基于參數化技術的裝置方案階段優化設計研究

喬雨

關鍵詞：景觀裝置 參數化技術 極小曲面 優化 數據

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2022）07-0145-04

引言

裝置藝術（即環境藝術）起始于20世紀60年代，屬于后現代藝術的必然產物，以一種傳播媒介的形式反映客觀世界的具體事物和作者的審美觀念。由于裝置藝術的表現手法和材料不受限于單一的線性思維，可以綜合運用多種門類的藝術形式，沖破傳統的藝術觀念，從而形成與人們無形的交流。胡·大衛作為美國著名的藝術評論家，將裝置藝術劃入人類古老文化的范疇，稱其可以追溯到法國拉斯卡的洞窟繪畫，因為原始社會所創作的藝術品主要用于表達宗教觀念或巫術氛圍，而不是單純的雕塑藝術。到了20世紀80-90年代，裝置藝術逐步成為城市公共空間中，藝術家表達其貢獻或理想的主要內容，并與景觀空間產生更為有趣的化學反應。

景觀裝置是裝置藝術與環境空間的融合，是詮釋景觀設計的重要元素，從人的精神行為出發，強調與之互動的過程，以一種更為隨機的形式和視覺渲染力加強區位景觀的特有氛圍，賦予場地鮮明的個性和獨特魅力。例如由Aaam公司設計的香港藝術館三部曲公共藝術裝置（圖1），其高低起伏的山巒結構，把游走于森林的人帶進山群之中，線描一般的弧形框架，層層疊疊地勾畫出巍峨山峰，與一街之隔的摩天高樓展開對話，演繹著五光十色的城市風景與山水畫墨彩的交匯重影，從而模糊人與景觀之間的界限，引發參與者心理和情感上的共鳴，提高公眾的參與性。在當今快速發展的數字化時代，景觀裝置設計的意涵愈發豐富，表達的方法與手段也越來越多樣化，尤其在一些異形空間裝置的設計當中，參數化技術的應用已然成為一種主流趨勢，使得整個設計過程和結果更加科學化和理性化。本人將結合具體的工程實踐，逐步梳理一種使用數字工具進行景觀裝置設計的方法與流程，為富有個性化的裝置設計提供新的思路。

一、參數化技術為景觀裝置設計提供新思路

（一）參數化與景觀裝置的結合

參數化以腳本的形式構筑多個個體相互作用的動態系統，通過調節參變量修改以“圖元”作為數字化構件的信息內容，據此需要設計師依據客觀條件來考量模型尺寸及工程參數初值，以保證在調試參數的過程中，維持數據節點的關聯性。風景園林所蘊含的節點有很多，其中景觀裝置以休憩、娛樂、互動為主要特點，可以說是風景園林規劃設計的重要內容，將參數化技術引入景觀裝置可以全面統籌空間、材料、體塊、音效、燈光等綜合性要素。因此，在參數化設計系統內可以將單因素視為連續動態的演變過程，并以“參變量”作為該過程的核心調控基因鏈，具體可包括映射數值、函數公式、引力控制、磁場強度、點線面干擾等一系列引變量，進而增強景觀裝置的數字化，以拓展自然有機形態創作的可能性，使得風景園林的技術和藝術層面上升至更易于量化的指度參數指標，大大提高模型的生成和修改速度。

通過借助于數字化工具使得設計者的想象力得到進一步拓展和提升，非線性和復雜性的景觀裝置設計也變得更具可操作性，經過十幾年間的更新與升級，數字化工具逐步由繁瑣的編程語言轉向插件工具包，使得設計師更易于掌握計算機底層語言，以實現信號的傳播和處理，使場所信息采集、環境評價與分析、復雜系統模擬、交互式實時呈現系統等先進技術手段在風景園林學的研究中得以運用，為園林規劃帶來自下而上的思維變革。可以說，通過參數化技術的應用開辟了園林學者探究數字化技術與風景園林行業共生關系的可能性，以彼此之間互為補充的良性效應創造一種新型的、動態的、非線性的、不可逆的外顯形式。

本文將以“極小曲面”為原型進行設計，主要探究景觀裝置與人、環境之間的空間銜接關系，深入解析將參數化技術引入景觀裝置設計的優勢，并以創造性的方式解答異形曲面裝置的施工建造問題。

