集群的智慧
——論涌現理論在波哥大城市設計中的應用

高雯，周君，塞德里克·A·卡茲，艾弗拉·托馬拉/GAO Wen, ZHOU Jun, Cedric Al Kazzi, Avra Tomara

1 理論背景

1.1 自然界中的“涌現”與涌現理論的定義

2000年，日本科學家中恒俊之在《自然》雜志上發布了一種“粘液菌走迷宮”現象[1]。單細胞的粘液菌沒有大腦或神經系統，但將它們均勻地布置在迷宮內，迷宮出入口分別放兩塊他們喜歡的瓊脂，經過足夠長的時間，這些粘液菌便可以找到連接迷宮出入口的最短路線（圖1）。起初科學家們推斷粘液菌群中存在一些“先鋒”（pacemaker）在發號施令，但大量實驗表明粘液菌之間并無差別。事實上，粘液菌是通過依外部環境而變的“環腺苷酸”的分泌來調節個體的行為，而并非聽從更高階層的指揮[2]。伊芙琳·凱勒（Evelyn F. Keller）和李·謝格爾（Lee A. Segel）用數學建模的方法佐證了這一生物學現象：當簡單的個體遵循某種簡單的規則會形成意想不到的復雜結構[3]。

1 “粘液菌走迷宮”示意圖（圖片來源: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23574752）

這種“自組織”和“去中心化”的現象還能找到許多[4]，例如鳥群的在空中保持飛行的列隊、蟻群合作筑巢、神經網絡或城市鄰里的形成。這些現象背后都蘊含著一個更為本質的邏輯，即一些基本單元或個體，遵循少量的規則，可生成極為復雜的結果，基本單元本身并不單獨表現這種性質，而集群后所顯示的能力超過了個體成員的加和，我們稱之為“集群的智慧”，這便是涌現理論的核心理念。

1.2 涌現理論與城市設計

隨著城市規劃從“中心化的”“自上而下”的模式向“去中心化的”“自下而上”的模式轉型[5]，體現個體意志和非線性邏輯的規劃思想得到更多的關注。特別是面對城市發展日益增多的不確定性，基于個體自組織行為的模擬方法應用廣泛，以彌補傳統城市設計預測模型的不足。

作為復雜理論（complexity）中的一支，涌現理論與混沌理論、模糊理論、有機理論及各種后現代文化思潮相交叉，對當代城市設計、建筑設計等學科產生了很大影響，引發了各類新的設計思潮與變革實驗[6]。涌現理論中所蘊含的“整體大于部分之和”“簡單生成復雜”“受限生成”“去中心化”“自適應” 等特征，借助計算機建模技術得到了更具體的證實和展現。基于數字化的抽象與具象的綜合特征，計算機模型可以具體地模擬出各種不同事物或系統的涌現狀況，并且對各種狀況加以控制和改變，從而為包括城市設計在內的諸多學科提供基于涌現理論的方案模擬。

例如，史蒂文·約翰遜（Steven Johnson）就將城市的涌現現象與計算機建模相結合，并推廣到軟件程序的操作上，試圖尋找軟件程序與城市相同的涌現邏輯。在他看來，城市是動態自適應的系統，它建立在近鄰互動、信息回路、模式識別和間接控制的基礎上，并通過“集群智慧”在運轉。一些自發性因素或性質將對城市的生成過程產生重要影響，而計算機恰恰可以模擬出這種集群的自發的城市現象。而“Kokkugia”項目十分擅長運用參數化“集群智慧”進行城市和建筑設計[7]。其創始人兼設計總計羅蘭·斯努克斯（Roland Snooks）認為，

1“粘液菌走迷宮”示意圖（圖片來源: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23574752）

2“主體”與“環境因素”之間的作用關系（圖片來源：作者自繪）先決性的“總體規劃設計方案”應當轉變為應用群體邏輯的“總體算法”，非線性、去中心化的集群效應更值得關注，城市居民等 “主體”之間的非線性交互作用應當作為最核心的設計依據[8]。

2 城市設計中涌現模型的構建原理與技術路徑

相比于“自上而下”編制一套唯一優選的城市規劃方案，基于涌現思想的城市設計更關注一種能體現集體自組織性的城市智能系統，該系統中的每一個主體都具備自組織的能力，換言之，所有單個的城市行為主體都將被賦予智能并能夠相互作用，原本精英主導型的設計方式由一種多主體、自組織的涌現方式所取代。下面將就如何通過計算機建模軟件實現該城市設計思想做出具體解釋：

