性能化的赛博格建筑：混合增强，孪生共造

袁烽

同济大学建筑与城市规划学院教授、博士生导师

罗又源

同济大学建筑与城市规划学院，硕士研究生

摘 要

随着机器智能的发展，人与机器混合增强、孪生共造的赛博格主体逐渐成为建筑学中设计与建造的主体。这一赛博格主体引发了建筑学领域感知力、思辨力与生产力的变革，构建了 “城市之眼”“城市大脑”和“城市之手”的城市智能体，推动了从机器人建造到社会化生产的转变。其中，智能建造是这场变革的重要技术基础和主要体现形式：一方面，建筑创作由形式范式转向建造范式；另一方面，建筑建造由传统工艺转向性能化建构产业体系。

关键词：智能建造；建筑机器人；赛博格主体；性能化设计

全文刊载于《建筑实践》2019年7月刊

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以机器学习为代表的人工智能技术深刻地改变了世界，建筑学这一传统行业同样也面临着转变。

在这个信息驱动的数字时代，传统的工具、方法乃至主体已难以应对建筑学中爆发性增长的物质、能量与信息，也无法完成更为广泛的虚拟空间与物质现实的交互，亦不能承担面向大众的社会化生产的使命，亟待一场革命性的变革。

1 数字时代的赛博格主体

数字时代正逐渐消弭几个世纪以来建筑学设计与建造二者间的鸿沟，以建筑机器人与相应的人工智能方法为代表的智能建造平台给建筑学带来了巨大的转变：传统建筑学中的传统工艺和工业再生产逐步地被基于人与机器、人与人之间协作的赛博格工艺（Cyborg Craftsmanship）所取代，一体化软硬件平台构建了基于建筑信息网络的“城市之眼”“城市大脑”和“城市之手”，形成了人与机器混合增强、孪生共造的赛博格主体（Cyborg Subjectivity）。

1.1 城市之眼——赛博格主体的感知力

数字时代的到来使得设计由物质驱动转向了信息驱动，为传统建筑学带来了巨大的挑战。一方面，建筑师的人类智能难以收集当下爆发性增长的数据，更无法对不同维度、不同层次、不同时空的信息进行综合分析，使得建筑设计难以就信息所承载的问题进行有效回应。另一方面，传统建筑学中，设计过程不重视与外部环境间的动态交互和信息交换，难以实现对设计的即时反馈、优化和迭代，也限制了更为广泛的公众参与的可能性。其结果是建筑师在设计中占据了决定性地位，建筑往往拘泥于各类形式范式而忽略所需解决的真正问题，社会大众更为个性化的需求被极权化的建筑设计模式所压制。

因此，对城市中信息的收集、处理与再现——即可视化（Visualization）成为了当下建筑学中重要的诉求。所谓“可视化”，即沟通虚拟化的设计和物质化建造之间的信息媒介，可用于传达抽象概念、描述设计信息、指导城市建造。20世纪末以来数字媒介的快速发展使得“可视化”技术产生了极大的突破，从基础的计算机辅助制图、三维模型到代表当下可视化最高水平的增强现实（AR）、虚拟现实（VR），“可视化”从简单的信息采集处理发展到了全方位的数据挖掘与感知。在此过程中，机器负责前期数据的采集和自动化处理，建筑师完成综合化的分析和决策，人机之间密切协作，形成了具有强大城市感知力的赛博格主体。

为城市信息的可视化感知力提供了沟通信息与物质、虚拟与现实的交互环境（Interactive Environment），推动了建筑学创作模式和生产模式的转变。信息成为了设计的核心出发点和驱动力，串联起从设计到建造的全流程。其中，设计是对城市信息的综合求解，建造是对设计信息的物质实现。此外，城市层面的感知力也使得对社会中差异化（Differentiation）需求的回应成为了可能。相较于极权化的建筑师个体，具有不同知识背景和多样创造性的大众的个性化需求能够被赛博格主体所感知，并据此生成去中心化（Decentralizing）的设计与建造方案。

