参数化城市设计初探

ISSUE 4 AUG. 2013 / JOURNAL OF HUMAN SETTLEMENTS IN WEST CHINA / 066

参数化城市设计初探 Parametric Urban Design

刘颖慧 李路平 LIU Yinghui, LI Luping

摘 要 随着计算机科学的进步，参数

Abstract: With the progress of computer science, parametric design has been widely

化设计在各个领域得到了广泛的应用。将

used in various fields. Parametric technology applied to the urban design is based on the

参数化技术运用于城市设计中既是科技

development of science and technology as well as the reflections on modern urbanism.

进步推动的结果，也源自城市研究者对现

Parametric urban design is based on the theory of generation concept of Gilles Deleuze

代主义城市结构的反思。参数化城市设

and complex system. Parametric tools can be used for simulating the complexity and

计以德勒兹的生成观念和复杂系统为理

uncertainty of the city, and provide a new concept framework and values for solving the

论基础，借助参 数化工具可对城市的复

problems of modern urban space.

杂性和不确定性进行模拟和探究，并为

Keywords: Parametric Urban Design; Gilles Deleuze; Complex System; Form-finding;

解决现代城市空间问题提供新的概念框

Multi-agent System

架甚至是价值观。 关键词 参 数化城市设计；德勒兹；复 杂系统；找形；多代理系统

1 参数化设计概述 参数化设计（Parametric Design）是在变量化设计 ①思想产生以后出现的，并随 着计算机科学的进步而迅速发展壮大。参数化设计的本质在于把设计参变量化，即 设计是受参变量控制的，每个参变量控制或者表明设计结果的某些重要性质，通过 改变参变量的值可以改变设计结果 [1]。如今，参数化设计的理念及方法在工业制造、 服装设计、航空制造、建筑设计等多个领域获得了广泛的认可和应用，并取得了很多 实践性成果。 参 数化建 筑设 计思潮开始于2 0 世纪 最 后几年。随 着信息技 术近年来在理论 和实践中的迅速发展，计算机在建筑设计领域中的作用已逐步从单纯的制图工具 （Computer Aided Drawing）向更深层次渗透，设计师们采用脚本语言（Mel脚本 ②或 犀牛 ③ 脚本）以及参数化建模（GC ④ 或DP ⑤）对已有建筑形体进行参数化控制、对构 中图分类号 TU984.199 文献标识码 B 文 章 编 号 2095-6304(2013)04-0066-06

作者简介

造节点进行参数化设计以及对建筑表皮进行参数化分形研究等等。 帕特里克·舒马赫（Patrik Schumacher）将当今世界的参数化建筑设计表现出来 的形式总结为“参数化主义”，将其与文艺复兴、巴洛克、新古典主义和现代主义进 行对比，认为参数化有足够的实力和能力改变世界的建筑思想与实践。这种说法也 获得了众多先锋建筑理论家的广泛认可。

刘颖慧：中国城市规划设计研究院，助理城市 规划师

2 参数化城市设计

李路平：中国城市规划设计研究院，城市规划 师，iamthinking@qq.com

将参数化手段运用到城市设计中，参数意味着对信息的提取，城市设计是能够

2013年第4期 / 西部人居环境学刊 / 067

结构性地处理城市信息流的策略 [2]。参

3 参数化城市设计的理论基础

数化技术的运用从建筑设计扩展到城

作期间，利用一 些简单 材料 实验 性地 探索了自然物质以及乡村的空间形态，

市尺度即进入了一个新的阈值范围，其

法国哲学家德勒兹的“生成”思想

这 些实 验 对后来的 参 数化“ 找 形”产

作用不再停留于改变设计方案，更多地

和当代的复杂性科学为参数化城市设计

生了较为深远的影响。弗雷·奥托的一

体现为设计思维的全面改变。

提供了强有力的哲学基础和科学依据。

个实验是在 水中放 入磁化的聚苯乙烯

现 代 主 义 认 为“ 城 市 是 某 种 被 控制和 被命令的事 物”的观 念早已远

片，然后放入多枚磁针，磁化的聚苯乙 3.1 德勒兹的“生成”思想

烯片围绕着多枚磁针形成聚落，同时相

去，取而代之的是，城市被认为拥有自

“生 成 ”思 想 来 源于当 代 法 国 哲

互间又保持着一定的距离。这一实验形

己的集体 智慧 和 潜在 模 式，这一观 念

学家吉尔·德 勒兹（Gil les Deleu ze，

成的空间形态类似于现实中典 型的未

在尼尔·林奇（Neil L each）的大多数

1925-1995）。德勒兹的全部思想和著

经规划而自然生成的乡村空间形态（图

文章中被表达为“群体智慧”（Swar m

作中都贯彻着对“生成（Becoming）”

