“創(chuàng)成式設計”是由“Generative Design（GD）”翻譯過來的一種對設計系統(tǒng)和方法的表達，早期通常翻譯為“生成式設計”或“衍生式設計”，有些文獻和書籍上稱這種方法為“算法輔助設計(AAD——Algorithms-Aided Design）”或“計算性設計（Computational Design）”，建筑領域的人們習慣稱之為“參數(shù)化設計”。這種方法起源于建筑領域，最近的十年中在建筑設計和視覺藝術(shù)領域得到廣泛應用，但制造業(yè)領域的人還對其一無所知。

近幾年，隨著增材制造技術(shù)的成熟，人們發(fā)現(xiàn)“設計”成了制約增材制造大量應用的瓶頸。于是GD方法開始引入產(chǎn)品設計領域，并率先在工業(yè)設計、珠寶設計等領域開始應用。

近兩年，各大CAD廠商都相繼推出自己的相關產(chǎn)品，代表制造業(yè)產(chǎn)品設計已經(jīng)邁進GD的時代。同時國內(nèi)出現(xiàn)了“創(chuàng)成式設計”的翻譯表達。這并不僅僅是噱頭，而是包含了對這種方法的更深層次的理解，更明確了計算機及算法在設計過程中幫助設計師創(chuàng)新、探索更廣泛的解決方案的能力。

起源與發(fā)展
早在文藝復興時期，受維特魯威(Vitruvius)（古羅馬建筑師）的著作（被稱為《建筑十書》）對建筑師的影響，建筑學中的計算逐漸成為人們關注的焦點。

最初的計算主要關注各種元素間的幾何關系，并開發(fā)了一些方法（或稱算法），在指南針和直線的幫助下，可以推演和計算幾何關系。更多的因素與形狀的關系（如力與形狀的關系）在當時還是難題。比如，現(xiàn)在我們已經(jīng)了解的“懸鏈線問題”就曾經(jīng)是達芬奇苦苦思索而始終不得其解的難題，荷蘭物理學家惠更斯也僅僅是用物理方法證明了這條曲線不是拋物線，但沒有找到最終答案，直到幾十年后（與達芬奇的時代時隔170年），雅各布?伯努利再次提出這個問題，并被他的弟弟約翰?伯努利找到了正確答案（引自百度百科）。

19世紀末的建筑領域出現(xiàn)的一種新方法——找形（form-finding），可以解決類似懸鏈線的問題。一些先驅(qū)建筑設計師試圖通過研究材料、形狀和結(jié)構(gòu)之間復雜而關聯(lián)的關系，發(fā)現(xiàn)新穎和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。在當時缺乏物理數(shù)學模型理論基礎的條件下，“找形”是依賴于物理模擬裝置來實現(xiàn)的，例如：通過肥皂泡發(fā)現(xiàn)最小表面；通過懸垂織物，發(fā)現(xiàn)只受壓力的拱頂和分支結(jié)構(gòu)等。

圖 1? 懸垂織物實驗及優(yōu)化的拱頂形狀 [1]

隨后的幾十年中，“找形”成為確定優(yōu)化結(jié)構(gòu)的形狀和形式的重要策略[1]。但是，這種物理實驗方法模擬的結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往是單參數(shù)的（比如基于重力）情況，對于更復雜的情況，這種方法并不能滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需求。就像新月沙丘的形狀是由風力和重力共同作用形成的一樣，實際的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀也受多參數(shù)的影響，它是目標與各種各樣的參數(shù)交互作用的結(jié)果。

圖 2? 單參數(shù)物理試驗與多參數(shù)自然形成的形狀 (左圖引自[1]，右圖來源于互聯(lián)網(wǎng))

1939年，意大利建筑師路易吉?莫雷蒂(Luigi Moretti)首先提出了“參數(shù)化建筑”的定義。他認為建筑中的形式是由光影、建造肌理、體量、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)、材料的密度和品質(zhì)、表面的幾何關系以及諸如色彩等更為細小的參數(shù)形成的。形式的差異是由這些不同的參數(shù)差異造成的。基于此理解，加上他扎實的數(shù)學基礎以及和數(shù)學家Bruno De Finetti的合作，讓他得以在1940-42年就著手發(fā)展建筑參數(shù)化研究，并延續(xù)到戰(zhàn)后。

1960年威尼斯雙年展上，Moretti展出了一系列通過參數(shù)化計算得出的運動場館原型。他還成立了城市應用數(shù)學演算研究院（IRMOU），推演城市中交通流量的變化以利控制 [豆瓣日記] 。參數(shù)化設計在20世紀80年代被倡導，如今許多CAD應用程序都提供了建立關系和使用變量的能力。

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圖 3? Moretti參數(shù)化體育場館模型 [1]

從建筑設計的發(fā)展歷史來看，從古代基于幾何規(guī)則和關系的演算方法，到基于物理模擬和數(shù)學計算的找形方法，再到參數(shù)化方法，其中都蘊涵了計算方法，我們可稱之為“算法”。算法（Algorithm）是指解題方***而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機制 [百度百科] 。算法的計算不一定需要由計算機執(zhí)行，實際上，很多算法的出現(xiàn)遠遠早于計算機的發(fā)明。不過，計算機的計算能力和編程技術(shù)的發(fā)展，確實為工程設計過程的算法操作和自動化提供了條件。

