复杂性理论的探索与实践——爱丽莎·安德罗塞克的数字生成实践与实验性教学

赵明/ZHAO Ming

作为一名实验性建筑师，爱丽莎·安德罗塞克[1]（图1）的研究主要基于建筑教学以及数字生成设计实践。丰富的教学和设计实践经历，使得爱丽莎在建筑设计领域、教学领域以及服装设计等领域将数字设计与实践紧密结合，并体现出其独特的数字设计理念。

Biothing/CONTINUUM的建立

2001年，爱丽莎创立了跨学科的实验机构Biothing，主要研究数字生成设计。2005年她发起组建了多学科的研究机构CONTINUUM，研究先进的计算几何（Computational Geometry）及软件应用。

Biothing/CONTINUUM的人员组成众多，包括：数学、编程、机器人、文化理论、结构工程和软件开发等领域的专业人员。研究探索的重心从近年来在建筑实践中注重建造技术的趋势，转为在源代码中创新性的应用脚本（scripting）。设计的核心关注自由脚本的应用以及脚本间代码的转换方式，以适应材料、结构、制造以及安装的需求。不断发展的算法（algorithm）使设计师与各种建造形式的数字信息模型之间紧密联系，数字化图案与加工过程紧密相关。Biothing认为，与遗传工程学家相同，设计师书写代码生成非物质的智能形式，这些形式比起不同规模的社会物质生产有着更多的相关参数。极具表现力的作品与应用算法脚本语言（Algorithmic Scripting）作为主要生成方式密不可分。脚本工具作为一种在传统设计领域和新知识领域之间的联系媒介出现。

CONTINUUM被认为是一个集合网络，主要应用开放性的参数化软件工具集——Bentley公司的参数化软件“Generative Components”（GC）。早期CONTINUUM在哥伦比亚大学建筑研究所（GSAPP），以材料性能（Material Potency）为研究课题进行了大量的研究工作。包括对最小曲面（Minimal Surface），GC软件中对于“单元体”和“环境”之间的模拟关系，以及L系统（L-system）等算法的研究。与其他实验性建筑设计在应用软件的过程中寻找适合设计实践的新方式相比，CONTINUUM是一个将实践和软件结合的探索过程。目前，GC软件集中发展Smart Geometry Group（SGG），将设计师、工程师、软件设计人员集中到一起。[2]

数字设计理念

爱丽莎认为，在Biothing/CONTINUUM的设计和她从事的教学中，最为重要的设计理念是对于复杂性的研究。计算机代码应用在不同的设计中，数字生成模型适应并与各种“主要的”设计条件相关联。研究内容包含：涌现（Emergency）理论和代理系统的参数化自组织应用，算法和脚本编写完成的构件生成和建造，还包括各种新型材料与构件的应用等方面。复杂适应系统中的涌现现象存在于生活的各个部分，被称为遗传算法之父的约翰·霍兰（John Holland）将涌现现象的概念归纳为：“涌现现象出现在生成系统之中，在这样的生成系统之中，整体大于各部分之和。”[3]

脚本和程序设计中大量的数据集包含双重的潜力：一是在建造和外部输入数据之间，在结构的复杂程度和适应能力中建立清晰的连接关系。另一个是产生于设计的质量和本质中的涌现现象。在Biothing的作品中，关于涌现的研究包括，单个的代理程序（agent）与他们的“主”环境相连，并且通过更高级、复杂的指令与其他的程序合作，引发了新的结构的、组织的、空间的和美学的行为。材料性能以及通过材料、结构、组织行为等代码，增加了设计系统的反馈和适应机制。

在Biothing的设计实践中，算法和脚本并不单独出现，大部分项目应用多个算法来生成构件或者是建筑表皮，从而完成数字生成的过程。整个的设计过程中考虑项目所处的环境和各种影响，应用算法来实现参数化的调整和控制，从而满足设计需求。此外，在设计中还考虑到环境中的影响因素与构件或建筑之间的互动关系，利用算法编写的传感器使使用者真正成为操控程序的编写者，通过调整参数影响整个系统。

