气场｜inst.AAA的昨天今天明天：专访东南大学建筑运算与应用研究所

正所谓不会编程的设计师不是好建筑师！今天我们走近的就是这样一群在建筑数字化技术领域探索的“极客（Geek）”们。

那些炫酷的成果背后有怎样的故事？

他们真的如我们惯常所见在做奇奇怪怪的事情么？

运算化设计与目前为止的建筑设计到底有些怎样的关系？

如今运算化设计又有哪些应用与发展阻碍？

且听东南大学建筑学院建筑运算与应用研究所的唐芃老师为我们一一详述。

访谈｜黄予

编辑｜安琪

本期人物

唐芃 Tang Peng

东南大学建筑学院院长助理

建筑运算与应用研究所副所长

城市与建筑遗产保护教育部国家重点实验室成员

日本京都大学工学博士

日本建筑学会正会员

《Frontier ofArchitectural Research》杂志执行编委，论文审稿人

主要研究方向为基于数字技术的传统建筑聚落保护与更新方法

01/ 揭秘AAA

东南大学建筑学院建筑运算与应用研究所

网站地址：http://labaaa.org/

团队成员

东南大学建筑学院建筑运算与应用研究所（Institute of Architectural Algorithms & Applications, 简称：Inst. AAA）是以建筑学学科为依托的国家级建筑生成设计、数控建造及物理计算教学科研创新平台。其前身是1983年由卫兆骥先生主持成立的东南大学建筑系CAAD（计算机辅助建筑设计）实验室。在那个个人电脑（PC）尚未普及的年代，卫教授就开展了针对建筑设计的计算程序开发，实为开创了中国计算机辅助建筑设计的先河。1990年国家教委批准CAAD实验室为国家重点专业实验室，提供40万美元世行贷款，引进设备。1991年，卫兆骥教授所设计的“计算机辅助住宅方案设计系统（HSCAD）”项目获“第二次全国工程设计计算机优秀软件二等奖（银质奖）”（注：建筑CAD软件无一等奖）。当年他使用的电脑等设备如今看来已经十分陈旧，但依然保存在运算所里。

这么多年过去了，运算所正迎来其发展的重要时期。

A=ArchiDogs

T=唐芃

A：能简单说说AAA运算所等基本构架和现在正在做哪几方面的事情吗？

T:在基本构架方面我们其实并不强调师傅带徒弟这样的关系。因为就算拥有很多编程经验的老师，也未必能在某一个问题上得到突破，而也许是一个刚学了一年程序的同学，能自某些方面有突破。所以我们的研究方式就是师生共同研发，我们会有很多讨论会，大家平等地探讨问题和研究问题，气氛十分融洽，团结紧张严谨活泼。可能一次研讨4-5个小时，之后大家会去大吃一顿。所以在这个集体里，用我们自己学生的话说就是幸福感比较高。这种气氛我们会持续下去，这也是保证我们成果输出的一个必要条件。

运算所研讨会照片

我们正在做的事情归结为三个方面，分别是生成设计，数控建造和物理计算。

生成设计：

领军人物：李飚

建筑生成设计研究伴随计算机辅助设计的发展，从中逐渐分化成独立的研究体系。它作为建筑环境、功能、空间、建构技术及成本控制之间的粘合媒介和工具，从特定的视角展现建筑设计不断步入科学发展的可能。建筑生成设计用崭新的方法来理解传统的观念，驱动思维定势的转换，拒绝陈旧的假定，以此逐步影响集体性的学科认知。同时生成设计也将提供新的教学探索、实验乃至投资的可能方向。

数控建造：

领军人物：华好

数控建造是通过生成工具的数据编写及输出，从低层控制各种CNC设备编码方法，形成建筑创作、程序编码及数控输出的“数字链（digital chain）”一体化的建筑学方法。探索非标准建筑建造过程及其构造方法，关注实体模型与真实建造之间的差距，并通过大比例实体模型测试结果。

物理计算：

领军人物：李力

物理计算技术赋予建筑物以某种生命特征，真正实现人与建筑的共生关系。它是把电子工程的相关的技术应用于建筑设计，借助微型处理器和各种电子元器件实现可动的建筑、可感知的环境甚至高智慧的城市。物理计算从物理构筑物的层面上，其形式、材料等方面均需要吸纳最先进的科技。

