資訊處理體=電腦運算性設計下的數位造形

Information Processor = Digital Form with Computational Means

博士論文第三章的“濃縮”中文版本 Compressed and Chinese version of my Ph.D. dissertation’s Chapter.3

原全文連結＿始於第81頁

“給我一把槍，我可以讓建築物動起來”

— Bruno Latour, Albena Yaneva

摘要 Abstract

造形（FORM）作為建築設計領域中重要的議題，在電腦介入建築設計後，更賦予這個與空間息息相關概念更多新的定義。在電腦運算性設計與建築設計結合的新脈絡之下，「造形」被詮釋為體現資訊處理後的運算體系。依電腦運算性設計於建築設計的運用，分成了「造形雕塑者（Form Sculptor）」、「造形生成者（Form Generator）」、「造形運動者（Form Animator）」與「造形互動者（Form Interactor）」四個類別。「造形雕塑者」意指造形體現了運用現有的三維軟體進行直觀性的美感操作；「造形生成者」則指涉造形體現採用電腦運算與演算法成形的方法；「造形運動者」則探究造形如何經環境影響被動演化生成最適造形；「造形互動者」則將造形定義如生物體般，能時時與變動環境進行地主動調適。

關鍵詞：造形，電腦運算性設計，數位造形，電腦，數位建築，互動，演算法，生成。

1. 概論

當今建築設計的領域中，電腦技術除了在輔助設計的比例大幅增加外，更由原先被動輔佐設計的配角轉而為主動生成設計的主角，讓年輕建築師有能力實驗並執行相較以往更為複雜幾何造形的建築空間。在電腦如此強大運算工具出現之前，建築師即各有各將「資訊」轉化為設計獨到的方法。而在電腦介入設計之後，隨著建築師對資訊處理的手法不同，決定了其將應用何種電腦運算性設計結合於建築設計上。造形作為操作設計的最終成果，可視為建築師應用電腦運算性設計結合建築設計的體現，而為「資訊處理體」。

屏除早期僅利用電腦作為儲存設計資訊與呈現成果的階段，「設計是生成造形資訊的運算，以做為製造與建造基準的產物」，威廉·米謝爾(William Mitchell)精確地描述了初期電腦輔助設計的狀態 (Mitchell, 1990)[1]。然而，此時此處的資訊多是在設計已大部分決定之後所擷取出來僅為生產建造的元素。經過多年建築電腦運算性設計發展與演變，電腦運算性設計已成功地轉化為「資訊處理體」而非「資訊複製體」。簡單來說，電腦已主動參與設計過程，而非僅僅做為後製的再現工具。在「演算造形(Algorithm Form)」 (Terzidis, 2006)[2] 一書中，宼斯塔斯·特吉地斯(Kostas Terzidis)針對 「計算機化(computerization)」以及 「計算(computation)」做了精準的區別。 「當今使用電腦於建築設計的模式是 『計算機化(computerizatin)』的，設計的結果早已在設計師腦中概念化，而僅運用電腦將其想法輸入並儲存於電腦系統中。相對的， 『計算(computation or computing)』，做為以電腦為基礎的設計工具(computer-based design tool)，是普遍來說少數的。主要的原因在於設計師並不懂得(會)利用電腦的計算性能力」。這簡潔的引述不僅揭露了現今設計「計算機化」的問題，同時也引導建築設計應當應用電腦不僅只於設計的再現，而著重於透過電腦的運算能力，如何趨向一個更為有效率建築體的轉捩點。

「造形(Form)」不論遵循何設計教條與主義，皆在建築設計中扮演最複雜且爭議性的角色，電腦運算性設計的加入更擴增其討論的空間。接著將會依數位建築設計中各種不同處理資訊策略所相應的電腦運算性設計方法，分類為：「造形雕塑者（Form Sculptor）」，「造形生成者（Form Generator）」，「造形運動者（Form Animator）」与「造形互動者（Form Interactor）」而加以討論。

圖 1. 1941年一月美國紐約州水牛城布加爾高中的飛機放樣課程。 (圖片來源：http://cornelljournalofarchitecture.cornell.edu/read.html?id=74).

