理论研究 ｜ 王鹤锦：浅析参数化在城市设计中的研究与应用
导读
在科技发展的推动下，数字技术已迅速渗透到了人们的日常生活中，极力改变着我们的生活及工作方式。而在城市设计等相关领域，我们也从最早的手绘图纸进入到了电脑绘制时期。如今，电脑绘制也随着科技的创新发展进行了一轮又一轮更新迭代，逐步迈进了由数字技术引导设计的阶段。在城市设计领域，如何用参数算法来辅助设计或者通过参数算法进行设计，则是这次技术革新关注的重点之一。本文将从参数化设计的本质逻辑和应用进行阶段性的探讨与分析，并尝试从复杂的技术中寻找到参数化与城市设计更好的结合方式，从而为城市设计注入一个全新的思路。
本文字数：6336字
阅读时间：20分钟
作者 | 王鹤锦
上海同济城市规划设计研究院有限公司
参数化设计，城市设计，设计逻辑，创新思维，方法论
01
参数化设计起源与定义
参数化设计（parametric design）最早出现是对参数化思维逻辑和理念的应用，结合参数和算法丰富并严谨设计逻辑，提高设计效率。在计算机出现之前，参数化设计的实践最早出现于高迪使用悬链模型结合荷载计算为拱顶找形的做法，背后蕴含的即是严整的理性逻辑[2]。后可追溯至法国后现代哲学家吉尔·德尔兹（Gilles Deleuze）的“生成”思想和当代复杂性科学理论?[3]。
如今，随着科技的发展，参数化设计一般是指使用特定的参数化软件在设计过程中根据设计构思利用参数和算法对方案进行调整和优化，进而通过相对理性的方式生成最终方案。这种方式更加客观理性也更有效率，既突破了各学科之间的壁垒，结果多样化又具有操作的可控性[5]。设计过程加入了参数算法，通过各种代码的结合与尝试，最终的生成结果是最优化的整合。其运用本质是把设计中所涉及到的要素进行量化计算，即设计是由一个或几个变量因素控制的。该理念及逻辑在服装设计，航空制造，工业制造，建筑设计等相关领域已经得到了广泛应用[3]。但由于参数化最早在建筑设计中的应用所体现出来的形态，导致诸多设计师对参数化的认知依旧停留在夸张的建筑形态上，但事实上两者并不足以直接划等号[4]。2008年，派特里克·舒马赫（Patrick Schumacher）正式提出的“参数化主义”概念就直接说明，参数化是一种逻辑清晰，参数关联，核心为“参数-规则”的逻辑性产物，这一观点也和法国后现代哲学家吉尔·德尔兹（Gilles Deleuze）的“生成”思想非常相似。因此，参数化的本质是一种思考方式的转变，如何从过去的设计固有思路中抽离出来，对当代城市设计师来说是一项严峻的挑战[3]。
02
参数化对城市设计的引导和影响
充分理解参数化设计思维逻辑是运用软件之前至关重要的一步。其理念已经在建筑设计相关领域得到了广泛的推广和应用，而运用到城市设计中则源自于对现代主义城市结构的思考。派特里克·舒马赫（Patrick Schumacher）在研究和教学中提出了参数化城市主义的概念，认为城市体量能够表述为大量建筑的一种集群状态，形成的是一个连续变化的区域[14]。而在一个复杂多样的但又有规则可循的差异性区域范围内，城市可以从导向性参数的变量因素的变迁中获得，如建筑高度和容积率等。
但某种程度上来说，我们在使用参数化的时候，过于把参数化的运用过程和技术方式放大化处理，希望其可以引导并影响整个设计结果。在过去的案例中，建筑和景观设计的成果很多时候可以选择更多的依赖于参数化的结果，但城市设计是一个过于复杂多元的体系[5]。相比建筑和景观中众多显而易见的变量因素，城市则是经济、社会、政治和文化在空间上的投影，是人类高密度聚集并持续演进的聚居地，是由一些持续不断的变量因素所组成[6]。城市的空间形态是城市所承载的人类与城市构成要素共同作用及共同演进的结果[7]。换句话说，城市不是简单地由建筑、道路、场地等要素聚合而成的空间载体，而是一个具有多样生态系统的有机生命体[13]。其承载更多的是规则无法量化的变量因子，例如政府政策和市场经济指标，而这些因子又恰恰很大程度上直接影响着设计方案的走向。因此，参数化在城市设计中的应用需循序渐进、化繁为简，从项目中的某一个逻辑点去寻找突破口。
