观察丨大数据解读埃姆斯住宅
导读
由于设计过程中所涉及的信息的数量和复杂性正在成倍增长，目前建筑学中所使用的符号规范已不能够有效表达设计系统或模型，仅能记录它们得出的单一的结果。
美国弗吉尼亚大学的Jeana Ripple教授和她的团队提出应重新制定制图规范，以对设计及其中的变量和限制因素系统进行描述。本文即展示了他们对于“建筑制图如何借鉴大数据可视化”的观点及代表性实践。
在即将出刊的《景观设计学》“智能工具”专刊中，我们还将探索更多应用智能工具来收集、分析和可视化信息的方法，欢迎大家关注并加入讨论！
建筑师的元符号：
建筑制图如何借鉴大数据可视化
A Meta-Notation for Architects:
How Architectural Drawings Can Borrow from Big Data Visualization
珍娜·瑞普丨Jeana RIPPLE
美国建筑师协会会员，弗吉尼亚大学建筑学院助理教授
AIA, Assistant Professor of School of Architecture, University of Virginia
LAF
注：原文中英文全文刊发于《景观设计学》2015年第3期“大数据背景下的景观设计”专刊。获取全文下载链接请点击“阅读原文”；参考引用格式见文末。
设计过程中所涉及的信息的数量和复杂性正在成倍增长。然而，目前建筑中所使用的符号规范却不能够有效表达设计系统或模型，仅能记录它们得出的单一的结果。在科学领域，特别是那些能够处理“大数据”的计算模型，已经在多元信息可视化问题上探索了相当长一段时间。通过研究大数据可视化面临的挑战及相应的解决方案，建筑师可以重新制定制图规范，该规范中将包含元符号——这一符号表示法可以对设计及其中的变量和限制因素系统进行描述。
近来，我与肖恩·皮尔斯-科特勒博士共同指导了一组由建筑师和生物医学工程师组成的团队，对大数据表现问题进行了研究。我们研究的初衷是想改变科学图形和图表的形式，因为它们已不再是有效的沟通工具，这一点在涉及庞大的数据处理的实验中体现得尤为突出。这个项目引发了我们与其他生物医学研究人员展开了一系列讨论，对他们在使用计算机模型和大量数据之时所面临的严重的交流问题进行了探讨。虽然对于成果的交流是重要的，但或许，在得出这些成果的模型上的交流更为关键。只有了解了这些算法中的关键变量和过程，研究员们才能够对结果进行评价。这些问题已同样出现在建筑设计领域，因为复杂的建筑模型对于生成的形式而言既是机遇亦是约束，其也推动了研究得以进行。
滞后期：与印刷术相似的局面
将建筑中设计、建造和分析的复杂技术过程相整合是一个被一再强调的议题。从基于关联性模型的协调建设，到动态响应式建筑系统、机器人和3D打印数字化建造、优化设计、传感与分析，我们在大数据方面的协调能力和在算法上的交流能力令我们意识到，数据从未像现在这么重要。然而，建筑中新的制图和符号形式的发展却大大滞后于我们灵活适应新技术的能力。我们在数据系统方面并不能进行有效的交流，其主要原因是建筑制图仍然以最终绘制成图为目的，而忽略了图纸得以生成的关键性要素——规则和数据。
先进的技术和停滞不前的表现形式之间已存在明显差距，这种情况与印刷术使用初期时的现象十分相似。根据伊丽莎白·爱森斯坦（Elizabeth Eisenstein）及其后布鲁诺·拉图尔（Bruno Latour）的记载，“印刷术的引入和极度逼真的图片的出现之间的时间滞后是个令人费解的现象。起初，印刷术仅简单地应用于草药植物图、解剖图、地图、宇宙哲学图像等已陈旧的事物的印刷——这些图像在后世看来也是错误百出的。”[1]相关技术的形成要远早于可视化形式的发展。拉图尔继而总结到：“爱森斯坦一次又一次地指出……在印刷术出现之前，各种已存在的智慧成就——有条理的怀疑主义、科学方法论、收集数据、辩驳、理论形成——都已在包括地理学、宇宙学、医学、经济学在内的各个学科有过尝试。但每一个成就都仅局限于本学科内，并且都仅是昙花一现；而这正是因为这些成果无法传播到其他领域，其他领域的成果也无法传播进来。”[1]
建筑面临的问题
在当代建筑领域中，我们正处在一个与前文相似的滞后时期。我们正在探索、分析，并构建越来越复杂、功能机制越来越强的系统，但我们的视觉输出仍大多停留在对材料和维度的文字表述，或视觉意象上。任何项目的设计智慧成果仍然无法得到广泛而长久的传播。这导致知识无法有效地在学科间转达、转换，也使得在建筑建造和翻新过程中出现“翻译”障碍。