從20世紀80年代后期開始，學術(shù)研究和前衛(wèi)實踐者試圖擺脫繪圖軟件的簡單編輯限制，他們探索了“從內(nèi)部”操縱軟件的新方法，旨在通過編程找到未探索過的解決方案和形態(tài)。借助于計算機和算法輔助設計的建筑已經(jīng)發(fā)生徹底的改變，圖4 —— 圖8是其中的例子，用這種方法設計的各式新奇的建筑還有很多，它們不僅僅是外觀炫酷，其空間、結(jié)構(gòu)力學、風載、采光、以及其他功能性也都在設計中考慮和計算。

圖 4? 阿利耶夫文化中心 （圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)）

圖 5? 水立方、鳥巢 （圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)）

圖 6卡塔爾國家會議中心（日本設計師磯崎新設計）

圖 7? 澳門摩珀斯酒店 （扎哈設計）

圖 8?? 北京大興國際機場（圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)）

在運用算法方面，視覺藝術(shù)領域晚于建筑領域，但是，在利用計算機程序“生成”藝術(shù)方面還要更早。上世紀 60 年代，就有人嘗試用機器自發(fā)地進行藝術(shù)創(chuàng)作。因為藝術(shù)創(chuàng)作沒有約束，探索的空間更大，因此生成藝術(shù)（Generative art）發(fā)展的非常快?，F(xiàn)在我們看到各種神奇的視覺效果、影視的各種特效、圖片處理軟件、魔術(shù)等等，都與生成藝術(shù)相關。特別是在人與計算機的交互方面，生成藝術(shù)已經(jīng)發(fā)展到很高的水平。例如，圖9 就是我在Silk–Interactive Generative Art 網(wǎng)站隨手幾筆畫出的一幅畫。

圖 9? 交互式生成-對稱之美

設計師和藝術(shù)家們的這些探索也反過來推動了設計方法和工具的發(fā)展，并正在使它們發(fā)生革命性進步。一些建筑設計軟件也從支持簡單參數(shù)化的CAD繪圖軟件，發(fā)展出了滿足設計師通過編程方法探索設計方案的生成式設計系統(tǒng)，最著名的有：Rhino/GH，Revit/Dynamo，Bentley/GC；生成藝術(shù)相關軟件也有Processing、Sverchok for Blender等。許多設計師和藝術(shù)家很快意識到，更復雜的程序算法，特別是與先進的計算機技術(shù)結(jié)合，將可以處理超出人類能力的復雜性，使計算機成為工程師們的智能助手。

現(xiàn)在生成式設計已經(jīng)成為一個新的交叉學科。與計算機技術(shù)的深度結(jié)合，使得很多先進的算法和技術(shù)應用到設計中來。得到廣泛應用的創(chuàng)成式算法包括：參數(shù)化系統(tǒng)、形狀語法（Shape Grammars (SG)）、L-系統(tǒng)（L-systems）、元胞自動機（Cellular Automata (CA)）、拓撲優(yōu)化算法、進化系統(tǒng)和遺傳算法等。

還有很多受生物和自然系統(tǒng)啟發(fā)而開發(fā)的算法，例如遺傳進化和后天免疫系統(tǒng)的適應能力以及鳥類、蜜蜂、螞蟻和細菌的覓食行為等等，也被移植過來用作仿生生成設計或優(yōu)化的算法，有的已經(jīng)在首飾裝飾品設計、家居用品設計等方面實際應用。

圖10 是模擬菌絲生長算法在實際中應用的實例（引自Nervous system）。此外，生成的數(shù)字化模型也為VR模型的創(chuàng)建奠定了基礎，各種VR應用，如VR方案展示、VR電子沙盤、VR建筑館等都得以實現(xiàn)。

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圖 10? 菌絲算法在裝飾品設計中的應用實例（引自Nervous system）

前幾年生成式設計和藝術(shù)在上述各個領域已經(jīng)應用的如火如荼，可是在制造業(yè)產(chǎn)品設計領域卻幾乎見不到應用。也許是因為制造工藝（特別是減材工藝）的約束限制了產(chǎn)品的復雜度，缺乏這方面的需求吧。但近年來隨著3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，原來無法制造的復雜形狀可以制造了。于是，設計師們想解除束縛進行創(chuàng)新，但卻發(fā)現(xiàn)自己缺乏想象力。

隨之，各大CAD廠商紛紛推出自己的“創(chuàng)成式設計”軟件，并且告訴工程師：你只需要輸入需求和約束，計算機就會給你成千上萬個方案。很多人相信了，但也有些人心存疑問：難道設計軟件已經(jīng)發(fā)展到如此智能程度了？難道已經(jīng)不需要工程師去設計了嗎？我就是有疑惑的人之一。進一步了解后發(fā)現(xiàn)原來大家是把早已經(jīng)有的拓撲優(yōu)化算法拿來開發(fā)成了創(chuàng)成式設計軟件，所以各家的宣傳資料上顯示的創(chuàng)成式設計的零件幾乎都是同一風格的。

