从尺规度量到大数据计算——建筑量化方式的演进

文／姜晚竹 伦敦大学学院 硕士研究生

王佳琦 伦敦大学学院 硕士研究生（通讯作者）

引言

建筑在历史发展的过程中始终受到科学技术水平的影响与约束，或者说，建筑与科学之间具备恒久的兼容性。其中，作为人类认识世界的基础科学，数学与建筑的关系一直密不可分。

具体来说，量化作为一种数学的研究方法，真正地将数学中的抽象概念具体化到建筑实体之中。几何中的形状、函数中的图像、算术中的比例，通过量化最终转化成建筑中实际存在的形体、轮廓与尺度。在不同的历史时期，依据数学研究水平的不同，量化模式也发生着阶段性的转变，深刻影响着不同时期建筑的风格与状态。

而如今，随着大数据时代的到来，自治建筑成为新的发展方向。此时，一种全新的量化模式不可避免地被强烈需要，以将数据导入建筑系统，为其注入数字化的生命力。建筑将在新的量化模式的帮助下，利用数据思考、运算、交流、表达，成为自组织、自适应、自进化的高维度生命体。

1 历史中建筑量化模式的演进

1.1 以几何学为基础的量化模式

在古希腊古罗马时期，几何学是建筑量化模式的基础。

几何学处理的首要问题是“形”，这是一种拥有具象性、直观性的量化对象。古希腊设计者与建造者关系紧密，他们手持原始的尺规，对采石场运送而来的原材料做出最直率的判断与处理：凭借对“形”的认知，进行测量、切割、雕琢、打磨。几何学中的、或者说是设计者脑中的“形”最终被转化为建筑中实际的形体，这是当时人们最先掌握的初始量化模式。

以几何学为基础的量化模式的建筑，其最终目的是寻找和谐典雅的永恒形式。在对“形”的研究中，比例是最显著的规律，赋予建筑视觉效果的精妙性。希腊人通过柱式隐喻人体的比例，多立克柱式可被简化为高度是直径8 倍的圆柱体，仿佛挺拔健美的站立男性，既不因为粗壮显得笨拙，又不因为纤细显得孱弱。帕特农神庙中同样蕴含比例美学，外部立面符合黄金螺线，形体清晰有力。另外，视觉矫正的手法使其外观更加笔直稳固。可见，以几何学为基础的建筑更关注的是外部的观感，正与大多数古希腊宗教活动相符——人们并不真正进入神庙内部，而是在外部远眺与祭拜，以距离感表达尊重与崇敬。

几何学基础的古希腊建筑为世界留下了不朽的形式遗产，但其低效性以及非实用性也敦促人们探索新的量化模式。

1.2 以算术学为基础的量化模式

15 世纪以后，阿拉伯数字的流行提升了数字的能力与地位，算术学成为新的量化模式的基础。

在算术学中，“数”成为量化对象，相比于“形”，其抽象性得到了提升。这时的设计者不再一边设计一边建造，而是以图纸的方式预先将方案可视化。建筑师一旦遇到问题或差错，仅需擦除错误印记，提笔重新绘制，以更低的成本修正方案。

以数字控制的建筑形体更具精确性与可复制性。比起古希腊时期对形体的启蒙的、具象的理解，文艺复兴时期建筑的比例关系直接被抽象为数字之间的倍数关系。在维琴察市政厅外部回廊的重建中，意大利建筑师帕拉第奥大胆创新，在中心处发券，将一个开间划分为三部分，同时在两侧小额枋之上各开一个圆洞。这种细分比例使部分与整体、部分与部分之间关系协调且精致。在建筑四书中，他记录房间的宽度应是长度的五分之三，且每边应有三、五、七个奇数开口[1]。此时，以数字为基础的量化模式使建筑比例向清晰、可拓展的方向发展——同样的规律既能在圆厅别墅等多幢私人府邸找到，也能拓展成更大尺度的宗教类公共建筑。这种抽象以绝对简洁的方式使后人方便地理解并重复使用这一法则，从而衍生出丰富繁荣的后代实例。