许多人认为，通过直接对加工制作进行设计以及BIM建模，数字工具可以消除从图纸到建造过程中的所有“翻译”问题。而且这也很快迎合了低成本、大批量定制的未来发展方向。然而，在实践中，我们却面临着另一番境况。与制造者和工程师的前期交流对任何先进技术的发展来说都非常重要。这种交流通常依赖于二维图纸和草图，它们能够快速传达思想、设计理念和性能极限。通过三维模型、施工图和二维制作图的表达，设计方案不断成形，这个过程中——其中设计者需要对空间与材料性能不断进行平衡——的大部分智力投入都在无形中被转化成了一种单一的输出。而在后端，承包商和分包商在制作、组装或安置的过程中不停地做出“翻译”决定。然而，如果不能了解原始的设计思想，那么在一些关键性的问题上就不能做出精确的“翻译”。
让我们来设想一下另一种情况：如果我们拥有一套能够对某一项设计的制作过程或模型进行实际记录的“设计形成过程图”的话，那会怎样？这些元图纸将可以对设计过程中的关键因素进行记录。什么是空间或视觉的意图？什么是可以推敲的关键性的物质考虑——可称重玻璃面板的高度限制、跨高比，或消防通道的红线后退？如果我们能对这些极为重要的变量和限制因素进行重新设定，那么设计和施工团队间的沟通将会发生多么大的改进啊！届时无论是学生还是从业人员，都将能够领会到任何设计先例中的智慧，也可以知晓这些先例所面临的挑战。
绘制模型：多元信息可视化技术
拉图尔借用了弗朗索瓦·达高涅的观点并进一步指出“任何科学学科都是基于某种视觉和书面语言发展起来的，只有这些语言的出现才能让学科脱离其混沌的过去。”[2]建筑学并不是唯一一个需要寻求重新建立一种新的、能够适用于数据系统新局面的视觉语言的学科——特别是那些对于大数据模型苦苦探索的学科，在输出的多次迭代及形成迭代的多变量系统方面的交流正日益重要。
对多变量系统的跨学科研究正面临着类似的挑战（图1），包括数据层级不足、（在信息尺度和密度的处理上存在）重复测绘、坐标混乱等问题。[3]用于解决上述这些问题的技术——从数据简化/减少算法，到动态的用户交互界面——都需要考虑众多可调节变量组合。[3]
图1：大数据可视化面临的挑战
© Elizabeth O'Brien
诸如平行坐标等传统可视化技术也在科学领域广泛应用，这些技术有助于我们找到对建筑元符号研究的切入点。当图算法诞生之后不久，平行坐标于1885年第一次出现在科学文献中时，数据样本以穿越平行的变量坐标轴的线条的形式呈现。[4]这一假设已得到了更高维度的成功检验[4][5]；这一方法——无论是应用于简单还是复杂的数据环境中——可以使研究人员观察变量对于参数的影响。此外，通过交换平行坐标轴的顺序，研究人员可以识别变化趋势，或对无关变量进行剔除。
翻译：一个案例研究的方法
为了开始检验元符号的可能性，我与一名研究助理对参数化分析系统的常规制图规范进行了改变。我们受即兴音乐乐谱和计算机模型可视化的启发，用它们对设计过程中的逻辑、表现与演变进行记录。
这名学生助理提出了一种参数化系统，以对1945年发表于《艺术与建筑》杂志（Arts and Architecture）的埃姆斯住宅（即8号住宅案例）的原始未建成方案进行了重新解读。[6]为了对开放场地和原有树木进行保护，埃姆斯住宅最终被重新设计。据称，新的住宅使用了原建筑的结构材料；然而因为新旧住宅截然不同的建筑结构特点，这一方案备受质疑。[7]在这种情况下，这名学生设计了一座桥式住宅，通过对结构、材料进行有效利用、最大程度地保护场地原有树木，并尽可能地使住宅朝向其临近的太平洋海岸，重现了埃姆斯住宅的原始设计（图2）。
图2：8号住宅案例的三个版本对比图：本文作者通过对8号住宅进行重新设计，对建筑结构和体量进行了优化，以对原有树木进行保留，并将观海视野最大化。
© Jeana Ripple and Josh Aronson
图纸记录了项目中的设计思考（图3），将一系列设计迭代与它们的性能参数相结合，并反映了它们对场地和视线的影响。通过使用平行坐标，在考虑材料利用效率和设计重点的基础上，绘制出了一系列主桁架结构图（图4）。这些带有偏移量的坐标轴，可反映参数是否理想：理想的参数位于坐标图上方，不理想的参数位于坐标图下方。例如，在理想情况下，为了使具有观海视野的住宅面积最大化，钢制体块的体量将缩小。
图3：8号住宅案例重新设计方案
© Jeana Ripple and Tom Bliska
图4：8号住宅案例重新设计方案的平行坐标图细部，图中展示了依据材料利用效率和设计重点而绘制的主要结构性桁架。
© Jeana Ripple and Tom Bliska
由此形成的最终建筑——根据平衡设计和性能变量得出的最佳设计方案——的图纸文件记录了桁架结构中的一系列可选变量。它展示了高应压力板在每一次迭代中的性能（图5）、场地视线障碍（树木）之间的关系（图6），以及在建筑体量的选址决策和现有树木之间的冲突（图7）。
图5：8号住宅案例重新设计方案中的桁架变量与板材使用细部。
© Jeana Ripple and Tom Bliska
图6：8号住宅案例重新设计方案中的住宅结构与场地视线关系。
© Jeana Ripple and Tom Bliska