据研究分析表明，参数化城市设计并不是一个全新兴起的概念，在我们过去的方案设计过程中也一直实践应用了一些参数化分析。比如城市设计中ArcGIS的地形，水文以及风向分析等；但由于分析成果的平面化，很难和空间三维载体形成一个很好的关联，有时受设计师的主观经验判断，并没有把参数化的本质逻辑和实践技术真正与方案形成良好的互动和应用[8]。参数化的使用方式一直被设计师们研究并尝试在城市设计领域推广及落地，但至今都未能得到广泛的应用。如何能让参数化和城市设计找到一个很融洽的接口也是历年来各大研究机构和设计事务所致力于突破的关键。
笔者也一直希望通过一些实操的案例分析，研究参数化是如何从单一点出发对项目进行引导分析，进而使参数化思维快速高效的与现有的城市设计理论相结合。也许在应用过程中，参数化思维可以先一步被推广应用，结合成熟的设计经验，更有针对性的对不同的项目进行创新技术的应用。
03
参数化城市设计的实际应用案例
近年来，参数化设计已经引起了全球建筑设计相关领域的广泛关注，成为了建筑设计相关领域中创新前沿的代名词。全球众多设计事务所和大学以及科研机构，如英国AA（Architectural Association School of Architecture）建筑学院，DRL(Design Research Lab)研究院, 哈佛大学设计研究生院（Harvard University Graduate School of Design），扎哈哈迪德建筑事务所（Zaha Hadid Architects）等均为参数化设计在建筑和城市设计领域中的理论研究与实践应用上起着推动性作用[1]。
图1
来源：https://www.zaha-hadid.com/
但全球参数化城市设计案例少之又少，扎哈建筑事务所的竞赛获奖项目——卡尔塔尔一彭迪克总体规划(图1)是难得的颇有知名度与影响力的应用项目。该项目位于伊斯坦布尔东岸一个废弃的工业区，其重点在于赋活该地段并将其发展成为新的城市区域中心，进而疏解老城的职能，缓解老城压力；项目本身包含中央商务区、高档住宅开发区、文化设施音乐厅、博物馆、剧院等以及休闲功能区（含一个码头和游客旅馆）[4]。且地段位于多条重要交通线路的交汇处，其中包括连接伊斯坦布尔和欧亚两大洲的主要高速公路、沿海高速路、海上巴士终点站以及连接整个大都市区域的轻型和重型铁路[4]。该项目存在两个需要重点解决的现状问题：交通梳理与功能重塑。而在该项目中，团队采用了羊毛算法的模型（图2）模拟区道路系统进行了优化和整理。早在1988年，著名建筑师弗雷奥托就进行了“羊毛实验”：将松弛交错的羊毛浸入水中并缓慢取出，可以得到给定点的最短路径[12]。羊毛的静电吸引形成的最短路径辅助形成了一套全新的道路体系，扎哈团队在2006年使用maya 的毛发动力学模拟[1]（图3）。根据这套逻辑运用在grasshopper出现了以下算法推导过程：
图2
来源：[12] A New Global Style for Architecture and Urban Design
图3
来源：https://www.zaha-hadid.com/
a) 使用的模型中作为分析的起始点是东西两侧的顶点(可以是OD为导向的点:如车站码头)；
b) 使用顶点作为基地东西两侧的固定出发点形成了相互交织的最原始的多段线；
c) 对交叉的端点处增加相互吸引力，并给每条线施加弹力让它们无法真的蜷缩成一团；
