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自创生建筑系统的来源与发展简论

  • Update:2012-02-20

        在现代建筑大师密斯•凡•德罗的私人藏书中,有大量科学与哲学方面的书籍。其中,生物学书籍占有不小的比例,仅是十九世纪二十年代的法国植物学家劳尔•弗朗斯(Raoul Heinrich France)一个人撰写的专著就有四十多本。 这与通常人们对密斯的印象大相径庭:一般说来,现代建筑较为强调技术,强调建筑与大工业社会变革的协调,而不强调建筑的有机性,或者说与自然界的联系。谈到建筑与自然界的联系,人们更多地会联想到美国建筑大师赖特的有机建筑学,而不是密斯的建筑。尽管人们并没有在密斯所设计的建筑中看到某种直接影响,但是这种影响并不一定要反映在建筑形式上:密斯从生物学那里获得的是一种世界观,一种看待建筑与自然环境之间关系的视角,而不是形式。总的来说,密斯并不是第一个受到生物学影响的建筑师,更不是最后一个。生物学与建筑学之间的连结,早在十九世纪末就已开始。不过,在数字技术越来越发达的今天,这种联结将越来越紧密,并以更多的方式呈现。


渐成与预成

        在生物学历史上,进化观念在相当晚的时期也就是十八世纪才逐渐形成。伟大的古希腊哲学家和博物学家亚里士多德似乎是第一位发展进化论的理想人物。他是一位杰出的观察家而且首先了解到有生命的自然界的逐渐变化,并提出了生物体渐成说(epigenesis)。他认为,“自然界是按连续不断的顺序由无生物经植物而最后形成动物的。” 后来的学者将亚里士多德的这种认识概括为“自然界阶梯”概念。严格地说,亚里士多德并不能被归入进化论的阵营,因为他的进化论是静态的,生物的属性在他看来是永恒不变的。

        从十七世纪开始,伽利略、牛顿和笛卡尔等当时的科学家们所持有的机械论世界观对亚里士多德的渐成说产生了严重挑战。这些著名的物理学家和数学家都崇拜上帝,他们都是严格的神创论者,都是预成说(preformation)的坚决拥护者。机械论世界观在当时占有统治地位,它不需要也不能容忍进化论,因为宇宙由上帝创造,之后又确定了运动定律,而这一切都由上帝的绝对意旨所认可。对于一个相信宇宙是完美无缺的人来说,稳定、独创、由普遍规律维系着的世界就是一切。尽管十八世纪的学者在石油中发现了细菌生命体,但他们不承认自然界有任何内在的创造力,他们认为细菌生命体的出现完全是因为上帝造物,由超越性因素所决定。

        作为进化论的鼻祖之一,十八世纪法国博物学家布丰(Count de Buffon)首先提出了生命内在动力说。他认为,有生命的物质是由自发的化学化合作用所不断产生,有机分子自然结合形成一切基本物种的第一个个体,而这样形成的原始个体就是物种的原型。德国生物学家沃尔夫(Caspar Friedrich Wolff )进一步发展完善了布丰的内在动力说。他强烈反对生物学中的预成说,认为新生命体产生于无组织的内在力。他认为,器官在早期发育过程中根本不存在,器官是由简单组织的逐渐分化为复杂的组织和结构,然后发育成器官。德国学者布鲁门巴赫(Johann Friedrich Blumenbach)将沃尔夫的“内在动力”说发展为“形式驱动”说。他认为“形式驱动”是连续不断的自组织生命形式的产生原因。在这个过程中,动态物质逐步定形。二十世纪七十年代,两位智利生物学家马图拉纳(Humberto Maturana )和维莱拉(Francisco Varela)进一步发展了渐成说,并提出了著名的自创生(autopoiesis)理论。自创生理论最核心的思想是:生命就是那些所有的部件和过程都联合起来生产那些可以自我生产的实体,并把它们正确组织起来的一个系统。

        随着时间的推进,生物学中的渐成说逐渐影响了其他门类的自然科学和社会科学,甚至成为人文领域中自治(autonomy)理论的基础,包括艺术、美学、哲学、政治甚至会涉及到像婚姻这样的社会问题。这种影响同样波及到建筑领域。由于渐成说与预成说之间在历史上的复杂矛盾关系,这些学科对自创生或渐成说的讨论往往都以某种二元概念方式呈现,比如渐成说与预成说、创造与模仿、象征与修辞、有机主义与机械主义、自主与形而上、属性建构与形式反复。同时,渐成说在发展过程中形成的一系列相关概念,比如自创生系统、自生成(self-generation)和自组织(self-organization)等等,也逐步成为这些学科内部的关键词。 在建筑学的发展过程中,渐成说与预成说之间的矛盾同样清晰可见,而自由形式、自生成形式或自创生建筑正是建筑学利用来摆脱“渐成说”的重要手段。