图7：8号住宅案例重新设计方案中的住宅选址与现有树木的关系。
© Jeana Ripple and Tom Bliska
该项目提出的绘图与标注方法突显了建筑性设计重点、设计过程的演变和设计体系中的行为。
走向即兴
当代设计中的数据体系有着更高的精度要求，需要更快的生产节奏，能够对加工制作进行直接设计，并要求具有法律约束力的模型和文件。在这种设计过程的新局面中，我们应该拥有更多的机会去成功地即兴发挥和调整我们的方案，以使它们的魅力得到传播。当我们对符号规范进行扩展，以使设计体系中的数据得到最有效记录，这样的“翻译”才能成为现实。
参考文献
[1] Latour, B. (1986). Visualization and Cognition: Thinking with Eyes and Hands. In H. Kuklick (Ed.). Knowledge and Society Studies in the Sociology of Culture Past and Present (vol. 6). Greenwich, CT: JAI Press.
[2] Latour, B. (1988). Drawing Things Together. In Michael E. Lynch, Steve Woolgar (Ed.). Representation in Scientific Practice. Cambridge, MA: MIT Press.
[3] Walpole, J. (2015). Multidimensional Data Display: Current Challenges and Potential Solutions. University of Virginia Research Report.
[4] Heinrich, J., Wwiskopf, D. (2012). State of the Art of Parallel Coordinates. In L. MSbert, Szirmay-Kalos (Ed.). EUROGRAPHICS 2013 — State of the Art Reports. The Eurographics Association.
[5] Guo H., Xiao H., Yuan X. (2011). Multi-Dimensional Transfer Function Design Based on Flexible Dimension Projection Embedded in Parallel Coordinates. In Proceedings of the IEEE Pacific Visualization Symposium, Hong Kong
[6] Eames, C., Eames, R. (1945). Case Study Houses #8 and #9. Arts and Architecture, Dec.
[7] Ford, E. (2003). The Details of Modern Architecture: 1928 to 1988 (Volume 2). Cambridge, MA: The MIT Press.
END
参考引用 / Source:
[1] Ripple, J. (2015). A Meta-Notation for Architects: How Architectural Drawings Can Borrow from Big Data Visualization. Landscape Architecture Frontiers, 3(3), 36-45.
翻译丨田乐 制作 | 汪默英
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《景观设计学》（Landscape Architecture Frontiers，简称LAF）由北京大学建筑与景观设计学院、高等教育出版社联合主办，中国城市科学研究会景观学与美丽中国建设专业委员会支持，俞孔坚教授担任主编。LAF为双月刊，刊号为CN10-1467/TU，ISSN号2096-336X，邮发代号80-985。全彩页印刷，每期主题集中阐述，中英双语呈现。
2014年，LAF成为中国国家广电总局首批认定学术期刊；2015年，成为CSCD核心库期刊来源刊；同年，荣获美国景观设计师协会年度交流类荣誉奖。2016年，入选中国（武汉）期刊交易博览会中国“最美期刊”；2016年和2018年，连续两届荣获中国高校优秀科技期刊称号。
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