生成式 AI 與建築設計的未來
生成式 AI 在建築設計和創意領域中的應用，引發了廣泛的討論。人們對於 AI 的看法，主要分為兩派：一方認為 AI 只是眾多工具中的一種，可以協助設計師提升效率和創造力；另一方則擔憂 AI 將會取代人類的創意，甚至摧毀建築設計中不可名狀的藝術性。建築，這門被視為藝術之母的學科，涉及了各種不同的領域和數據，它既是一門藝術，也是一門科學。那麼，AI 工具能否在不犧牲建築設計的視覺表現力的前提下，協助建築師應對現代建築的複雜性呢？
Zaha Hadid Architects：擁抱科技的建築先鋒
Zaha Hadid Architects (ZHA) 是全球領先的建築師事務所之一，以其獲獎無數的變革性建築著稱，這些建築以其標誌性設計和與周圍環境的和諧共生最為人所知。在向業主或利益相關者展示提案和設計方案時，ZHA 團隊需要精確、有吸引力且高效的方式來傳達願景。此外，為滿足超現實且複雜設計的材料創新需求，事務所需要採用尖端製造技術。
藉由基於 NVIDIA Omniverse 平台和 Universal Scene Description (OpenUSD) 基礎的開發，ZHA 不僅簡化了工作流程，還加快了迭代週期並增強了協作能力。這些技術和框架使 ZHA 能夠保持在建築設計開發的最前沿，並創造出能解鎖全新創意和效率水平的擴展功能。
Zaha Hadid Architects（ZHA）由已故女建築師札哈·哈蒂（Zaha Hadid）於 1980 年創立，一直以來都是電腦輔助設計領域的先驅。除了該事務所目前負責人Patrik Schumacher外，ZHA還有三位重要人物：副總監 Shajay Bhooshan、首席設計師 Vishu Bhooshan，以及在 ZHA 工作了 20 年的總監 Nils Fischer。Shajay Bhooshan 是 ZHA 計算設計研究小組（Computational Design Research Group）及ZHA CODE 的共同創辦人，而 Vishu Bhooshan 則是 CODE 的主要設計師。他們共同探討了機器學習、AI 和電腦輔助設計在過去幾年間的演變和交織，以及這些技術如何影響著建築設計的未來。
Zaha Hadid Architects探索AI與建築設計的結合
Nils Fischer 指出，ZHA 多年來一直在運用機器學習進行建築平面最佳化，這其實就是許多人所理解的人工智慧（AI）。早在 2021 年 1 月，OpenAI 推出「DALL·E」這個文字轉圖像的 AI 模型時，ZHA 就展現了對這項新技術的興趣，並迅速開始探索生成式軟體的潛力。「我們和其他人一樣興奮，」Fischer 說道，「我們不害怕打破常規。」
AI 驅動的設計創新
作為 Instagram 上最受歡迎的建築事務所，ZHA 擁有超過 140 萬名粉絲，累積了大量的視覺資料庫，包括公開和私人的。ZHA 進行的首批 AI 實驗之一，就是將這些資料上傳到另一個生成式 AI 模型 Stable Diffusion 中。Fischer 解釋說：「我們的團隊一直在整理資料集和訓練模型，但它們就像五歲的孩子一樣，擁有天馬行空的夢想，卻不一定能滿足你的實際需求。」
以統一工作流程樹立新標準
在過去30年間，Zaha Hadid Architects 的團隊不斷適應和調整其計算機圖形工作流程。他們採用來自電影製作和電子遊戲工作流程中直觀且易於使用的可視化元素，並將其與傳統建築、工程、施工和運營（AECO）行業中幾何精確的工具相結合。
實現如機器人材料製造、複雜幾何形狀、曲線設計和高保真可視化等尖端創新，需要高性能計算能力及多種工具間的互操作性。這促使 ZHA 選擇 NVIDIA Omniverse 平台，基於 OpenUSD 創建原生解決方案，將其工作流程工具連接起來，進一步開啟新的時代。
對數據的整合一直是巨大的挑戰，因為多位設計師使用不同的工具和應用程序。ZHA 的工作流程高度依賴 Autodesk Maya 和 McNeel Rhino3D，從一個設計軟體導入和導出數據到另一個設計軟體，為了達到統一的最終可視化，過程非常耗時且繁瑣。ZHA 的設計和場景數據集通常可達到6000萬個多邊形，這使得他們需要強大的解決方案來加載和操作3D數據。
在採用基於 Omniverse 和 OpenUSD 的解決方案之前，團隊在專用工具中完成設計案的不同部分，然後在每周結束時花大量時間編譯和渲染文件，生成預渲染場景，這導致了品質降低，這一過程既繁瑣又耗時。
使用 OpenUSD 後，團隊在每次審核中不再需要編譯數據，從而節省了大量時間。統一的資產管道意味著文件只需連接一次，資產即可自動同步到單一的 USD Stage。他們創建的模擬也可以以動畫形式保存到 OpenUSD 中。