A：目前AAA研究成功的市场化运用有哪些呢？

T：2019年我们可能会有比较大的突破。之前运算所的人比较少，大家也主要做案头的科研工作，对于科研成果向市场的转化并不主动。但是最近两年我们首先注重了宣传，办了国际会议办了展览，也做了一些实际的项目。比较成功展现我们科研成果的例如：南京青奥服务中心立面设计，太湖绿道大型雕塑系列，汤山矿坑公园入口七彩廊桥，东南大学校园内大型雕塑鼎上添花等。这些属于生成设计和数控建造领域的成果。因为已经在上述表皮生成，景观小品、机器人建造以及对传统木构榫卯的提升和研发上有了积累，在适当的实际项目中可以短时间内把它做出来，向成熟的产品转化。

南京青奥中心©耿涛

宜兴太湖绿道大型雕塑之一：印象太湖石

南京汤山矿坑公园入口景观步行桥效果图

校园景观小品：鼎上添花（©王笑）

举李力老师的例子。他的高精度室内定位系统将会应用在更多地方。这个定位系统最大的优势就是它比目前我们常用的工具的精确度高很多，对于人在室内行为流线的研究非常有用。很多高校愿意来找他合作研究，或者直接购买他开发的硬件应用到例如商场的顾客行为流线，或者是住区中居民的行为流线调查研究中等。

高精度定位系统在苏黎世超市COOP中的应用实验

在大尺度应用上，我曾经设想过在故宫利用定位系统对游客进行引导。故宫目前的参观流线在一般参观者脑海中是比较固定的，大多数游客都是沿着中轴线一直走到养心殿。在游客高峰期大家都在同一个时间段拥堵在同一个地点。而在故宫中轴线两侧还会有不同的参观点，我们应当引导游客均质分布在各个地方，避免中轴线某一时刻过度拥挤。这便需要定位系统实时统计和反映人群分布情况，并反馈给游客。游客可以根据这个导览选择参观路线，使各个参观点人群密度保持相对均等。

以上这些成果也好想法也好，吸引了越来越多的开发商，设计院或者是类似的企业关注到我们，找我们进行合作。因此我们做横向科研的机会越来越多。

02/ 数字化潮流与运算设计

AAA近年成果视频

https://v.qq.com/x/page/n0816cim29c.html

A：运算化设计作为一种设计思维与传统设计的区别在哪里？它作为一股新生力量对传统设计方式是一种冲击吗？前者会逐渐取代后者吗？

T: 数字设计可以说是对传统设计的有益补充。 我常在讲课的时候提到高迪。高迪所追求的自由形态在他的那个时代太不容易。但即便是在当下去追求这种自由的形态也涉及到是形态目标为导向还是过程为导向的问题。我们希望一方面通过程序和算法的方式实现人们思维对于形态的想象，另一方面用运算化设计得到意想不到的，超出人脑想象的结果。

高迪的巴特罗公寓

但是我觉得数字化设计方法的作用重要的不是在形态方面，而是在于解决建筑学的复杂问题。在建筑设计中，很多问题是互相拉扯互相矛盾的，为解决这类问题建筑师使用过很多次种办法。但通过算法设计可以比较容易地探寻多个矛盾问题的解集范围，并获得优化方案。这类问题在自动控制等其他学科领域经常遇到并已经用算法解决。建筑学里面，当我需要一个建筑非常节能又要做得干净漂亮又要省钱，干这三种要求本身就是矛盾体。我们要做的便是在三者之间找到平衡点，或者说在一定的范围之内求得最优解。

在建筑设计中有一个经典案例——手术室平面问题。手术室平面在医院设计中一直是一个难题。它所涉及到的无菌流线、污物流线、病患流线、家属流线和医师流线、护士流线等等，十分复杂。一个手术室的周边，一定有很多房间，这些房间都涉及到具体的功能，又带来了不同的流线。这些流线需要控制细菌的隔离程度，房间之间有相邻相斥关系也要保证最短距离，护士站离手术室的距离以及病患家属和手术室的距离都有一定的限制。以前我们学生阶段学习西方建筑理论时，经典的研究方法就是实用打分表，一边是各个房间，分别画格子，每两者之间打分数来表示他们的紧密关系，通过分值判断房间之间的主次和拓扑关系再来画平面。但这个问题其实是是一个非常典型的进化计算的问题——使用遗传算法来对所有房间进行编码，房间之间的关系可以作为遗传因子，就可以在遗传算法的程序框架中进行不停的平面生成和评价以及进化计算直到得出最优解。很有意思是我去日本以后我们工作室里就有人用遗传算法来研究这个经典问题。以往打分的方法已经有研究成果证明某一种平面是比较好的，但是通过遗传算法得到的分值较高的平面会看上去比那个经典手术室平面更加合理。人脑的思维和计算能力有限，所以基于数字技术的设计方法更应该去帮助我们解决建筑设计以及城市设计中复杂问题。

