簡析參數化城市設計的理論與實踐

(蘇州大學金螳螂建筑學院　江蘇　蘇州　215123)

一、來自數學的啟示

數學作為一門基礎學科，對建筑學及城市設計學影響深遠。早期的城市被建筑師當做巨型建筑物來設計，城市設計往往追求視覺上完整的幾何形體[1]。現代建筑運動時期，柯布西耶提出模度理論。而后曼得勃羅(Mandelbrot)創立分形幾何，在其著作中他討論了歐式幾何與分形幾何在建筑中的應用。隨著數學學科的不斷發展，新興的拓撲學與混沌數學提供了研究復雜系統的可能性，正如微積分學之于文藝復興時期的數學家。而基于此發展而出的“參數化設計”則是當下建筑學與城市設計數學化傾向的代表[2]。

在計算機出現之前，參數化設計理念就已經被運用。其中，高迪使用懸鏈模型結合荷載計算為拱和拱頂“找形”的做法，背后蘊含的即是嚴整的理性邏輯。這可以看作是早期的參數化設計實踐。而美國建筑師弗蘭克·蓋里(Frank Gehry)對于數字技術的運用成為其建筑創作過程中必不可少的一部分。其團隊設計建造的西班牙畢爾巴鄂古根海姆博物館可看做是體現參數化設計理念的重要作品。隨著計算機技術的不斷發展，計算機不再僅僅作為輔助設計的手段，其本身也可以包含復雜的自組織系統。2008年帕特里克·舒馬赫(Partirk Schumacher)正式提出“參數化主義”這一概念，他認為參數化主義的基礎則在于“場域”概念，場域是由大量可延展塑形的單元體借助差異和關聯的子系統組織生成[3]。參數化設計實際上是對系統各成員之間關聯關系的設計，也就是制定系統運行的規則[4]。參數化設計的基本方法可歸納為關聯控制型設計和參數生成型設計，而其核心皆為“參數—規則”。參數化主義的這一特點在城市尺度的設計中具有顯著優勢，無論是建筑單體、建筑組團或是區域規劃中，個體的差異化與相互之間的關聯性使得整體系統得以清晰展現，富于邏輯。

二、參數化城市設計簡述

參數化設計的哲學基礎與科學依據可追溯至法國后現代哲學家吉爾·德勒茲(Gilles Deleuze)的“生成”思想與當代復雜性科學理論[5]。德勒茲指出“生成”是某個“事件”的根本屬性，且它的存在狀態是開放變化的。生成的概念對參數化城市設計的直接影響是將作為“結果”的城市轉換為作為“過程”的城市，將尋求確定結果的設計策略轉換為尋求開放系統的設計策略。而復雜性科學理論對應德勒茲的另外一個重要概念，即是“塊莖”。“塊莖”是指多元化、去中心、不規則的結構體系。不同于傳統的樹狀結構體系，其更注重元素之間的聯系性與差異性。城市由大量具有智慧性的個體組成，其間存在強烈的耦合作用，可根據環境信息調控自身行為并做出相應的反饋。面對復雜系統，人們提出“涌現”的方法。借助計算機模擬技術，復雜系統中的個體行為與相互關系完成自下而上的“自生—涌現”過程。

圖1　城市空間網絡拓撲關系示意圖(圖片來源：作者自繪)

現代城市空間一方面具有“自上而下”的規劃控制的幾何形特征，各部分之間由區域組團和交通系統組成；另一方面則是“自下而上”的隨著時間推移逐步形成的空間肌理特征，各部分由人群活動及相互交往組成。在空間形態方面，空間要素除了具有位置、大小、形狀等幾何特征之外，它們之間的空間關系更為重要。如圖1所示，人與人，人與物、物與物等之間的相連、相離或相背等拓撲關系組合在一起共同形成整體城市空間網絡。拓撲特征指的是空間網絡在做拓撲變換時保持不變的性質，包括連續性、層級性、指向性等。其中對于城市空間而言，交通網絡的連續性和區域空間的層級性是重要的兩個特征[6]。而在社會功能方面，帕特里克·舒馬赫(Partirk Schumacher)指出當今處于后福特主義網絡社會，個性化與多樣化共存。應對動態而復雜的當代社會，參數化主義不再像現代主義城市化那樣依賴于簡單統一的形態，而是更加注重開放性與交流性[3]。他進一步確定了參數化主義的設計方法論規則，有些規則是應該避免的(負面規則)，有些規則是應該鼓勵的(正面規則)。其中負面規則為避免出現剛性形狀，避免堆砌簡單重復或是不相關聯的元素。正面規則為采用柔性形態，通過變形與延展形成差異化的系統，系統內部相互依賴，具有充分的關聯性。這些規則不僅作用于空間要素，更影響著生活在其間的人們，體現出人與物、主體與客體關系的辯證統一。

三、參數化城市設計相關實踐

近年來參數化設計已成為前衛設計方法的代名詞，引發全球的關注。國內外眾多重要的科研機構和建筑事務所，如英國AA建筑學院(Architectural Association School of Architecture)DRL研究所(Design Research Lab)、荷蘭貝爾拉格建筑學院(The Berlage Institute in Rotterdam)、清華大學建筑學院、扎哈·哈迪德建筑事務所(Zaha Hadid Architects)、UNstudio等均在參數化城市設計方面推進著理論研究與項目實踐[7]。