d) 再给每个同一条线上的两两相邻的子线段一个阻止弯曲的力（夹角角度为0）使其寻找最近的吸引线段并进行结合；
e) 最后调节参数，得到对比之后最需要的结果。
卡尔塔尔一彭迪克总体规划采用的参数化逻辑生成了平行二级横向的路网体系，加强交通连接的同时也使基地的内部交通更加便捷和有效。最后采用三维泰森多边形技术生成地块形态，进而影响了场地区域，建筑形态以及内部细节。相较于最终结果的呈现，参数化的魅力更容易在设计过程中被发现并发挥更多可能性。
04
参数化引导城市设计的研究与分析
在研究参数化城市设计的过程中，笔者曾在墨尔本大学MSD设计学院参与的相关课题研究也带来了大量的启发（课题导师曾在AA学习并先后在AA和哈佛的GSD任教）。本文选取的案例虽未落地但设计过程中参数化的应用逻辑和相关技术仍有值得探讨与研究的价值，并希望借此对现有城市设计领域带来了创新灵感。
4.1 根据路网密度和连接度以及关键节点可达性分析优化现有路网
该项目基地位于距离墨尔本市中心2公里处的工业区，约2平方公里。随着城市中心不断发展，人口的持续增长导致用地，设施，住房紧张，因此政府希望迁出工业区并改造成新的住宅区，注入城市生活功能，进而缓解城市中心区的压力。这是笔者参与研究的第一个参数化城市设计的项目，也是第一次用参数化思维去整理设计过程。该项目引入了参数化设计的理念，思考模式和软件技术，没有复杂的曲线造型和夸张扭曲的形态，其目的是让、希望参数化能更加自然地融入进城市设计中。
4.1.1 第一步首先对基地整体路网进行初步优化。因为区域功能的转变（工业——居住），需要缩小街区尺度，增加街区道路，接着进行路网密度对比测试，得出较为改善的路网密度(图4)。
图4. 路网调整前后密度对比测试
来源：笔者自绘
4.1.2 第二步利用活力触媒进行路网局部优化。根据现状活力触媒点和调整后的路网，计算出的触媒点的活力度和相应的道路可达性，并在道路可达性较高但缺乏活力触媒的沿线增设新的活力触媒点（图5）。
图5活力触媒增加分析
来源：笔者自绘
4.1.3第三步完善新增后的活力触媒点周围的道路连接度，并进行前后对比，得出最终方案（图6）。
图6.活力触媒点周围街道连接度优化对比
来源：笔者自绘
4.1.4第四步测试完善之后的最终路网，并结合现状确定道路等级，用地性质和建筑高度（图7）。
图7.根据触媒点和路网使用频率影响设计
来源：笔者自绘
在这个过程中，加入了大量的参数化分析，虽然过程中有些的参数化分析基本和我们规划现有的ARCGIS和空间句法分析有众多相似之处，但这一系列GRASSHOPPER参数分析在本质上是为下一步的设计生成逻辑奠定基础，从而形成一套良好的参数化设计思维闭环。在设计中，建筑高度除去现状必须保留的建筑之外，其余的建筑可以按照空置地块来处理；因此，方案中的建筑是根据参数化分析生成的路网等级以及最终确定的功能节点来决定用地。建筑高度会根据当地的规划法和周围建筑来决定高度控制阈值（如100≥H≥24），但具体高度依旧是根据路网等级和功能节点决定，也就是说删掉任一道路或移动任一功能节点都会形成不同高度的方案，从而影响地块的容积率变化。此方法可以使设计师在设计过程中进行方案比选。
4.2 根据开敞空间的最大日照时长影响建筑形态
该项目是笔者进行的关于小尺度街区升级改造的一项课题研究，尝试在设计过程中加入了参数化的分析（图8），引导整体设计思路和后期建筑形态的生成。