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1.2 城市大脑——赛博格主体的思辨力

感知力的变革带来了思辨力的进化。赛博格主体利用感知力获取了城市中的信息，更需要思辨力对信息所承载的问题进行求解，“建筑追随性能”正是这一过程的体现，由此衍生出了基于信息网络的性能化设计方法。性能化设计从能量出发，以结构性能、环境性能、行为性能为目标。

其借助以机器学习为代表的一系列人工智能方法，对设计进行生形（Formation）、模拟（Simulation）、优化（Optimization）和迭代（Iteration），推演出高性能（High Performance）的设计建造解决方案。

设计生形是从相应的城市信息出发，按照恰当的规则或代码（Regulation/Code），生成符合预期的建筑形式的过程。其往往借助机器实现自动化的方案生成，并根据建筑师的主观判断对方案做初步的筛选，人机协作以快速获取有潜力的设计原型。

模拟指基于数字化的计算机工具和物理化的模拟装置，对设计方案性能表现进行检验。其将建筑的性能进行可视化的呈现，为进一步的设计决策提供参照。此处的性能不仅包括一般意义上的结构性能、环境性能、行为性能，也涵盖了建筑的可建造性，从而为对建筑方案的评价提供全方位的依据。

建筑师根据模拟得出的建筑性能表现，以预先设定的设计目标为准绳，借助遗传算法、神经网络、多代理系统（Multi-Agent System, MAS）等人工智能方法，改进设计中性能表现的不足，即是建筑方案的优化。优化过程往往与迭代相结合，经由不断的“模拟－优化－再模拟－再优化”的过程，逐步使得设计方案逼近设计目标，并最终求解出满足设计目标的方案形式。

“生形－模拟－优化－迭代”构成了赛博格主体进行设计思辨的主要形式，其表现出了人机协作、混合增强的特点：建筑师首先运用数据和规则对机器智能进行训练，即人类向机器的赋能；随后机器智能通过自身强大的计算能力协助建筑师处理复杂的设计问题，即机器向人类的赋能。人与机器优势互补，既体现出机器的速度优势，又体现出人类的深度优势。

1.3 城市之手——赛博格主体的生产力

感知力与思辨力的进步强化了赛博格主体对虚拟化的信息与能量的掌控，而设计方案的物质化实现则依赖于与之对应的生产力水平。当前，建筑行业仍残留着传统手工业的模式，无法应对以参数化设计为代表的日益复杂的建筑项目，也无法满足工业化生产的效率要求。同时，数字建筑学的发展，要求建筑形态的参数化生成和控制，导致了建筑构件单元的非标准化。

因此，数字化、网络化、智能化是建筑行业未来主要的发展方向。智能建造（Digital Fabrication）以建筑机器人为核心工具，以人工智能方法为感知基础，构建了建筑构件预制化生产（Off-Site Fabrication）和现场智能化建造（In-Situ Robots）两大平台，实现了批量定制化建筑构件的工业化生产和复杂施工现场环境中的自动化建造。预制化生产与现场智能化建造相结合，完成了从虚拟化设计到物质化建造的无缝衔接，引发了城市中前所未有的生产力变革。

首先，智能建造取代了建筑学几百年以来的传统手工业模式，工业化、自动化的生产满足了数字时代建筑建造的非标准化、高精度、高效率需求；其次，基于机器人的智能建造借助软件平台实现了与设计过程的信息沟通，建筑师进行方案的原型设计时，可借助智能建造平台即时生产，并根据生产过程和结果进行反馈调整，最终的设计成果亦可自动化编译为机器人的生产建造指令，形成了一体化的设计建造工作流程。

除了效率的提升和形式的进化，更为重要的是，智能建造使得城市的生产力发生了主体上的转换。随着越来越多的机器人工艺（Robotic Craftsmanship）和复合材料（Composite Material）的发明，人与机器构建的赛博格主体将逐渐代替传统意义上的工匠（Craftsman）角色，掌控城市的物质化过程。