18 世纪末期，新古典主义诞生，与其父辈的古典主义在表面上拥有诸多相似之处，但它们在量化模式上却有根本区别。新古典主义整体上延续了古典主义的风格与美学思想，但在细节的刻画中摒弃了过于复杂的肌理与装饰，转而强调关系的和谐，这是在由“形”到“数”的抽象过程中的信息省略与简化。

1.3 以代数学为基础的量化模式

在工业革命和第二次世界大战的双重背景之下，现代主义建筑追求的是前所未有的低成本与高效率。代数学成为主要量化模式的基础，其中一个简短的函数公式背后隐藏着繁冗的数据列表，可以被无限次地重复运算，正如现代主义范式被世界各地频繁反复地应用。

信息技术的发展和互联网的应用与普及，正在深刻影响和潜移默化地改变着每个人的生活和观念，互联网为人们构筑起了一种全新的生活和生存方式。据中国互联网络信息中心(CNNIC)发布的报告显示，截至2011年底，中国网民规模已突破5亿，其中青少年已占据了半数。正如中国青年网执行总编蔺红玉说：“如今的互联网，已经成了青少年的器官，成为他们生命中不可或缺的一部分……”

在现代主义建筑中，多米诺体系的发明创造了一种客体类型，成为一种标准化、批量化的建造范式。如果说量化模式是用于在建筑建造之前的度量，那么现代主义建筑在建造之前就早已被度量完毕，这是由于它的范本是如此的清晰且固定。典型的现代主义建筑可以被解释为一种近似的常函数，无论自变量如何，都以强硬的手段使因变量趋同。历史背景、场地特征、用户信息等初始条件被模糊处理，生成工业化的、统一化的板楼。在相距千里的美国和南亚地区可以找到别无二致的两个建筑实例。可以说，现代主义确实达成了高效率低成本的时代需求，但也抹杀了诸多创造力。

与此同时，蓝图技术以其利于复印的优点成为建筑师的必备工具，但却悄然成为设计中的桎梏——它既是桥梁也是鸿沟，一方面蓝图使设计者的想法清晰表达；另一方面，无法用蓝图表达的想法只能永远埋葬在设计者脑中。

1.4 以微积分为基础的量化模式

到20 世纪末，微积分作为新的量化模式的基础进入到建筑领域中。这是一套关于力与运动的数学分支，以其为基础的曲线简化方式引领了新一代的形式风格。

在20 世纪60 年代，汽车、航空等行业逐渐开始利用计算机开发图形系统来提高工程师的生产力。这种变化产生于对流线形与蓝图之间的突出矛盾——流线形的形体需要千百个剖面去描述形体的变化，这显然是一项繁琐沉重的工作。法国工程师皮埃尔·贝兹（Pierre Bézier）利用伯恩斯坦因多项式的原理开发出以简单的数学方程式描述自由曲线的方法，这将牛顿与莱布尼茨的微积分数学理论带到了广阔的设计领域，用紧凑、经济的数学脚本量化复杂、冗长的随机点阵。这种量化模式被当代著名的解构主义建筑师弗兰克·盖里（Frank Owen Gehry）引入建筑设计中，点燃了一种新时期的风格。

以微积分为基础的量化模式的建筑，获得了全新的形式美学。自由优雅的曲线摆脱了夭折于设计师脑中的命运，终于成为熠熠发光的建筑实体。与古典主义中的比例相比，这种新的形式更强调有机性与动态性。在马岩松的梦露大厦中，连贯的、扭动的曲线显示出一种律动的张力，仿佛少女腰肢婀娜，翩跹而至，与古希腊时期爱奥尼柱式中的静态相比，展现出不同的美感（图1）。