1）。类似的“找形”实验还有后文将会

Intelligent）。为了更好地认识和表达这

而非“存在（Being）”的强调 [5]。德勒兹

提及的马立克·科沃杰 伊奇克（Marek

种“群体智慧”，个体的行为方式渐渐

将事物的差异置于流变之中，强调生成

Kolodziejczyk）的羊毛线程模型（Wool-

为城市研 究者们所重 视。个 体的 行为

的过程和环境的状态， “生成”关系往

thread Model）以及伦敦大学学院高级

轨 迹和状态往往 反映了一 个 地区的潜

往表现为一种图式关系，即德勒兹笔下

空间分析中心的米歇尔·巴蒂（Michael

在活力，参数化能够实现设计思想的这

的“抽象的机器”。图式作为“抽象的

Batty）教授通过数字化实验室描述城

⑦

种“自下而上”的转变。

机器”可被理解为“图解” 关系。通过

市的形态生长可能性的实验，其均为参

此 外，城 市发 展 需要 满足 后福特

图解来建立抽象模型（分析模型），用

数化城市设计提供了帮助（图2）。

⑥

主义 时代的社会和经济要求。大众社

以表现各种异质元素之间的关系，德勒

会以全球性的消费标准为特征，并发展

兹认为这是一种无意识的建构，具有开

成为以扩散的生活方 式和广泛的工作

放的入口。

[3]

3.2 复杂系统（复杂性科学） 复杂系统相对于经典牛顿力学描

路径分化为特征的异构社会 。城市的

虽然城市空间以表面上的混乱形

述的简单系统而言，由大量具有一定智

任务在于组织和充分 表 达后福特社会

态 呈现 在 人们面 前，但 是 驱动形 态产

慧性的个体组成，个体之间存在强烈的

日益增长的复 杂 性。参 数化 城市设 计

生的本质仍是秩序。基于德勒兹的“生

耦合作用，能够根据环境信息调整自己

最核心的内容是 影响因子的引入和参

成”观念，城市的整个生成过程可以采

[4]

数关系的构筑 。其中影响因子之间没

用参数化中的“找形”（Form-finding）

有明确的主次之分，可能是任何影响城

来 进 行 还原，并可建 立参 数化 模 型，

市发展的要素。这些要素被抽象为不同

解释空间形成的规律，通 过 生长 脚本

的代 理 系统 并进行叠 加，形成 复 杂系

（Growth Scripts）来进行定向生成控

统 之间的 深层关联，并在不断改 变的

制。城市空间发展原型和定向发展特征

条件输入和参数逻辑下生成不同的方

由此被精心设计出来，城市成为一个具

案，最 后通 过 反馈机制和 方 案比选 形

有自组织能力的“准生物体”，并发展

成最终方案。借助参数化设计工具和脚

出自我的适应性 [6] 。整个设计过程取决

本，城市影响因子和城市系统之间错综

于形式生成的决策系统及决策过程，

复杂的关联性可被精确地公式化和清

因此模拟过程是令人信服的。

晰地表达，因此研究尺度越大，参数化

在非线性建筑设计中构建数字图

设 计清晰表达项目复杂性的能力就越

解并生 成 非线性体的过程被称为“找

突出。

形”[7 ]，这一过程充分说明了德勒兹哲

在美学上，参数化城市设计以有序 复杂的优美无缝流动性为风格，类似于

学思想中的生 成 关 系可被理 解为一种 图解关系。

自然系统。但参数化城市设计的形态并

德国建筑师弗雷·奥托（Frei Otto）

不是随机产生的，而是能够清晰表达生

在斯图加特大学轻质承重结构研究所

成逻辑的空间载体。

（Institute for Lightweight Structures）工

图1 弗雷·奥托利用聚苯乙烯片实验模拟 乡村的空间形态 Fig.1 Frei Otto employing polystyrene chips to simulate the rural settlements