2.1 模型的構建原理

建模的思路可以概述為，通過計算機軟件創建大量小規模離散元素構成的群體，為之設置簡單或復雜的互動規則，并將各種內外部因素作為參數輸入到模型中，使之在適應外部環境和內部動態要求的前提下，模擬出各個離散元素發生的交互作用，從而完成涌現生成的探索。經過足夠長的時間后，離散元素的交互作用將歸于一個近似的“穩態”，最終呈現出一種反映某種“集群智慧”的形態。該集群形態將被應用到設計項目的生成中，大到城市區域，小到建筑單體。值得注意的是，系統中任何經濟、政治和社會狀況的變化都將對這種半穩定的狀態產生沖擊，繼而重新形成新的穩態，因此涌現的結果是一種包含不穩定因素的動態的穩定，而依據其生成的城市規劃方案也應當是體現對內外部條件主動適應性的靈活系統。

2.2 模型的實現路徑

以涌現理論和集群智慧思想為指導，本次城市設計借助一種特殊的計算機動態系統（Maya Dynamics System）對城市設計方法進行探索。簡而言之，在Maya軟件平臺中，城市的行為個體將由一個個的具備空間位置信息的“主體”代表，它將受到其他“主體”的影響，還會受到各類外部“環境因素”的影響，在內外部因素共同作用下，“主體”將進行動態演變并逐漸形成相對的穩態分布（圖2）。

2 “主體”與“環境因素”之間的作用關系（圖片來源：作者自繪）

具體的技術路徑如圖3所示，由場地分析提取初始狀態“主體”和“環境因素”信息，并轉譯為初始態幾何形（點、線、面等），導入Maya 動態系統。其中，代表主體的幾何形將在Maya平臺中轉化為由點陣構成的“纖維系統”，而代表環境因素的幾何形將轉化為“力場”。依據不同環境因素對不同主體的吸引力程度，制定環境因素評分參數表，該參數表將用于調節Maya動態系統中“力場”。在此基礎上，軟件對主體之間以及主體與環境因素之間的作用力開始模擬“主體”的“纖維系統”則逐漸形成纖維圖案，即得到城市設計雛形肌理。

圖4表達了這一從初始到穩態的模擬的過程，圖中的纖維狀的“線”事實上為束狀的“點”，每個點代表了城市中的每一個主體。經過多輪迭代，主體在內部集聚和外部環境因素力場的作用下，逐漸達到穩態。

3 Maya動態系統技術路徑圖（圖片來源：作者自繪）

4 動態模擬過程的示意 （圖片來源：作者自繪）

下文將以波哥大城市設計項目為例，對上述涌現模型的具體應用進行詳細闡述。

3 項目背景

3.1 項目的緣起與波哥大的基本情況

本項目是由BD Promotors贊助支持的一項研究——波哥大未來城市設計“我的理想城”（my ideal city）項目，由美國賓夕法尼亞大學設計學院建筑系主任溫加·杜貝爾丹（Winka Dubbeldam）教授指導的studio完成。“我的理想城”項目將波哥大劃分為10個區域，分別交由10個研究小組進行研究和設計。筆者所參與負責的是市區東南部的貧民窟區域,本文所闡述的涌現理論的設計實踐也主要針對該區域進行。

波哥大是哥倫比亞首都、是哥倫比亞的政治、文化、經濟中心，也是拉丁美洲的工業中心。與其它拉丁美洲一樣，波哥大同樣經歷著快速、大規模但低質量的城鎮化。據統計，拉丁美洲在1950年，僅7.3億人居住在城市，到2009年，這個數字上升至超過30億。而波哥大在1930年僅有30%的人口居于城市，到1985年這個比例就已至70%，并仍在以每年約5.5%左右的速度在增長，是拉丁美洲城鎮化速度最快的地區之一[9]。然而城市的管理、基礎設施、公共服務等難以支撐如此大規模的迅速城鎮化。交通堵塞、垃圾污染、毒品交易、暴力事件、高失業率、中心衰敗 、貧富差距成了波哥大的代名詞。波哥大的人口增長主要來源于大規模農村-城市遷徙，這產生了大規模的非法移民（圖5）。這些農民由于缺乏專業技能知識而尋求不到合法的工作，成為城市黑戶自發生長，主要聚居在波哥大周圍山區地帶的貧民窟（圖6）。與其他拉丁美洲地區以及撒哈拉以南非洲相似，國內戰亂是導致大規模人口向城市遷移的關鍵原因，因為城市在政府的掌控之中，相比農村是更加安全的區域（圖7）。

