“創(chuàng)成式設(shè)計”是由“Generative Design（GD）”翻譯過來的一種對設(shè)計系統(tǒng)和方法的表達(dá)，早期通常翻譯為“生成式設(shè)計”或“衍生式設(shè)計”，有些文獻(xiàn)和書籍上稱這種方法為“算法輔助設(shè)計(AAD——Algorithms-Aided Design）”或“計算性設(shè)計（Computational Design）”，建筑領(lǐng)域的人們習(xí)慣稱之為“參數(shù)化設(shè)計”。這種方法起源于建筑領(lǐng)域，最近的十年中在建筑設(shè)計和視覺藝術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但制造業(yè)領(lǐng)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(shè)計”成了制約增材制造大量應(yīng)用的瓶頸。于是GD方法開始引入產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，并率先在工業(yè)設(shè)計、珠寶設(shè)計等領(lǐng)域開始應(yīng)用。

近兩年，各大CAD廠商都相繼推出自己的相關(guān)產(chǎn)品，代表制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)邁進(jìn)GD的時代。同時國內(nèi)出現(xiàn)了“創(chuàng)成式設(shè)計”的翻譯表達(dá)。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(jī)及算法在設(shè)計過程中幫助設(shè)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(fù)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(xué)中的計算逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

最初的計算主要關(guān)注各種元素間的幾何關(guān)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(guān)系。更多的因素與形狀的關(guān)系（如力與形狀的關(guān)系）在當(dāng)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(dá)芬奇苦苦思索而始終不得其解的難題，荷蘭物理學(xué)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(dá)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(jì)末的建筑領(lǐng)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(shè)計師試圖通過研究材料、形狀和結(jié)構(gòu)之間復(fù)雜而關(guān)聯(lián)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)新穎和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。在當(dāng)時缺乏物理數(shù)學(xué)模型理論基礎(chǔ)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(fù)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(fēng)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(biāo)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(rèn)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(guān)系以及諸如色彩等更為細(xì)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?；诖死斫猓由纤鷮嵉臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)以及和數(shù)學(xué)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(yùn)動場館原型。他還成立了城市應(yīng)用數(shù)學(xué)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(shè)計在20世紀(jì)80年代被倡導(dǎo)，如今許多CAD應(yīng)用程序都提供了建立關(guān)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(shè)計的發(fā)展歷史來看，從古代基于幾何規(guī)則和關(guān)系的演算方法，到基于物理模擬和數(shù)學(xué)計算的找形方法，再到參數(shù)化方法，其中都蘊(yùn)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(jī)制 [百度百科] 。算法的計算不一定需要由計算機(jī)執(zhí)行，實際上，很多算法的出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于計算機(jī)的發(fā)明。不過，計算機(jī)的計算能力和編程技術(shù)的發(fā)展，確實為工程設(shè)計過程的算法操作和自動化提供了條件。

從20世紀(jì)80年代后期開始，學(xué)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(jī)和算法輔助設(shè)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(shè)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(xué)、風(fēng)載、采光、以及其他功能性也都在設(shè)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(shè)計師磯崎新設(shè)計）

圖 7? 澳門摩珀斯酒店 （扎哈設(shè)計）

圖 8?? 北京大興國際機(jī)場（圖片來源于互聯(lián)網(wǎng)）

在運(yùn)用算法方面，視覺藝術(shù)領(lǐng)域晚于建筑領(lǐng)域，但是，在利用計算機(jī)程序“生成”藝術(shù)方面還要更早。上世紀(jì) 60 年代，就有人嘗試用機(jī)器自發(fā)地進(jìn)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?？臁，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(guān)。特別是在人與計算機(jī)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(shè)計師和藝術(shù)家們的這些探索也反過來推動了設(shè)計方法和工具的發(fā)展，并正在使它們發(fā)生革命性進(jìn)步。一些建筑設(shè)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(shè)計師通過編程方法探索設(shè)計方案的生成式設(shè)計系統(tǒng)，最著名的有：Rhino/GH，Revit/Dynamo，Bentley/GC；生成藝術(shù)相關(guān)軟件也有Processing、Sverchok for Blender等。許多設(shè)計師和藝術(shù)家很快意識到，更復(fù)雜的程序算法，特別是與先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)結(jié)合，將可以處理超出人類能力的復(fù)雜性，使計算機(jī)成為工程師們的智能助手。

