形式尋優:參數化輔助濱水空間形態規劃設計

摘要：當前國內外景觀設計行業中借鑒并引入了參數化設計技術，產生了豐富的景觀設計形態。依托“形式尋優”理論模型，在濱水空間景觀設計過程中，鑒別應用了新型參數化設計方法/技術。在濱水空間形態設計、形式生成環節上，創制了參數化輔助的尋優途徑方法模型 （form finding model），并應用于實踐規劃與實驗建造的設計項目。在實踐過程中，該方法模型主動結合水文、水生態、水利學科及其相關工程技術，充分利用了動態開放系統的狀態和自我調節力，同時具備了適應相似度較高的規劃設計課題項目的能力，并為實際施工建造提供了經濟、美觀、實用的科學依據和理論基礎。

關鍵詞：濱水空間；設計研究；參數化；形式尋優；優化模型

中圖分類號：TU986

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2641（2017）02-0037-08

收稿日期：2017-04-01

修回日期：2017-04-26

Abstract： Nowadays， Parametric design as newly technique is introduced to landscape architecture design field all over the world， at the same time， various forms are produced. Based on the category of “form finding model”， the paper discusses the application and distribution of new parametric method in the design of waterfront space. The parametric assisted form finding model and method are being used not only in the design， but also the construction process. The further outcome of this model will be widely used in practical planning and structure projects. In the following practice process， the model actives adapt to water context， water ecology， water conservancy science and related technology， meanwhile，and takes fully advantages of the system dynamic and adaptability. The model would be used for related projects and contribute to the economy， aesthetic， and the utility of projects.

Key words： Waterfront Space；Design Research；Parametric design；Form Finding；Optimized Model

參數化設計由最初在建筑領域的發展應用并逐漸擴展到城市規劃領域和景觀設計領域，作為一種設計輔助方法：首先它是一種思維模式，一種方式的選擇。再者，它是一種將數學邏輯、幾何邏輯、算法邏輯等設計問題相關聯，從自然科學的角度尋求解決問題的途徑。Anderson J R在其學術文章中列舉了景觀建筑學中可以應用算法邏輯的例子，并視作一種利用創新思維來解決問題的方法[1]。而在造型領域，例如雕塑和構筑物的“人造表皮”，基于參數化計算結果產生不同的造型形式的算法邏輯已經有所普及[2]。在中國近年來參數化設計方法出現了異常繁榮復雜的局面，學術界中關注這一領域發展的學者逐漸對發展現狀建立了認識基礎，在技術應用方面，也出現了一些以“非線性參數化”為技術手段進行風景園林設計的探索。然而，如何正確甄別各種方法的優劣并有效地利用參數化手段成為當前需要關注的問題。

1參數化設計的案例鑒別

1.1目的單一的參數化設計

這一參數化方法最初出現在建筑立面設計環節中，其本質是通過編程方法，利用智能計算來代替重復性的人的體力勞動，進而發展出針對建筑構件，或者以重復韻律為審美追求的線性設計的輔助性形態程序，即針對其中某一單元素進行重復的參數化設計。例如構筑物的造型、鋪裝的形式、裝置造型等。這種方法雖然獨立但是局限性很大，僅適用于局部的細節設計，無法掌控尺度更大的場地，也無法進行具有復合目標的多樣設計。

1.2自動生成式參數化設計

Peter Eisenman設計的猶太人大屠殺紀念碑群，通過參數化手段，設定規則和一組按照某種規律分布的高度值，借助軟件平臺自動生成設計，并形成多個相似的方案（圖1）。

這種方法可以部分地彌補人腦機能在建筑或景觀形態生成過程中造型能力不足的問題，但是由于真實的建筑或景觀形態設計要受制于很多實際因素，因此參數化設計更多的是在暫時忽略一些因素的前提下，去生成可供參考的形態，離真實建造出來的形態，乃至真正能投入使用的形態還相去甚遠。人的感知思維方式就像在開車教學中，專門練習入庫、貼庫、倒庫等技術環節并形成了口訣，這種只利用規則而不去實際操練的方法，離真正的開車上路還很遠。