5 波哥大城市增長圖（1950年，1970年，1990年；圖片來源：CIFA - Universidad de los Andes, Museo de Desarollo Urbano, Departamento Administrativo de Planeación Distrital）

6 波哥大非正式定居點增長圖（1951-2010；圖片來源：Informal Urbanization in bogotá: agents and production philosophies of Urban space, By Angélica Patricia, Camargo Sierra, Adriana Hurtado Tarazona ）

波哥大安塔納斯·莫茨庫斯（Antanas Mockus）、恩里克·佩納洛薩（Enrique Penalosa）等精干的市長嘗試用各類傳統的城市治理方式改善波哥大的城市環境，然而，由于政治和社會局勢十分不穩，僅僅3年的市長任期難以保障傳統的城市規劃頂層設計一以貫之。人們開始探尋來自民間的內生性城市更新力量，這可能才是城市治理的良方。BD Promotor發起“我的理想城”項目，認為應當讓市民參與到城市決策，共同確定城市的未來。應從一個“種子模型”開始組建，用很小的啟動因子，最終生長出具備復雜性及完整性的方案。通過確定局部的內在吸引力，加強并組成局部的設計方案，從而啟發周邊區域的自發性生長[10]。該思想與涌現理論的理念不謀而合，為此，由BD Promotor贊助，杜貝爾丹教授帶領指導，筆者團隊對波哥大地區進行一次基于涌現思想的城市設計探索。

3.2 項目地的基本情況

本項目所在地位于波哥大市區東南部，與城市北部的富人區不同，這里是富查河（Fucha river）上游的貧民窟區域（圖8）。富查河污染問題逐年嚴重，每年雨季在其上游地區極易發生山洪泥石流。在這塊聚集區內居住多為失地農民、城市貧民，還有其他的非法移民，面臨著生機維系、人身安全、健康保障、自然災害、子女教育等各類嚴峻的問題。改善這里人們的生活質量迫在眉睫。

4 規劃設計過程

4.1 確定設計主題——城市農場（Farm City）

經過實地勘查，該地區的居住者主要為低收入者和貧民,他們大都是為躲避戰亂從其他地區遷移而來的有經驗的農民。而河流兩岸土地肥沃，當地特有的氣候適合種類繁多的植物生長，特別是藥用植物。基于河流、土地、城市農民和科研機構這4項獨特的資源稟賦，項目組確定了場地（圖9）并提出了地塊的設計理念：城市農場（Farm City）。

將河流兩岸設計成濕地系統，可凈化空氣，并為當地提供清潔的水源。將兩岸平鋪的低矮、簡陋的房屋置換為高層建筑，通過增加單位面積的建筑密度，為不斷增長的人口提供足夠的高質量住宅，辦公和商業空間。高密度建設區布局在在場地西側富查河與城市主干道卡里拉10號（Carrera 10）的交匯區域，與城市北部富人區緊密連接，提升場地可達性和集聚效率。結余出的土地可以創造更多居民所需的公共空間和服務空間。結合特有的生態濕地設計景觀綠地，沿著富查河道布置跑步及騎行道，打造出特色市民廣場和運動空間，實現城市空間與自然生態空間的真正融合。而改善后的富查河岸的生態系統，可以為眾多的學術機構、科研院所提供緊鄰城市地區的實驗基地。曾經沒有正式工作的城市農民可以發揮自己的種植特長，幫助研究機構和組織進行藥材等作物的培育。培育出的生態產品可直接供給其他區域的城市居民，也可借助城市的商貿物流網絡銷往其他地區。

如此一來，通過構建一個“城市-濕地-農地-綠地生態系統”，輔以完善交通設施等相關配套服務，可引發該地區從單純的居住功能向科研、商貿、教育、旅游、辦公、文化藝術等其他復合功能轉變，逐漸成為波哥大城市南部的一塊綠寶石。

7 戰爭對波哥大城市增長的影響 （圖片來源: Council of Bogota-information on the city of Bogota, World Urbanization Prospects-united Nations population estimates and projections of major Urban Agglomeration）

8 波哥大城市階層分布（圖片來源: Geografía Urbana with data from the Secretary of Urban Planning of Bogota (2011).）

