基于参数化技术的装置方案阶段优化设计研究

乔雨

关键词：景观装置 参数化技术 极小曲面 优化 数据

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2022）07-0145-04

引言

装置艺术（即环境艺术）起始于20世纪60年代，属于后现代艺术的必然产物，以一种传播媒介的形式反映客观世界的具体事物和作者的审美观念。由于装置艺术的表现手法和材料不受限于单一的线性思维，可以综合运用多种门类的艺术形式，冲破传统的艺术观念，从而形成与人们无形的交流。胡·大卫作为美国著名的艺术评论家，将装置艺术划入人类古老文化的范畴，称其可以追溯到法国拉斯卡的洞窟绘画，因为原始社会所创作的艺术品主要用于表达宗教观念或巫术氛围，而不是单纯的雕塑艺术。到了20世纪80-90年代，装置艺术逐步成为城市公共空间中，艺术家表达其贡献或理想的主要内容，并与景观空间产生更为有趣的化学反应。

景观装置是装置艺术与环境空间的融合，是诠释景观设计的重要元素，从人的精神行为出发，强调与之互动的过程，以一种更为随机的形式和视觉渲染力加强区位景观的特有氛围，赋予场地鲜明的个性和独特魅力。例如由Aaam公司设计的香港艺术馆三部曲公共艺术装置（图1），其高低起伏的山峦结构，把游走于森林的人带进山群之中，线描一般的弧形框架，层层叠叠地勾画出巍峨山峰，与一街之隔的摩天高楼展开对话，演绎着五光十色的城市风景与山水画墨彩的交汇重影，从而模糊人与景观之间的界限，引发参与者心理和情感上的共鸣，提高公众的参与性。在当今快速发展的数字化时代，景观装置设计的意涵愈发丰富，表达的方法与手段也越来越多样化，尤其在一些异形空间装置的设计当中，参数化技术的应用已然成为一种主流趋势，使得整个设计过程和结果更加科学化和理性化。本人将结合具体的工程实践，逐步梳理一种使用数字工具进行景观装置设计的方法与流程，为富有个性化的装置设计提供新的思路。

一、参数化技术为景观装置设计提供新思路

（一）参数化与景观装置的结合

参数化以脚本的形式构筑多个个体相互作用的动态系统，通过调节参变量修改以“图元”作为数字化构件的信息内容，据此需要设计师依据客观条件来考量模型尺寸及工程参数初值，以保证在调试参数的过程中，维持数据节点的关联性。风景园林所蕴含的节点有很多，其中景观装置以休憩、娱乐、互动为主要特点，可以说是风景园林规划设计的重要内容，将参数化技术引入景观装置可以全面统筹空间、材料、体块、音效、灯光等综合性要素。因此，在参数化设计系统内可以将单因素视为连续动态的演变过程，并以“参变量”作为该过程的核心调控基因链，具体可包括映射数值、函数公式、引力控制、磁场强度、点线面干扰等一系列引变量，进而增强景观装置的数字化，以拓展自然有机形态创作的可能性，使得风景园林的技术和艺术层面上升至更易于量化的指度参数指标，大大提高模型的生成和修改速度。

通過借助于数字化工具使得设计者的想象力得到进一步拓展和提升，非线性和复杂性的景观装置设计也变得更具可操作性，经过十几年间的更新与升级，数字化工具逐步由繁琐的编程语言转向插件工具包，使得设计师更易于掌握计算机底层语言，以实现信号的传播和处理，使场所信息采集、环境评价与分析、复杂系统模拟、交互式实时呈现系统等先进技术手段在风景园林学的研究中得以运用，为园林规划带来自下而上的思维变革。可以说，通过参数化技术的应用开辟了园林学者探究数字化技术与风景园林行业共生关系的可能性，以彼此之间互为补充的良性效应创造一种新型的、动态的、非线性的、不可逆的外显形式。

本文将以“极小曲面”为原型进行设计，主要探究景观装置与人、环境之间的空间衔接关系，深入解析将参数化技术引入景观装置设计的优势，并以创造性的方式解答异形曲面装置的施工建造问题。

