摘要：文章对有机或无机自组织形态的相关原理运用自组织理论来分析数字形态生成设计的形态策略，包括重复、律动、功能驱动、对称与非对称、去中心化、自适应等；其中，表现作律动的形态是典型的“势”的扩散，是时间序列上的进化在空间上的表达，这一类似自然界中的不平衡的状态是自然演化的前提，但自然界形态形成机制复杂，自组织也只是其中之一，因此不能完全囊括受到自然界形态启发的生成设计；文章也用案例分析论证了数字形态生成设计与经典建筑美学间的形态差异。数字形态生成设计凭借数字化工具模拟自然形态，探索自然形态的策略优势，经济和效率可能是形态背后的根本逻辑。

关键词：数字形态生成；重复；节律；自组织；形态

引言

当自然学家Joseph Banks第一次在苏格兰的Staffa岛上发现芬戈（Fingal）岩洞时，他被洞口接近于棱柱体的布列整齐的岩石震撼到，他写道：“相较于这些，那些教堂和宫殿显得微不足道，就像这些石柱和大自然比一样渺小。建筑师唯一能张扬的秩序在这里被发现自然已经默默地深耕了百万年。”过去数十年间，有机形和形态学的概念已逐渐在科学领域引起重视，尽管有机形研究很明显在20世纪后半叶被排除在主流的生物科学和进化理论以外，因为形态学被认为是描述性和边缘学科，无法推进新的达尔文进化理论，但现在，形态学概念和方法已经重新回到主流科学研究视野下。下面我们从包括有机物和无机物的自然对象及仿生形态的数字形态生成设计两方面考察较为典型的形态策略。

一、秩序

S. A. Kauffman在《秩序的起源》中曾说过：“简单和复杂的系统呈现……自发的秩序，即是自组织的表达。”①我们能在大部分形态生成案例中发现图案化的秩序，这种秩序在单体有规律的不断重复中得以强化，秩序源于对自组织对象案例的借鉴。自然界中没有统一的图案形成理论，但仍有可能梳理出一些共同的规律。

（一）重复

由于数字形态生成设计源于对生物形态的模拟，而生物体的形成机制中最基础的路径是相同个体的自组织，因此形态相同和近似的个体不断重复是数字形态生成设计最显著的特征之一；无论是类似芬戈石阵这样的无机物或是蜂巢蚁穴这样的有机形态，重复的单体按数理规律排列都是自组织机制发挥作用的证据。个体尺寸形状、布列方式存在差异，有其各自原因，但基本上就自然选择来说，对已有结构及其进化过程做出调整较之于进化出一套新的适应性结构似乎容易得多。因此自然选择通过在自组织系统中修正参数而非为每一个新结构衍生出新机制来生成新的自适应结构和图案，就好像哺乳动物皮毛上和贝类壳体上丰富的图案形成机制一样。自组织图案的形成机制已得到共识②，这一假设中一个有趣的特征是类似机制可能解释了大量不一样的图案形成原因；过去大多数生物学家可能认为动物皮毛或贝类壳上的图案源于大量不同形成机制，但是自组织概念为我们提供一个新的思路，即大量不同图案来自同一机制，只是其中参数阈值存在差异。这给一种可能的解释奠定基础，认为有机物的属性或者是有机物群体发生的属性改变源于底层系统参数上的变化，这一机制能够实现的基础必定是大量具有相同或近似结构的单体的重复排列组合，就好像细胞或血管的分形特征，或者前面提到的芬戈石洞内呈阵列分布的菱形石柱。

自然界以一敌百的策略也决定了其形态上具备的“重复”属性。生物复杂大量的形态、生理及行为只需通过基因组内有限的基因信息来实现。譬如哺乳动物的免疫系统可以识别并对几乎无数的非自有抗体做出反应，要实现这点，一定存在一种机制经济的利用基因内有限的信息，自组织最让人着迷的一点正是这种利用有限资源最经济有效地应对复杂问题，以少胜多。

自组织过程中图形通过低层级对象的大量相互作用来实现，进一步说，定义相互作用的规则仅通过攫取本地信息来实现，而不必参照全局信息；简言之，图案是一种自发属性而非持续施加的有规律的外部影响给系统带来的属性。有理由相信这种自发属性是来自于系统内单体相互作用意外产生的系统特征，自发属性不能再简单经由孤立的个体来解释，而需要考虑个体间的互动关系，重要的是个体并不一定直接相互作用，也可能当个体行为对周边环境产生影响时间接对其他个体行为产生影响。