（二）概念及設計思路

極小曲面源于普拉托的“肥皂泡”實驗，即在封閉鐵絲環內所張成面積最小的曲面，這類基于物理學實驗的曲面形體具備結構穩定、能量守恒等優良條件。因此，對于極小曲面結構造型的相關問題逐步從物理實驗轉向藝術設計領域，其復雜多樣且不斷變化的形體空間受到廣大設計師的青睞，例如由Theverymany（運用參數化精密計算裝置結構表皮的研究團隊）設計的Minimum/Maximum互動景觀裝置（圖2），該裝置以“沉思”為主題進行設計，旨在為繁忙的世博會場地提供一個為觀者娛樂休憩的場所，裝置以超薄的自支撐構件來延續Theverymany對于輕薄材質的結構研究。該裝置的外觀設計即通過Grasshopper插件工具包Millipede （千足蟲）實現可視化表達，進而借由Ameba插件實施拓撲優化（即漸進結構優化方法，由謝億民與Steven（斯蒂芬）于1992年提出，其主旨基于簡單的算法，逐漸把結構中低效材料刪除，以“進化”成最優形態，對設計具有很好的指導意義），為整個裝置帶來更多的結構細節。由此可見，參數化技術不僅僅作為一種造型手段，更多的是開拓設計的理論及思路，從而賦予裝置以更多的科學性、合理性，并且為裝置后期的施工建造提供便捷。

據此，筆者結合南藝溧水新校區項目，從內部的區位景觀條件和空間整體的標準規范尺度出發，全面統籌環境空間各要素，設計一個互動休閑體驗的景觀裝置。由于該校區內部多是以功能性建筑為主，少有趣味性互動交流空間，而綠植多是以大面積草地為主，因此缺乏參與度和活動引導，使得空間整體使用率較低（圖3）。基于這一系列問題及挑戰，筆者將復雜性極小曲面裝置引入大面積無用的綠地空間當中，從而打破人與綠地之間的空間界限，使二者以裝置為媒介構架起彼此互動的橋梁，將無用空間轉化為校園生活豐富的綠地休閑平臺。

二、算法邏輯與應用

（一）基于Kangaroo工具的生成邏輯及形體參數

Kangaroo（袋鼠）是Grasshopper運算平臺中一款強大的插件工具包，其特點即為節點可視化數據操作，實時顯示模型與參數之間的衍生關系，主要用于人流模擬、動力學運算、雨水路徑等動態虛擬場景，并以其強大的引力優化功能為數字化設計帶來更多的實質性價值。將其應用于極小曲面為原型的景觀裝置設計，不僅可以打破線性思維邏輯框架，還能整合創造實用美觀的藝術形體，在以下研究中將作具體分析。

依據裝置的節點特性，本人構建的參數化生成邏輯由“體形數據處理模塊”“面數據處理模塊”“優化數據處理模塊”“裝置生成與切割計算模塊”4個子模塊構成，功能分別為：確定體形、面域處理、曲面優化以及數字化生成（圖4），其中“體形數據處理模塊”和“面數據處理模塊”用于分析TS工具（T-Spline，可編輯高精度的有機形體及復雜結構）生成的基礎曲面，并將其引入Grasshopper運算平臺，通過“提取并整合曲面信息”將面數據進行轉化;“優化數據處理模塊”和“裝置生成與切割計算模塊”可將輸出的面數據通過Kangaroo進行優化，并對光滑曲面施加引力條件，通過調試引擎實現形態轉載。裝置形態的評價由人工調節其參數，以得出單件計算的可行數據，依據數據提取單元構件并對其編號，用于制作數控切割的放樣圖紙。“優化數據處理模塊”是“模型-優化-生成”邏輯關聯的直接表述，可以說是整個運算體系的核心內容。

同時，實現數字化景觀裝置的設計還需要完成以下3項前期工作，第一項工作，景觀裝置的優化基于Kangaroo構建其物質形態，這就需要對景觀環境空間中的人流、地形、植被、地表徑流等進行深入分析;其次，根據設計訴求選取可充分實現人文景觀互動的區域位置，并依照區位地形、植被、徑流來設計景觀裝置的長寬比例以及形態結構。第二項工作，建立并總結影響裝置形態的參數數據庫，其中包含場地地形、體量、形體輪廓線等，具體的數據類型有曲線、實體和點數等，通過Kangaroo優化后的“裝置生成與切割計算模塊”需要與該數據庫相關聯，其內部的指度參數指標可作為數字化景觀裝置形態特征的參變量，可以說是景觀裝置設計的重要參數（表1）。構建該參數數據庫的主要目的，主要是為了解決形式操作的問題，進而了解影響裝置形態的數據類型及具體的調節方式。第三項工作，由于Kangaroo插件工具是基于引力數值來實時動態調節模型的數字形態，因此同樣需要建立有關于引力范圍的參考依據，綜合考量彈力、四點共面力和引力的參數值域，以進一步生成有效拆卸并搭建的景觀裝置。