从机器人建造到社会生产

1.4 从机器人建造到社会生产

文艺复兴时期，阿尔伯蒂将千百年来的建筑实践加以系统的总结和抽象，完成了著名的《建筑十书》（On the Art of Building in Ten Books），明确了建筑师以建筑制图的形式表达自己业已形成的设计理念，并交由工匠进行建造。由此，设计过程被建筑师所垄断，而建造则成为工匠毫无思考的劳作，建筑作品成为建筑师独有的智力成果。这一模式在随后的几百年中主导了建筑学，设计思辨与建造生产的分离成为了建筑学基本的工作模式。

数字时代赛博格主体的成长对此种工作模式进行了颠覆。以可视化方法为代表的感知力变革、以性能化设计为代表的思辨力变革和以机器人智能建造为代表的生产力变革一方面使得建筑的创作得以摆脱建筑师主观意志的限制，而以新唯物主义（New Materialism）的视角审视设计与建造，设计决策发生了从意图（Intention）导向到生成（Becoming）导向的转换；另一方面使得设计主体重新具有了自主建造的能力，再次出现了建筑师与工匠的身份融合，产生了“数字工匠”。更为重要的是，这种赛博格主体对传统建筑学中建筑师对作品的著作权（Authorship）提出了质疑，其不仅使得机器作为独立的创作主体参与设计建造，还允许了更为广泛的公众参与，打破了以往由社会中少数建筑师和规划师对城市中物质与能量的垄断。

自此，一种“没有建筑师的建筑”（Architecture without Architects）的出现成为可能。借助集感知力、思辨力、生产力于一体的软硬件平台，未受过建筑学专业训练的社会大众具备了设计与建造建筑的能力，实现建筑学的去专业化（De-professionalization）和去中心化（Decentralizing）。城市将构成一个开放系统，社会大众的集体创造取代少数专业人员的意图，成为了城市生长的内因，使得城市呈现出非均质化的负熵（Negentropy）特征，构成了数字时代中城市的社会生产体系。

2 基于赛博格主体的智能建造探索

赛博格主体利用强大的感知力、思辨力与生产力，推动了建筑学中工具、方法与主体的转变，建造成为建筑学中的核心内容。基于赛博格主体的智能建造，不再基于纯粹的形式语言，实现了从形式范式到建造范式的转变；同时，其进一步挖掘了材料自身的物质性，形成了与性能化设计方法相对应的性能化建构产业体系。

2.1 形式范式到建造范式

性能化设计方法的产生使得建筑与城市得以摆脱教条化的形式语言，真正地对环境中的文脉、行为、材料和能量进行回应。具体而言，设计的核心完成了由物体到信息的转变，其流程不再是从传统的、建筑师的主观意图到材料的物质形式的单向流动，而是在设计目标主导下基于设计意图、材料性能和建造过程的综合求解。这一转变预示着建筑创作从形式范式到建造范式的变革，也由此产生了对建筑构件批量化、定制化生产的需求。

2019年春季学期，同济大学建筑与城市规划学院本科生设计课程“疯狂的椅子”（Wild Chairs）以结构几何作为设计方法，凸显了建筑学中范式的转变。课程作业“TOPO chair”以结构性能为基点，探讨性能化设计和金属打印在建造中的可能。

在设计的概念生形阶段，学生即确立了根据性能实现自生形的目标。不同于传统意义上的设计，学生没有先入为主的表达自身的设计意图，而是利用Rhino-Grasshopper平台建立了由座椅高度、扶手宽度、靠背角度等参数信息控制的自动生形平台。在这个平台中，学生针对座椅的使用性能不断地对各参数优化迭代，以得到一个符合预期目标的体量。随后，为了达到最优的结构性能，学生运用Topos这一工具继续对体量进行拓扑优化，基于金属打印的材料性能和约束条件生成了最终的设计方案。

机器人金属打印工艺为拓扑优化后高曲率座椅形态的整体加工提供了条件。对于完全由非标准化构件组成的座椅，建筑机器人在100个小时内即完成了打印，既保证了高效率的批量化生产，又确保了定制化构件的高精度，使之满足设计方案的性能要求。