事实上，相同或近似预制构件的重复化设计也利用生产制作，加工运输，局部的复刻为造型的拓展变化提供可能，就像工业生产中重复的预制构件降低生产、运输、安装成本，有助于数字形态生成设计的推广。重复的形态让观者容易找到规律，视觉上更倾向于协调。例如，由SHoP Architects设计的290 Mulberry（图1右）是一个十三层楼的建筑，占地27000平方英尺，位于曼哈顿SoHo街区Mulberry和Houston的交叉路口，凹凸的立面化解了苛刻的道路红线要求，并成为当地饶有特色的地标建筑；又譬如，位于瑞士苏黎世的ETH Zurich为上海工艺美术博物馆设计的装置艺术Packed（图1左）包含409个单体构建，每个构建都由28层纸板压合，大小不一的组件相互套叠，方便两地间长距运输和安装。

（二）节律

个体在作用力驱动下排列组合，形态上表现为律动。事实上律动显示的是一种不稳定状态，内在驱动力更像是一种“势”的扩散，这种时间上的节律在空间维度上以变化的形状尺度方向和秩序等来表达（图2）。这一类似自然界中的不平衡状态也是自然演化的前提。自组织理论认为环境的随机影响可看作一种“系统的可能性”，凭借这种可能一些初始结构得以发生，律动是图案和结构诞生的初始条件，系统呈现的精巧图案通常是这些环境的随机特征衍生出的负反馈的结果，其对系统施加的物理限制有别于基因密码对有机物产生的影响。大体上，自组织图形能被视为个体相互作用实现的一种数理现象，这种现象最明显的反映在于其基于细胞单体的自组织过程。分离的元素，如细胞，经由简单的，仅同邻近细胞发生关系的局地规则有序地组合在一起。细胞自组织由John von Neumann和Stanislas Ulam在1950年提出，遵循一般数理法则：每一个细胞可视作一个在其物理状态下解读信息的“记忆体”。Von Neumann痴迷于这种自组织能否复制信息图案从而衍生出更复杂的数理状态，最终呈现出一种“思维”形态。细胞层面上的自组织运用复制和规则移动以构成复杂图案的能力在一部数学家John Horton Conway的论著《生命的游戏》中得以揭示，凭借细胞间自组织图案和数理关系联结的细胞在Wolfram的论著中也有深入研究。这里提到的图案，包括化学律动，能够在基于细胞自组织的模型中得以复制，表明复杂系统中普遍存在的自发生成的图案通常由一些相对简单的局地规则控制下的单体相互作用来实现。（图3）

苏格兰动物学家D’Arcy Wentworth Thompson③的方法是将看似离散的形式置于一种常见的变化的序列中以便能将其以这样的方式逐个变化形状，为后续的变形过程提供数学依据，就好比美国建筑师Greg Lynn在建筑形式发掘中所用到的方法一样。他的动画形态概念Animate Form着眼于强化一种几何形式上统一的过程，这一过程不再将各式建筑形态局限于静态或固定的类型，而是动态、可适应的模式，这种模式柔性地对不同外力或环境条件做出反应。在这类技术的背景下，几何体不再是离散的状态，而以一种变化的序列存在。Lynn用“动画形态”来定义它：在力场范围内没有静态，离散的形式，而是一种对外界力场以动态变形方式敏锐做出反应的易感的形和面，形态这时候是一个由一种状态变成另一种状态的连续序列，每一次弯曲，凸起或凹痕在任何时候即刻改变着整个形态的空间关系，每次改变都是临时性的，一旦成形，形态不会持续存在而是立刻消融并将内外部分互相置换，上下颠倒，面融入体，形在这里因为持续转化被视作瞬间的、多维的并需要多重条件的。因此，重塑成为模型塑造过程中的基本操作。

二、功能驱动

生物体形式和功能的契合是普遍存在的现象，事实上我们可能一直误解其源于基因作用。系统的正负反馈理论为我们提供新思路，同时，优雅的形式同功能间的不匹配为生物进化提供可能，给生物不断试错进化提供出口。骨是设计异常精巧的结构，它们在通常不可测的条件下支承静态和动态荷载，也必须满足运动、将功有效地由肌肉传导到外部世界等要求，驱动身体前进或停止前进 或受限条件下扭转躯体。假如工程师被要求从草图开始设计出类似骨这样的产品，很难想象他能比大自然做得更好，就好比腿和手臂的尺骨通常内部存在孔隙，类似房梁将珍贵的材料恰到好处地传递到需要它们的地方。骨内部以优雅的材料纤维网格支撑其负载，类似于精巧的哥特式教堂。骨如何驾驭这种精巧设计？关键在“内部稳定态”（homeostasis）。骨是一个活体动态的结构，大量不同种类的骨细胞持续更新骨的形态；一方面破骨细胞将微小的磷酸钙分离开来，以便其重新回到血液，同时骨细胞从血液中分离磷酸钙，钙化强化骨体。因此骨的结构基本上是破骨细胞撕裂和骨细胞重塑的协同作用的结果。