在建筑室内环境中的天花板和墙体中、建筑的外表皮、建筑构件中应用不同材料特性的新型建筑材料，与灯光、算法编写的声控构件相结合，与环境、人共同构成了一种“交互装置”。算法和脚本控制着结构和表皮之间的协调关系，构件自身与环境间的互动，同时也控制着整个构件的建构过程。

1 爱丽莎·安德罗塞克（Alisa Andrasek）（图片来源：Alisa Andrasek提供）

2 Genware算法图书馆（图片来源：Biothing事务所提供）

数字设计教学

爱丽莎一直将数字设计实践和教学结合起来，Biothing 的设计核心是一个大型的并逐渐增长的代码和知识的共享式平台，就像一个算法图书馆，我们称之为Genware（图2）。

包括研究和教学几大部分，对于代码（code）的开发内容包括：Processing，Biothing自己研究的代码，以及Probotics的开发等。通过其中包含的技术能够快速地与不同类型和规模的设计相联系，实现创造性应用。[4]

自2000年开始，爱丽莎以客座教授、设计顾问、助教的身份指导多个设计课程，涉及的数字设计教学包含了数字生成设计和数字建造等方面。2008－2009年，在AADRL开展了Mamemo的研究，是关于自然形态和算法之间的探讨。2009－2010年在AADRL开设的Agenware，是基于涌现和代理系统的研究。2007－2010年开设的Fabware，是应用数字技术实现对于冗余结构（Redundant Structures）的建造。

2007年在哥伦比亚大学任教期间，她指导了Fabware项目，在2011年AA DRL的课程中也开设了相关的研习班，指导学生应用激光切割技术制作相似的单元体从而构建空间模型。在2011年的Fabware研习班中，构件以吊钩作为连接方式，能够表现自身的逻辑并以非线性的方式生成涌现的形式。这与传统的设计的方式，即先生成建筑形式再进行内部构件的设计方式完全不同。应用的数字生成技术包括：Rhino、Processing、Eclipse，数字建造工具包括：激光切割机、CNC机床等（图3、4）。

2009年在AADRL的教学过程中，指导Agenware项目，其中涉及涌现理论和多代理系统的研究。体现了与环境间的适应关系，对“多并不只是多，更多是不同。”[5]的深入理解。将材料、结构、组织行为等作为代码，增加了设计系统的反馈和适应机制，缩小了抽象（计算机）和物质化之间的界限。程序化的代理系统至上而下排列、合并、分离，相互间的连接作用包括聚集、衰减和刚度等。多代理系统的自组织通过不同的等级和相互间的作用相联系，从而生成了带有信息的图案（图5、6）。

3 Fabware构件连接图示

4 Fabware空间模型

（3，4图片来源： http://bryanoknyansky.com/2010-ed-01Fabware.html）

5 Agenware模型

6 数字化模型生成

7 A-maze 数字模型

8 A-maze模型展示（6－8图片来源：Biothing事务所提供）

数字生成实践

爱丽莎的数字生成设计实践涉及的范围广泛，包括建筑设计、城市规划设计、家具设计、室内环境设计、服装设计等几方面。

A-maze是算法在家具设计中应用的实践项目之一，该项目于2009年在奥尔良的FRAC中心进行展览。材料的折叠基于递归分割理论逻辑的分形体——科赫曲线（Koch curve）。曲线由算法编写成，能够连接空间中的点，并且能够适应环境，不断地递归生长，从而产生了材料复杂的折叠变化（图7、8）。

介子织物（Mesonic Fabrics ）项目的研究开始于2007年，Biothing探索了一种在3种不同算法之间的编码转换方式，是算法在材料中应用的探索。2007年设计的赛露西展亭（Seroussi Pavilion）的生成是基于电磁场（Electro-Magnetic Field）矢量的自调整模式。在介子织物中，屋顶结构是通过犀牛（Rhino）软件中编写的电磁场（EMF）插件算法生成。通过第二种算法——径向波干扰（Radial Wave Interference），由发射源形成了整个环境的地形。再通过元胞自动机（Cellular Automata）处理波动数据。通过改变范围来改变图案，通过元胞自动机在几何体和有机体之间形成明显的特征（图9、10）。