        事实上,建筑师寻求自创生和自生成的历史至少可以追溯到十九世纪。当时,在工业化和大规模生产的新动力驱使下,一些荷兰建筑师试图发展出一套废除预先决定论的“现代建筑”风格。他们借助比例和几何建构作为生成工具,而不是借鉴已有的形式风格。他们希望找到一种结果不是在开始就被预先确定的设计过程。他们认为,这些形式的有效和价值是通过几何法则来保证,而这些几何法则的权威又是建立在其自身的本质属性基础上。在这些荷兰建筑师中,最著名的当属贝尔拉格(Hendrik Petrus Berlage,1856-1934)。在他设计的阿姆斯特丹股票交易所中做了依据的就是古埃及三角定理(勾股定理)。在1907年,贝尔拉格发表了一系列演讲稿和出版物,来阐述他的建造原则和法则。他试图根据自然法则为设计寻求一种客观性基础——包括构成(construction)的特殊性以及形式、线条和颜色的布局。贝尔拉格认为这些原则也是宇宙形成的法则:大自然的固有法则和程序不会导致愚蠢的重复和千篇一律,因为大自然通过重复基本形式和元素将产生无限的生物和动物。也就是说,自然界变化无穷但又不随意,由环境和比例共同控制,由关系(更精确的说是组织)来控制。这导致了贝尔拉格在对艺术与自然的理解中加入了数学。他写道:

“我只需要提醒你们注意星形生物体橄榄状形式与其行动路线的纯几何形态之间的联系;注意植物、花朵和不同动物的形状与其局部纯粹几何形象布局之间的联系;注意水晶体与其纯立体几何形式之间的联系,甚至某些水晶体能让人特别联想到哥特风格形式。最后,我还要提醒你们注意低级生物与植物奇妙的秩序系统,这些低级生物很晚的时候被我们利用显微镜所认识,而这已经成为我的系列装饰图案的设计动机。”

        值得注意的是,在贝尔拉格提出一套基于几何关系的建筑构成法则的同时,德国建筑师彼得•贝伦斯(Peter Behrens)也利用类似的比例系统提出自己的一套建筑构成理论。不过,与贝尔拉格的理论相比,贝伦斯更加保守,也不想打破古典主义的构成法则。对贝伦斯而言,几何构成了一种建筑中预先存在的元素,有了这个要素,将提升德国建筑、景观和家具文化到更高的层次。与贝伦斯不同,贝尔拉格认为建筑是构筑在一种活生生的几何基础上,建筑可以利用几何创造属于这个世界自身的新形式,而不是像古典建筑那样预先设定某种秩序,比如预先古典柱式、山花等等。贝伦斯的“宏大形式”希望建筑追求某种超越性的纯粹思想和精神象征,并希望这些思想与精神象征凌驾于作为物质的建筑体之上。相比之下,贝尔拉格认为建筑既是几何和物质的,又是技术和生物的,并无主从关系。他认为建筑之美内在于物质实体的自我实现中,但仅仅在理性运用工具以及符合几何法则的条件下才能实现。

        贝尔拉格对宇宙法则的思考,实际上间接受到了当时德国生物学家恩斯特•海克尔(Ernst Haeckel)的影响。海克尔的学说对建筑师们的影响很大,这种影响一直持续到最近。海克尔在其所著的《自然的艺术形式》(Kunstformen der Natur)中,热切表达了他的生物学研究会对建筑师们产生什么样的帮助。他认为,原生动物(例如纤毛虫)和原生植物(例如硅藻)的知识“将为艺术家和建筑师们打开更丰富的创作源泉”,希望“真正的自然艺术形式不仅会刺激装饰艺术实际应用的发展,而且会把对塑性形态艺术的理解提升到更高的理论层次。”(图1)与海克尔类似,英国生物学家达西•汤普森(D'Arcy W Thompson)的学说同样对建筑师产生了长时间的影响。汤普森在那本著名的《生长与形态》一书中提出,生命的动力在于:生命体要借助生长和行动而演变,例如海绵针状体提供了沿着线性轴线生长的简单实例,海绵的骨骼总是始于独立针状体的一个松散集合;与海绵相比,放射虫(radiolarian)要复杂的多也更为开放,因为放射虫“在一团膜状和泡状物质内,通过组合特定的面、边和外来物,会产生无数变化”,这样就会产生大量连续的多孔网状骨骼,其变化更多样、更容易调整。另外,对密斯产生较大影响的法国生物学家劳尔•弗朗斯,同样较大的冲击可20世纪20-30年代建筑师们的观念。他在1920年所著的《植物作为发明家》(Die Pflanze ALS Erfinder)中,也将放射虫作为研究对象,来阐释他对万物构成的认识。他认为,晶体、球体、面、杆状体、带状体、螺旋体和锥体是七种基本构成形式,用以组合世界万物,包括建筑、机器、结晶、化学、地理学、天文学和艺术,以及世界上的所有技术。他认为,如果将枫叶与鞭毛虫在翻滚中包含的“生物技术”与船只的螺旋桨相比较,就会更加印证了人造物与自然物之间的异质同形。 弗朗斯的观点直接导致俄国艺术家兼建筑师李西茨基(El Lissitzky)在20世纪20年代早期宣称放弃对机器的专注,而转向对生物学的关注。