2.1 造形雕塑者(Form Sculptor)

= 直覺式地使用現存三維軟體作為探索設計目的與想法的工具

造形雕塑者(Form Sculptor)被定義為透過現存三維軟體直覺性探索建築設計的方法。這方法聽起來雖不新穎，但實際上也僅執行不過20年左右。速寫本(Sketchpad)^[1])(圖2)，在1959年，由當時於林肯實驗室(Lincoln Laboratory)的博士生，伊恩·蘇實蘭地(Ivan Sutherland)利用TX-2電腦所研發出的第一套CAD(Computer Aided Design)系統，約比IBM發布第一台個人電腦要早20年左右 (Weisberg, 2008)[3]。伊恩對於速寫本(Sketchpad)應用於設計過程中的初始想法，清楚地寫在他的博士論文中： 「在速寫本中建構一張圖像是設計過程的一個模式」 (Sutherland, 1963)[4]，意味著設計與建構圖像應是一體兩面的。然而，爾後在建築設計中應用電腦科技的主流發展，卻為因應市場需求而朝向僅為設計師生產其最終視覺效果的影像處理方向邁進，落入了 「計算機化」 的窠臼。而這樣透過電腦追求視覺化效果而稱為數位建模(digital modeling)的建築設計方式，其中全然無絲毫設計意圖，竟讓大眾認知並稱之為數位建築(Digital Architecture)，實為一片面的誤解。

圖 2. 在公眾電視節目上介紹並演示如何使用速寫本(Sketchpad) (影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=USyoT_Ha_bA).

1) 請於此觀看關於速寫本(Sketchpad)的相關影片: https://www.youtube.com/watch?v=USyoT_Ha_bA and https://www.youtube.com/watch?v=BKM3CmRqK2o.

三維軟體也非一如現今從初始既已完備各項建模技術，實則從1950年代歷經了數十年在電腦技術的發展，才具備模擬早年需用工藝技術製成的非線性或曲線性幾何造形等複雜度高的建構功能。例如，1972年彼得·貝茲(Peter Beizier)與雷諾汽車合作研發出以其命名的「貝茲曲線(Beizier)」。而時至1986年，AutoCAD軟體才首度發布了個人電腦的版本 (Weisberg, 2008)[3]。另外使用者介面(User Interface)研發的躍進，使建築設計師不需具備繁複的編程能力，亦可自由地建構複雜的幾何造形。「造形雕塑者」不斷地透過所選定的三維軟體內具備的縮放、扭轉、位移對諸如B-Rep、NURBS、或拓譜學等三維幾何量體，在不考量材料與現實力學的限制下，進行虛擬的塑形動作，探索空間幾何的可能性，加上設計師分析涵構跟提取與設計相關的資料進行創作，真確地定義透過操作三維軟體進行的設計過程。近期如任教於南加州建築學院（Sci-Arc）的加州建築師，赫南·迪也茲·阿羅佐（Hernan Diaz Alonso），其所謂的極限建築（exuberance）借助電影動畫形態和3D渲染的電腦運算性設計，展現了建築空間多樣複雜幾何型態的可能性（圖3），可為一代表性人物。這樣的創作過程，無疑將提升設計師的創意面，並且足夠挑戰對於建築空間與功能的傳統定義 (Carpo, 2012)[5]。但是建築設計師透過三維軟體得到了巨大的創意與啟發，同時也顯露其對三維軟體的依賴性，而限制了設計師無法跳脫三維軟體外的其他塑形想法。另一個缺憾，即是大部分三維軟體，仍以線性操作為主，將同時造成設計師在設計過程中偏向線性操作而捨棄電腦運算性設計原具有的多向性運算能力。再者，「造形雕塑者」非常容易落入設計者個人的審美角度。為擺脫此限制，部分建築設計師因而從「造形雕塑者」逃逸為「造形生成者(Form Generator)」。

圖 3. 赫南· 迪也茲· 阿羅佐(Hernan Diaz Alonso) 於2008年為西班牙聖賽巴斯提安(san sebasastina)新媒體藝術博物館所提之設計案(tabakalera) 。 ( 圖片來源：http://xefirotarch.com/2016/tabakalera).

2.2 造形生成者(Form Generator)

= 在建築設計中確切地運用電腦能力而發展出可輸入多樣不同參數的演算法以生成具性能的造形 (Performative Form)

「演算法」無疑是一個資訊處理器，在現今三維設計領域中，更是不可或缺而做為尋找造形(Form-finding)的方法之一。但在進入電腦運算性設計所謂的演算法前，可試圖從另一個角度去理解複雜幾何形早年是如何透過機械工具畫出的。換句話說，演算法此處將先被詮釋為透過(輔助)機械工具繪畫複雜幾何的方式。阿爾布雷希特·丟勒(Albrecht Durer)，文藝復興油畫家，在當時即運用所發明各種機械工具繪製手繪無法達成的精準弧線，隱約具備參數化設計想法而化成各種繪圖機器，而這些器具所呈現的繪圖過程與方法，與電腦繪圖背後的編程邏輯相差無幾。簡單以圓規為例，它可以被定義為以其有針的腳，將另一支有筆的腳拉出特定距離做為半徑，然後以固定的針腳做為中心，順勢使筆腳劃出軌跡，繪製出完美的圓形。從計算性編程概念來看，此畫圓過程可輕易地轉換為所謂的「演算法」，並且在電腦螢幕上同樣畫出完美的圓形。甚至可以推測，也因這些繪圖工具的發明，使得電腦繪圖演算法有依據去試想如何透過電腦運算性設計執行繪製幾何形體。