（二）極小曲面裝置的算法編寫

筆者依據景觀裝置的4個子模塊進行算法編寫與模型構建，針對校區內部的建筑規劃與地形特點選取適宜的設計思路。限于篇幅，本文以“曲面優化算法”與“裝置構件展平法”兩項算法腳本為例來探討異形裝置的生成過程。

首先，由TS生成的極小曲面雛形雖然形體類似，但并不適合于實際的施工建造，通過引力控制模擬進行交互仿真即可具有物理屬性，就以上Kangaroo工具的生成邏輯，可將設計流程建立在數字化軟硬件平臺之上，依據客觀條件及多目標訴求，理性構建關聯數據，運用其力學算法模擬復雜系統，依靠計算機的運算能力和圖形處理能力，輔助生成信息模型。

為了將極小曲面合理納入區位景觀空間，需要對其結構進行深入分析以獲得壓力流，僅通過函數公式直接生成極小曲面還無法形成流動分布的“代理”。因此，為了獲得正確的參數值，需要借助于Kangaroo工具來實現。就多數情況而言，曲面鍛造難度之大且耗時耗力，成本也相對較高，這主要原因在于原始曲面沒有達到合理的“引力范圍”，所以無法有效構建局部和整體的協調關系。通過Kangaroo將極小曲面的“裸點”（NakedVertices）作為形體“錨點”（AnchorPoints），以確保造型不會因為引力過大而變形，再由“彈力”條件（SpringsFromLine）將光滑的極小曲面轉化為帶有旋轉角度的“四邊面拼接”，使得每個面在彈力作用下形成對重物的支持力，而彈力數值的范圍則控制在“0.300-0.500”之間為宜（圖5）。當然，具體優化方式要基于相應的實際情況，也可以在四邊面的基礎上施加“四角共面力”（Planarize）以及“拉回力”（PullToMesh），將曲面形式優化為“三角面拼接”，這樣可進一步節省造價，并降低施工難度系數。此外，基于引力優化后的運算結果還增強了節點支撐的穩定性，進而讓極小曲面的雙曲率最大化。因此，可有效植入固有剛度，使得景觀裝置的自支撐結構更加穩固。需要注意的是，由于整個運算過程是建立在網格物件的基礎上，所以通過轉化運算器生成的結果為多個Mesh組成的線形數據 ，因而需要將每個網格面的邊界和腳點進行焊接，以生成單一的數據結構，如圖5中的面數據列表為Mesh（V：1080/F：480）。

生成的優化結果證實了筆者應用于“彈力”條件的真實性，整體曲面末端張開，猶如盛開的花蕊一般，并保持原有的內部結構，由一開始光滑連續的曲面轉化為平面拼接而成的極小曲面。同時，經過Kangaroo優化后的Mesh Surface相較于之前的Nurbs曲面具備更優良的支撐性能（圖6），根據圖示可以看出，原先Nurbs曲面的應力支撐基本集中于曲面的邊緣部位，內部幾乎不做任何分配力的作用，這樣會造就因內部支撐力的缺失而形成塌陷，但是經過優化后的曲面逐步將受力條件分布于內部以及各個角點，并且壓力流的配比系數也更為均勻，這樣可在很大程度上保證裝置整體的穩定性。

通過轉化面數據、單面數據、節點數據以及彈力數據，不僅可以將單一曲面優化為多面拼接的形式，還能在此基礎上提取網格結構線（FaceBoundaries），依據“截斷結構線、線段中點、提取腳點”的邏輯來生成邊界內部的Nurbs空間線（Interpolate），以曲線所圍合的空間生成面（Edge Surface），使之成為富有韻律和層次感的三維立體構成，并將原有的網格結構線作為裝置的自支撐構件，從而通過鉚釘或者捆綁的方式，將每個連接件銜接至一起，以便于裝配和運輸，如圖7展示了基于引力優化算法后，極小曲面裝置的細部生成。