1.3英國建筑聯盟（AA）景觀都市主義參數化應用

AA的參數化設計方法相對以上兩種更進一步，等高線成為他們最善于利用的參數，經過Indexing ，prototype，mesh，function等一系列過程再結合后期建筑師、景觀師的主動選擇來選擇最優形式（圖2）。但如果從實際建造工程應用角度而言，這是一種較為單線的思維方式，缺少優化和反饋設計，因此在實際進入施工設計階段后，該方法會面臨越來越多的因素群的影響。因此，后期的生成形式會出現一些銳角等不太符合人體舒適度的設計形式。

1.4鑒別結果

縱觀以上三個案例，可以發現參數化設計在建筑設計領域和風景園林設計領域的發展總體上呈現出自上而下不斷地進步，并不斷完善的參數化設計方式，但依然存在一些需要完善的地方。本文試圖通過對案例的鑒別總結，整理出一種具有一定適用范圍的風景園林參數化設計模型，并在實際風景園林實際建造過程結合驗證，期望得到一個相對優化的參數化設計的基本原型，并根據此原型總結出針對相關案例的普適性方法。

2郊野濱河空間參數化設計模型的建立

本文選取風景園林中的郊野濱河空間類型和參數化結合為基礎案例，有以下考慮：1）可供考慮的因素群體類別較為豐富，便于驗證參數化設計方法的多樣聯合，趨于接近真實的園林環境；2）參數化設計編程應用中可借助數學方法（例如：線性回歸方程模塊和模糊數學模塊），對因素之間的影響建立分析和反饋（例如：層次分析方法），從而進行科學驗證和選擇[3-5]。

2.1參數化設計基本原型和框架建立

總體技術路線：針對濱水空間場地的特殊性，因地制宜選擇有針對性的因素群，分析篩選因素群內部的重要參數，用數學模型模擬出真實反映場地特征的參數，并將各個參數進行量化，帶入相應的程序中運算，得到相應的結果。通過各個參數的運算結果疊加，并加上設計師主觀優化判斷，形成初步的設計形式[6]。

2.2因素群及其相關參數的選擇

2.2.1水生態參數

由于參數化輔助設計是技術操作法則，因此主要是應用相關學科的結論性觀點作為支撐。例如：根據一般景觀生態學觀點，認為在水陸交錯帶生態群落中，岸線的長度和曲度越大，生物凈化的能力則越強，生態性也越良好，那么這種關系可以量化構成參數化編程基本運算單元中的正線性代數關系。

另外如地表徑流匯集而成的水體，其水質經過測評后可以確定區域內是否需要人工干預使其達到環保標準。由水利學專業（專業工種水工）計算給出是通過潛流濕地或是表流濕地的方式，并伴隨有一定的有效水域面積要求的條件，這些都可以成為參數化設計數學模塊的參數輸入端。以此類推，關于水生植物生長面布局，地形的坡度、坡向等，均可以納入等高線體系進行要素群的歸類[4]。此步驟的最終目的是要建立要素群之間的數學聯系（圖3）。

2.2.2行為學經驗參數

在確定建立要素群之間的數學聯系后，便可對場地可達性進行研究探索，從而為設置下一步設計（如：合適的出入口、與場地緊密結合的路徑）形態提供科學計算依據。在一般的行為學研究中，認為針對距離場地的遠近不同，人們會選擇不同的交通工具。例如是否在步行范圍內，有無人行道、斑馬線是影響人們選擇步行出行的重要因素；相應的，自行車道及自行車停車位的有無，公交站點的有無，周邊市政道路的級別及停車場的有無等，都將影響市內游客的可達性。城市對外交通樞紐則會影響外省市游客的可達性。這些行為學經驗參數，為上一步得出的要素群之間的數學聯系關系提供了參數調節的依據和可能性。如果把上一步比喻成一個發聲的話筒，那么第二步便是話筒聲音的音量調節鍵。