圖4. 阿爾布雷希特·丟勒於15世紀發明的透視繪圖機器 (source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Duerer_Underweysung_der_Messung_fig_001_page_181.jpg )

在「量測工具Underweysung der Messung (Instrument in Measurement)」一書中，計載著阿爾布雷希特所發明的各種曲度的繪圖機器，例如蝸牛弧狀、漩渦弧線、蛇行弧線等 (Dürer, Albrecht & Formschneider, H. Andreas (Nürnberg), 1525) [6]，都可將其視為繪製現今三維軟體內電腦圖像如B-Spline，B-Rep，或NURBS的祖先。阿爾布雷希特甚至發明將視覺所看到三維物件投射而能繪製在二維紙張上的道具(圖4)。如果阿爾布雷希特的繪圖工具可以被詮釋為圖像生成機器，在造形生成者(Form Generator) 類別內，「演算法」也可被視為參數生成造形機器，加上如今的電腦運算能力，將更具潛力探索複雜的造形生成方法。

這種根據不同參數輸入而反饋不同生成結果的設計方法，可回應馬爾科·姆麥卡洛(Malcom McCullough)的「20年來的編程空間(20 Years of Scripted Space)」 (McCullough, 2006) [7]文章內對編程步驟的觀察：「首先，你必須先設定幾個關於生成空間的規則，然後試圖模擬經由規則生成的結果看是否符合需求，再回去再調整規則」。在視覺參數化插件工具大量進入三維軟體輔助幾何圖形的生成後(如Grasshopper之於Rhinoceros) (圖5)，基本上馬爾科所敘述的，即為當前主流新世代數位化建築設計師運用演算法參數生成造形的方法。造形生成者更將觸手伸及自然界生物生成造形的演算法，如：L系統(L-System)、碎形(Fractal)、分割(Subdivision)、基因(Genetic)等演算法。因此近五年內，各種相關於生成造形的演算法層出不窮，而問題也油然而生。絕大多數的年輕建築師應用演算法僅為盲目追求形塑極複雜的幾何空間，而摒棄了最初始且基本的問題「為何」使用該演算法的設計想法，此現象的發生也絕非空間設計與造形生成者所追求的。遵循設計脈絡邏輯而去選擇或設計適當的演算法，才是造形生成者所應努力的目標。如同約翰·弗雷澤(John Frazer)在「演化建築」(An Evolutionary Architecture)所說的：「我們所要演化的應為生成造形的規則，而非造形本身」 (Frazer, 1995)[8]，與其將焦點放在所產出的結果，更應著重演算化的編排與設計。

圖 5. NBBJ國際建築事務所所設計的杭州奧林匹克運動中心，透過電腦運算性設計的生成技術與三維軟體Rhinoceros中的Grasshopper輔助工具，創造其主體外觀造形的設計過程。 ( 圖片來源：http://www.nbbj.com/work/hangzhou-stadium/).

圖6. 胚胎房屋（Embryological House）為體現格雷格·林恩「動態建築」概念之設計。 (圖片來源：http://glform.com/exhibits/sfmoma-embryological-house/)

2.3 造形運動者 (Form Animator)