由此可見，基于GH運算平臺的Kangaroo工具可以賦予極小曲面裝置以更多的現實意義，而且相比于Millipede（函數擬合算法）所生成的極小曲面更易于形體的量化，包括就后期的修改處理也不會因過多的雜面而造成實質性的結構問題。例如，由筆者構建的極小曲面裝置主要以“三角面”拼接為主，為了方便后期數控雕刻設備 的識別，在Kangaroo優化的形態基礎上，將每個三角面分別展平至XY平面上（即裝置構件展平法，借由“Orient”運算器，基于每個三角面的中心點進行定位），并依據順序對三角面進行編號，這樣可以將導入CAD的模型文件依據編號順序進行排列，使得裝置的搭建過程更具科學性，極大地提高了施工建造的效率（圖8）。

除了數控切割，還可以數字模型文件為基礎，運用3D打印技術快速生形，以此作為景觀裝置的模型樣本。在模型材料的選擇上，3D打印通常采用粉末狀金屬或塑料等黏合材料，綜合考量模型的耐久度和穩定性，本人選擇成本相對較低的“光敏樹脂”作為模型的主材。由于3D打印尚處于發展階段，對于一些動態的、復雜的、鏤空結構較多的模型識別度較低，因此需要將現有形體通過WB插件（形態擬合工具，主要用于柔化網格面）轉化為單一連續且封閉的網格物件，以便于3D打印設備的識別，從而保證成品的清晰度和完整性（圖9，實體模型圖）。

三、材料與功能

綜上所述，基于參數化模數平臺生成的極小曲面，不僅可以豐富其形態效果，而且便于制造。為了進一步凸顯“光影”“流浪”“變化”“輕盈”“生態”等設計主題，旨在將裝置打造成一個可以持續變化的彩色空間，據此選擇以鋁質桿件（或輕鋼龍骨）和彩色透明膜為主要材料進行設計，同時重新思考如何為裝置配飾一個能夠遮陽避雨的薄膜，使得這層彩色膜不僅僅用于裝飾，而更多的是充當一種介質，能夠在庭院或任何景觀的公共空間內，令使用者與周邊環境產生聯系。為此，本人經過調研選擇二向色性的乙烯基薄膜這一全新的復合材料，該材質的光學性質使其能夠在抵擋雨水和陽光的同時，產生多種多樣的色彩效果。除此之外，該薄膜還能過濾掉97%的紫外線，尤其適合放置在夏天，使得置于其內部的觀者可以充分感受不同光照強度下所帶來的光影效果，營造一個集娛樂、交流、休憩、觀賞等多種活動于一體的戶外休閑空間（表2）。

確定好裝置的材料后，通過“裝置生成與切割計算模塊”可將裝置分為網格結構線（鋁質桿件）和三角面（彩色膜），同時對優化后的裝置形態進行實時評價與反饋，如果不符合標準可通過Kangaroo進一步優化處理，如此反復迭代得到切實可行的設計方案（圖10）。另外，由于參數化設計結果本身的特點，傳統的建筑材料的使用雖然受到了一定的限制，但是新材料的應用同樣從質感、光感、顏色上給使用者帶來截然不同的感受，并且這種體驗感是最為直接、最為明顯的。因此，不論就景觀還是建筑設計師而言，在設計過程中的體驗也是跟傳統設計完全不同的，正是經歷參數調試的過程，才真正感受到參數化所帶來的樂趣。

結語

景觀裝置的參數化設計在解讀其形態結構的基礎上，借助于插件工具包科學實現其形體優化，并在設計的過程中實時動態調節，進而達到裝置形態的微觀調控與工程量的細化控制，以Grasshopper為平臺的插件工具包“Kangaroo”更是為其提供了快捷而有效的輔助優化功能，對于結構構件層面的形體量化都將大有可為，使得異形曲面建造成為可能，并兼顧美觀、科學、經濟、實用、功能等實質性要素，可綜合運用于建筑、室內乃至于產品設計領域。由此可見，實現一套行之有效的運算邏輯對于景觀裝置設計具有重要意義和價值，但就數字化景觀的空間性、社會性及準確性，仍需多種學科跨界融合、協同創新，以實現更為普適流行的景觀空間裝置。