設計不可缺少的是滿足不同的空間需求，空間的基本需求主要由三項因素（WWH）構成：WHO，WHEN，HOW。在更大的研究范疇內（即該場地所處的城市格局），通過調研，發現可以疊加更豐富更多元的參數（例如：針對當地人口結構、出行目的、娛樂方式進行研究），進而得出更多可能性和結論（在此案例中：市內游客的濱水空間需求度），這個方法成立的前提是研究對象的行為目的具有統一性（在此案例中：外省市游客多以旅游為出行目的，當地市民多以休閑娛樂為目的），從而得到優化設計的目的。

2.2.3景觀學參數

在此案例中，針對濱水空間的研究，在景觀學參數結合了《公園設計規范》《濕地公園設計規范》《郊野公園設計規范》等法規性文件中一些指標性質的參數規定，目的是為了檢驗參數化生成形態是否“合規”（例如常見的“硬質景觀比”“落葉常綠比”等）。另外還可以通過收集相關的成功案例，進行比較研究，得出可供參考的數據 ，從而得到更為優化的數據，這一步驟作為參數化設計模塊中的“檢驗端”，不可缺少，不但對之前設計步驟的正確性進行了檢驗，并進行了反饋設計（feedback design）。除此之外，根據更詳細的園林數據，可以更好地與實際設計場地結合，從而達到“形式尋優”的基本目的。

設定任何現狀資源的兩個維度（積極+，消極-），其方法論近似于矩陣分析方法[7]（圖4）。

本參數化模型建立在原場地的詳細踏勘調研上，緊密結合園林景觀建造過程涉及到的要素，并根據場地條件充分適應本案例情況。例如：

水體：水體的清潔情況，視覺感受，與水的互動、親水空間；受污染的水體，視覺與嗅覺的雙重因子（積極+，消極-）；山體：山地景觀，臺地景觀，微地形，遠山背景，相互關系為A-B（積極+，消極-）；

植被：空間圍合，植物景觀（積極+，消極-）；

動物：是否擁有良好的生態棲息地，是否能吸引游人（積極+，消極-）；

建筑：優美的建筑可以與景觀相融相契；反之則會削弱好感度（積極+，消極-）；

古樹：重點保護節點，人群集中區域，較好的觀賞、教育、旅游資源（積極+，消極-）；

古建：重點保護節點，人群集中區域，較好的觀賞、教育、旅游資源（積極+，消極-）；

停車場、垃圾場，排污口：視覺上不甚美觀，氣味也無法讓人產生愉悅的感受（積極+，消極-）；

實際要素的設定和矩陣評價在數理原理上是層次分析法，在參數化編程模塊中是產生要素與要素之間影響關系的數學子模型。

2.2.4反饋參數（在此案例中為主要水利參數）

在利用三維模型通過以上步驟對原場地經過一系列塑造設計之后，原場地發生了一定程度的改變。與此同時，此過程設計的基本形態（如地形、水系、植被等）必須輸送給水利學的生態水專業工種進行進一步的各種計算。該工種根據變化后的地形重新建立洪水模型，進行復核計算，以檢驗景觀設計提供的地形、水系、植被設計是否符合水利相關要求[8-9]。

需要說明的是，上述的參數設定，在內涵上更接近“影響要素”，具有靈活性，可以根據不同場地的不同調研結論，在計算過程中對參數進行設定。因此本文論述的重點在于算法和原理，打個比方相當于側重重視數學方程式的建立，而X、Y、Z具體數值根據具體的場地來輸入。

2.3參數的算法

2.3.1地形算法（圖5～7）

通常在原始地形CAD矢量文件導入Rhinocer和Grasshopper后，作為整個算法的基礎，首先需要建立Indexing計算模塊，為下一步引入上述相關生態、行為參數等調節端作準備。