模仿骨骼致密的内部结构，伦敦一个名为“Osteobotics”（图4）的项目由AA School of Architecture设计研究实验室完成，可降解的聚己内酯高分子材料加热后，由机械手臂以四面体作基点向不同方向挤压牵拉并相互连接而成。构筑物在不同边际条件下显示不同结构密度，类似人类骨骼系统；又如University of Manitoba的Mark West教授主创的桁架项目C.A.S.T. BEAM将结构设计依托于复杂形态的参数表达；抑或是位于丹麦的Aarhus建筑学校完成的Unikabeton庇护景观项目受到Frei Otto树形柱的启发，发挥混凝土的塑性优势，曲面的外形同结构逻辑吻合，且集约利用材料，这些都是这类功能驱动形态的典型案例。当前的尝试虽远没能做到类似骨骼根据外力环境持续改变强度和密度那样结构精密，但受制于功能或环境尤其是外力，如重力、应力、剪力的结构形态仍可被视为数字形态生成设计的一个重要策略。

三、对称和非对称

关于数字形态生成设计的对称与非对称属性，Lynn更倾向于非对称的动态关系，这与生物学相关理论成果不无关系，英国基因学家William Bateson在他的1894年出版的著作《变异研究材料》中，应用生物形态名目否定了达尔文理论④。该书尝试找到那些进化和随机突变这类自然形态变化的原因，结果他认为自然持续性的多样化表达有自身法则。Bateson分别用对称和非对称图解了他的理论：传统观点认为有机体信息流增加导致高度对称和协同，减少相应导致形态非对称改变， Bateson据此可以断定对称是有机体同环境信息交换缺失或不足的表现，伴随信息流减少。Bateson的儿子人类学家信息理论家Gregory Bateson在20世纪中叶从信息理论和控制论层面推进了该研究⑤。对Lynn的项目来说，同样重要的还包括生物学家Thompson的著作《数学化的生物学》，凭借它Lynn否定了传统建筑观念。譬如史学家Rudolf Wittkower，建筑师Colin Rowe对文艺复兴时期建筑师帕拉第奥（Andrea Palladio）以及他的现代继承者柯布西耶（Le Corbusier）设计的一些单体建筑上的一些研究。就建筑平面分析上来说，两者都表现作一种基础的几何构架，即九宫格的形式，他们认为这种形式是经典建筑样式的组织形式⑥摒除一种纯粹的受制于理想化、一劳永逸的组织形态，Lynn提出一种基于数学的形式方案，一种区别于经典建筑或其他固定形态的建筑样式⑦，Lynn将有价值的形态塑造动机归因于Thompson 1917年的著作《生长和形式》。这种形态塑造从基础形态及非典型对象中提炼出典型对象持续衍生并系统化，目的在于依据物理动势行为和数学方法了解形式及变化，以便将形式转化作数学方程或包含函数的坐标系统。正如Thompson所说：“从形式静态的数学概念上获得其动态关系。”⑧方法论上的前驱体是一种坐标系统本身的动态关系，有机物的外形在初始阶段被描绘为工整的网格以便能通过扭曲变形网格将其系统转化为其他相关形态。

事实上，我们经常认为包括人类在内的生物通常采用行动猎食更加有效的对称方式，但事实是我们的左脸和右脸并非完全对称，存在细微差异，化学上称之为“对掌性”（Chiral）。而生物形态外观对称内部器官不对称也表明自然进化更侧重功能和效率的策略。

存在于自然界的很多图案的共同特征源于数学运算和等式，如今已为人知晓的黄金分割、图灵图案、斐波那契曲线、Voronoi图案、流体里的涡线、湍流、分形等，只要这些规则以连续等式的方式表达材料的传递和分布或是个体间的互动，所有描述皆倾向于以非对称或随机系统来表达，创造空间或个体临时的相互屏障，解决方式通常用类似边际条件这样的特定环境。瑕疵的出现，以及图案转换过程中独立于路径的滞后现象等来修正，但是本质上这些显示仿生的形态设计仍是一种形式不可预测的复杂系统。