小尺度街区近年来一直是国内外讨论的热门话题，因此一直蝉联全球最宜居城市前三名的城市——“澳大利亚墨尔本”也是小尺度街区课题中的热门讨论案例。但根据墨尔本市中心的道路使用情况和周边服务设施的分析，依旧存在许多城市发展中的遗留问题。市中心建筑由于历史发展的缘故形成了许多街区内狭窄的巷弄；配套较好的巷弄充满活力，两侧分布着各式各样的咖啡馆和餐厅；但相比之下有一些却十分冷清，堆满了垃圾箱等杂物。这些废弃的巷弄在城市中心区是非常宝贵的公共空间。经研究探讨，利用率低的巷弄可以被用于解决市中心部分服务设施的短缺，比如小型儿童游乐场，室外图书馆等来优化该区域的功能。设计过程中，根据维多利亚州的规划法（VICTORIAN PLANNING SCHEME），公共空间的使用需要足够的光照，因此在引入功能之前需要先考虑建筑形态的影响。而这项研究可以实践于改造尺度较大或者新建的区域，作为设计方法论植入项目。参数化在逻辑链中起到了全程贯穿设计的引导作用，是寻找小尺度城市设计改造与参数化设计接口的一种尝试。
图8.GRASSHOPPER软件分析过程
来源：笔者自绘
4.2.1首先，设计选取了墨尔本CBD固有的小街区尺度200m*100m，加入街区间的巷弄（LANEWAYS）的类型学分析，提取出四种类别的巷弄类型（图9）。并放进200m*100m街区 (图10)中进行排列组合。
图9.巷弄类型
来源：笔者自绘
4.2.2 其次，需要采样分析墨尔本的街区朝向用于基础分析（图10），得出了三种基本朝向：分别为墨尔本CBD区域的Hoddle Grid的街区朝向，和两种中心区域之外的垂直与水平朝向的街区朝向（注：街区朝向是可以根据任一城市的任意朝向进行更改。因为即使是同一气象信息，也会因为街区朝向不同，光照形状与街区产生的互动反馈发生相应的变化）。
4.2.3 第三，要从气象网站下载EPW的文件置入GRASSHOPPER电池组用来做日照分析（图8），对照维州对公共空间的日照标准，根据参数变量分析规定日的最短日照时可以得出光束的形状来如切割街区体块；街区根据分析需要被赋予100m的建筑高度便于体块切割(图10)。
图10. 容积率采样分析
来源：笔者自绘
4.2.4 第四，用切割得到的体块去做建筑形态的变形和设计（图11）。由于是旧城改造的项目，根据维州规划法规定新建新改建筑需要和周围建筑风貌保持一致。因此在建筑形态的设计上采取了相对保守的设计，目的是为了保证街区内弄堂作为开敞空间的日照时长的同时能和弄堂内的活动有一个良好的互动关系。
图11.根据容积率采样分析选取样本街区进行初期形态设计
来源：笔者自绘
备注：6月22日9时-15时间 三小时日照时间
9月22日9时-15时间 五小时日照时间
4.2.5 最后则是用墨尔本CBD区域的街区朝向来做下一步的设计研究。得出了四类街区弄堂的设计改造建议方案初版（图11）,继而进行深化（图12）。
图12.方案深化过程
来源：笔者自绘
不难看出，整个设计过程只有第三步是真正加入软件RHINO和GRASSHOPPER进行参数化设计，但正是这一步的加入使得整个设计过程的逻辑改变了原始的仅仅分析街区和弄堂类型然后进行“自上至下”的分析过程，而是使得设计更接地气也更加的实际的兑现了人民城市为人民的口号。整个设计并没有生硬的加入普遍的参数化设计夸张造型，也没有让参数化直接决定整个设计结果，但参数的调整却跟最终方案生成息息相关。当然，因为是学生时期产物，设计方案略显稚嫩，存在很多问题和需要优化改善的地方，但却是迈向参数化城市设计思维重要的一步。
上述的项目分别的从城市设计过程的不同阶段体现了参数化城市设计的逻辑和方法。因为在不同尺度和需求下，我们所需要解决的问题是不同的，参数化应用的方法也随之不同。而参数化设计的核心则除了其缜密的逻辑链之外，则是研究变量因子之间的联系，这个重要特征也给不同类型的问题提供了更多方案的可能性。
05
结 语
