迈向生产力之道：建筑设计施工中的衍生式设计

随着建筑设计、工程和施工领域进入衍生式设计时代，设计师和建造师不仅可以利用计算机来描述建筑物，还可以共同创造建筑物。

在有GPS导航技术之前，人们开车迷路时只能放下身段，停车问路。借助谷歌地图或Waze导航系统的固有智能，人们可以全心全力专心开车，把计算最佳路线这等事交给机器。

同样的，计算机可以协助设计施工流程的导航，让建筑师、工程师和承包商得以专注于打造成功项目和伟大建筑物。

数字化与计算化之别

这种人机协作意味着什么呢？首先，让我们看一下数字化与计算化之间的区别。时下很多东西都数字化了。光是打开或关掉家中智能灯开关，那叫数字化。但用程序控制灯的开关，使其因您的手机在家里而感应到您在家进而开灯，或当您在外远处时关灯，那就叫计算化。

对于数字化与计算化之间的比较，建筑师兼美国普林斯顿大学建筑学院前院长Stan Allen曾解释道：“数字化是一种存在状态，是一种状况，计算化关乎的则是活动的进程。”

时下，建筑设计业和建筑施工业都在积极地从数字化转型到计算化：（用CAD等工具或数码照片）“创建数据”的做法正在隐去，取而代之的是“利用数据”，即利用计算机生成、操纵和应用数据来改善结果。

数十年来，无论是CAD图纸还是电子表格，人们一直在使用数字文件。随着脚本在CAD软件中和宏命令在电子表格中的应用，人们可以用完全不同的方式去访问和操纵，甚至是创建建筑设计、工程和施工（AEC）信息。这就是Allen所说的计算化活动的进程。

全新形状因脚本而生

近20年前，当时的建筑师开始运用一种称为脚本（又称为编程）的方法，用不同的方式操纵计算机所创建的几何模型，新一代建筑设计施工就此诞生。计算机终结了“直角”独霸的格局，全新的形状和曲线不再是一纸构想，而是可以在建造过程中实现的。

当时的脚本驱动了欧特克AutoCAD、犀牛等早期的主要程序，也使像扎哈·哈迪德建筑事务所设计的阿塞拜疆共和国阿利耶夫文化中心这样复杂而雄心勃勃的设计成真。然而，当今的脚本算法更为复杂，可以控制的数字建筑工具范围更广，从而产生了新的策略：衍生式设计和施工建设。

但比提升建筑师和建造师创造能力的脚本技术更为重要的，是设计施工流程之间的关键联系，而这正是衍生式设计工具可以提供的。

举例来说，美国爱荷华大学Voxman音乐学院新音乐厅的吊顶由西雅图LMN建筑事务所设计，该吊顶不仅是个建筑特色，还需要无缝地反射音响并分散光和空气。设计师团队使用一系列衍生式设计脚本，先做出原型，再创建可满足需求的独特建筑特色，然后使用同样的脚本向建造师精确地描述几何尺寸以及制造安装吊顶的施工顺序。

之后，建造师便把LMN衍生式设计算法计算出的数字信息直接输送到制造车间，以计算机控制的精准性，确保严格地按照建筑师的设计规范生产全套系统。

如此壮观的吸音板吊顶，原本无法运用传统方法构思或建造。衍生式设计方法不仅协助创建设计，还协助建造构筑物。

衍生式设计在工地的应用

衍生式设计方法不光是在设计工作室内管用。Dieter Vermeulen领导的“起重机位置优化”（Crane Position Optimization）研究项目采用了欧特克的Project Fractal（现名为Project Refinery），让建造师可以选择将预制板装配成建筑物的最佳模拟策略。

其算法对运送面板到工地的货车以及将面板吊放到位的起重机的各种位置进行试验，根据建筑物的设计、面板的重量、设备的容量、道路等接入点的位置，找出最有效的流程。这过程兴许较为复杂，但也意味着早在开始施工前就可以计算出具体的工序。

重点有二，首先，建造师一旦创建装配流程的衍生式设计脚本，即已把自己关于个别混凝土建筑物最佳装配流程的专长知识记录在案，该信息可供项目团队任何成员重复使用

其二，像如何使用起重机吊放面板、如何使用货车运送面板这样的重要决策，与其光靠个人专长知识和判断，施工团队倒不如对各种情境进行试验以优化施工流程，更何况每次试验（借助建筑物的数字化表示、衍生式设计过程的计算）基本上是免费的。

确切地说，施工团队可以尝试数以百计的选项，从而找出最佳方法。实际上，衍生式设计算法可以运行模拟操作并进行计量分析，进而根据衍生式设计脚本本身设置的参数找出最佳解决方案。计算化模拟已不再仅限于设计工作室内，现已蔓延到建筑施工领域。

施工计算知识库

然而，同样重要的是，脚本内嵌的施工知识可能会在设计定案之前，由创造项目中的建造师送返设计工作室内的设计师。在该案例中，预制混凝土结构的选择对项目的施工成本、进度和物流具有重要意义，这些都是建筑师在构思建筑设计时可能无法预见的。设想一下，如果原始设计图不仅能体现预制结构的选择，还能体现最佳建造方式，效率将会是如何？

未来的建造师将与设计师协作，向设计师提供可应用于解决一系列施工挑战的施工脚本库，让设计师进行试验，了解用数字化物体施工而非在工地上以最高成本全规模进行建造的可行性。

预制板等数字化物体将配有计算化指示，不仅说明物体的尺寸、重量和连接点，还说明其与安装过程（起重机、货车、工人等）的互动方法及其连接、绝缘和装入建筑物的最佳方式。随着时间的推移，便可以创建、储存、访问和改进施工知识，使整个AEC过程更加流畅、整合、高效。

长期以来，生产力挑战、设计师和建造师之间争论，以及心怀不满的客户提起诉讼，均在建筑施工业司空见惯。衍生式设计方法可以针对这些问题对症下药，允许项目团队利用计算化共享专长知识、寻求更好的答案，并改善结果。Stan Allen应该也会同意，尽管当今大多数项目采用数字化模式，但计算化提供的是建造更好建筑物的真正机遇。

Phil Bernstein是美国耶鲁大学建筑学院副院长兼资深讲师，同时也是欧特克院士。他的新书《Architecture – Design – Data: Practice Competency in the Era of Computation》于2018年10月份由Birkhauser Architecture出版。