TOPO椅

2.2 性能化建构产业体系

性能化设计方法要求与之对应的性能化建构产业体系。随着新唯物主义的兴起，决定材料形态乃至建筑形态的不再是建筑师的主观意图，而是城市中物质与能量的建造性能。建筑师通过对材料物质性的深入挖掘，探索传统材料中蕴含的高性能可能，不仅对传统材料进行了当代解读，又建立起性能导向的建构体系，实现了高性能的产业化建造。

上海西岸人工智能峰会B馆是性能化建构产业体系的典型代表。在短短的100天时间里，项目完成了共计8,885㎡空间的设计及全部建造工作，反映出了智能建造的产业化潜力。

在紧迫的设计周期中，建筑师采用了预制化的篷房体系作为三个会议场馆主要的结构体系，利用模块化的铝合金排架结构实现快速装配。通过对结构性能的模拟、优化、迭代，铝合金构件的截面尺寸被优化到了355mm×124mm，创造出了极为轻盈的空间。铝合金构件均在工厂中进行预制化生产，并最终经由机械吊装完成现场的装配。

而对于会议场馆间的庭院空间，建筑师采用了钢木复合网壳结构，实现了40m的最大跨度。借助数字生形和模拟工具，建筑师将已有的边界条件空间信息输入软件平台，利用Rhino平台上的Kangaroo插件求解具有优异结构性能的网壳形式。通过对生成的不同结构体系的比较，建筑师选定了“木构网壳屋面－钢木节点－竖向支座系统”的架构，并利用算法在虚拟的数字模型中自动生成了所有的木梁与节点，据此进行相应的结构拓扑优化，以减少材料用量、提高节点强度及保证可建造性。项目中所有的差异木梁、钢桁架、异形钢柱同样也均在数字化的工厂中批量加工，继而在现场进行快速组装。

上海西岸人工智能峰会B馆钢木复合网架 © 田方方

3 基于赛博格主体的智能建造展望

混合增强、孪生共造的智能建造在建筑与城市的建设实践中展现出了巨大的优势和潜力。基于人机协作的感知力、思辨力和建造力，构建“城市之眼”“城市大脑”“城市之手”，打造适应数字时代需求的赛博格主体，是建筑行业转型升级的重要方向。受限于机器人和人工智能的发展水平，当前智能建造实践仍然处于实验性阶段；但随着技术进一步的提升和普及，传统的建筑设计建造中的工具、方法和主体都将发生改变，形成信息驱动、机器赋能、人机协作的数字设计与智能建造模式：一方面，预制化生产与现场智能化建造相结合，解决目前建筑与城市建设中存在的问题，推动由形式范式到建造范式的转变；另一方面，基于信息空间的一体化设计建造方法将重塑原有设计逻辑，建立起性能化建构产业体系。总的来看，在可预见的时间范围内，混合增强将成为人机协作的主要形态，由此形成的智能建造也将成为人机协作在建筑领域的实现方式，连接信息、物质与能量，沟通虚拟与现实，推动面向历史与未来的社会化生产。

参考文献

[1] Mario Carpo. The Alphabet and the Algorithm[M]. Cambridge: MIT Press, 2011.

[2] Alexander Koutamanis. Digital Architectural Visualization[J]. Automation in Construction, 2000, 9(4).

[3] Bruce Kapferer, Angela Hobart. Aesthetics in Performance: The Aesthetics of Symbolic Construction and Experience[M]. Berghahn Books, 2006.

[4] 袁烽，周渐佳，闫超. 数字工匠：人机协作下的建筑未来[J].建筑学报，2019(4).

[5] Bernard Rudofsky. Architecture Without Architects: A Short Introduction to Non-pedigreed Architecture[M]. The Museum of Modern Art, 1964.

文中图1–4为作者绘制、拍摄，图5由田方方拍摄

新媒体编辑 / 田力静，Sai

视觉 / 李贺东方

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