FoAR 2020年度最佳论文（4）｜中国传统院落住宅的参数化：基于传统设计法则下四合院数字化呈现迭代的算法设计框架
F o A R 2 0 2 0
最 佳 论 文 奖
导读：本篇推送为摘录，不可直接引用。原版英文论文发表于《Frontiers of Architectural Research》2020年第4期，并获得“年度最佳论文奖”。为方便大家阅读，本篇摘录采用中文表达。感兴趣的读者，请点击文末左下方“阅读原文“，可免费下载原版英文全文。参考引用格式见文末。
Parametrising historical Chinese courtyard-dwellings:
An algorithmic design framework for
the digital representation of Siheyuan iterations
based on traditional design principles
中国传统院落住宅的参数化：
基于传统设计法则下四合院数字化呈现迭代
的算法设计框架
Yuyang Wang*, Asterios Agkathidis, Andrew Crompton
School of Architecture, University of Liverpool, Liverpool, United Kingdom
KEYWORDS:
数字设计 / 参数化设计 / 四合院 / 风水
工程做法则例 / 算法设计 / 运算设计
文 章 摘 要
作为一种具有重要文化价值的中国民居类型，很多北京四合院在近几年逐渐消失。针对为数不多的现存四合院实施保护是十分必要的，然而一些当代建筑师们缺乏对其设计法则的理解。基于风水学、《工程做法则例》，以及工匠经验的历史性分析，本文阐述了一种能够在4D CAD环境中生成四合院变体的参数化算法。该算法是由四合院原始设计法则转化而来，有助于了解四合院的类型学及维护。该算法在虚拟脚本环境中实现，以生成精确的历史或现存四合院的虚拟副本，从而揭示了隐含在中国传统建筑背后的运算规则。
△ 5种寓意吉祥的基址形状&2种寓意不吉祥的基址形状 (©本文作者)
内 容 简 介
受传统中国社会及文化因素的制约，北京四合院的建造形式体现了中国文化的重要元素。本文在四合院传统设计原则的基础上，采用算法的途径，提出了一种参数化生成四合院变体的交互工具。如今，仅存的传统四合院正面临着被遗忘的命运。由于是木结构，它们特别容易老化，同时也容易遭受火灾、潮湿和虫害等问题。自1949年至2009年，北京四合院中，超过80%的院落已被毁坏，以至于很难找到合适的案例来用于研究。 北京四合院不仅正在消失，同时对于四合院设计的理解并没有很好地传递给新一代的建筑师们。研究显示，很多当代建筑师们并不了解中国传统建筑构造原理和空间质感。尽管中外客户都期望可以建造或居住在这样的四合院住宅中，然而，由于建筑的比例和尺度、对称与均衡都并不恰当，大多数这类宅院建筑都不能被称作真正的四合院。北京观堂中式宅院别墅项目就被认为是典型的“假”四合院。该项目的单栋别墅本应依照传统北京四合院的样式进行设计，但其平面排布并非纵轴对称，房间尺寸也不合比例。可以说，该项目缺乏一个正统四合院的核心与灵魂，尽管开发商声称已将清工部《工程做法则例》中所记载的传统建筑尺度纳入项目设计当中。
运算性思维为更好地理解中国传统设计文献及图纸提供了一种新的途径。基于这一目标，我们在一个建筑师们都很熟悉的算法设计界面-Grasshopper中，将四合院设计法则转化为算法。然后，我们通过将该算法所生成的模型与现存的图纸实例进行对比来验证我们的工具。因此，我们希望可以回答以下问题：
我们可以将隐性的四合院设计法则嵌入到算法当中吗？
这种算法是否可以作为传统北京四合院建筑设计与模型生成的交互工具？
该工具是否能够生成与实际项目中多样化内容相对应的传统四合院变体？
本研究存在两个局限性。首先，我们关注的目标只针对于在北京最常见的四合院类型，因此并列式院落以及主院带花园式院落并不在研究范围内。其次，本文着重于研究四合院形制中的木构件，尚未考虑建筑装饰的细节。
△ 第一步：将基址周边的场地按方向分成8块 (©本文作者)
△ 第二步：观察场地内各方位存在哪些环境元素 (©本文作者)
△ 第三步：确定场地环境属于风水好还是风水不好 (©本文作者)
研 究 过 程
根据北京四合院的传统设计原则，我们把设计过程分解成四个步骤：场地选择、院落设计、单体建筑设计、重新定位单体建筑。在场地选择中，由于风水学的影响，场地周边环境和场地形态是评价场地质量的重要指标。同时，古时在建造时，房屋拥有者的身份地位、造价预算等因素也影响着场地的尺寸大小。因此，尺寸、环境、形态这三方面作为评价场地质量的重要因素，被转化为包含评价指标的算法写入到Grasshopper中用于模拟对场地质量的评估。在古代，没有关于院落设计原理方面的史料被流传，但是通过对风水学中追求吉利环境模式和记载在《京城乾隆全图》上的四合院案例的分析，我们用算法模拟了四个步骤：确定中轴线、确定出入口、划分院落、确定院落布局模式。对于单体建筑的生成，我们以《工程做法则例》上记载的大木小式建筑单体为依据，将设计原则中用于确定建筑构件尺寸和位置的运算法则转化成Grasshopper中的算法生成三维模型。基于实际四合院案例的分析，我们发现包括建筑单体在内的诸多构件可以在院落内轻微移动或旋转进行重新定位，因此我们用向量算法模拟此过程。在算法完成后，我们用其他学者提供的案例或研究结果对算法进行验证。由于完整的古代四合院实例非常稀少，我们采用了其他学者提供的案例样本片段用于验证。验证表明，此算法模拟场地环境的评价跟其他学者对风水评价方法的结论相同，且通过输入适当的参数，它可以生成与记载在《京城乾隆全图》上四合院案例相同的三维模型。