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图2 米歇尔·巴蒂对城市空间生长形态的演示

Fig.2 demonstrations of forms of urban space by Michael Batty

图3 DRL Flotsam team利用玛雅软件生成了一系列脚本化 的吸引因子图式 Fig.3 series of scripted attractor diagrams in Maya

的行为。鸟群、蚁群、人类社会、经济系

扎哈·哈迪德建筑事务所（Zaha Hadid

Design Systems）、空间、界面三要素控

统和互联网等都具有复杂系统的特点。

Architects）、Kokkugia设计事务所等均

制局部地块的信息流（图3）。扎哈·哈

面对复杂系统，人们提出了“涌现”的方

在参数化城市设计方面开展了理论研究

迪德建筑事务所将参数化设计思想和

法，通过计算机模拟复杂系统中的个体

和项目实践。

设 计方 法贯 穿于城市设 计 竞赛方 案

行为和它们的相互作用，可使整个系统

AA建筑学院DRL研究所的设计小

中，并且频频获奖、中标，如目前 在建

组以“参 数化城市主义”（Pa ra met r ic

的新加坡One-North地区、位于土耳其

Ur b a n ism）和关联城市（A s s o ciat ive

伊斯 坦布尔的卡尔塔尔－彭迪克总体

个重要概念，即“块茎” ，指非中心、

Urba n ism）为主 题 形成了很多参 数化

规划（Kartal-Pendik Master Plan）等

多元化、不规则、无法预料的非传统树

城 市设 计方 案，探 讨了关 联 设 计系统

（图4）。而Kokkug ia设 计事务所基于

状 结 构体系，城市的某 些场 合和时期

如何借助多重 交 互 系统（A sso ciat ive

参数化设计思想，将集群城市（Swarm

[8]

的复杂行为自下而上“涌现”出来 。 复杂系统呼应了德 勒兹的另外一 ⑧

往往表现出“块茎”的特征。 “块茎” 理论中的重要原则是联系性和异质性， 例如城市中不同人群、建筑、街道和开 放空间等要素之间的联系性与异质性。 这 些 要素通 过 多 代 理 系统（M u lt ip le Agency）在参数化设计中得到表达，多 代理系统也被称作“自组织系统”，是 由多个相互作用的智能个体（Intelligent Agent）组成的系统，其中的智能个体具 有一定的自治性，能够根据自己周边的 情况决定其行为，而整个系统中没有事 先指定的主导个体 [9]。多代理系统是一 种自下而上的研究方法，能够在很大程 度上弥补传统树状体系的缺陷。 参 数 化 城 市 设 计 的目 标 是 通 过 强调多种城市系统的深层关联（Deep Relationality）建设新的场域逻辑。

4 参数化城市设计的相关实践 国内外一些重要的科 研机构 和 建 筑 事 务 所，如 英 国 A A 建 筑 学 院 （Architectural Association School of A rchitecture）的DR L 研究所（Desig n Research Lab）、清华大学建筑学院、

图4 扎哈·哈迪德建筑事务所的城市设计类项目

Fig.4 urban design projects of Zaha Hadid Architects

2013年第4期 / 西部人居环境学刊 / 069

Urbanism）、行为城市主义（Behavioral U r b a n i s m）、城 市代 理 系 统（U r b a n Agency）等理 念应 用于城市设 计和研 究之中。在国内，XWG工作室以参数化 响应为核心思想，认为环境越来越密切 地与功能活动相联系并相互驱动，可以 建立环境表现的“全面生态数据”而为 城市微环境的解决方法提供依据 [10]， 并在工作室的城市设计项目中应用了上 述理念。 4.1 卡尔塔尔—彭迪克总体规划 卡尔塔尔—彭迪克总体规 划是扎