由于原始地形矢量信息所包涵的坡度、坡向和地表徑流匯水線等重要信息，可以在這個環節的算法上被分析釋放出來，因此尋得虛擬最優理想地形模型。

這一步驟將上述成果推進一步，進入Meshing步驟，在算法中得出可供分析每一個地形細微單元的mesh面。以上圖示算法模塊的計算結果會在同步的可視化窗口形成圖像，下文案例詳解中演示。

2.3.2影響參數

設計中的單一要素對應一個參數，大多是單因素進行組合遞進發展，而各因素之間并無明顯聯系。基于事物都是普遍聯系的觀點，多因素相關是一個良好的必然趨勢，值得更深入地探討。因此建立相關的算法模塊也是文章下面所要建立的“形式尋優”模型的組成基礎。

3基于參數化原型的尋優原型

尋優原型建立的流程是通過項目背景、文化、業主需求等分析定位，在基本原型（basic prototype）的基礎上應用分析方法抽象出參數并利用參數化設計軟件設定算法，通過調整參數的取值范圍（range），得到一些量化指標，再結合景觀學設計知識進行篩選比較，確定最優形式，關于此項目針對的參數如前所述。

3.1因素群的選優

各個參數之間具有相對獨立性和潛在關聯性，運用層次分析法對四個因素群內的參數進行過濾選優，列出縱橫2個方向的規則矩陣表（表1，根據2.2得出），表明參數之間存在的內部和外部的邏輯關系。

表中A、B、C、D、E分別表示水生態參數、行為學經驗參數、景觀學參數、水利（反饋）參數。任意一個參數內部的邏輯關系以AA或BB等形式來表示，BA則表示B影響A生成。以此類推。在進行分析時，根據實際案例的特點來選取對角線上的某個選項作為起點，然后按照首尾相接的關系進行邏輯關系組合，例如AA-ACCB-BD-DA。組合表達的含義是生成的水生態參數影響景觀學參數，以景觀學參數為影響源生成行為學參數以此類推。從表中進行推算，根據此項目，可以得到4×4×4×4=256種可能的組合，提供了多種可能的技術路線，以便進行參數化設計。

3.2因素群內參數的過濾選優

同理，根據以上方法，因素群內的參數也運用規則矩陣法進行相互關聯，選出因素群內部相對更重要的主導因素及相對次要的因素（表2）。

3.3尋優原型（form finding）的生成

針對場地特征，利用層次分析法對參數進行選優，將相對獨立的參數關聯起來，使優選出的主導參數更具科學性。以選出的參數為線索，由計算器設定算法，得到相應的結果。將一系列結果進行疊加，可得到初步的設計形式，這也是尋優原型的初始原型。這顯然還不夠完善，在最終的尋優原型確定之前，還需要設計師主觀結合景觀學的設計研究成果、典型景觀模式的實踐經驗來進行尋優。對于參數化設計結果的提煉，需要借助設計研究成果，例如傳統景觀布局研究、水系分形學研究、師法自然的植物種植、景觀肌理構成原理等。典型景觀模式中如曲徑通幽、一池三山、黃金分割等都能成為最終尋優原型的輔助因素，這也使多因子綜合生成最終的尋優原型，附帶上了傳承文化的意義[9～10]。尋優原型生成過程示意如圖9。

4案例詳解

4.1項目簡況

實踐案例為山東省德州市徒駭河禹城段河道綜合整治，禹城市地處山東西北部，歷史悠久乃大禹之故鄉，作為治水重地同時也是“龍山文化”發源地之一，作為本文的實際驗證案例非常合適。

4.2挑戰與目標（與文化內涵結合過程）

從歷史文化保護利用角度看，禹城是歷史上大禹治水的功成名就之地，而徒駭河作為鏈接城市和未來城市新名片大禹文化園的唯一生態廊道，具有重要的戰略意義。如何引導和體現大禹精神以及地域文化特色是本案的重要挑戰之一，也是可供設計工作者主管創作的來源之一，同時場地條件十分適合與參數化相結合。

