層次的組織，設(shè)計出特定的構(gòu)形類型[14]，成為新的范式。

表3 記憶表征的三階段模型特征

根據(jù)上述解析，初學(xué)者、熟練者和卓越者的差異不在于或不完全在于他們記憶中的案例數(shù)量，而在于他們組織知識的方式和概念表征的抽象水平。初學(xué)者概念表征的抽象水平比較低，會以案例的表面特征分類，因而會受到非本質(zhì)細(xì)節(jié)的推理干擾。而熟練者和卓越者會運(yùn)用蔡茨（Zeitz）研究的中等抽象水平的概念表征（moderately abstract concept representation，MACR），這種表征的水平處在抽象（方程或一般原理）和具體的特定問題之間，太抽象的表征過于穩(wěn)定，太具體的表征又不容易轉(zhuǎn)換，MACR將系統(tǒng)的細(xì)節(jié)特征與高水平的抽象觀念聯(lián)系起來，具有圖式的本質(zhì)和更廣泛的提取線索，因而更易操作[17]，熟練者與卓越者的差別在于對一般原理的理解，所以卓越的建筑師都有一套自己認(rèn)知世界的哲學(xué)理念。

4 數(shù)字時代的建筑設(shè)計方法

電腦不同于一般的工具在于它能替代人腦的一部分工作，電腦擅長短時內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)和海量記憶，而人腦可以毫不費(fèi)力地判斷、推理和歸納，有語言、視覺和情感，隨著2012年深度學(xué)習(xí)算法的運(yùn)用，電腦的理解和推理能力向前邁進(jìn)了一大步。

電腦的優(yōu)勢體現(xiàn)在：①海量的記憶容量可以存儲大量的案例，每個案例可以包含完整的技術(shù)參數(shù)和語義標(biāo)簽，以便建筑師從任意維度比較歸類各案例；②對建筑設(shè)計算法⑤的定量刻畫和參數(shù)控制；③基于大數(shù)據(jù)的人工智能可以在既定的框架內(nèi)探索實體要素與設(shè)計目標(biāo)間的關(guān)系，進(jìn)而省略仿真模擬的過程，大幅提高設(shè)計效率。在電腦優(yōu)勢主導(dǎo)下的數(shù)字時代建筑設(shè)計方法會變成什么樣子？

4.1 執(zhí)行層面的方法

數(shù)字時代對建筑設(shè)計產(chǎn)生最直接影響的在執(zhí)行層面，熟練者和卓越者常用的中等抽象水平概念表征會被外顯出來，包括從靜力學(xué)、建筑物理學(xué)、性能仿真模擬統(tǒng)計和調(diào)研統(tǒng)計中獲得的圖解或邏輯的數(shù)學(xué)表達(dá)，這些數(shù)學(xué)表達(dá)不僅拓展了建筑設(shè)計思維的深度和廣度，同時便于學(xué)習(xí)和重復(fù)使用，這將使得初學(xué)者變?yōu)槭炀氄叩臅r間將縮短，而變?yōu)樽吭秸吒永щy，因為表征被程序記錄以后，創(chuàng)新變得更加困難，建筑師如果只管拿來使用不知其所以然，更容易陷入膚淺模仿者的境地。

4.2 策略層面的方法

越來越多的中等抽象水平概念表征被程序化，也會促進(jìn)PAD法的發(fā)揚(yáng)光大，將建筑設(shè)計束縛在253種模式語言中是不可能的，但將其統(tǒng)轄在“層級分解—重構(gòu)”的策略下卻是可行的。

比如歐特克公司在多倫多的新辦公室設(shè)計，建筑師提出了提高工作效率、加強(qiáng)合作以及方便使用共享空間這3個設(shè)計目標(biāo)，并將設(shè)計目標(biāo)落實到6個評價指標(biāo)上，即縮短各分區(qū)間的流線長度、相似工作風(fēng)格分區(qū)、方便利用共享空間、盡量避免彼此間的視線干擾和聲音干擾、盡量多的自然采光、在工位和公共流線上的人盡量多地看到室外景色，而這些評價指標(biāo)需要通過功能分區(qū)和家具擺放等實體要素來實現(xiàn)。建筑師首先研究了原辦公室實體要素與評價指標(biāo)（物理的或語義的）間的關(guān)系，并用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，而后通過參數(shù)控制生成大量方案，給定6個評價指標(biāo)的閾值，迅速篩選出一萬個符合全部評價指標(biāo)的方案，最后根據(jù)相關(guān)利益者的偏好確定評價指標(biāo)數(shù)值，倒推出最終方案。