图1


从自然之翼到涌现

        20世纪20年代中期的一些艺术家和建筑师们在狂热地追捧法国生物学家劳尔•弗朗斯思想的同时,也组织了一个名为“国际构成主义”(International Constructivism )的组织。在这个组织中,包括著名俄国建筑师兼艺术家李西茨基,还包括一些声名显赫的艺术家和建筑师,例如奥地利艺术家拉欧•豪斯曼(Raoul Hausmann)、包豪斯的艺术家莫赫利-纳吉(Laszlo Moholy-Nagy)、汉尼斯•迈耶(Hannes Meyer)、西格弗雷德•艾伯林(Siegfried Ebeling)、和密斯,以及法国艺术家科特•史维特(Kurt Schwitters)。这个组织中成员们普遍接受了生物技术观,或者称之为“宇宙生物技术观”。他们甚至自称是构成主义中的“生物构成主义者”。

        1924年,李西茨基与科特•史维特(Kurt Schwitters)共同编辑出版了《Merz》杂志的一期专刊“Nasci”。 正是在这本专刊中,李西茨基开始了构成主义转向。李西茨基甚至说道,他“受够了机器 ... 我想制造自然之翼。”这期专刊先是在引言中阐述了弗朗斯的生物技术论,然后提供了大量符合这套理论的现代艺术作品。这期专刊中包含了7个类型的艺术形式。开始是马列维奇的作品《黑方块》,以及李西茨基自己的作品Prouns系列,然后是蒙德里安和莱热(Femand Leger)的一些绘画作品,史维特、汉斯•阿普(Hans Arp)和乔治•布拉克(Georges Braque)的拼贴画,亚历山大•阿奇彭科(Alexander Archipenko)的雕塑,曼•雷(Man Ray)的物影照片,塔特林(Vladimir Tatlin)、欧德(J J P Oud)和密斯的建筑作品,以及其他一些自然界图片。这期专刊的最后一页是一张看似通过显微镜拍摄的照片,其中的图像毫无形式规律,在照片下方还设置了一个问号,暗示着有形源于无形,而无形则源于生物学。 (图2)这里特别值得一提的是建筑大师密斯是如何受到这种生物学说的影响。由于弗朗斯的最终目的是让人们创造一种健康的生活(healthy life),健康是其思想的核心,密斯因此而认为,建筑特别需要获得与环境的和谐,因为环境由于历史和物质条件的变化而不断在变化。受到弗朗斯的影响,密斯形成了进化的建筑观和环境的建筑观。建筑应成为向自然景观开放的构筑物,以便让建筑内外相互交流。

图2

        布克敏斯特•富勒(R.Buckminster Fuller)也是一位将建筑与生物生成观念相结合的建筑师。在他的设计中,他将工业化结构与自然结构相统一,他认为,微生物结构,例如放射虫,是由数学原理和力学法则所控制,而这些法则同样适用于人类发明的测地学(geodesic)。运用最少压杆和通用节点的组合,他创造了最短线穹窿结构。富勒发现的是一种能够把矢量平衡体或者柏拉图体所体现的力平衡转化到一个任意维度的球形结构上的方法。在富勒设计的1967年世博会美国馆中,穹窿结构充满了细小的连接杆,这与放射虫有着类似构造。

        另一位美国工程师罗伯特•勒•里克莱斯(Robert Le Ricolais),作为研究空间结构的先驱之一,同样受到了生物学的启发。他一方面大为惊讶于放射虫所显现的结构连贯性和纯粹性,另一方面也认为,存在了不过20-30年的空间结构无法与存在了三亿年的放射虫相提并论。里克莱斯认为,要对自然物和人造物有所区分,要认识到人类知识的局限,因为人造物通常只能解决一个问题,而大自然往往无所不能,而人类只能认识其中的很小一部分。谈到空间结构,就不能不提到德国建筑师兼工程师弗雷•奥托(Frei Otto),他研究了自生成概念以及生物与建筑之间的类比关系,但他没有仿制自然而是直接制作了各种材料的模型,将自然与人工相混合。奥托并不特别关注形式或形式规则,而是采用了一种完全不同的类比模式:他更喜欢做一些阶段性试验,以找到符合各种材料自己特点的形式。奥托的材料模型试验,并未采用先本质后现象的方法:他试图根据各种材料的特性获得独特而复杂的结构,而不是先设定某种来自内部或外部的前提条件。奥托及其研究团队对其充气结构和网架结构做了大量研究,奥托和他的研究团队制作了大量不同材料、不同尺度的自然仿制模型,但他们并没有直接将这些生物体制作成工程模型,而是试图利用类推模型揭示这些生物体的自生成方式,以此作为研究充气结构和网架结构的基础。他们并未据此就提出一个包罗万象的总体原则,也没有提出某种抽象的一般性特征或放之皆准的共同点。实际上,奥托的类推模型介于生物现象与工程实用之间,不仅有助于探索新型结构模式,还能进一步推动生物学研究。与里克莱斯类似,奥托也花了大量的时间与精力研究放射虫,他们都着迷于放射虫的“奇妙变化”,但放射虫生物自组织系统仅仅是他们要研究的众多自然现象之一。奥托的这种研究方法对后来的许多研究者产生了很大影响。