图1 历史中建筑量化模式的演进（图片来源：作者自绘）

2 小数据量化逻辑的衰落与大数据量化逻辑的兴起

2.1 小数据逻辑下量化模式的局限性

然而，时至今日，参数化设计的动态美感已经难以满足实质的需求，这种量化模式的弊端逐渐浮现。一方面，这种建筑在形式上的有机性来源于对自然中有机体的模仿，如山峰的弧度、沼泽的构图，但这种模仿往往侧重于外在的刻画，而鲜少对建筑内部空间带来实质性的优势；另一方面，虽然在设计过程中，这种量化模式帮助建筑设计获得光滑舒展的轮廓，但却并没有进入到建造过程中。在实际建造时，光滑的表面不得不被肢解成各不相同的碎片，逐个制作安装，施工成本高、难度大。而实际的建成效果已在两阶段量化模式的龃龉中丧失了应有的流畅美感。

以微积分为基础的量化模式只能为建筑带来生动的外衣，却无法赋予生命的内核。在计算机与人工智能飞速发展的背景下，人们不再满足于雕塑般华丽的外表，而是开始转向真正的自治建筑——拥有灵魂的智慧体。在这种情况下，一种新的以大数据计算为基础的量化逻辑无疑被强烈需要。

2.2 第二次数字革命：大数据计算带来的生命力

受制于数据的数量与处理数据的能力，历史上的诸多量化模式皆符合小数据逻辑[2]，即将复杂的信息归纳简化，方便储存与处理。从几何学到微积分，压缩数据的能力逐级提升，大量的数据最终可以浓缩于极简的参数方程中。

而如今，大数据时代使人类首次获得比需求量更多的数据，处理数据的能力也今非昔比。这种情况下，冗余的数据、繁多的计算，不再成为束缚量化模式的枷锁。此时的量化模式出现了一种前所未有的反抽象的趋势——小数据逻辑变得没有价值，计算机无需像人脑一样利用归纳总结后的函数，而是可以直接应对背后无限的数据列表。这时的量化对象从“数”或“代数符号”变为了庞大的“数据”。数据，也就成了进入建筑整个生命周期、穿梭于建筑内外的语言般的交流媒介。

马里奥·卡普（Mario Carpo）①将这一转变定义为“第二次数字化革命”[2]，与前一阶段相比，形式上的动态美被转化成建筑内在的生命力。通过拥有强大数据处理能力的计算机辅助，人类不适合的全局运算或者重复试错，计算机都能在极短的时间内完成。建筑不再只是单次计算导向下的静态实体，而是在长期大数据计算的辅助下转变为自组织、自适应、自进化的动态系统。

3 大数据计算与自治建筑

3.1 以大数据计算为基础的量化模式

如今，大数据计算将成为建筑量化模式的新基础。

由于数据的多样性，量化模式的关注点不再局限于历史中的形态美学或功能效用，而是变为一种综合的因素统筹——场地中的气候、地形、人流、遗址；用户的特征、习惯、审美、偏好等多种条件都可被同时纳入考虑范围，对设计结果产生影响。为了整合多种来源、不同类型的数据集合，算法作为一种预先定义的、计算机可运行的有限步骤或次序，应当被引入到建筑系统的设计中。此时，建筑师的任务将从传统的绘图或建模转变为系统框架的搭建及逻辑关系的梳理。他们选择一些影响方案结果的因素作为输入变量，并将原有的设计问题分解为多个离散计算目标，设立其中的逻辑关系，然后调用相应功能函数，编写出解决问题的组合程序。在这个过程中，输入变量与生成结果之间可以产生直接联动，针对不同的初始条件给出不同的解决方案，甚至在使用中依照数据的变化情况对建筑进行改造或重构。

3.2 自治建筑的外在表现——从连续到离散

在外在表现方面，由于计算机在运算过程中使用离散数据，以大数据量化为基础的建筑体系往往呈现出一种高分辨率的离散特征——以相似的、重复的、可重组的通用离散元件集组装成完整且复杂的建筑物。这种离散单元的尺度各异，整体建筑的表现形式也会出现明显的积木感或虚假的连续性。配合增材制造技术，大数据计算的量化逻辑也随之进入到建造过程中，从减法变为加法，从雕刻变为生长，对每一处建造单元进行单独运算。在迈克尔·汉斯迈耶（Michael Hansmeyer）②创造的3D 打印石窟数字怪诞（Digital Grotesque）中，40 亿个微小的体素单元被单独计算，这种人类无法完成的任务对于计算机来说却是轻而易举（图2）。吉尔·雷辛（Gilles Retsin）③为塔林（Tallinn）双年展设计的户外装置以通用的木材单元组成梁柱及楼板，且组装逻辑不遵循严格的几何概念，而是保持一种开放状态，以便随时进行调整[3]（图3）。