作为研究对象的手术室

传统研究方法中的打分表

经过遗传算法进化计算以后的优选方案

参考自京都大学宗本研室的研究课题：移動コストを評価関数とした室配置へのGA適用と発想支援における病院手術棟を事例として

相同的问题有很多，比如说剧场的视线分析、座位排布、复杂流线的计算，城市肌理的深度学习和自动生成。比如类似在东南大学这样密度较高，限制较多，又是近代建筑遗产的校园里面进行建筑的更新改造，用数字技术来做一个数年增改建计划方案建议是比较合适的。可以把例如保持视线畅通，每一年的建设量控制，经费控制等很多条件都作为约束条件放到生成设计中去。我们国家的城市化到了一个存量开发的阶段，我们所遇到的问题都是复杂环境下的更新改造这样的问题，单纯问题越来越少，所有的城市存量开发都需要综合考虑周边环境因素，既有居民的生活条件，土地利用等问题。这种情况下，依靠人脑的想象和统筹是远远不够的，计算机会给你提供非常多出乎意料的优选方案。

数字化设计不可能代替传统设计方法。它是在人脑有限的思维范围之外进行辅助，让你获得更好的全局优化方案。这其实是学科发展到这个阶段必然要经历的过程。在其他领域例如自动控制、环境科学、计算机信息技术等领域，人工智能已经得到很好的运用，建筑学在技术上的反应始终是落后于其他学科慢半拍，但不代表着不会发生。数字技术已经越来越多地渗透到这个古老而古板的学科。

A：在教学领域如何研究和启发学生探索建筑学与数字化结合的可能性？

T:我们目前在东南大学建筑学院所完成的暑期工作营，系列展览以及四年级的数字化设计系列教学都是在做建筑学与数字化相结合的教学尝试。

工作营设计作品照片

始跬步以至千里，积小流而成江海｜暑期“数字化设计与建造工作营”全记录

链接：http://arch.seu.edu.cn/2018/1023/c9118a243648/page.htm

本科的教学是我们发现特殊人才的途径。凡是愿意在四年级选择数字化设计的同学都会经历一个16周完整的教学过程。在这个过程期间，他们既接触了比较新的设计手法，学习新的技能，同时也培养了自己的兴趣，发现了自己的潜能。之后他们也有可能在五年级参加毕设，以及作为研究生加入运算所。我们会有更多的实际工程项目以及更多的机会共同讨论建筑学中遇到的新问题。

在运算所，老师和学生常常共同去研究和解决一个问题，或者共同进行一些数控建造的搭建以及对材料形式，和构件的研发。我们的研究方式有些不像建筑学，更类似于机械或者是计算机电子等学科。而学科融合创新才是我们的目标。

A：数字化目前已经发展成一个可教的体系。在本科四年级作为第一次正式接触入门之后，东大的教学体系是怎样的?

T: 从四年级开始设置教学的想法源于东南大学建筑学院的四年级的课题设置允许交叉学科的出现。在这个方向我们能够设置一些和一般建筑设计不太一样的题目。四年级可以自由选择，那么在选择的时候可能有些同学对这个方向有兴趣。在课程设置上面我们是要求数控建造和住区规划设计两门课连选。同时近两年我们又增加了互动设计，以及基于大数据的城市设计等设计课。范围涵盖了四年级的各个方向。

以数控建造+住区设计为例，前八周的数控建造学生从零开始学习了程序，然后用三维打印或者激光切割等方式去建造。近两年还增加了机器人木构，混凝土塑形等内容。对于学生而言边学边做推进比较快，所以数控建造作为入门课程放在前面。在这之后，学生使用前八周所学的程序知识再去做住区设计。这个课程放在住区的大类里，但是需要用数字化的方法进行设计。住区本身的规范，住栋的单纯性和问题的明确性，可以让刚入门的学生比较易于捕捉到解决问题的渠道，譬如专注于住区住栋的排布，地块划分或单栋建筑和道路的关系，户型探讨等。这些问题都可以成为解决整个住区问题的契机和出口。