四、去中心化

依赖去中心化控制的社会系统中个体刺激不仅来自工作推进过程中的“主动共识性”（Stigmergy），也来自于周边对象。“去中心化”被用以解释昆虫群体的社会组织，就像“主动共时性”，“去中心化”控制可以被视为自组织系统的基本特征，其指代一种特殊的“信息流构架”⑪。美国生物学家Seeley写道：“蜂巢内所有活动的协同不需要任何中心指令作用，……个体获取蜂巢信息决定任务内容，向其他个体发出必要指令……蜂巢内去中心化的事实告诉我们要了解协同过程如何产生必须首先了解个体如何获取蜂巢需求的整体信息。”

自组织的底层机制存在于个体间信息流的去中心化构架，个体不依赖掌握全局消息的领导者的指令，近年来人工智能研究也引发了对去中心化研究的兴趣，多主体系统中大量研究集中在有效运算法则及机器人，还有受昆虫群体启发等模型的演绎等问题上。

“主动共识性”同“去中心化”控制及自组织间的关系变得愈发明晰。在去中心化系统中，个体独立采集信息并独立研判。“主动共时性”是从周边获得信息的“去中心化”系统处理信息流的途径之一；“去中心化”系统中信息流的其他途径包括个体之于个体、群体之于个体间的信号传递，这种“去中心化”的信息流为自组织系统中个体间的交互提供途径。

数字形态生成设计的组织方式是动态的，复杂的，随时在同环境交换信息，满足形态所在情境变化的需求。这就决定其不可能像传统建筑那样先有蓝图，再按部就班建造，然后屹立百年，人们只能被动适用其形态，如变古老城堡的居住功能为新的博物馆的教育功能。“去中心化”的组织形式具备局限性，非对称、不稳定态更适应当前形态生成设计要求，但局部不断变化的同时不太会造成其与整体的割裂，因为就像自组织对象复杂的反馈系统和多重组织途径保证形态的统一。

五、自发适应性

数字形态生成设计中的形态创建过程的一个重要特征是仅需要施加在衍生步骤中的一个小的变化⑨，这样建筑师的创造力主要表现在过程控制的各因素、形式相关的功能系统以及对作为底层的边际条件进行描述或创新，规则和条件更多时候依据所呈现何种图形或形态来被定义。Lynn的“动画形态”作为一种模型创建途径组织各样系统以生成潜在形式。

这种自发适应性有时表现为动态反馈，模型不再被视作静态的组合体或暂时描述的一种形态的对象，它们更多时候是动态的，任何时候可变并对环境自适应。自组织系统的一个醒目特征是双态性（bifurcation）——一种图案向另一种图案转化时仅凭借一个小的系统参数变化，开启某一个参数引发全新图形内容。在Dendroctonus的例子中⑩，一个可变参数是创建的初始密度，它决定一种名为Dendroctonus的甲虫虫卵的分布形态和动力形态；在Bénard对流系统中一个可变参数是施加在实验皿的总热量，关系到添加在油层里铝粉的图案形态。参数的变化可能导致系统状态产生剧烈变化，因为系统现在可能循着完全不同的轨迹抵达另一种状态，大多数自组织系统有多个可变参数。德国斯图加特大学计算机辅助设计中心的Achim Menges设计的装置上（图5），沿对角覆盖的木皮在湿度变化时会自动卷起，以营造通风环境。所有木皮形状都有所差异，需要用CNC或激光定制加工。这里的可变参数是环境的湿度和温度，其变化成为形态改变的一个触发因素，也是系统对环境因素的反馈，Menges的另一个项目也具备相同机理：HygroScope是一个能感知环境形态生成的设计，曾在巴黎蓬皮杜中心展示。项目探索一种依赖材料固有行为和数字形态生成设计的创新反馈结构模型，木材对湿度的不稳定性被用来构建一种对气候变化高度敏感的表皮系统，不需任何技术手段自动实现开张闭合以调节环境湿度。其他案例还包括MIT 的Skylar Tibbits设计开发的自组织机器人链能应对环境生成无数形态可能，利用程序实现智能的动态反馈。当然，当前这样的动态反馈和自适应还未能达到自然界自组织系统那样复杂的参数和通路设置，但代表未来数字形态生成设计的重要趋势。