图5 羊毛线程模型示意图

图6 卡尔塔尔—彭迪克总体规划的交通组织

Fig.5 Wool-thread mode by Marek Kolodziejczyk

Fig.6 Kartal—dynamic simulates minimized detour net of Pendik master plan

哈·哈 迪德 建 筑事务所的竞赛获奖 项 目。规划将伊斯坦布尔东岸一个废弃的

对基础设施和周围地段城市文脉的整

存在索引关系，最终形成了一组优雅、

工业地段重 新发展为伊斯 坦布尔新的

合入手，以羊 毛 线 程 模 型 为 基 础，利

连贯、有序复杂的城市景观（图7）。

次中心，以疏解老城历史街区的压力。

用 玛雅 软件中的头发动态 工具（H a i r

利用3DVoronoi ⑩ 技术求解临近点

项目包括一个中央商务区、高档住宅开

Dynamic Tool）将连接西边的卡尔塔尔

与点之间的中垂面相交而成的多面体，

发、文化 设 施（音乐厅、博 物馆、剧院

和东边的彭迪克的多条横向道路以参

Voronoi算法可以根据空间中的点划分

等）以及休闲功能（包含一个码头和游

数化的 方 法 进 行协调捆绑，形成 道 路

空间并达 到镶 嵌的效 果，同时各 个单

客旅馆）。项目地段位于若干重要交通

束，从而实现了以较高等级的道路来闭

元体相互关联并随着空间点的变化而

线路的交汇处，其中包括连接伊斯坦布

合形成较大的场地；并通过一系列的平

变化。运用这种 算法可快 速 生 成 复杂

尔和欧亚两大洲的主要高速公路、沿海

行辅路形成主要交通廊道，在加强横向

的多边形网格。在卡尔塔尔—彭迪克总

高速路、海上巴士终点站以及连接整个

交 通的同时降低了整个路网的迂回水

体规划中，形体构成的基本元素是连续

平（图6）。

块（Perimeter Blocks），依据不同的脚

4.1.2 全局控制与深层关联

本，约1/3连续块的形状、高度、开口方

[11]

大都市区域的轻型和重型铁路 。 方案在 道 路系统 组织中采用了羊 毛线程模型，借助玛雅软件的强大动力

在卡尔塔尔—彭迪克总体规划中，

向等发生相应变化，且每个块的变形与

学功能 进行了地块内东西向道 路网络

建筑高度除与场地面积大小发生关系

相邻块之间深层关联，从而保持了内部

的重新优化和组织，最终使道路等级与

外，还与场地的横向宽度关联起来。参

界面和外部立面初始特征的一致性（图

地块大小严格匹配。在形态生成部分，

数化的应 用程序 使得城市纵向高度的

8）。这种深层关联关系还体现在景观

起伏与横向场地的扩展和收缩 节奏间

和公共 空间的协调、次级 路径 系统和

⑨

方案采用了3DVoronoi 参数化工具，使 相邻模块之间保持了深层相关性。 4.1.1 羊毛线程模型对道路网络的优化 羊毛 线 程 模 型是马立克·科 沃杰 伊奇克（Marek Kolodziejczyk）在轻质 承重结 构研 究 所工作时提出的。模 型 中存在多个指定点，点与点之间由多条 羊毛线连接，形成冗余、复杂的交通网 络。模型根 据羊毛 线的额外长度 进行 参数调节，合并多余的羊毛线，获得道 路系统总长度最短的方案，同时使路网 保持较低的平均迂回水平（图5）。 卡尔 塔 尔— 彭 迪 克 总体 规 划 从

图7 卡尔塔尔—彭迪克总体规划中的 整体控制模型 Fig.7 Kartal—integral controlling model of Pendik master plan