（二）概念及设计思路

极小曲面源于普拉托的“肥皂泡”实验，即在封闭铁丝环内所张成面积最小的曲面，这类基于物理学实验的曲面形体具备结构稳定、能量守恒等优良条件。因此，对于极小曲面结构造型的相关问题逐步从物理实验转向艺术设计领域，其复杂多样且不断变化的形体空间受到广大设计师的青睐，例如由Theverymany（运用参数化精密计算装置结构表皮的研究团队）设计的Minimum/Maximum互动景观装置（图2），该装置以“沉思”为主题进行设计，旨在为繁忙的世博会场地提供一个为观者娱乐休憩的场所，装置以超薄的自支撑构件来延续Theverymany对于轻薄材质的结构研究。该装置的外观设计即通过Grasshopper插件工具包Millipede （千足虫）实现可视化表达，进而借由Ameba插件实施拓扑优化（即渐进结构优化方法，由谢亿民与Steven（斯蒂芬）于1992年提出，其主旨基于简单的算法，逐渐把结构中低效材料删除，以“进化”成最优形态，对设计具有很好的指导意义），为整个装置带来更多的结构细节。由此可见，参数化技术不仅仅作为一种造型手段，更多的是开拓设计的理论及思路，从而赋予装置以更多的科学性、合理性，并且为装置后期的施工建造提供便捷。

据此，笔者结合南艺溧水新校区项目，从内部的区位景观条件和空间整体的标准规范尺度出发，全面统筹环境空间各要素，设计一个互动休闲体验的景观装置。由于该校区内部多是以功能性建筑为主，少有趣味性互动交流空间，而绿植多是以大面积草地为主，因此缺乏参与度和活动引导，使得空间整体使用率较低（图3）。基于这一系列问题及挑战，笔者将复杂性极小曲面装置引入大面积无用的绿地空间当中，从而打破人与绿地之间的空间界限，使二者以装置为媒介构架起彼此互动的桥梁，将无用空间转化为校园生活丰富的绿地休闲平台。

二、算法逻辑与应用

（一）基于Kangaroo工具的生成逻辑及形体参数

Kangaroo（袋鼠）是Grasshopper运算平台中一款强大的插件工具包，其特点即为节点可视化数据操作，实时显示模型与参数之间的衍生关系，主要用于人流模拟、动力学运算、雨水路径等动态虚拟场景，并以其强大的引力优化功能为数字化设计带来更多的实质性价值。将其应用于极小曲面为原型的景观装置设计，不仅可以打破线性思维逻辑框架，还能整合创造实用美观的艺术形体，在以下研究中将作具体分析。

依据装置的节点特性，本人构建的参数化生成逻辑由“体形数据处理模块”“面数据处理模块”“优化数据处理模块”“装置生成与切割计算模块”4个子模块构成，功能分别为：确定体形、面域处理、曲面优化以及数字化生成（图4），其中“体形数据处理模块”和“面数据处理模块”用于分析TS工具（T-Spline，可编辑高精度的有机形体及复杂结构）生成的基础曲面，并将其引入Grasshopper运算平台，通过“提取并整合曲面信息”将面数据进行转化;“优化数据处理模块”和“装置生成与切割计算模块”可将输出的面数据通过Kangaroo进行优化，并对光滑曲面施加引力条件，通过调试引擎实现形态转载。装置形态的评价由人工调节其参数，以得出单件计算的可行数据，依据数据提取单元构件并对其编号，用于制作数控切割的放样图纸。“优化数据处理模块”是“模型-优化-生成”逻辑关联的直接表述，可以说是整个运算体系的核心内容。

同时，实现数字化景观装置的设计还需要完成以下3项前期工作，第一项工作，景观装置的优化基于Kangaroo构建其物质形态，这就需要对景观环境空间中的人流、地形、植被、地表径流等进行深入分析;其次，根据设计诉求选取可充分实现人文景观互动的区域位置，并依照区位地形、植被、径流来设计景观装置的长宽比例以及形态结构。第二项工作，建立并总结影响装置形态的参数数据库，其中包含场地地形、体量、形体轮廓线等，具体的数据类型有曲线、实体和点数等，通过Kangaroo优化后的“装置生成与切割计算模块”需要与该数据库相关联，其内部的指度参数指标可作为数字化景观装置形态特征的参变量，可以说是景观装置设计的重要参数（表1）。构建该参数数据库的主要目的，主要是为了解决形式操作的问题，进而了解影响装置形态的数据类型及具体的调节方式。第三项工作，由于Kangaroo插件工具是基于引力数值来实时动态调节模型的数字形态，因此同样需要建立有关于引力范围的参考依据，综合考量弹力、四点共面力和引力的参数值域，以进一步生成有效拆卸并搭建的景观装置。