現(xiàn)在生成式設(shè)計已經(jīng)成為一個新的交叉學(xué)科。與計算機(jī)技術(shù)的深度結(jié)合，使得很多先進(jìn)的算法和技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計中來。得到廣泛應(yīng)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(jī)（Cellular Automata (CA)）、拓?fù)鋬?yōu)化算法、進(jìn)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(jìn)化和后天免疫系統(tǒng)的適應(yīng)能力以及鳥類、蜜蜂、螞蟻和細(xì)菌的覓食行為等等，也被移植過來用作仿生生成設(shè)計或優(yōu)化的算法，有的已經(jīng)在首飾裝飾品設(shè)計、家居用品設(shè)計等方面實際應(yīng)用。

圖10 是模擬菌絲生長算法在實際中應(yīng)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(chǔ)，各種VR應(yīng)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(shè)計中的應(yīng)用實例（引自Nervous system）

前幾年生成式設(shè)計和藝術(shù)在上述各個領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用的如火如荼，可是在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域卻幾乎見不到應(yīng)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(fù)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(fù)雜形狀可以制造了。于是，設(shè)計師們想解除束縛進(jìn)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(shè)計”軟件，并且告訴工程師：你只需要輸入需求和約束，計算機(jī)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(shè)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(shè)計了嗎？我就是有疑惑的人之一。進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)原來大家是把早已經(jīng)有的拓?fù)鋬?yōu)化算法拿來開發(fā)成了創(chuàng)成式設(shè)計軟件，所以各家的宣傳資料上顯示的創(chuàng)成式設(shè)計的零件幾乎都是同一風(fēng)格的。

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

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

概念

什么是創(chuàng)成式設(shè)計？要全面回答這個問題，我想還是取它起源并已成熟應(yīng)用的建筑領(lǐng)域的理解更恰當(dāng)。創(chuàng)成式設(shè)計方法完全不同于傳統(tǒng)CAD的手工建模方法，創(chuàng)成式設(shè)計是通過編寫算法和程序來設(shè)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(shè)計程序，設(shè)計者必須知道如何分解設(shè)計邏輯，并且必須選擇適當(dāng)?shù)木幊淘貋肀硎净静糠忠约斑@些部分之間的關(guān)系。這些程序跟其他的計算機(jī)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(chǔ)算法或特別專業(yè)的算法可能是別人編好的，在設(shè)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(shè)計的程序。黑箱算法系統(tǒng)對于設(shè)計師來說，內(nèi)部是未知的，它通過設(shè)計師給的輸入直接給出輸出結(jié)果，拓?fù)鋬?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(chǔ)上，通過揭示系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能來認(rèn)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(shè)計師自己編寫?；蚁渌惴▽υO(shè)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(shè)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(shè)計思路往往能收到事半功倍的效果。顯然，白箱方法是設(shè)計師完全掌控的設(shè)計過程，而黑箱法相反，設(shè)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(shè)計方法

我們可以用一個公式——創(chuàng)成式設(shè)計=基于規(guī)則的編碼過程+結(jié)構(gòu)生長過程——來表達(dá)什么是創(chuàng)成式設(shè)計。因為創(chuàng)成式設(shè)計是通過編程進(jìn)行設(shè)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?；蚪M編碼創(chuàng)成式設(shè)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(shè)計

創(chuàng)成式設(shè)計是通過編程進(jìn)行的，設(shè)計師們的設(shè)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(wù)、設(shè)計目標(biāo)、功能、約束、幾何關(guān)系、變形規(guī)則等等，厘清它們的關(guān)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(xì)。有了這些規(guī)則模型后，就可以著手進(jìn)行編程了。

對于產(chǎn)品設(shè)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(shè)計的流程如圖14所示：設(shè)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(xué)判斷是通過人機(jī)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(shè)計目標(biāo)，結(jié)合仿真、優(yōu)化方法，由計算機(jī)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(shè)計的方法流程

關(guān)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(wù)經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)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(lǐng)域的領(lǐng)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(jìn)設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)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(jìn)設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。