数控建造作品

Dome-V， 2015年数控建造小组：孙世浩等

四年级参数化设计优秀作业图纸一花一世界

2018年数控建造小组：车毓沅，陈旭刚，张柏州

住区设计图纸

2015年生成设计小组：喻敏浩等

这样便实现了课程设置的层级递进。在这16周之后，从今年开始我们还设置了基于大数据的城市设计。这便是是第三个层级，之前设置于研究生阶段。当学生学习了程序，并且已经能够灵活运用，我们希望去解决更加复杂的问题。城市设计的问题涉及到更多层级。对于老城区需要处理空间肌理，功能复合，交通流线等问题。而对新区，又要回应集约化以及城市功能活跃度等问题，比解决住区的问题复杂得多。理想状态下我们希望在本科的四年级的四个大类中都能够设置数字设计课程，并且具有等级关系。到毕业设计和研究生阶段，设计基本上也是在城市设计层面解决复杂问题。

尝试了多年以后，我们觉得还是要再往低年级推。四年级感觉还是晚了，因为前面整整三年建筑学学生的数学思维已经基本没有了。所以今年我们在三年级到四年级的暑期先推一个短学期工作营，做的东西比较简单，以培养兴趣同时学程序为主。我们其实更希望在二年级到三年级的这个暑期，与目前视觉设计实践可动装置制作的基础上，结合数字设计做一些生成艺术的教学，并在二年级开设一部分数字技术与建筑学的理论课程，以实现在更低年级更深入进行教学和推广。

A：中国当下的运算化设计正在哪些领域发挥作用？国当今运算化设计正面临着哪些阻碍？

T：我觉得运算化设计，应当是在解决复杂的设计问题上去发挥它的作用。在这个我们所谓的后工业化时代，假如当我们要做一个非常重要的公建时，我们既希望它好看，又希望它节能，又希望它在流线、功能等方面合理，这些问题的综合解决都有数字技术的用武之地。

对比国外，我们运算所相对来说是能够跟上国际这部分研究领域的节奏的。发展阻碍主要源于建筑是一个非常古老的行业，所有新的技术的运用都会遇到行业本身的很多固有问题。首先在中国的项目运转周期非常快，没法等你写完程序再去做；另外，要引入新技术方去做一件事情，要改变的其实是整个行业的思路，人员结构和操作流程。当行业有数字化设计手段的介入，以及这样的数字化思维的介入，会需要建筑行业改变既有的对设计与建造的认识，会需要从业人员在知识体系上有所突破。对于这个古老的行业已经形成的一些闭环，打破它是一件持久的事情。从而导致我们的一些想法在目前非常难实现。

关于怎么样利用数字化手段解决建筑的复杂问题，关于怎么样实现真正的建筑业的数控建造，会有诸多的瓶颈,也需要渐渐去改变。首先要在人的意识上，从建筑学的知识体系上改变。不然人们会对运算化设计或者对数字技术有持续的误解，也就自然觉得我们像是在做一些非常奇怪的事情。

03/ AAA正在做的事情和未来的计划与展望

机器人展会最终成果视频

https://v.qq.com/x/page/y0814akse6a.html

A：今年我们惊喜的发现了一个在东南大学从未开设过的主题短学期——“运算化设计”，请问运算所开展此短学期的初衷是什么呢？此外作为教学方运算所对此次短学期成果有怎样的感受？在未来的短学期教学中又会有怎样的调整？

T：目的其实就是发现和培养人才。后面我们继续开设短学期工作营，可能会对成果类型做一些调整，比如做更好玩的生成艺术，引导学生去感受数学和美之间的一些关联，以及数学和音乐的关系。会更强化音乐、数学等其他领域可视化的过程，并且用数字化方式去发现美，从这个角度去激发大家的兴趣来学学程序，做一些艺术品，哪怕只是用电脑的绘画都可以，就是提高兴趣，并有些成就感。反思今年混凝土组的成就感就较弱，但他们也非常累，短期内做到那样不容易。此外就是想把这个短学期放到低年级。

A：最近AAA可谓硕果累累，看到Upsilon机器人木构作品已经在上海国际机器人展会（CIRO2018）展出，并入选了在苏黎世联邦理工学院（ETH）举行的ROB|ARCH2018：RoboticFabrication Architecture, Art, and Design会议。请问在国际机器人展会的展览过程中，AAA作为独特的建筑学背景的参展方有没有什么特别的经历呢？