（二）极小曲面装置的算法编写

笔者依据景观装置的4个子模块进行算法编写与模型构建，针对校区内部的建筑规划与地形特点选取适宜的设计思路。限于篇幅，本文以“曲面优化算法”与“装置构件展平法”两项算法脚本为例来探讨异形装置的生成过程。

首先，由TS生成的极小曲面雏形虽然形体类似，但并不适合于实际的施工建造，通过引力控制模拟进行交互仿真即可具有物理属性，就以上Kangaroo工具的生成逻辑，可将设计流程建立在数字化软硬件平台之上，依据客观条件及多目标诉求，理性构建关联数据，运用其力学算法模拟复杂系统，依靠计算机的运算能力和图形处理能力，辅助生成信息模型。

为了将极小曲面合理纳入区位景观空间，需要对其结构进行深入分析以获得压力流，仅通过函数公式直接生成极小曲面还无法形成流动分布的“代理”。因此，為了获得正确的参数值，需要借助于Kangaroo工具来实现。就多数情况而言，曲面锻造难度之大且耗时耗力，成本也相对较高，这主要原因在于原始曲面没有达到合理的“引力范围”，所以无法有效构建局部和整体的协调关系。通过Kangaroo将极小曲面的“裸点”（NakedVertices）作为形体“锚点”（AnchorPoints），以确保造型不会因为引力过大而变形，再由“弹力”条件（SpringsFromLine）将光滑的极小曲面转化为带有旋转角度的“四边面拼接”，使得每个面在弹力作用下形成对重物的支持力，而弹力数值的范围则控制在“0.300-0.500”之间为宜（图5）。当然，具体优化方式要基于相应的实际情况，也可以在四边面的基础上施加“四角共面力”（Planarize）以及“拉回力”（PullToMesh），将曲面形式优化为“三角面拼接”，这样可进一步节省造价，并降低施工难度系数。此外，基于引力优化后的运算结果还增强了节点支撑的稳定性，进而让极小曲面的双曲率最大化。因此，可有效植入固有刚度，使得景观装置的自支撑结构更加稳固。需要注意的是，由于整个运算过程是建立在网格物件的基础上，所以通过转化运算器生成的结果为多个Mesh组成的线形数据 ，因而需要将每个网格面的边界和脚点进行焊接，以生成单一的数据结构，如图5中的面数据列表为Mesh（V：1080/F：480）。

生成的优化结果证实了笔者应用于“弹力”条件的真实性，整体曲面末端张开，犹如盛开的花蕊一般，并保持原有的内部结构，由一开始光滑连续的曲面转化为平面拼接而成的极小曲面。同时，经过Kangaroo优化后的Mesh Surface相较于之前的Nurbs曲面具备更优良的支撑性能（图6），根据图示可以看出，原先Nurbs曲面的应力支撑基本集中于曲面的边缘部位，内部几乎不做任何分配力的作用，这样会造就因内部支撑力的缺失而形成塌陷，但是经过优化后的曲面逐步将受力条件分布于内部以及各个角点，并且压力流的配比系数也更为均匀，这样可在很大程度上保证装置整体的稳定性。

通过转化面数据、单面数据、节点数据以及弹力数据，不仅可以将单一曲面优化为多面拼接的形式，还能在此基础上提取网格结构线（FaceBoundaries），依据“截断结构线、线段中点、提取脚点”的逻辑来生成边界内部的Nurbs空间线（Interpolate），以曲线所围合的空间生成面（Edge Surface），使之成为富有韵律和层次感的三维立体构成，并将原有的网格结构线作为装置的自支撑构件，从而通过铆钉或者捆绑的方式，将每个连接件衔接至一起，以便于装配和运输，如图7展示了基于引力优化算法后，极小曲面装置的细部生成。

