动态编码 —— 参数化设计工作应用与大尺度城市规划的一次实践
作者：
陈忱，临界工作室创始合伙人(Founding Partner of reMIXStudio)
本文摘自“动态编码 —— 参数化设计工作应用与大尺度城市规划的一次实践”，原文刊登于《建筑师》杂志2019年6月刊，总第199期P113-119
前工业时代的人类聚居，人与自然密不可分。人依赖自然提供食物、能量、庇护，大多逐水而居，农耕需要的阳光、土壤和水源限定了人口聚居的范围。而人类社会所产生的废水、废物也会排泄至邻近的区域。因此人与自然资源之间的循环是闭合的，链接是在地的，自然系统对人类生存方式也时刻进行着反馈。进入到工业社会，突然丰富又几乎唾手可得的化石能源使得人类得以移动更远的距离，无需临近能源地而居，先进的城市基础设施使得原料和废物都可以走得更远。人与自然的资源循环和平衡不再限于当地，而是纳入了全球化的网络 —— 我们可以在北京食用南美的玉米，发动机里燃烧着中东的石油，而几小时车程外的河北乡村，正源源不断地接纳着来自美国加州的医疗垃圾。也是因此，生态系统的破坏、自然资源的急剧衰退对人类的反馈与惩罚，也是异地的、失效的、延迟的。人与自然的闭环联系正式被打破了。
▲ 全球化合作网络示意图
© esciencecenter.nl
当代城市，特别是中国城市，越来越多地成为库哈斯笔下的广谱城市（GenericCity）。高密度的、没有特征的城市不断向郊区蔓延，侵占越来越多的自然与农业区域，造成越发严重的环境危机。我们的生活方式不断透支在地和异地的自然资源，我国的“西电东送”“南水北调”工程，都是典型的例子。这样物质循环的方式，在全球范围内带来了紧迫的环境、社会问题。城市仍在不断扩张，人口增量同人均能源消耗的增量一起，对我们所处的环境造成越来越重的压力。我们的城市出了问题。传统的城市规划工具和方法已经无法应对当代城市扩张、发展和变化的速度，还未实施即已过时。
而与此同时，我们还在规划更多的城市，以承载势不可挡的人口城镇化。人们所期待的更加优越的生活条件也需要消耗更多的人均能源。我们的城市规划策略亟待应对这一困境，在规划新的城市时，我们需要重建人与自然及地域的链接——这一链接不仅是空间的，更是物质的。城市所处的环境拥有的水资源和能源，所能承载的人口是有限的。而地域的地形、地质等也决定了城市所适合的空间规模和格局。我们需要有一种方法，使我们所策划的空间与这些重要的数据对应起来。这种对应也利于对严重缺失的当地归属感和识别性的重建。同时，这种对应关系，也需要随着时间的推移，不断自我调整与更正，使城市具有弹性，更能抵抗自然灾害、资源短缺和各种社会经济条件的变化。我们急需探索一种具有颠覆性的、新的城市规划范式。
在上述语境下，很多城市设计与规划的研究与实践开始关注对于参数化设计工具的使用。参数化工具能够高效处理并整合大量多层的复杂信息；可应对不同设计条件的变化，生成动态结果；可方便地可视化及评价不同发展场景带来的不同设计结果，使其特别适合在大尺度空间规划设计中进行运用。因此，下文中笔者试图通过“动态编码”系统的构建，将参数化工具应用到大尺度城市规划，提出了以美国休斯敦西面的新区为对象的实验性方案。
一、动态编码的概念构想
众多当代建筑事务所利用参数化工具进行复杂几何形态的生成，这一分支也使参数化设计常常被误读为一种设计风格和语言。但参数化设计其实只是一种通过定义特定算法，根据各种参数的不断互动定义设计结果的设计方法。一旦算法确定，参数的变化可以不断影响最终的设计成果。因此参数化技术只是一种工具，不必要与某种设计语言产生狭义的联系。
▲ Beko总体规划, Zaha Hadid
© www.zaha-hadid.com
参数化设计的原理具有三个基本特征——生成无数种变体、对设计条件变化有强大的适应性、能够将多层信息整合到一个复杂系统中，因而特别适合用来在构筑物的设计与建造中发展模块建造体系。在很多建筑设计过程中，参数化技术都充当了方案优化的工具，通过控制参数渐变，生成多个版本的设计结果，以通过对诸多变体的比较与评价，实现对形体、结构、环境等性能的优化。
▲ AA建筑联盟学院参数化搭建，2009年
© www.aaschool.ac.uk
▲ Lilium大厦立面优化图示, Zaha Hadid
© www.zaha-hadid.com
▲ 波士顿海港再开发计划——技术经济指标和城市空间体形的对应，Gabriel Kozlowski Maia