圖 11? 幾家CAD廠商的創(chuàng)成式設計宣傳圖片（圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)）

直到現(xiàn)在，工業(yè)領域的很多專業(yè)人士依然認為：建筑領域所用的生成式設計方法只能做一些外觀設計，只有基于力學仿真的方法才是設計的正路。其實，這未免太有失偏頗了。如果這種認識占據(jù)主導，將會影響創(chuàng)成式設計方法在工業(yè)領域的發(fā)展速度。

概念

什么是創(chuàng)成式設計？要全面回答這個問題，我想還是取它起源并已成熟應用的建筑領域的理解更恰當。創(chuàng)成式設計方法完全不同于傳統(tǒng)CAD的手工建模方法，創(chuàng)成式設計是通過編寫算法和程序來設計的過程，可見的模型是執(zhí)行算法和程序的結(jié)果。為了編寫設計程序，設計者必須知道如何分解設計邏輯，并且必須選擇適當?shù)木幊淘貋肀硎净静糠忠约斑@些部分之間的關系。這些程序跟其他的計算機程序一樣，是按照一定的規(guī)則邏輯編寫的，其中有一些基礎算法或特別專業(yè)的算法可能是別人編好的，在設計師編制自己的模型生成算法時調(diào)用即可。

我們可以用黑箱、白箱、灰箱來幫助理解創(chuàng)成式設計的程序。黑箱算法系統(tǒng)對于設計師來說，內(nèi)部是未知的，它通過設計師給的輸入直接給出輸出結(jié)果，拓撲優(yōu)化算法就是比較典型的一種黑箱。白箱算法是建立在對系統(tǒng)的組分構(gòu)成及其相互聯(lián)系有透徹了解的基礎上，通過揭示系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能來認識包括系統(tǒng)輸入與輸出在內(nèi)的整體特性，這種算法通常都是由設計師自己編寫。灰箱算法對設計師來說部分已知，而其余部分則是未知的，在有些情況下，設計師可以部分地采用現(xiàn)有算法，而不必深入了解這種算法是怎么編寫的，這時候采用灰箱設計思路往往能收到事半功倍的效果。顯然，白箱方法是設計師完全掌控的設計過程，而黑箱法相反，設計師看不到也不能修改算法，只能看到結(jié)果。

圖 12 白箱、灰箱、黑箱設計方法

我們可以用一個公式——創(chuàng)成式設計=基于規(guī)則的編碼過程+結(jié)構(gòu)生長過程——來表達什么是創(chuàng)成式設計。因為創(chuàng)成式設計是通過編程進行設計，程序是按照一定的規(guī)則邏輯編寫的，所以程序生成的模型是所有符合所編的規(guī)則邏輯的結(jié)果，它們很多，可能是成千上萬個模型。這本質(zhì)地區(qū)別于CAD手工建模的方法，手工建模的結(jié)果是一個具體的模型，而程序建模包含了所有符合規(guī)則的模型，我喜歡用“物種”這種描述來比喻所有這些生成的模型。用我們非生物專業(yè)的淺顯理解：一個物種會有多種表現(xiàn)形式，但是我們一眼能夠看出他們是同類。

那么，什么決定了一個物種是這種而不是那種？我們可以理解為是基因組編碼的規(guī)則、邏輯順序、以及內(nèi)部變量取值的范圍。什么決定一個物種中個體的表現(xiàn)形式呢？我們可以理解為是外部環(huán)境條件等環(huán)境變量。基因組編碼創(chuàng)成式設計程序，確定環(huán)境變量很像我們的優(yōu)選過程。

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圖 13? 理解創(chuàng)成式設計

創(chuàng)成式設計是通過編程進行的，設計師們的設計思維模式和工作過程也更像是一個程序員。他們不再需要在腦子里想出具體的形象，而是需要圍繞任務、設計目標、功能、約束、幾何關系、變形規(guī)則等等，厘清它們的關系，并且可以用規(guī)則來描述它們，這一描述規(guī)則的過程我們可以稱為基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），但這比現(xiàn)在各家所推的MBSE方法所分解的顆粒度更細。有了這些規(guī)則模型后，就可以著手進行編程了。

對于產(chǎn)品設計工程師來說，寫代碼可能是不擅長的，可以選擇可視化編程的軟件。創(chuàng)成式設計的流程如圖14所示：設計師選擇生成模型的策略、編寫算法；算法自動地生成模型；模型的選擇依需求分為主觀選擇和客觀選擇，美學判斷是通過人機交互修改參數(shù)改變模型，觀察選擇，客觀選擇是根據(jù)客觀的設計目標，結(jié)合仿真、優(yōu)化方法，由計算機自動完成的。仿真、優(yōu)化過程本身也是通過算法實現(xiàn)的，因此，“最佳”是和創(chuàng)成式的建模程序一體化的。

圖 14? 創(chuàng)成式設計的方法流程

關于安世亞太

安世亞太具有23年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領域的領先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進設計領域處于領先地位，提出了基于增材思維的先進設計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進設計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。