△ 依据庭院位置（前中后）和庭院类型（标准）生成四合院平面布局模型 (©本文作者)
△ 用向量算法模拟生成场地中心轴线示例 (©本文作者)
△ 基于5个参数的不同取值生成的不同尺度的18个单体建筑变体 (©本文作者)
本 文 成 果
本研究揭示了若干隐性设计法则，并将其转化为与风水学、《工程做法则例》，以及工匠经验相一致的一种算法。结果表明，本文所提出的算法工具具备生成高精确度的四合院类型的能力，并成功复制了传统四合院的关键特征。
四合院是清朝北京最常见的住宅类型，至今仍受追捧。之前，如若要设计一座四合院，建筑师们需要遵循一定的设计法则，通过复杂的手动演算来确定选址和构件尺寸。但是，如果使用这种计算工具，他们只需输入必要的参数，就可以自动生成三维效果图。与传统的设计和建模方法相比，我们的工具只需要几秒钟就可以通过输入参数生成模型。该算法易于使用，为四合院的模型设计及修改节省了时间。因此，其对从事以四合院为设计主题的当代建筑师们是具有借鉴意义的。
△ 通过Grasshopper中的算法输入参数就可以生成一个四合院模型 (©本文作者)
在单体建筑生成中，由于某些常量取值不同，导致我们的算法所生成的单体建筑及其木构架和基座与梁思成先生的研究结果有所不一致。这种差异可能由两种因素造成：一种可能是，梁先生对某些常数的记录可能有误，因为我们在他的研究中发现了一些自相矛盾的地方。我们注意到梁先生的《清工部工程做法则例图解》中若干构件的尺寸与他另一部著作《清式营造则例》中这些构件尺寸的计算结果不一致。第二种可能是，通过对已建成的四合院实例进行研究，我们发现这些常量值是因情况不同而变化的。因此，即使我们将《工程做法则例》中这些常量的原始值应用到我们的算法中去，也不可能正确地生成每一个已建成四合院的对应模型。据我们推测，可能是民间工匠们根据自己的个人经验而非法则手册，使用计算公式将设计法则代代相传，而在这个过程中，某些常量的数值被改变了。然而，通过将被影响的常量参数化，我们仍旧可以使用这个工具来生成四合院的设计。因为这些基址的形状边界通常都是不规则的，同时也存在很多不可控的因素影响设计成果，工匠们通常是即兴创作，在没有制约的情况下尽量接近预定的设想，因此即使在不合规则的环境中，也能产出近乎完美的形制。这也就解释了人们普遍所认同的“四合院是以某种完美模型为基础的院落形式”这一说法。
作 者 简 介
Yuyang Wang 王宇扬
利物浦大学建筑学硕士、博士候选人、新加坡国立大学访问学者
他主要从事算法模拟生成设计
关注传统中国建筑与计算机生成设计相关的课题
Asterios Agkathidis
利物浦大学建筑学院副教授、建筑硕士项目负责人、 a3lab研究中心发起人
他的研究领域主要包括数字化建造和算法生成设计
Andrew Crompton
利物浦大学建筑学院教授、前任院长
论文引用格式
Wang, Y. et al.，Parametrising historical Chinese courtyard-dwellings: An algorithmic design framework for the digital representation of Siheyuan iterations based on traditional design principles, Frontiers of Architectural Research, 9 (4) (2020), pp. 751-773
论文责编 | 华 好
推文编译 | 黄 越
Frontiers of Architectural Research（建筑学研究前沿，FoAR）是由和高等教育出版社联合主办的全英文学术期刊，已被A&HCI、Scopus、CSCD、DOAJ收录。FoAR 于2012年创刊，季刊（一年四期），在Elsevier平台上发行，开放获取（Open Access）。
期刊论文涉及领域包括建筑设计与理论、建筑技术科学、城市规划、风景园林、遗产保护等，覆盖建筑学、城乡规划和风景园林三个一级学科。本刊优先发表采用严格科学方法和前沿技术进行研究的学术论文，同时也欢迎探讨建筑社会属性的高水平文章。
期刊联系人
桂晓澜（高等教育出版社）： 010-58556484
呼小檬 （东南大学）：025-83795543
刊物邮箱：foar@pub.seu.edu.cn
在线投稿
www.editorialmanager.com/foar
刊物主页
http://www.sciencedirect.com/science/journal/20952635
http://journal.hep.com.cn/foar
《建筑学研究前沿》
长按二维码关注我们