由此可见，基于GH运算平台的Kangaroo工具可以赋予极小曲面装置以更多的现实意义，而且相比于Millipede（函数拟合算法）所生成的极小曲面更易于形体的量化，包括就后期的修改处理也不会因过多的杂面而造成实质性的结构问题。例如，由笔者构建的极小曲面装置主要以“三角面”拼接为主，为了方便后期数控雕刻设备 的识别，在Kangaroo优化的形态基础上，将每个三角面分别展平至XY平面上（即装置构件展平法，借由“Orient”运算器，基于每个三角面的中心点进行定位），并依据顺序对三角面进行编号，这样可以将导入CAD的模型文件依据编号顺序进行排列，使得装置的搭建过程更具科学性，极大地提高了施工建造的效率（图8）。

除了数控切割，还可以数字模型文件为基础，运用3D打印技术快速生形，以此作为景观装置的模型样本。在模型材料的选择上，3D打印通常采用粉末状金属或塑料等黏合材料，综合考量模型的耐久度和稳定性，本人选择成本相对较低的“光敏树脂”作为模型的主材。由于3D打印尚处于发展阶段，对于一些动态的、复杂的、镂空结构较多的模型识别度较低，因此需要将现有形体通过WB插件（形态拟合工具，主要用于柔化网格面）转化为单一连续且封闭的网格物件，以便于3D打印设备的识别，从而保证成品的清晰度和完整性（图9，实体模型图）。

三、材料与功能

综上所述，基于参数化模数平台生成的极小曲面，不仅可以丰富其形态效果，而且便于制造。为了进一步凸显“光影”“流浪”“变化”“轻盈”“生态”等设计主题，旨在将装置打造成一个可以持续变化的彩色空间，据此选择以铝质杆件（或轻钢龙骨）和彩色透明膜为主要材料进行设计，同时重新思考如何为装置配饰一个能够遮阳避雨的薄膜，使得这层彩色膜不仅仅用于装饰，而更多的是充当一种介质，能够在庭院或任何景观的公共空间内，令使用者与周边环境产生联系。为此，本人经过调研选择二向色性的乙烯基薄膜这一全新的复合材料，该材质的光学性质使其能够在抵挡雨水和阳光的同时，产生多种多样的色彩效果。除此之外，该薄膜还能过滤掉97%的紫外线，尤其适合放置在夏天，使得置于其内部的观者可以充分感受不同光照强度下所带来的光影效果，营造一个集娱乐、交流、休憩、观赏等多种活动于一体的户外休闲空间（表2）。

确定好装置的材料后，通过“装置生成与切割计算模块”可将装置分为网格结构线（铝质杆件）和三角面（彩色膜），同时对优化后的装置形态进行实时评价与反馈，如果不符合标准可通过Kangaroo进一步优化处理，如此反复迭代得到切实可行的设计方案（图10）。另外，由于参数化设计结果本身的特点，传统的建筑材料的使用虽然受到了一定的限制，但是新材料的应用同样从质感、光感、颜色上给使用者带来截然不同的感受，并且这种体验感是最为直接、最为明显的。因此，不论就景观还是建筑设计师而言，在设计过程中的体验也是跟传统设计完全不同的，正是经历参数调试的过程，才真正感受到参数化所带来的乐趣。

结语

景观装置的参数化设计在解读其形态结构的基础上，借助于插件工具包科学实现其形体优化，并在设计的过程中实时动态调节，进而达到装置形态的微观调控与工程量的細化控制，以Grasshopper为平台的插件工具包“Kangaroo”更是为其提供了快捷而有效的辅助优化功能，对于结构构件层面的形体量化都将大有可为，使得异形曲面建造成为可能，并兼顾美观、科学、经济、实用、功能等实质性要素，可综合运用于建筑、室内乃至于产品设计领域。由此可见，实现一套行之有效的运算逻辑对于景观装置设计具有重要意义和价值，但就数字化景观的空间性、社会性及准确性，仍需多种学科跨界融合、协同创新，以实现更为普适流行的景观空间装置。