© remixstudio.org
▲ 北京亦庄参数化地域分析
© WANGChuan, CAO Kaizhong, DING Jia
设计网格(meshing)的目标是确立一个场地空间格局的几何结构，它将场地切分成多个组团单位（及城市街区），这些组团单位是下一步用来产生和测试设计原型的基地。这个网格体系的提出即是对上一步所分析的不同地段参数的回应，又需考虑对于设计原型最优的边界形状，二者互为影响，不断反馈以优化设计网格的生成。
▲ 通州新城路网规划方案比较——路网优先还是绿网优先的探讨
© AA建筑联盟学院2012冬季北京访校
设计原型(prototyping)的编写和提出使得我们能将规划和设计整个城市的问题化整为零——将复杂的大尺度问题分解成典型单元细胞设计及细胞间组合逻辑的设计。在这一步骤中，设计师可以根据单元细胞在地段中所处的位置和因而具备的不同基地特征——从自然环境及生态特征，到与经济因素和基础设施相关的城市肌理特征如容积率等，提出不同的与之适应的城市街区原型。
▲ 波士顿海港再开发计划——步行人流密度控制商业开间尺寸，Mingxi ZOU
© remixstudio.org
原型繁殖(proliferation)使设计者得以将设计原型代入整个场地，进而将一系列用地指标视觉和空间化。在这一步，一个完整的城市肌理得以呈现。但这个设计结果不是固定的。随着向参数化体系输入不同的参数（代表不同的发展场景），设计者可以快速预览其所带来的不同城市肌理的结果；并可以由此出发，不断通过调整参数，评价和优化设计结果。
▲ 前化石时代人类聚居 © 笔者
回顾化石能源是如何将20世纪人类聚居的组织结构与逻辑彻底颠覆——深刻改变其密度、模式和尺度规模，我们不难预见新的能源场景将会如何重演这场颠覆，而重新定义未来空间结构的形成与发展。能源生产、分配与消费的逻辑将会在各个尺度范围内深刻影响我们如何理解和定义城市的边界、基础设施及环境景观。可再生能源低能量密度和灵活产能规模的特征，使如今几乎是纯粹能源消费者的城市面临在其范围内同时整合能源生产的挑战与机遇。基于这些可能发生的深远变化，城市化的议题亟需被重新讨论与定义。
▲ 化石时代的能源生产与消费 © 笔者
如今，设计师对能源问题的关注与实践大多停留在这一问题两个极为有限的方面，即节能设计与将能源采集设备（太阳能板、风车等）整合到已有的空间结构和原型中去。这些讨论将与能源相关的设计实践局限为对绿色能源技术的简单依赖，并常常停留在设计问题的肤浅层面和极为有限的尺度（建筑尺度的设计干预）。设计师对空间与形式的真正创新失去兴趣，而成为业余的技术使用者。能源与城市问题的根本层面鲜为涉及。
历史上，传统城市多由政治、宗教以及地理因素所定义。在新能源时代，能源的生产与配置将会深刻地影响到城市空间布局及其扩张蔓延的模式。该课题研究在三个尺度层次上展开，探索后化石时代城市的形态：重新定义城市边界与城市组群（宏观）；能源基础设施的规划框架（中观）；一套新的城市空间规划导则（微观）。笔者试图从设计前期就将能源规划的逻辑加入传统城市规划的考虑中来。 在上述的各个尺度下，“重叠城市”的概念试图探寻新的空间整合策略以协调能源生产和其他城市空间元素。
我们需要探索一个涵盖多尺度和多学科的崭新空间范式以指导未来城市空间的发展。在亚洲城市化的文脉中尤为如此，我们对能源与城市的讨论应该更多地关注探索组织未来城市扩张的整合性策略，避免将自己束缚在对能源元素如何与已有城市结构结合的问题中。新的范式应该超越对技术进步的一味依赖，而延展到政治、社会和文化等更为广泛的层面。这要求我们更全面而深刻地理解和干预城市及其所在更大范围的能源与生态系统。
我的研究从过去的两个世纪中高度浓缩和高度移动性的化石能源对现代城市的形成的影响开始进行考察和分析，进而探索和讨论更加分散因而需要更大运营面积的后化石能源系统将如何催生新的空间条件及潜在的创新机会。例如，与煤炭相比，森林也是能源燃料，但同时兼具空间性、植物性、休闲性、文化性和社会性等诸多衍生特征和价值。能源不仅应被理解为一个空间问题，同时也是一个生态问题。我们将面临一场重新定义人类聚居与所处的自然环境互动关系的革命。设计师将会涉及全新的设计参数、组织性逻辑，并面临全新的挑战。在空间问题的各个尺度（从建筑到区域），新的空间整合策略将在能源与生态基础设施的交叉区域产生。景观和公共开放空间将有机会同时成为经济收益的创造者。他们多用途的功能特征将会催生新的立体空间布置方式，强调纵向多层叠加，为景观设计开拓新的尺度。