= 周圍/涵構力量作為驅使造形演變的過程而最終使造形與環境達到動態平衡。

談到資訊，勢必得把它看成是一個時時變化的流動，而在造形作為資訊處理體(information processor)的概念之下，造形運動者 (Form Animator)定義為應與周圍環境資訊流動而適時適地改變。這樣的說法或許過於抽象，但舉例來說，試想像一滴從天空墜落的雨滴，在下墜的過程中，雨滴將不斷形變與周圍環境的重力、風力、塵埃等外力的相互作用而達到每時每刻皆動態平衡的狀態，直至其墜落地面。此處的造形運動者的命名出處是源自於格雷格·林恩(Greg Lynn)著名的文章「動態造形(Animate Form) (Lynn, 1999)」[9] (圖6)，但在概念上卻不盡相同。在「動態造形」 文中，格雷格試圖將動作(motion)與動態(animate)做清楚的區隔。對他而言，動作(motion)意旨主動的形變，例如走路、揮手；而動態(animate)意旨經過時間演化而被動改變的形體，如岩石經沖刷、魚類順應水流而演化為流線形的身體造形。但此處定義的造形運動者，則未針對動作與動態進行區別，而視其二僅為時間參數的不同，而有快速動作與慢速演化的差別，恰如達西・湯普森(D’arcy Thompson)於「生長與造形(On Growth and Form)」的中心思想相符 (Thompson, 1992)[10](圖7)。在格雷格的動態造形中，他運用電腦運算性設計與三維軟體MAYA創建拓譜造形，並考慮周圍環境力量而尋求一最終的最佳化造形。以當時的技術與想法上，可謂相當新穎前衛。但問題出現在其目標設定為尋求一「最終的最佳化造形」，這樣的推導，反而更為接近於造形生成者(Form Generator)的概念，由單一組參數所生成的單一對應最終的最佳化結果。然而，若普羅大眾普遍意識到物件周圍的應力是不斷變動的資訊流，又何以相對地僅出現單一靜態而無變動的最佳化造形呢？回想先前所提的雨滴之例，其隨著時間脈絡而不斷適應外界應力而產生的形變過程，才是造形運動者的最佳詮釋。再者，應如同所有具生命的生物體身體一般，即使看似靜止不動，身體內部仍不時進行運作，只是形變的微小不易觀察但不能否定形變的存在。所以，造形運動者應為不斷有新的資訊隨時間輸入，而相對應此新資訊參數所產生最適切於當刻的最佳解，僅因時間參數的加入，造成形體將隨時間由形變的結果。

圖7. 達西·湯普森透過可變形的矩陣方格分析各種不同來自動物的形變 (source: On Growth and Form, The Complete Revised Edition, New York: Dover Publications, Inc., 1992).

作為一棟建築，對應多樣多元性的參數而形成不斷形變的效果，一如造形運動者的概念，實屬合理。法國哲學家，布魯諾·拉圖爾(Bruno Latour)認為建築在必須處理這麼多的功能、需求、以及考量之下，何以最終形成為一靜止的物件而失去與環境跟使用者互動的變動與可能性。「我們應當想像一棟建築最終為一可動的調節器，針對空間不同強度的使用、使用者的目的，重新調配，進而集合或分散人群，如同隨時間而組織具生產的力量」 (Latour, B., & Yaneva, A., 2008)[11]。簡言之，建築應具備變動能力以適應外界環境與內部空間需求。而這樣的論述下，已不僅為造形運動者的概念，甚至踏入下個類別、造形互動者(Form Interactor)的理想中。

2.4 造形互動者 (Form Interactor)

= 由多個微智能單體所聚集組織(同時能產生內部互動生長與外部環境資訊調適)的互動身體。

不同於造形運動者需要一個演算機制，被動地針對時時輸入的資訊而產生相對應的形變。造形互動者(Form Interactor)定義的造形將透過多個微智能單體組織而為一巨集身體，具備主動感知系統，如同人工智慧(artificial intelligence)般能即時做出相對應的決定與動作。簡單來說，這造形運動者概念近似於生物體的身體，其由上千萬具微智能的細胞所組成，可時時順應環境變化而即時反應，除了有內部生存的運作，亦有因應外界環境變化的機制。在建築設計中，若要將電腦運算性設計推至極致，並最適切地運用電腦的能力，便是將建築形體視為透過智能單體所組成的造形互動者。如果建構建築身體的每一智能單體是具備微控制器的電腦，則電腦的運算就已經跳脫傳統作為造形運算生成的窠臼，而成為如同細胞般時時順應變化的互動實體，使得電腦的運算能達到最大的使用效能。這樣的想法，可以簡單連結到造形互動者內的另一主要概念啟發，簇群概念(Swarm Behavior)。

簇群的概念，可以透過英國建築師邁克爾·魏斯托克對於「湧現(emergence)」的解釋加以了解。「湧現是一種具綜合性質的組成，卻不能簡化從其單體而知其整體；反之，湧現所呈現的特質，也非僅為各個單體的加總」 (Weinstock, 2010) [12]。簡單來說，各個單體之間的互動性，使最終組織起來的整體具有非單純加總的特質。從自然界，可以觀察到許多關於簇群的生物體現，鳥群、魚群、蜂群等(圖8)。例如：一群飛鳥，每一單體具其個別特性，但當其組織湧現為一整體隻鳥群，因著單體間的互動關係，而成為一具獨特但非加總的特性。

圖8. 圖片展示在自然界與電影所呈現的簇群。一群簇群即為一群動物聚集並朝向同一個方向前進 (https://en.wikipedia.org/wiki/Swarm_(disambiguation))。從左至右分別為：一群昆蟲、一群魚、一群電影黑客帝國中的史密斯探員： http://www.ayni.institute/swarm, http://www.dailymail.co.uk/news/article-2834570/Divers-caught-middle-huge-school-fish-snap-selfies-them.html, and http://movies.stackexchange.com/questions/27942/is-there-a-trope-for-a-pile-on-fight) .