        沿着奥托的研究方法和原则,荷兰建筑师拉斯•斯普布洛伊克(Lars Spuybroek )利用肥皂泡、链条网和其他东西发展了一套自己的试验方法,以便发现复杂结构模式是如何通过自组织的方式生成。斯普布洛伊克同样研究了放射虫,但他并不认为放射虫是同质结构,他认为放射虫是一种混合结构,由膜和网架结构混合组成,尤其是其表皮部分。随着膜的开口尺寸以及膜之间的网架连接件的粗细尺寸发生变化,表皮的形状与结构也随之改变。以此为基础,他放弃了现代主义建筑内外特性统一的认识,而表皮的形状和尺寸也不必完全统一。这样一来,建筑的立面也再是建筑形式的关注,立面与屋顶将走向统一。在欧洲中央银行设计中,斯普布洛伊克贯彻了这种认识。(图3)这个设计既是非对称和非规整的,也是多中心和偶发的。这个设计的结构和表皮纹理既包含了重复的秩序又富于变化,同时又构成了单一形体。 斯普布洛伊克不是利用某种预先给定的法则去克服甚至抹去设计中出现的种种问题,而是结合生物学的观念,寻求利用设计中的问题演化和生成建筑。

图3

        随着跨学科和边缘学科的不断发展,自组织自生成的概念逐渐成为多个学科的共同关注点。复杂性科学随之应运而生,希望打破学科界限,用一种全新而统一的视角来认识生命系统、神经系统、经济系统、计算机系统等等。在这些复杂系统的共性中,“涌现”是一种最引人注目的普遍现象。所谓“涌现”,简单的说就是指系统中的个体遵循简单的规则,通过局部的相互作用构成一个整体的时候,一些新的属性或者规律就会突然一下子在系统的层面诞生。“涌现”现象中最著名的例子就是蚂蚁(蚁群效应),蚂蚁的神经系统非常简单,而大量的蚂蚁相互作用的时候就会形成等级森严的蚂蚁王国。研究证实,蚁后并没有直接给所有的蚂蚁下达命令,每只蚂蚁也没有整个蚂蚁王国的地图,同时也只能遵循简单的交互规则,然而,大量蚂蚁却自组织出复杂的集体觅食和建巢活动。蚂蚁王国就是在整个蚁群之上的一种“涌现”现象。在其他学科大量讨论“涌现”的同时,建筑学科也不甘落后,甚至出现了以“涌现”命名的设计研究团队,即AA的涌现小组(Emergence and Design Group)。这个小组的成员试图利用当代技术手段,研究和探索自然系统如何生长或保持自身发展的一套科学方法,作为建筑设计的操作手段。他们试图设计和创造一套可以产生复杂形式和行为的人造系统或者智能系统。在他们的纽约世贸中心重建方案设计中 ,就体现了这种思想。在设计这个方案的过程中,他们希望所有系统都要通过能量流动才能维持运转,而能量流动的模式,可以划分为许多小型变量,这些变量都是借助对外界环境的反馈作用来保持平衡。这种自组织过程将推动系统复杂性的不断提高,由此产生动态系统的演化过程。同时,涌现的逻辑要求建筑师认识到建筑的生命周期。在此周期内,建筑要维持复杂的能量和材料系统的正常运转。而在寿命中止时,建筑可以拆解,其物质材料也可循环利用。这将要求建筑师具备系统变化的视野,要从建筑作为个人标志的观念,转换到建筑作为生态系统的认识。

        在受到各种生物学说影响的过程中,自生成、自组织和自创生这些观念已经逐渐成为建筑学追求的重要目标,以抵抗那种预先给定的形式和模式。实际上,自19世纪末20世纪初开始至今的建筑师们的种种尝试和努力,可以看作是建筑学自身长期积累的从先决论向自生成论、从超越性向内在性、从预成向渐成转变的一部分。

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