图2 3D 打印石窟：数字怪诞（Digital Grotesque）（图片来源：参考文献[2]）

图3 塔林（Tallinn）双年展户外装置（图片来源：参考文献[3]）

3.3 自治建筑的内在逻辑——从静止到进化

在内在逻辑方面，以大数据量化为基础的建筑体系实现从静态到动态的升级。算法程序对外部的数据信息进行感知、接收、处理、反馈，从而控制实质的空间物质进行设计、建造、调配、移除，形成自身的思维闭环。这一长期的计算流程贯穿建筑系统的整个生命周期，不断适应来自用户或环境的各种动态需求。与此同时，算法内部的计算逻辑也将在与用户或环境的磨合中进行升级优化，完成系统本身的智能进化。在这种情况下，算法不再或不再仅仅是要执行的指令，而是变成了执行实体：选择、评估、转换和产生新的数据现实[4]。算法将来源于用户及环境的随机数据熵能量转化成新的编码指令串实现进化，以摆脱计算极限的限制，帮助建筑系统产生实时适应性。在R（&）Sie（n）2010 年的研究项目情绪建筑（Une Architecture Des humurs）中，来访者的生物物理数据，如情绪状态（愉悦、压力等），将被数字装置测量，然后依据这些荷尔蒙变化数据设计并调整住房单元与城市设施（图4）。艾丽莎·安德拉塞克（Alisa Andrasek）④带领的Wonderlab 团队在游丝塔（The Gossamer Tower）项目中将机器人3D 打印与生物系统中的共识主动性联系起来，应用于建筑系统。光、温度和声学等环境数据被输入到算法程序中，改变不同区域的孔隙度，呈现高分辨率的动态美学，并在滤光、散热等方面表现出卓越的实用性能（图5）。

图4 情绪建筑（Une architecture des humurs）（图片来源：参考文献[4]）

图5 游丝塔（The Gossamer Tower）（图片来源：参考文献[5]）

结语

建筑的量化模式始终与历史的脚步并行，与科技的发展兼容。经历漫长的不断简化的小数据科学，大数据时代是对原有思维方式的全面颠覆。在这种根本性的转折时期，我们所追求的量化模式和建筑理想也注定史无前例。

以大数据计算为基础的量化模式引领建筑走向生命化的进程，为自治建筑系统开启广阔的研究方向。从连续到离散的外在表现、从静止到进化的内在逻辑，都标志着自治建筑系统已然从单一的空间实体变为随需求变化的四维空间系统。随着信息技术更加精进，计算进程更加快速，数据来源更加广泛，建筑系统也将拥有更灵活的材料构件与更智能的算法内核。确定、机械的指令集合，将向开放、进化的方向发展，更多无法被直接理性化的因素也可以纳入考量。建筑师从独立于外部的建设者与观察者，转变为进入计算循环、受结果影响的参与者与维护者。由此，建筑系统也必将在前沿科学的照耀下，焕发出全新的生命光彩。

注释：

①马里奥·卡普：建筑历史学家、评论家，现任伦敦大学学院巴特莱特建筑学院教授。

②迈克尔·汉斯迈耶：建筑师与程序开发师，维也纳应用艺术大学与东南大学访问教授。

③吉尔·雷辛：建筑师，伦敦大学学院巴特莱特建筑学院副教授，AUAR实验室创始人。

④艾丽莎·安德拉塞克：设计师，皇家墨尔本理工大学设计创新教授，AI Build联合创始人之一。