近年來，因電腦對於簇群模擬的發展，部分建築師將之從自然界與電腦模擬帶入於建築設計當中。如Kokkugia建築事務所的主持人，羅蘭・史諾克(Roland Snook)，將簇群應用於設計的操作方式稱為「行為塑形(Behavioral Formation)」 (Snooks, 2013)[13]。在這邊簇群的概念被羅蘭詮釋為自體組織(Self-Organized)的成形方式，將簇群單體(agent)灑落於設計基地之上，經由對單體間規則的設定，使得在當時當地(local )因環境不同以及簇群間的互動關係，產生獨特的材料特性進而成形。但其中在設計執行上最貼近簇群原始概念的，實為荷蘭建築師，ONL建築事務所的主持人，卡斯・歐斯特浩斯(Kas Oosterhuis)。他在其著文「簇群建築II(Swarm Architecture II)」所提出的「空間即計算(Space is computation)」 (Oosterhuis, Swarm Architecture II, 2006)[14]的概念，同時準確體現「造形互動者」的核心概念。建築空間對於卡斯而言，可謂一網狀結構編織於內部使用者與空間之間而有時時資訊不斷交換與空間改變的互動性，即如簇群一般。他更進一步認為應當在建築實務上將電腦科技植入於建築單元(building component)內，使建築空間能因應內部空間需求、外部適應環境變數而具備的形體變動性。這樣的想法真切地符合所謂的「造形互動者」的概念。亦如同簇群單體所形成的更大型整體(圖9)，透過微智能建築單元如細胞般，由下而上組織成集合智能(collective intelligence)的建築身體，可謂是「造形互動者」的最終目標。

圖9. 由卡斯・歐斯特浩斯與作者共同指導代爾夫特理工大學建築系超身體研究實驗室研究生之設計作品「無處不在(Omnipresence) (2015)」，其作品的單位量體為具有智能的微型無人駕駛飛機，隨時可透過手機軟體的操控，依照人數將增加單位的數量而增大其室內使用空間，在在體現互動式造形應用的想法。參與學生為：Yafim Simanovsky，Jan Ksiozek，Florian Markus，Pawel Krynski。圖片來源：http://ex25.hyperbody.nl/index.php/Msc1G3:Student1)

3 結論

「造形」於此初始即被定義為資訊處理體，一如卡斯・歐斯特浩斯所提出的「空間即計算(Space is computation)」的概念。遠早於電腦發明之前，建築空間設計師業已對將資訊轉化為建築設計的操作方式相當熟稔，只是在電腦運算性設計應用於建築設計之後，提供給建築設計師更大量更快速地處理資訊及複雜幾何的能力。依電腦運算性設計於建築設計的運用，分成了「造形雕塑者」，「造形生成者」，「造形運動者」與「造形互動者」四個類别。當中討論了各類別的優劣，但並沒有所謂的「對錯」，僅為建築師對電腦運算性設計應用上的選擇。「造形雕塑者」意圖使用較為直覺性地操作既存的三維軟體進行形體的探索；「造形生成者」仰賴合理性的演算法而找到最佳化的形體成果；「造形運動者」開始意識到造形應具備順應著周圍變動性的資訊流能力而達到動態平衡；「造形互動者」則將動態資訊流考量於慢至形體生長過程、快至形體瞬間反應內，如同生物體般時時運作。卡斯曾提出：「想像一種建築類型，當建築單元量體都具有智能且可即時地群聚、(重新)調配空間」，甚而以此設計想法下延伸出「超身體(HyperBody)」建築概念：「超身體建築是個主動的建築體，它可以依自己想法主動地執行動作，它在被驅動前即已行動，超身體具備自我意識，它可以感知、運動，卻不為一對一的對應需求」 (Oosterhuis, HyperBodies: Towards an E-motive Architecture, 2003)[15]。順著卡斯的想法，具有智能與動作的建築身體是指日可待的。而在這樣的概念架構下，電腦科技已跳脫單純尋找最佳化造形的運算機器，而是如同細胞般由下而上作為組織建築身體的智能單元，而使電腦運算性設計功能適得其所得到最大效力的使用。

參考文獻

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