T：那个展会特别大，基本每一个参展方都有自己的施工队，他们的技术人员只要在旁边指挥一下就好。但我们就既是技术人员又是施工队，这一点在那个场馆里就很特殊。造成这样结果的原因一是经验不足二是经费不足。但这么大的展会从来没经历过，大家也很兴奋，所有事情都是DIY的，靠我们这十几个人扛上扛下，很累。但总的来讲这对我们来说是非常有益的经历，所以我们其实需要有理解和支持我们的外部企业或者单位，拓展我们的经费来源，从而可以更多地参加这一类活动，共同推动科研和成果转化。

2018 国际机器人展会

A：运算所发展到今天，已经有了不大不小的规模，仿佛科幻大片里秘密进行科学研发的精装团队，而只要稍微熟悉一些团队内部，就会被始终洋溢着的温馨如一家人的氛围所感染。请问运算所未来有怎样的发展预期呢？

T：前面其实讲到我们的学习和科研方式是比较特殊的，在这种不分层级的架构基础上，将做出的改进是在人员类型上会有所增加。现在我们只有老师和学生，但今后我们会有专门的科研人员。具体来讲就是当一个学生希望成为大学老师的时候，就必须要获得博士学位。这样人才培养的时间很长，最终能否留在东南大学也很难说。但是我们硕士毕业的优秀学生，也已足够支撑起研发和转化的工作。目前为止我们的学生硕士毕业，如果不读博士就是去设计院，会很浪费，因为他近三年所学所经历的事情，可能会在较为传统的工作环境里渐渐消磨掉。2018年，运算所成立了教授工作室，就是鼓励优秀的硕士毕业生留下来，成为科研人员，继续和大家一起工作。这样运算所就既有科研又有教学，也有实际项目的转化，所以这个可能是一个比较大的变化。

另外随着Ludger Hovestadt教授签约我们国际化师范学院兼职教授，我们将建立起一个SEU-ETH的博士学术交流平台，明年我们与ETH的学术交流和合作研究将更加常态化。

04/ 给对数字建筑感兴趣同学的建议

A：这次AAA第一次在东南大学本科四年级短学期开设运算化设计课程，就获得了极佳的反响，请问今后是否会考虑也面向校外同学开展类似夏令营课程呢？

T：我知道同济、清华他们都有open studio，但是我们其实人手有限，也没有那么多能力去接待外面的同学，所以还是希望在我们自己学院的本科生中去募集感兴趣的同学来做。事实证明今年一个月时间，大家做的也是非常棒的，所以后面我们还是会继续。

A：ArchiDogs的受众主要是学生群体，给对数字建筑感兴趣的同学，或者想入门的同学，有什么建议吗？

T：我其实特别想在低年级做一些关于运算化设计的概论，让大家知道运算化设计在干什么事情，对于建筑学来说处在什么位置。所以对想要了解的数字建筑或者对这个感兴趣的同学，我的建议是学会用比较开阔的视野去理解当下的建筑学。其实无论是传统的经典理论还是所谓传统意义上的建筑设计方法，也都在各自的道路上发展。数字技术也可以说给大家开脑洞，对于我们已经学了几年建筑的同学，或者没有学过建筑的同学，它就是在你所掌握的建筑设计方法和思维之外的另外一种设计方法和思维，对它不了解的话，你可能就只会用传统的方法来做设计。

举一个简单的例子，如果你不知道某个程序的算法可以提取一个图像像素值，将数据转化成穿孔板上不同大小的孔径，你就只能在CAD里垫张图一个个地描图和画圈，那就会非常痛苦。当你接触了运算化设计，你的视线和思维就会被打开，哪怕你不会写这个程序或者忘记怎么写，你也知道有这样的方法可以轻易地解决这类问题。

这也是我们想在低年级开设相关工作营或者概论课的目的，能让同学们尽早接触这样一种新的思维方式，如果有同学真的有兴趣亲自去做，就可以继续深造；但就算不愿意亲自去做，认知到这种途径的存在也是很重要的。所以我觉得最关键的就是同学能够跳出目前学到的建筑学相关的一些比较窄的知识领域，多了解相关领域的知识和技术发展现状，从而能从更高屋建瓴的角度去思考和解决建筑问题。