▲ 木材与煤炭能源生产的不同景观 © 笔者
3.介入方法: 作为精确设计工具的信息视觉化
因为能源特有的动态性及非物质性，研究与工作方法必须允许多场景思考的思维方式，并能够将物质与非物质的影响因素纳入考虑。利用参数化的模型，我们可以将这些复杂、多元、多层次的信息整合起来形成一个综合性的系统，即动态编码体系。这套体系允许我们包容多角度、多方面的设计原则及考虑，克服传统工程师思维方式对单一系统效率最大化的追逐，而探索可以平衡多层次、多因素的权宜之计。
参数化设计工具对信息极为精确和缜密的量化表达可以揭示最为微妙的设计条件差异，以此来帮助挖掘隐藏的设计机会。它因此将视觉表现从分析工具拓展成设计工具。一旦各设计参数被选定，其间的关系被解读与转化为量化的算式，对设计原型的定义便允许设计师在空间与数据间“游走”。扁平的、无形的数据可以被物质化与空间化，以反映其各自所对应的特殊空间特征：不同发展目标所带来的空间影响因而被视觉化而方便评估比较，并进而更好地辅助设计决策过程。形式与空间这些设计专业的核心问题从而被重新带回到至关重要的位置。基于过程的设计方法将设计师从已有的传统的设计概念中解放出来，而获得探索全新空间模型和组织模型的机会。与传统城市规划设计追求固定的蓝图不同，设计的目标是通过动态编码实现基于关系的系统框架的定义及对设计过程的精确控制。设计的结果因此具有潜在的动态性和对未来变化的可适应性。设计在不同的建设阶段、不同的发展场景及不同的尺度都可以被预览、评估和优化——这是一个不断循环的过程。这样的机制尤其适用于长期的发展规划。它是可变的，同时也是精确而具体的。
▲ 参数化将平面无形的数据与有形的空间信息对应起来 © 笔者
▲ 参数化城市规划设计的流程 © 笔者
▲ 能源生产潜能——太阳能，风能，生物质能 © 笔者
▲ 具有不同容积率、清洁能源比例的城市区块原型列表 © 笔者
为实现一定清洁能源比例的目标，开发商可以选择最大化能源生产或减低街区能耗。同时为避免僵化的能源目标规划，以形成灵活互动的能源市场经济，系统允许街区间存在互补的差异化：城市中将产生不同属性的区块——一些相对耗能，一些相对产能。区块之间可交易能源，形成一个动态平衡状态的能源“生态系统”，共同实现城市总体能源目标。此外，城市还可结合绿化空间创造一些以产能为主的区块以弥补总体产能的不足。
这个系统将以分期及多中心的形式发展，回应诸如更多居民的迁入和技术的逐步完善等不断变化的设计条件逐渐对自身进行调整和优化。从较为保守的本地清洁能源比例出发，这个城市将不断提高其能源自给自足方面的独立性和弹性，逐渐减少对传统化石能源的依赖。这套基于能源逻辑的城市导则将可能催生出新的空间关系与体验，展开一种与以往不同的城市化模式。系统假设了未来城市发展的不同场景，并对其相应的城市形态进行预览、分析和评估。
四、结语
参数化工具为大尺度的城市规划设计开辟了一个新方向。它架构了一个从缜密的量化分析到设计推导提出的连贯过程，使得城市规划的形态生成得以朝向更加理性化的方向发展。其对场地的精确全面的分析帮助我们重建人与自然及地域的连接，提出适合当地环境承载力的、适应当地地形地质条件的空间规模和格局。它使用动态编码联络数据与空间的技术，可能使得设计决策可以在更加可视化、更加互动化的情况下更精确地进行。它的设计过程从根本上说是设计一套约束机制和空间导则，而非一个象形和固定的结果，城市规划设计从传统的、更加自上而下的设计方式逐渐包容更多自下而上的成分，并更能应对未来多种可变的发展场景，创造出更加具有弹性的城市。
参数化工具实际上使设计师成为一个庞大平台的驾驭者，多层的参数设定和信息输入使得参数化城市设计具有跨学科、跨尺度的属性——设计者需要具有足够的知识和经验，以协调诸如交通、生态、经济等层面的设计干预，尽量使其成为一个能够平衡多层次、多因素的权宜之计。当然，在实现这一方面过程中，规划者仍要面对传统规划中各专业间的交互壁垒，如何使得各自追求高效、互相难以深度协作的各个规划部门（交通、水利、景观等）真正地协作起来，是一个超越设计本身的挑战。
使用参数化工具参与城市规划设计的尝试仍在一个非常初步的阶段，目前被纳入分析范畴的城市参数仍多存在于可捕捉、可量化的物质层面，人文和社会范畴的考量如何有效地纳入这种新的规划方法中来，仍是一个正在被探索的领域。
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