LAC 课程笔记 | 第五期第一讲：瞎聊——设计与编程
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编者按：感谢黄骁然老师的精彩分享！本期分享将围绕着老师的三个设计案例：黑蚁巢穴的实时自组织算法和基于微气候变化的城市形态构建、建筑师与自定义住宅、步行测度与城市尺度的模拟，来跟大家聊一聊设计与编程的关系。
丨主讲人丨
我是一个建筑师，为什么要学编程呢？在没有计算机年代，建筑师们通过纸、笔、手工模型来表达设计理念。80年代以来，随着家用PC的普及以及AutoCAD辅助软件的出现，计算机开始对整个建筑行业产生影响。目前，随着建筑和计算机领域越来越紧密的结合，计算机强大的运算能力在短时间内得到优化的设计结果，为何不能通过编程来帮助我们思考呢？
丨建筑设计与计算机发展丨
在柯布西耶的那个年代，计算机还未出现，建筑师们通过纸、笔、手工模型表达设计理念；80年代，计算机开始影响建筑界，但建筑师们受oldschool学院派传统教育的影响，依然坚持手绘表达理念；90年代，随着家用PC普及，以及AutoCAD辅助软件的出现，计算机开始对整个建筑行业产生影响。
编程在一些建筑设计中的应用
模拟与测算
调整与测试
选型与优化
建筑学中“计算机辅助工具论”学派认为，建筑师作为设计主体，通过计算机强大的运算能力，在短时间内得到优化的设计结果，但其本质上是限制了计算机思维的发散。
另一个学派认为，计算机不单单是辅助工具，也是设计的一部分。这一学派的代表人物是港大教授Tom Verebes，他认为设计是一个试错的过程，由于设计中所需要考虑的因素太多，建筑师在一开始拿到场地要求、限制条件时，并不知道如何正确地推下去。那为何不能通过编程的手法帮助我们思考呢？建筑师给定方向，让计算机跑一些形态出来，生成一系列形态可供选择，而且计算机运行的速度是人脑的几亿倍，设计师作为决定者，挑出符合设计要求的形态。
Tom Verebes
在编程的辅助下，建筑师可以拉出炫酷的形态，可以做一些有科技含量的模拟（受力分析、人行流线分析等），甚至可以做互动建筑。
编程辅助下的建筑造型设计、人行流线分析、互动建筑设计
Coding VS Modular scripting
我们所熟悉的CAD其实也属于编程coding。例如一个简单的移动命令，相当于打包好的指令集，每一步操作都是沿着编程的逻辑在走，都是编程的一部分。
grasshopper每一个电池都是打包好的编程指令集，只需输入前端数据，就可以生成结果，属于模块化语言（Modular scripting），我们通过VB 编写自己需要的小电池，开发自己的插件，用上一级的高级语言做出电池组。高级语言是我们传统意义上我们所理解的编程语言，例如： print（“Hello，world！”），而高级语言可以通过汇编语言编译成计算机的机器语言0和1。
模块化语言、高级语言、汇编语言和机器语言之间的关系
丨项目分享CASE1丨
UCLProject 城市的多元形态与微气候奇点——
黑蚁巢穴的实时自组织算法和基于微气候变化的城市形态构建
这个项目是我们在UCL的毕设作品，是一个利用仿生算法生成城市形态的设计作品。我们UD16组的主题是仿生，我们小组选择了蚂蚁为仿生对象。蚂蚁是一种社会性动物，等级分工非常森严，背后有一套严谨的逻辑。
挖开的蚁巢形态，人们找到蚁巢后，用水银填充呈现其形态
蚂蚁是一种非常聪明的动物，白蚁和黑蚁巢穴的一个特点是，巢穴形态会随着外界环境（气温、风力、湿度）的变化而变化。例如冬天对着冬季季风方向的开口会很小，甚至完全闭合，保证巢穴内温度恒定；夏天对着季风方向的开口会很大，以此保证空气的流通，带走多余热量。我们研究了相关文献，学习其中的生物学规则，然后决定以气候这个方向作为出发点。如何把蚁巢洞口的规则转移成计算机程序和语言，通过数字化的手段将它重现出来，是我们需要考虑的。
蚁巢形态与相关文献研究
我们做了一些分析图，在这个过程中，尝试用不同的平台来做模拟。2d层面的net logo，grasshopper的hoopsnake插件，都能很好地模拟蚁穴的生成逻辑，但到了三维空间上时，我们发现现有的模块化编程手段无法满足我们的需求，于是开始自己编程。
Processing编程