9 場地（綠線范圍）環境

10 生態主體初始態纖維系統

11 都市主體初始態纖維系統

4.2 “主體”與“環境因素”的轉譯

根據集群智慧的思路，主體可以按一定規則形成獨特的集群形態。由“城市農場”的設計主題出發，項目將構建兩個層次的行為“主體”：（1）以河流、水流為代表的生態主體；（2）以人流、交通流為代表的都市主體。

如文章第二部分所述，場地提取的環境因素將在Maya動態系統中被轉譯為“力場”，而主體被轉譯為點陣構成的“纖維系統”。其中，環境因素既包含“線”的形式，代表河流、道路等城市線性要素，也包含“點”的形式，代表醫院、大學、集市等功能聚點。根據表1中環境因素的分值，對代表環境因素的“點”和“線”產生的各個“力場”進行參數設定，以此生成對“主體”產生強弱不同作用的“力場”。而主體則由“點”來代表，并形成束狀的 “主體”集，在Maya動態系統平臺中表達為纖維系統。

“主體”在Maya動態系統中被轉譯為由點陣構成的纖維系統，代表其在城市構成中的“運動趨勢”（to-movement）[11]。由于運動趨勢體現的是代表交通流、河流的“主體”集群在城市中主要目的地之間的分布，因此“主體”的初始態是由點陣構成的多組直線。圖10模擬的是生態主體初始態的纖維系統（每條纖維可理解為由均布點構成），代表毛細血管般分布的濕地水流。水流沿地勢等高線的方向進行布置，并與河流交匯合并，表達出沿富查河道引發出眾多支流。圖11模擬的是都市主體初始態的纖維系統，以垂直方格平鋪于基地，但在靠近城區干道區域加密。由于城市主干路和河流是影響居民聚集的關鍵因素，因此線網平行于城市主干路和河流方向布置，并結束于東側山區。同時場地原有的主要交通匯集點發散出與城市干道連接的人流，以傘狀束的纖維表現。

值得指出的是，“主體”首先具有一種內部的集聚性，是運動的源動力；“主體”轉譯的纖維系統在Maya動態系統平臺中，會設定使其具有毛發般靜態緊貼（static cling）的屬性，以此模擬其集聚性的內部作用。同時，外部“環境因素”作為城市設計中的現存形式，對“主體”產生疊加的作用力，引導纖維系統形變。為研究不同“環境因素”對各“主體”的吸引力作用及其關系，我們建立了如下數學模型：

有“環境因素”Ep，“主體”Aq，假設Ep對Aq的吸引力作用均由n個維度來評價，即維度向量D={D1,D2,D3…Dn},n∈Z+，則設計者對每一維度的吸引力進行評價， -1表示排斥作用，0表示中性作用，+1表示吸引作用，則評價

RDn=c,c∈{-1，0，1}

另設權重向量W={W1,W2,W3…Wn},n∈Z+，表示不同維度對吸引力評價的權重。則Ep對Aq的吸引力總分：

本項目中，我們認為“地形條件”“功能”與“環境體驗”是城市“環境因素”對“主體”纖維系統的形態產生物理位置上影響的重要維度，因此本項目設維度集D={D1,D2,D3}，其中D1為“地形條件”，D2為“功能”, D3為“環境體驗”。在城市設計經驗中，“地形條件”與“功能”維度在吸引力評價上權重更高，設權重集W={W1,W2,W3}，W1=2，W2=2，W3=1，表示吸引力評價的“地形條件”與“功能”權重分別是“環境體驗”權重的2倍。接下來，可按此假設對每個“環境因素”在各“主體”上的吸引力計算總分。例如，環境因素Fucha河（E1）對生態主體（A1）的“地形條件”“功能”與“環境體驗”吸引力均為正，則吸引力總分：

于是據此模型，得到場地的重要“環境因素”對不同“主體”的吸引力評分參數表（見表1）。

表1 生態主體和都市主體環境因素評分表

12 生態主體的穩態纖維系統

13 都市主體的穩態纖維系統

14 濕地空間（藍）與城市用地（紅）

15 城市設計土地利用平面圖

4.3 計算機動態模擬和轉譯（輸出）

在動態模擬的迭代過程中，生態主體和都市主體不斷更新自己的地理位置，使得纖維系統逐漸形成肌理。當生態主體和都市主體經過多輪迭代達到相對穩定，肌理變化趨于靜止，生成了穩態纖維系統，即得到了城市設計的雛形肌理（圖12、13）。