9 介子织物（Mesonic Fabrics）模型

10 介子织物元胞自动机应用

11 ||FissurePort 建筑透视图

12 ||FissurePort 室内透视

13 透视图（9－13图片来源：Biothing事务所提供）

Biothing最近设计的台湾高雄平行峡谷港口码头项目（||FissurePort）中探讨了分形（Fractal）算法在建筑设计中的用法。算法的应用充分体现了这种建筑中复杂的建构和审美关系。海岸线上峭壁的表现为建筑中垂直的裂缝。这些高的“峡谷”是建筑的光源同时也是遮阳构件，“裂缝”表面上深深的褶皱是乘客们的等候区。人们可以透过不同的材质体验和观赏景观（图11－13）。□（本论文属国家自然科学基金资助项目，项目批准号51078218）

注释:

[1] 爱丽莎毕业于克罗地亚萨格勒布大学，在哥伦比亚大学获得硕士学位，先后执教于伦敦英国建筑联盟学院设计研究实验室（AA DRL）、哥伦比亚大学、美国普瑞特艺术学院 （Pratt Institute）、宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）、澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）。在世界范围内举办多场学术讲座，多次在巴黎、希腊、悉尼、北京等地参加国际性的展览和国际会议，并发表大量的著作和文章。见事务所网站:http://www.biothing.org/

[2] Ednie-Brown, Pia and Andrasek, Alisa‘CONTINUUM; a self engineering creatureculture’, Collective Intelligence in Design, Chris Perry and Chris Hight (eds), Architectural Design Academy Editions, No 183, Vol 76, no 5, Sept/Oct,London: 18-25

[3] [美]约翰.霍兰. 涌现－从混沌到有序. 陈禹等译.上海：上海科学技术出版社，2001.11

[4] http://www.genware.org/blog/

[5] P. W. Anderson, More Is Different: Broken Symmetry and the Nature of the Hierarchical Structure of Science,SCIENCE, New Series, Vol. 177,No. 4047. (Aug. 4, 1972): 393-396

爱丽莎·安德罗塞克访谈

赵明（以下简称ZM）：在Biothing/CONTINUUM的数字设计实践项目中涉及了涌现现象，算法和脚本，以及新型建筑材料和构件的应用，您认为作品中最为重要的设计理念是什么？能否简要介绍一下？

爱丽莎·安德罗塞克（以下简称Alisa）：在Biothing/CONTINUUM的设计以及我所从事的教学中，最为重要的设计理念是在复杂的设计条件下对于复杂性理论的探索。Biothing成立于2001年，主要研究数字生成设计。CONTINUUM成立于2005年，研究先进的计算几何及软件应用。计算机代码应用在不同类型和尺度的设计中，数字生成模型适应并与各种“主要的”设计条件相关联，例如：生产约束（制作、结构、材料和相似性），以及环境感知（气候条件例如，阳光、风、湿度），建筑中应用复杂程序编写的有机图案，复杂并有创新性的结构，带来的是审美观点的转变。我们在整个的数字生成设计探索过程中不断积累设计能力。

ZM：您在教学中是如何引导学生进行数字设计的？您如何看待教学和实践之间的关系？

Alisa：我一直将数字设计实践和教学结合起来，教学对于研究是个很好的环境，研究不能与实践脱节，否则毫无意义。有关数字设计的知识系统是在学生们遇到设计问题时逐步建立起来的。总体来说，教学中的探索是抽象的、学术性的，很难去用实际的应用表述出来，而Biothing的设计实践则更加注重于实践应用。

ZM：指导学生参加的课程中，对于数字技术的应用有不同的侧重点。有着重构件制作和材料应用的，例如：2007年的Fabware，也有着重于表现涌现理论的，例如：2009年的Agenware，此外还有算法和脚本的应用，能否简要地介绍一下您在教学过程中如何考虑设置这些培养学生的侧重点，是如何实现的？

Alisa：Biothing 的设计核心是，有一个大型的并逐渐增长的代码和知识的共享式平台，就像一个算法图书馆，我们称之为Genware。这里我们真正提供的是智能，它可以与不同类型和规模的设计相联系，包含大型的城市空间设计、建筑设计以及小的产品设计。这种方式被证明可以加快设计的过程，引入设计中大量的变化并且能够适应不同的问题。辅助设计的同时在材料应用上也产生了新的艺术效果。能够超越我们通常对于建筑外部和用途的想象。