理論研究方面，帕特里克·舒馬赫(Partirk Schumacher)的《參數化主義：一種建筑與城市設計的全球化新風格》、尼爾·里奇(Neil Leach)的《集群城市主義》等著作集中詮釋了參數化設計及其相關理念。其中帕特里克·舒馬赫(Partirk Schumacher)提出的“參數化主義”引發了建筑學科領域的持續討論。他認為當現代主義在當今建筑設計領域長期占據主流的時候，參數化主義誕生具有深遠的意義。參數化主義不在于運用新的設計手段，也不在于新穎前衛的建筑外形，而是在于深層次對傳統建筑設計觀的顛覆。參數化主義代表了一種新的設計思維。帕特里克·舒馬赫(Partirk Schumacher)所在的扎哈·哈迪德建筑事務所(ZHA)也一直將參數化設計思想和方法貫徹于城市設計競賽方案中，取得了一定的實踐成果。如位于土耳其伊斯坦布爾的卡特爾-彭迪克總體規劃競賽項目、紐約市2012奧運村規劃項目等。此外荷蘭格羅寧根規劃設計項目采用的“集群規劃策略”也可看成是“參數化設計”或是“關聯設計”的典型實踐案例。

(一)卡特爾—彭迪克(Kartal-Pendik)總體規劃

卡特爾—彭迪克總體規劃設計是扎哈·哈迪德建筑事務所(ZHA)的競賽獲獎項目。該項目地段位于數條重要交通線路的交匯之處，旨在將伊斯坦布爾東岸一個廢棄的工業地區激活為一個嶄新的區域中心，同時疏解舊城區的各項職能。方案在道路系統組織和地塊形態生成兩方面充分體現了“參數化設計”的理念。首先從整合場地兩側現有基礎設施入手，設計人員利用計算機程序中的MAYA軟件將西側的卡特爾地區與東側的彭迪克地區以多條橫向道路以參數優化的方式進行連接，形成道路主體框架。同時生成一系列的橫向平行二級路網完善交通體系，再加強交通的同時優化場地內部交通的迂回水平，保證了交通的便捷性與有效性。

在卡特爾—總體規劃項目中，設計人員采用三維泰森多邊形(3DVoronoi)技術生成地塊形態。這樣的形態生成策略貫穿于各個空間層級，從場地區域到建筑單體再到建筑細部，最終形成一個相互聯系的多層級開放空間網絡。城市形態生成的同時，形態生成規則以計算機程序腳本的形式得以保存。相較于作為“結果”的城市形態，作為作為“過程的”的城市設計規則更能體現出“參數化”設計的魅力與無限可能性。

圖2　卡特爾—彭迪克總體規劃的交通網絡和地塊形態

(圖片來源：http://www.zaha-hadid.com/archive/)

(二)格羅寧根(Groningen)氣候適應性規劃項目

海平面升高和飲用水的短缺是荷蘭城市面臨的難題，格羅寧根位于荷蘭的最北部，是荷蘭重要的貿易及商品轉運中心。當格羅寧根地區開始新的區域規劃時，除了常規的經濟和人口規劃主題，氣候變化是規劃過程中的第三根支柱。區域規劃通過三個階段進行:分析、相互作用和思考。在每個階段中氣候變化都與規劃過程的每一步連接起來[8]。

規劃人員通過觀察降水與海平面上升兩等因素，分析氣候的長期變化。分析結論表明當地夏季的干旱期可能會增長，同時秋、冬和春三季將會變得更加潮濕。這些現象關乎水管理的方式，人們需要在多雨期將多余的水儲存起來或是用抽水機抽入海中，而在干旱季節則需要更多的水供給。規劃人員擬采用“集群規劃”的策略，即通過一系列戰略干預來增強地區的適應力。這些干預措施具體包括引進老式的鹽沼濕地用來固定沙和泥土；在地區內最易受到海水沖擊的沿海地區構建動態海岸，對現有堤壩進行穿孔操作并修筑新的堤壩。在新舊堤壩的中間地帶將會半永久地被淹沒，水不斷地進入然后離開。

格羅寧根規劃項目將大量研究集中于溫度、降水和海平面上升，規劃分析了這些氣候因素對農業地區、城市地區和自然區域的不同影響，有針對性地提出干預措施，而控制集群方法可以保障干預的有效性。格羅寧根案例中的設計方法說明了空間規劃中的適應集成方法是可行和便捷的，并為其他國家提供了新思路。

上述兩個實踐項目分別從城市形態設計和地區氣候適應性規劃兩個方面體現了參數化設計的思想與方法。由于在不同尺度和領域我們所面臨的的問題是不同的，解決辦法隨之不同。而參數化設計的核心則是研究元素之間的聯系，這一特性提供了應用于各類不同問題的可能性[4]。

四、結論

當今參數化設計雖引發熱議，然而人們對其的認知依然不夠透徹。很多時候參數化城市設計也被當做一種實驗或是狂想，與傳統的城市設計大相徑庭。然而毋庸置疑，參數化城市設計能夠深刻影響規劃師看待城市的角度，并且其在設計方法論方面的意義大于具體技術手段的意義。參數化城市設計不是僅僅意味著前衛的外形，也不是在通過復雜的參數規則制造麻煩和混亂[9]。通過一系列具有潛在邏輯的關聯原則，參數化城市設計追求的是多樣性、豐富性，富于動態和變化，以適應當今日趨復雜的社會發展。同時我們需要認識到，對參數化城市的追求并不是規劃師的異想天開，而是社會發展到一定階段的必然性[10]。

當今參數化設計技術在城市設計方面的理論研究與在地實踐都剛剛起步，仍然存在著很大的局限性。城市的復雜性與差異性不是只運用參數化技術可以完全應對的，如各地區城市的歷史文脈及相應的政策法規等因素。參數化城市設計應避免不顧其他因素影響而盲目實施，在追求技術理性的同時我們也應有所揚棄，最終營造出越來越美好的城市。