图8 连续块的脚本控制模型 Fig.8 various scripts for the perimeter blocks

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内部导航系统的关联上。 深层关联性的脚本甚至可以使相

4. 2 Ko k k u g i a事务所的集群 城市

它们能够在没有等级序列的设计中相

（Swarm Urbanism）与多代理系统

互作用，从而形成涌现结果。

邻 建 筑的 构造产生 关联，比如开窗方

Kokkugia设计事务所将集群城市

集群逻辑使城市设 计从自上而 下

向、开窗方式、开口方向的呼应可增强

的方法学运用于墨尔本港区的重新开

的连续决策过程转变为一系列细微的、

视觉定向效应。不同的脚本则加大了不

发中，其中集群系统包括了不同的、自

局部的决策，这些决策产生相互作用，

相邻片区空间形态的差异，强化了片区

治的代理主体，代理主体之间的相互作

最终形成一个复杂的城市系统 [12]。城市

的城市意 象。深层关联 使独立的建 筑

用改变了城市的结构。虽然尺度和密度

的必要需求被编程，以能够自组织的多

转化为街区，并最 终成 为一 个混 合 体

的分 级 对 城市设 计很 重 要，然而随 着

个代理主体的形式来表达，而不再是设

系——多 孔的相互联系的开放 空间网

集群 逻辑的发 展，墨 尔 本 港区的城市

计一套满足规范标准的城市规划。这样

络。当这些脚本被用在足够大的城市设

设 计过程中淡化甚至抚平了各 要素之

的城市生成系统概念具 有很强的灵活

计中，就会使城市呈现出极其有序、连

间的主次关系。城市构成中的所有要素

性，能够回应城市发展过程中不断变化

续、复杂的面貌。

都被设定为一个已知的代理要素，这使

的政策制度，应对经济和社会的压力。 系统中的代理 主体 不是 通用的， 每个代理主体根据具体的需求和信息 进行编程。在墨尔本港区研究中，根据 不同的代理要素，Kokkugia事务所设计 了三类代理 系统。第一类代理 系统针 对 簇群（Cluster Agent），通过多智能 生长（Stigmergic Grow）过程使簇群进 行自组织，其 生 成 逻 辑类似于白蚁 巢 穴集合 起 来形成白蚁 丘；通 过 对 S eek

图9 簇群代理系统及涌现结果

Pheromone Rang，Seek Angle Rang，

Fig.9 cluster agent system and emergence results

Cohesion，Alignment等参数的设置形 成 不同的 涌现 结果（图9）。第二类 代 理 系统针对基础设 施（I n frast r ucture A gent），其生 成逻辑类似于自组织的 黏菌细胞 形成 最 短的道 路系统，或者 蚂 蚁 集 体 组 织 起 来 建 设 的 桥 梁（图 10）。第三类代理系统针对信息素路径 （Pheromone Route Agent），其生成逻 辑和前两类类似（图11）。

图10 基础设施代理系统及涌现结果 Fig.10 in qfrastructure agent system and emergence results

不同要素的代理 系统产生了不同 的涌现结果，这些结果叠加起来，创造 了一 个群体智能的系统和复杂的三维 城市结构（图12）。

5 结语 参数化城市设计提供了城市之间、 城市内部要素之间的系统图式，它可以 呈现为任何一种外在形式。虽然很多时 图11 信息素路径代理系统及涌现结果

候 参数化城市设 计方案尚被当作一种

Fig.11 pheromone route agent system and emergence results

奇观 或噱 头而追 捧或 棒喝，但 是毋庸

2013年第4期 / 西部人居环境学刊 / 071

Maya界面的几乎每一个要点都是在

偶图。

MEL指令和脚本程序上建立的。Maya

⑩ 不同于晶体和蜂巢的规则排列，自然界

是美国Autodesk公司出品的世界顶级

中的动物花纹、叶脉等图案以及细胞、

的三维软件。

海绵等空间形态呈现出一种更加复杂

③ R hino英文全名为R hinoceros，中文

且自由的多边形或多面体的组合机理，

名称为犀牛软件，于1998年8月正式上

具有高度的不规则和自相似特征。而描

市，是美国Robert McNeel & Assoc开

述这一生物形态最成功的算法就是计

发的专业3D造型软件。Rhino的图形

算几何领域的沃洛诺依（Voronoi）算

精度高，能输入和输出几十种文件格

法，这种算法可以生成方形格网、蜂巢

式，所绘制的模型能直接通过各种数

格网、钻石格网以及更加复杂的网格。

控机器加工或成形制造出来，如今已

图12 墨尔本港区多代理系统叠加 及涌现结果 Fig.12 the superposition of multi-agent systems, Port of Melbourne, Australia

被广泛应用于三维动画制作、工业制

参考文献：

造、机械设计、科学研究等领域。

[1] 徐卫国. 参数化设计与算法生形[J]. 世

④ GC：Generative Component，是建筑 领域的参数化设计软件。

界建筑, 2011(06): 110-111.