结论

物理形态具备的规律在社会形态上也具备参考意义，自组织事实上一直是生命有机个体、群体包括人类社会存在的方式之一。自然既有序又无序，数字形态生成仍然是对前序形态范式的否定， 先进工程技术支撑的光怪陆离不应该成为我们对形态生成设计的固定印象。作者曾在“诧寂或数字形态生成设计”一文中比较了两种典型的审美趋向，当焦虑应该选择谁时，结论是无法选择。两者只会在各自轨道中交汇碰撞，这点类似自组织机制中的正负反馈，一只手让我们放慢脚步，沉溺在过去；另一只手让我们奋力地创造奇幻未来。这种振荡过去一直在发生也必将持续，新技术让我们更高效地改造地球，可日趋严峻的环境问题提示这种高效可能让人类更快接近终点。因此传统美学中一种回归的力量某种程度上说是在让人类放慢前进的脚步，回归理想的初衷，因为“世界需要多元文化相互博弈”。当我们认为某种文化现象或审美趋势不合理时，它一定在特定条件或时间段内具备存在的合理性，就像当我们嘲讽某种行为或品位时，那是因为我们不了解当事人的成长经历。那些古拙的类似传统的帕拉第奥的经典建筑样式没必要习惯性地同数字形态生成设计一较高低，就好像资源信息爆炸的今天我们也没能企及旧时诗词书画的高峰。树立多元的审美偏好，提升建筑使用周期内的能源利用效率，避免大拆大建造成的资源浪费和环境破坏也许才是各种形态策略的最终要义。数字形态生成设计除了形态还有形态背后的意义，开发利用符号背后的生态隐喻，就像Wakanda黄金城之于《黑豹》，哥特建筑之于《唐顿庄园》，北京大宅之于《霸王别姬》。将形式符号用电影、文学、游戏娱乐、商业设计等作为载体积累一种值得关注的“文化现象”，无论有意无意，社会都会继续书写形态背后的故事。

文章罗列的仅是一些最典型的形态策略。作者的另一篇文章“材料驱动下的数字形态生成设计”讨论了材料对形态的影响，一些案例中还探讨了形态的生态隐喻，即用一些具备强烈生态寓意的材料暗示形态设计之于环境的意义等。而且这些形态策略并非相互独立，而是互为因果；我们可能发现一些论证原理似乎可以相互借用，策略归纳只是从不同视角解读；如非对称性是建筑师以更有效方式应对外部条件环境的形态策略，而参数的触发机制使得信息在复杂的自组织系统中放大必须依赖各种层级结构，所有这些又以重复衍生的单体为初始点，表达为秩序化的图案。总之，它是一种颠覆我们之前固有建筑形态印象的认知，就像文章开头提到的将帕拉第奥的经典样式和芬戈洞口的石柱群相比显得微不足道，数字形态生成设计中，无论采用何种形态，经济和效率可能都是背后的根本逻辑，这也是大自然一直尝试告诉人类的法则。就好像爱因斯坦说过的那样：“仔细观察自然，你可能豁然开朗。”⑪

高等学校国内访问学者“教师专业发展项目”（FX202040）

注释：

1. ①Stuart A.Kauffman.The Origins of Order：Self-Organization and Selection in Evolution [M]. Oxford：Oxford University Press，1993.

2. ②Ermentrout et al. Parabolic Bursting in an Excitable System Coupled with a Slow Oscillation[J].SIAM Journal on Applied Mathematics，1986（46-2）：233-253.

3. ③Höfler，Carolin. Doppelte Monster，infizierte Körper. William ateson，D’Arcy Thompson und die computerbasierte Architektur[J].Bildwelten des Wissens：Kunsthistorisches Jahrbuch für ildkritik，2013（9-2）：7-17.

4. ④William Bateson.Materials for the Study of Variation：Treated with Especial Regard to Discontinuity in the Origin of Species[M].London：Macmillan，1894.

5. ⑤Gregory Bateson.Steps to an Ecology of Minds：A Revolutionary Approach to Man's Understanding of Himself [M]. San Francisco：Chandler，1972.

6. ⑥Rudolf Wittkower.Architectural Principles in the Age of Humanism [M]. London： The Warburg Institute，1949.

7. ⑦Greg Lynn. Folds，Bodies & Blobs：Collected Essays. Books-by-Architects [M]. Brussels：La Lettre volée. 1998：11.

8. ⑧D’Arcy Wentworth Thompson.On Growth and Form. Abridged edition. Edited by John Tyler Bonner （1917）[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1961.

9. ⑨Trautz Martin.Formfindung versus Formgebung[J]. Bauwelt，2004（21）：14.

10. ⑩Deneubourg JL，JC Gregoire，E. Le Fort. Kinetics of the larval gregarious behaviour in the bark beetle Dendroctonus micans[J].Journal of Insect Behavior，1990（3）：169–182.

11. ⑪"Look deep，deep into nature，and then you will understand everything better."--To Margot Einstein，after his sister's Maja's death，1951; quote by Hanna Loewy in A&E Television Einstein Biography，VPI International，1991.

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