这些与学生们共同开展的研究课题是基于不同类型和情况的。2010年，我们在AA以Fabware和Agentware开设了2个课程。前者注重生成设计中的建造方面，而后者着重研究的是多代理系统。今年夏天在克罗地亚的伦尹（Rovinj），由我指导的AA全球暑期课程中以Agentware为题，探讨了在代理系统在城市发展中的应用。

ZM：在您的数字设计实践中，涉及材料和构件的设计、建筑设计、城市规划设计等几个方面，您是如何考虑数字技术的应用？是在设计的什么阶段考虑的？Alisa：通常，按照经验，某种艺术形式和直觉可以帮助建筑师做出设计决定并生成设计。当开始一个新的项目，某些算法（逻辑或者数学）与存在的问题或者设计的特殊性相比，取决于我们的实际经验以及项目。这种在设计和教学中采用的在设计开始就引入算法的模式，仍需要不断探索、确定和修改。这在某些方面与工作中的创新并无差别，我们正在逐渐优化这个结构。□

ZM: In your digital practice, we can see the emergence, the algorithmic scripting and the application of advanced architectural material and component parts. What is the most important philosophy of your design idea, can you illustrate by examples?

Alisa: The most important idea behind my work is working within complex conditions－addressing complexity. All the generative models are designed to be "adaptive" and engage various "host"(site of design) conditions－such as constraints of production (manufacturing, construction,materials and similar), larger sensibility to the environment (weather conditions such as sun,winds, precipitation), complex programmatic/organizational patterns in the buildings, complexity and novelty in structure, complex and fresh aesthetics. Our approach is also accumulating design intelligence, library of computational code that can be instantiated on different problems and scales of design. It accumulates design knowledge.

ZM: Your educator of architecture in many famous universities. How to guide the students to design with the computational processes? What is your opinion of the relation between the educator and the practice?

Alisa：I always connect the work we do in practice and academia. Academia is a good environment for research, but if that research is not channeled into applications in practice, it eventually becomes selfreferential and dies. Computational knowledge is build-up faster by students when acquired directly on design problems.

In general, research that I do with students is more abstract and academic. it is harder for you to show it for applications. the work of my practice Biothing is demonstrating applications more directly so it is in my opinion easier for you to publish it. let me know.

ZM: In the studio you directed, we can see the particular emphasis on many ways: fabware in 2007 shows the application of materials and fabrication,agenware in 2009 shows the presentation of emergence, as well as the using of algorithmic scripting. Can you talk about how to arrange the teaching focus?

Alisa：At the core of biothing (that includes my teaching practice) there is a large and growing library of code and knowledge that we call genware.The product that we actually offer is intelligence that can be channeled at different problems and different scales in design ecology.

This spans from large scale urban patterns to very small product design series－and everything in between (architecture at its center). This type of accumulative intelligence has proven so far to accelerate design process and introduce larger variability and adaptation to different problems in design.It's our design partner. It also produces fresh aesthetic results within material constraints that can go beyond our predetermined imagination of how architecture should look like or even how it should work.

Both of those titles are part of our research with students that we repeat in different formats and researching on diff. problems...we did 2 workshops at the AA under that name last year as well... attached are design briefs for those workshops. Fabware always focuses more specifically on fabrication aspects in relation to generative design, while Agentware focuses on the research of multi-agent based systems. the latest in Agentware series is AA global summer unit in Rovinj Croatia this summer that i am directing, that will look at agent based systems as applied to urban developments.

ZM: In your digital design practice, involves the design of materials, architecture design and urban planning. Can you talk about at what stage of design to consider the application of the algorithmic scripting?

Alisa：With experience, certain form of virtuosity and intuition develops that helps designer make design decisions and develop design intent within this territory of generative design.

Certain algorithms (logics/math) are compatible with certain problems or will yield specific design sensibility... When we are addressing a new project,due to our experience in working both on biothing's professional projects, consulting other architects and finally teaching and working on many design projects with students, we can start introducing algorithms from the very conception of the design.But it requires lots of design search and lots of design decisions and modifications along the way.It's in some ways not so different to how creative processes always worked－but now we feel like we have a few more dimensions added into the mix.□