模拟蚁穴的生成逻辑
蚂蚁很有意思的一点是它们自己不能感受外界温度的变化，只能通过一种叫做“费洛蒙”（Pheromone）的化学信息素去感知。费洛蒙是一种液体物质，外界温度变化会影响其蒸发速率，蚂蚁会在搬运、建造巢穴的过程中通过留下来的费洛蒙浓度来感受外界温度变化。简单点理解，前面的蚂蚁吐了一口口水，后面的蚂蚁就能知道前面的蚂蚁在干什么，跟着去搬东西。在我们设计的系统中，费洛蒙被模拟为agent可以识别的电子信息，系统中的所有人（蚂蚁）都能通过数据流识别气候情况。
一些小的prototype模拟，40*40*40大小的空间
形态与气候的研究
3D打印的模拟形态
在模拟中，蓝色的部分是费洛蒙信息素，代表周边环境信息的数据
有了核心程序后，我们攻克了技术上的最大难关。但如何作用于城市设计和建筑设计中呢？基于这种算法，我们构建了一个基于原始场地材质的自我建构系统，把所有蚂蚁考虑成一个个3d打印机器人，它们可以拾取场地中的土壤和石块，加工后搬运到场地中其他地方，就地取材。
另外我们做了两个子系统来感测环境的变化，一个是digital的，一个是手工的模型，来探测这样的形态究竟是否合理。最终把这一系列的数据传导过程应用到场地上，形成项目最终的形态。
在建造过程模拟中，第一步是让机械臂和模拟运算的程序同步，用Roborts 3d打印机器人直接在场地上打印出来，建造材料是沙土+石膏+水。
3d打印在场地上运行的畅想图（左），
landscape plan（右）
针对不同形态形成的不同微气候，我们另外构建了一个选择适合植被的算法子系统
最终的意向图
丨项目分享CASE2丨
Digital Assam
印度实际项目
第二个项目，我思考的出发点是如何利用digital architecture的优势起到公众宣传的作用。
川普与民主设计
川普当选美国总统，英国脱欧，民意反对声众多，这背后有着相同的政治思潮和逻辑——在精英主义阶级操纵下的社会，底层民众的诉求没有得到足够的尊重。在建筑设计中也是如此，七八十年代的时候，建筑师有较大的话语权，基本上可以负责建筑上的方方面面，最著名的例子是密斯范德罗的范斯沃斯住宅，建筑师在设计中起到了独裁者的作用，但范斯沃斯夫妇住进去以后，发现透光玻璃让室内的隐私无法得到保护，使用者的基本需求没有得到满足。
建筑师与自定义住宅
尊重民意的这种思潮在最近的建筑学界也有所体现，例如，普利茨克奖得主——智利建筑大师 亚力简德罗·阿拉维纳（Alejandro Aravena）致力于让建筑师为普罗大众服务。他在智利建了很多社会住宅（social housing），他的策略是，与其造几个特别好的房子，不如提供类似于毛坯房的内部空间，让住户们自己设计处理，在有限的预算之下创建出符合每一个住户需求的社会住宅。
Digital Assam 印度实际项目
这个项目是澳大利亚政府与印度阿萨姆（Assam）对接的援助项目。阿萨姆地属热带，天气炎热，且常年遭受洪水影响。当地的建筑有点类似中国南方的高脚屋，典型的热带建筑风格，架空，通透。
阿萨姆当地每一家都有不同的需求，有的住户要养羊，有的家庭孩子多，需要房间多一些。这个设计中，我们既要满足每个住户不同的需求，同时也要尊重当地的传统文化，在有限的预算下，我们决定在澳洲做好预制构件，运到当地组建成小房子给住户人使用，让人们定制自己需要的房间。我们用grasshopper做了当地人能看懂的模拟，设计了四种不同平面布局的prototype，以一个基本点为坐标，每个参数的变化能使房间面积大小、布局等发生变化，还能够快速的得到构件数量、面积、预算等数据。
grasshopper模拟自定义住宅
这个项目最终的成果是做成一个APP，当地民众在手机上就能方便地操作，定制属于自己的房间。
丨项目分享CASE3丨
Agent-basedmodelling and Walkability
步行测度与城市尺度的模拟
这个case是我在墨尔本大学Phd所做项目中的小模拟，场地是位于墨尔本市中心的联邦广场。我用grasshopper做了步行可行性的模拟，将Rhino建筑阴影的参数导到processing中，运行agent base，让每个步行能够规避阳光直射。
另外我用游戏平台做了一些更加复杂的模拟，例如室内场所人行行为的一系列有趣的模拟。