在數(shù)字時代解決多目標(biāo)問題，實體要素與評價指標(biāo)的關(guān)系可以用函數(shù)或人工智能算法表達(dá)，因而可采用表2中的層次分析法和多屬性效用法，先研究清楚一般規(guī)律，再根據(jù)具體情況優(yōu)選方案，第一次投入的設(shè)計成本較高，但以后類似的方案會提高設(shè)計效率，節(jié)約下來的時間可以用來做更深層次的設(shè)計研究，形成良性循環(huán)。

4.3 過程層面的方法

編程設(shè)計過程與FBS模型的吻合率為91.95%，在于融融、顧寧和Michael Ostwald的概念設(shè)計對比試驗中，編程設(shè)計者和建模設(shè)計者在各設(shè)計階段付出的時間以及在問題和解答中交互的過程都很相似[19]，區(qū)別在于設(shè)計之初，編程設(shè)計者在問題和解答間交互得更頻繁，因而在相同的時間內(nèi)對設(shè)計問題的解答也更深入；在設(shè)計過程中，編程設(shè)計者比建模設(shè)計者更多地回顧問題以便為子目標(biāo)編程。誠如勞森（Bryan Lawson）所言編程迫使建筑師把進(jìn)程變得明朗，并且促使他們檢驗和調(diào)查得出結(jié)論方式的假設(shè)。方案的性能可以通過仿真模擬軟件和由它們提供數(shù)據(jù)形成的人工智能算法來檢測、比對，快速搜索大規(guī)模解集的遺傳算法也被用來優(yōu)選確定方案[20]。

5 數(shù)字時代建筑設(shè)計方法論的STEM架構(gòu)

數(shù)字時代對建筑設(shè)計的變革已深入到方法論層面，從執(zhí)行到策略再到過程，建筑師的思維方式也隨之改變。為了跟上時代的步伐，建筑學(xué)本科教育也需要做出相應(yīng)的改變，提升對數(shù)學(xué)、科學(xué)和技術(shù)的重視程度，按照數(shù)字時代的要求調(diào)整建筑設(shè)計方法論框架（圖4）：數(shù)學(xué)方面，數(shù)理統(tǒng)計幫助建筑師不斷擴(kuò)充自然科學(xué)、社會科學(xué)和人文科學(xué)的科研成果，解析空間幾何為造型數(shù)據(jù)化提供支撐?？茖W(xué)方面，或者從案例分析歸納或者將抽象的一般原理（建筑物理、建筑力學(xué)和通過數(shù)理統(tǒng)計不斷擴(kuò)充的科研成果等）轉(zhuǎn)化為中等抽象水平的概念表征，即一類問題的圖解原型；技術(shù)層面，計算機(jī)技術(shù)使圖解原型變得可描述、可操作、可傳播，尤其人工智能以其龐大的數(shù)據(jù)庫和快速的算法將無法用原理表達(dá)清楚的關(guān)系描述了出來；最終，實現(xiàn)各種設(shè)計和工程問題對圖解原型的具體應(yīng)用。

圖4 STEM理念下的建筑設(shè)計方法論新框架

BBC權(quán)威預(yù)測由于建筑師擅長的創(chuàng)意、審美、空間感、建筑理念和抽象的判斷都難以被機(jī)器模仿，但無數(shù)被數(shù)字化的圖解原型可以幫助建筑師提升設(shè)計效率、激發(fā)設(shè)計創(chuàng)意。未來會是一個腦機(jī)結(jié)合的時代，希望建筑師能成為駕馭新時代的職業(yè)群體。

資料來源：

圖1：參考文獻(xiàn)[6]；

文中其余圖表均為作者繪制。

注釋

①算子：解決問題所要進(jìn)行的操作。

② FBS模型：Function（設(shè)計目標(biāo)）—Behavior（如何組織各要素達(dá)到設(shè)計目標(biāo)）—Structure（建筑的構(gòu)成要素及之間的關(guān)系）。

③有效表征：一種是包含由各種執(zhí)行程序的指導(dǎo)語所表征出來的陳述性知識，比如：“梁高度是跨度的十分之一”，而不是“梁的高跨比應(yīng)該滿足抗彎抗剪性能”；另一種是借助相似語義的類比，用一個具體的源問題來表征靶問題，比如：“體育場的外表皮要用一種新材料模仿高迪建筑的表皮形式”，而不是“體育場要體現(xiàn)西班牙地域性”。

④ 啟發(fā)式方法：一種非正規(guī)的、直覺的、猜測性的策略來解決定義不明確的問題。

⑤ 算法：是指解題方案的準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，包括：數(shù)學(xué)表達(dá)式、流程圖、圖表、圖解等[19]。