纖維系統作為城市設計雛形，是進步一提煉形態輔助建模的重要基礎。觀察都市主體生成的纖維系統肌理，可以明顯地看到集聚發生在基地西側城市主干道卡里拉10號和富查河道的交界處，形成一近似三角形的都市區域。如圖14，將纖維變粗的地方提煉成為新的城市干道，將孔洞提煉成為城市用地。可以發現，越靠近三角區核心的孔洞越大，圍繞的纖維越粗壯，城市形態越清晰。因此，將此三角區域定義為都市層人口密度最高的核心地區，也是城市主體高層建筑物落位的最佳場地。另一方面，依據生態主體生成的纖維形態提煉出濕地系統。纖維密集交錯的區域被視為水流的匯聚，設計為地勢相對較低的濕地空間；而纖維舒散的區域則成為設計地勢相對較高的與生態系統交融的科研、教育類用地（圖15）。

在纖維系統肌理的指導下，結合真實的設計語意，完成了更具體的設計方案。沿著富查河兩岸塑造地面形態，創造一個個大小不一、自然流暢的濕地水庫，并均勻分布在不同的地勢高度形成生態階梯。從山地流淌下的河流就沿著地勢形成一個個水塘，為各類動植物的生存生長提供了最佳環境。科研和教育建筑順勢從纖維空洞中生長出來，懸于水塘之上，種植屋頂逐漸形成坡面并消失于農地中，與生態景觀融為一體，“城市農場”設計方案由此完成（圖16-18）。

5 討論

城市由大量小規模離散個體構成，并通過“集群智慧”運轉。在波哥大城市設計項目中，借助計算機軟件嘗試將這種“集群智慧”的邏輯應用到城市生長預測中。通過模擬個體對外界環境以及個體之間的互動機制，獲得了“自下而上”生成的自組織城市形態，是將涌現理論應用到城市設計實踐的一次很好的嘗試。

與以元胞自動機（cellular automaton）為代表的其它模擬算法相比，本項目中采用的Maya動態系統在城市設計方面具有更大優勢。前者在城市土地利用、生長預測模擬等方面能力強大，而Maya動態系統在具體的城市設計尺度上可拓展的功能較為全面，與城市設計語義結合的較為充分。具體而言，本項目所采用的方法在以下幾個方面呈現了其創新性的特征：

（1）“自下而上”的纖維運動生成城市肌理：代表城市行為的“主體”以纖維系統的形式表達群體性，這一表達使“主體”在“自下而上”的運動過程中帶動纖維逐漸形成具有清晰圖案的城市肌理，因此能夠更有效的轉譯為城市設計這一尺度的規劃；（2）富于美感的新形式：纖維系統遵循涌現理論生成的圖案，與城市設計中各個自然生成的流體發生共鳴，如人流、水流等，激發了一種合理的城市肌理的美感認同，也激發了新設計形式的探索；（3）純粹的規則：相較于對個體與環境設置一系列的規則，Maya動態系統將此過程更純粹的抽象為力的吸引-排斥作用，通過將復雜的外部條件與個體條件轉譯為不同的吸引-排斥力場，集群過程就可在力場的作用下呈現出豐富的復雜性，并暗含設計的理念和意圖；（4）穩態：本方案中的技術路徑具有逐漸趨向穩態的特性，使得模擬過程擁有了結束標志，使設計意圖能不斷趨近最優解。

“設計結合自然”也是本方案在設計過程中尊崇的設計思想之一。除了結合基地的自然環境稟賦，本案又綜合性地結合了當地的政治、經濟、居民組成、用地現狀等與設計理念相關的環境因素，共同疊加、綜合分析、抽象轉譯為力場作用于主體。在 “設計結合自然”的理念方法上，本案的設計邏輯對其進一步拓展抽象，使其作為影響設計生成的外部組織力量，作用于內部組織力量，內外因素共同作用生成結果。

然而，通過計算機對個體行為進行模擬，操作方法卻仍舊基于精英（設計師）假說。例如，計算機模型中為每一種環境因素影響力設定的參數，很大程度取決于設計師經驗。在未來的探索中應嘗試將計算機建模方式與傳統田野調查方法更為充分地結合：一方面，基于初步模型假說，制定模塊化、標準化的田野調查框架；另一方面，將田野調查獲得的大量信息進行參數化轉換，作為數學模型建構依據，并利用居民的歷史行為信息對模型進行校核。這樣，設計成果才更能真實反映個體需求，真正體現集群智慧。

17 與濕地交融的科研建筑

18 生態引入都市圈（9-18 圖片來源：作者自繪）