目前对于设计师来说最有挑战性的并不是技术的创新而是项目设计初期如何从思考方式上进行转变，在改革的过程中循序渐进。无论是RHINO还是参数化工具首选的GRASSHOPPER，都不是代表全新的设计方向；而是相比于传统设计思维和手段，这次技术的改变引领了设计方法论的革新，并越来越广泛的应用在了城市设计的各个方面，不同于建筑设计，参数化城市设计不以建造出夸张优美的建筑形态为目标，而是尽可能在设计思路上更加追求设计的合理化。因此参数化算法的叠加，变量后得出的多样的可对比的设计结果加入设计过程，可以使得整个设计又或者是设计中的某个方面变得更加符合逻辑。而这才是参数化真正走入城市设计领域的第一步。
注释及参考文献（上滑查看全部）
【注释】
[1] Rhino是建模软件，参数化分析需结合Grasshopper
[2] Grasshopper是Rhino中的一款参数化分析插件，也是参数化设计中使用频率较高的软件
[3] VICTORIAN PLANNING SCHEME是墨尔本所在的维多利亚州使用的规划法
[4] Hoddle grid是墨尔本市中心路网名称，200m*100m是墨尔本CBD的街区尺度
[5] Laneways是街区内的巷弄统称，4种类型分别为断头路型、L型、U型和穿越型。
[6] 4.1主要使用的是Grasshopper里的插件Heatmap, The Shortest Walk以及Dog进行分析
[7] 4.2主要使用的是Grasshopper里的插件ladybug进行日照分析
【参考文献】
[1] 燕海南. 简析参数化城市设计的理论与实践[J]. 福建质量管理, 2018, 000(014):277-278.
[2] 杜鹏，宋晓宇.从德勒兹的哲学思想透视参数化城市主义［C］ ／／全国建筑与规划研究生年会.2010
[3] 刘璟. 参数化设计中的生成逻辑研究[C]// 第二届DADA数字建筑国际学术会议. 0.
[4] 刘颖慧, 李路平. 参数化城市设计初探[J]. 西部人居环境学刊, 2013, 000(004):66-71.
[5] 蒋钊源, 蒋烨. 浅析参数化城市设计[J]. 建设科技, 2013.
[6] 孟宪伟, 张馨月. 参数化城市设计研究分析[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2012(21).
[7] 徐丰.参数化城市主义———一个理解城市的新的角度 ［J］.城市建筑， 2010 （6）：47 -50.
[8] 宋嘉. 浅析参数化工具在城市规划和设计中的应用[C]// 中国城市规划学会;同济大学;金经昌城市规划教育基金, 2014.
[9] 张鹏宇, 徐卫国, Zhang,等. 参数化城市设计——2020年东京奥运会城市花园[J]. 城市建筑, 2017, 04(No.237):16-20.
[10] 孙凌波. 卡尔塔尔-彭迪克总体规划,伊斯坦布尔,土耳其[J]. 世界建筑, 2010, 000(007):112-115.
[11] 张为平.参数化设计研究与实践 ［J］.城市建筑， 2009（11）：112 -117
[12] Schumacher P . Parametricism: A New Global Style for Architecture and Urban Design[J]. Architectural Design, 2010, 79(4):14-23.
[13] 黄蔚欣, 徐卫国. 基于参数化设计方法的城市形态生成[J]. 新建筑, 2012, 000(001):10-15.
[14] 崔璇. 基于"SMART"参数化方法的北京CBD空间形态分析与设计研究[D]. 北京工业大学.
*本文为2021中国城市规划年会论文。
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