[2] Oosterhuis K. Swarm Architecture

⑤ DP：Digital Project，是基于Catia平台

Ⅱ[C]// Ga me Set a nd Match Ⅱ.

由弗兰克·盖里公司开发的参数化设计

Rotterdam: Episode Publisher, 2006:

软件。

511-523.

[3] Leach N. Digital Cities[J]. Archi-

置 疑，参 数化 技 术确实能够影响和改

⑥ 后福特主义（Post-fordism）是指以满足

变设计师看待城市的角度，进而深刻影

个性化需求为目的，以信息和通信技术

tectural Design, 2009, 79(04): 6-14.

响城市设计未来的发展方向。如果片面

为基础，生产过程和劳动关系都具有灵

[4] 王风涛. 基于高级几何学复杂建筑形

地认为参数化设计带来的仅仅是某种

活性（弹性）的生产模式。它在许多方

体的生成及建造研究[D]. 北京: 清华

怪异的曲线、夸张的形态，只能说我们

面具有与福特主义完全不同的特征。

大学, 2012: 6.

⑦ 米歇尔·福柯曾经阐述过图解，但德

[5] 麦永雄. 德勒兹与当代性——西方后

目前，参数化技术在城市设计方面

勒兹又重新讨论并建立了其与抽象的

结构主义思潮研究[M]. 桂林: 广西师

的应用刚刚起步，依然面临很多问题，

机器、生成等概念之间的联系，使其能

范大学出版社, 2007: 6.

还未真正了解其后的逻辑关系。

还有相当长的路程要走。但我们应该给

够最终指导数字建筑的生成。

[6] Schumacher P. Pa rametricism: A

予其充分的信心，它完全可以作为解决

⑧ 块茎也可译为“根茎”，在生物学上指

New Global Style for Architecture

现代城市问题和优化城市设计的一个

植物茎的变态演化所呈现出的块状，如

and Urban Design[J]. Architectural

有效的补充。

半夏、天麻、马铃薯等都是块茎，其生

Design, 2009, 79(04): 14-24.

长往往呈现为无主干的横生蔓延的平卧

[7] 黄蔚欣, 徐卫国. 非线性建筑设计中

注释：

茎。 “块茎”在德勒兹和加塔利的笔下是

的“找形”[J]. 建筑学报, 2009(11):

① 变量化设计是由美国麻 省理工学院

具有特殊含义和美学意味的概念。

96-99.

Gossa rd教授提出的，他采用非线性

⑨ V o r o n o i 图 又 称 为 泰 森 多边 形 或

[8] 黄蔚欣, 徐卫国. 参数化非线性建筑设

约束方程组的联立求解，设定初值后

Dirichlet图，是由一组连接两邻点的直

计中的多代理系统生成途径[J]. 建筑

用牛顿迭代法精化。这种方法的最大

线的垂直平分线组成的连续多边形。N

技艺, 2011(01-02): 42-43.

优点在于通用性强，约束方程的内容

个在平面上有区别的点按照最邻近原

[9] 徐卫国. 褶子思想 游牧空间——关于

不限，除了几何约束以外还可以引入力

则划分平面，每个点与它的最邻近区

非线性建筑参数化设计的访谈[J]. 世

学、运动学、动力学等关系。

域相关联。Delaunay三角形是由与相

界建筑, 2009(08): 16-17.

② MEL是Maya Embedded Language

邻Voronoi多边形共享一条边的相关

[10] 徐丰. 参数化环境响应——XWG建

（玛雅内置语言）的缩写，这是一种强

点连接而成的三角形，其外接圆圆心是

筑工作室的设计理念及实践[J]. 城市

大的命令和脚本语言。通过MEL可以

与三角形相关的Voronoi多边形的一个

建筑, 2011(09): 47-51.

控制Maya的特征、进程和工作流程，

顶点。Voronoi三角形是Delaunay图的

（下转第78页）