而從園林景觀工程建造角度看，該營建如能通過原始的、本土的材料選擇，以一種宏大敘事的方式展示人類久遠的生產、生活經驗，從而為當代人提供一個可供瞻仰和體驗的詩意的景觀格局，應該是合乎該地域特色的選擇。另外，從久負盛名的大禹治水神話傳說中挖掘內涵，聚合談天說地，疏導人流集散，順應自然之勢，是繼承大禹治水“因勢利導”的本質特征，本實踐案例將“因勢利導”理念融于場地相關生態設計與園路設計，作為本設計的精神文化支持。針對游憩人群數量確定園路和空間節點的集散、大小等，通過系統科學的承載分析，推演出最終的游憩路線和空間雛形關系。

4.3基本原型（basic prototype）的建立

4.3.1因素群及其相關參數的選擇（表3）

4.3.2參數的算法

1）地形

將原場地的等高線進行匯水線分析，可以發現一些水流匯集的區域和水流分散的區域，前者為場地的潛在低洼地，后者則為場地的潛在高地。利用這些潛在低洼地和潛在高地，生成了新的模擬等高線。這些新等高線只是模擬了原場地地形變化的一種可能與放大，同時也將場地的實際情況進行了科學化的整理（圖10）。

等高線（contour）只能表明橫向的結構，因此將不均一的四邊形嵌套進新等高線內，生成一張mesh網格（mesh grid），這樣在橫向和縱向兩個方向上都可以體現出一定的結構，形成了可以控制的單元（unit）。而這個四邊形網格的選定，則主要由設計對象的尺度決定（圖10）。

2）選址與尺度—濕地

由于現有的污水處理廠會將一定的污水量排入徒駭河內，為了對此進行整治，需要有一定的潛流濕地區域。

經過水工計算，處理污水量需要的潛流濕地面積總共為4 hm2，而潛流濕地處理必須細分為若干單元，每個單元的面積至多為1 500 m2，潛流濕地處理單位長度則應控制在12～30 m內，最小面積則約為150 m2。

Mesh網格中的每個四邊形都有一定的面積，可以幫助遵循濕地的面積要求。選擇在相對低洼的場地內框選出濕地單元（unit），最終組合形成濕地的設計雛形（圖11）。

3）選址與尺度—廣場空間與道路選線

經過生態與城市的基礎設施比較和功能分析，可以得出一些適宜做入口廣場的區域。

運用禹城人口結構百分比及禹城地區出行目的人口百分比，與一定的生態系數進行數學計算，可以得出徒駭河的人口承載量。再根據與城市交通的分析可以得出各濱河入口空間將預計承接的人口承載量。通過這樣科學的假設與計算，可以在場地內設計足夠人們活動的空間且與徒駭河的生態相平衡。

在入口廣場匯集的人群，需要通過園路分散到河邊路各節點（node）。依據廣場的承載量可計算出需要園路需要分散的承載量。隨著園路分枝漸多，園路承載量也相應減少，因此園路會呈現不同寬度的分級。通過園路與園區的廣場與節點的組合交叉，最終形成完整的全園的道路系統（system）。以之前計算得出的廣場與道路的尺度為基礎，再依據適宜坡度、適宜坡向、適宜建設用地等生態分析結果進行選線。

4.4形式尋優

應用層次分析法篩選的主要參數進行運算，得到可能的設計形式，設計師主觀上結合實踐經驗，選出最終的最優方案（圖12）。

5結語

對參數化尋優原型（form fi nding）的探討，不僅是在追求一種科學的計算方式，更意在增加科學對設計過程的介入。將因素群中的參數進行數學量化，不僅增加設計的科學性，更促使了學科間的交叉對話。尋優途徑的目標不僅在輔助主觀選擇，平衡了土方量，更增加了景觀的美觀、經濟、實用性。最重要的是，為實際施工建造提供了充足的科學依據。

注：本文圖1來自百度圖片；圖2為筆者2012年參與的AA—清華景觀助教工作課件；圖4來自參考文獻[7]；圖3、圖5～12為筆者自繪。

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