Zaha Hadid Architects 計算與設計部門副主任 Shajay Bhooshan 表示：「通過 USD，所有資產都讀入同一文件，這對我們非常有用，因為我們可以在同一位置看到所有內容，而無需打開單獨的文件。如果我想查看任何幾何形狀，不必進入 Maya 或 Rhino，我只需打開 USD 文件，然後即可在其中評論和提出更改建議。」
AI 在建築設計應用的挑戰與展望
人工智慧（AI）技術的快速發展，為各個領域帶來了新的可能性，建築設計也不例外。AI 已被證明是一種有效且快速生成渲染圖和視覺化效果的方法，然而，它並未對設計過程本身產生重大影響。正如 ZHA 總監 Nils Fischer 所言，「Midjourney 無法解決施工和規劃問題。」他進一步指出，「通用型 AI 特別不擅長理解元素之間的介面，它們對建築結構的理解是虛假的。」
儘管 AI 在建築設計中的應用仍面臨挑戰，但 ZHA 團隊仍然對 AI 的潛力充滿信心。他們致力於開發能夠發揮 AI 優勢的工具，而非掩蓋其弱點。「我認為建築領域的下一個重大突破，就是運用語言模型，」Fischer 表示，「就像在程式編碼中一樣。」ZHA 選擇的 CAD 繪圖軟體是 Autodesk Maya，這是一款源於電影和動畫產業的建模軟體。「理論上，你可以使用 Maya 的數據來訓練 AI，就像程式碼儲存庫一樣，」Fischer 解釋道，「如果你能為建築創造一種可編碼的設計語言，那麼無論你設計什麼，你都擁有一種通用的語言。」
AI 驅動的設計語彙
ZHA 團隊相信，AI 技術的應用，將為建築設計帶來革命性的變革。透過開發可編碼的設計語彙，AI 可以更好地理解建築設計的語彙和邏輯，並協助建築師更有效率地完成設計工作。這種 AI 驅動的設計語彙，將為建築設計帶來更多的可能性，也將推動建築產業的發展。
建築設計資料庫的挑戰：複雜性與資源投入
ZHA總監 Nils Fischer 指出，建築設計的複雜性，是建立實用資料庫的一大挑戰。建築物，不同於汽車或飛機，建築包含了大量的細節，從結構、機電、給排水到室內設計及裝修工程，每個環節都環環相扣，需要跨領域的專業知識和協作。要將這些細節完整地記錄和管理，需要投入龐大的時間和資源，而這些資源的效益，在短期內可能難以衡量。
此外，建築設計的責任歸屬也比其他產業更為複雜。例如，若建築物在使用過程中出現問題，往往需要多方協商和釐清責任，才能找到解決方案。這也增加了資料庫管理的難度，因為資料庫必須確保資訊的準確性和完整性，才能在需要時提供有效的參考。
從 2D 圖像到 3D 模型的AI運用
副總監 Shajay Bhooshan 表示，目前 AI 在處理2D圖像和3D模型之間，仍然存在巨大的差距。圖像是一種統一的格式，數量龐大，而且與電腦硬體的運作方式相符。然而，3D模型的數據結構則複雜得多，現有的 AI 技術還難以有效處理。
ZHA 的目標是創造一種「原型統一檔案格式」，使其成為3D模型的通用標準，就像圖像檔案一樣，可以被廣泛應用於各種軟體和平台。這種格式的建立，將有助於訓練生成式 AI 模型，使其能夠更好地理解和生成三維建築模型，進一步提升 AI 在建築設計中的應用價值。
ZHA 與 NVIDIA Omniverse，建構建築數位分身
Zaha Hadid Architects（ZHA） 採用 NVIDIA 的 Omniverse 平台，這是一個建模工具包，可以加速 3D 模型與設計、渲染和簡報工具的整合，作為其 ZSPACE 工具包的一部分。對於製造業而言，創建產品或工廠的「數位分身」已是標準做法，但建築領域則更為深奧和專業。Vishu Bhooshan 解釋 ZHA 與 NVIDIA 的合作關係，表示：「關鍵在於讓不同的利益相關者，能夠以相同的檔案格式進行協作。」Shajay 補充道：「對於建築公司而言，要以容易存取的方式取得這些資訊，這相當罕見。」
ZHA 如何運用 NVIDIA 技術提升設計效率
所有這些工作都需要前所未有的運算能力。ZHA 使用搭載 NVIDIA 最新 GPU（圖形處理器）的工作站，除了專業的 CAD軟體之外，還使用 Unreal Engine 等現成軟體，以創建實時視覺化效果，以及更複雜的數據密集型模型。NVIDIA 最近超越蘋果，成為全球市值最高的公司，其主要業務集中在製造和汽車等產業，而非建築等相對較小的產業。然而，透過與 ZHA 的合作，Omniverse 能力進一步擴展。
NVIDIA Omniverse 平台的應用，為 ZHA 的建築設計帶來了顯著的效率提升。透過 Omniverse，ZHA 可以將原本不相容的軟體套件整合在一起，例如 Maya 和 Rhino3D 等 3D 建模軟體，讓設計師們可以在同一個平台上進行協作，共享和管理設計數據，大幅縮短了設計流程和溝通成本。
運用 NVIDIA Omniverse 打造廣州「南沙體育館」複合設施
ZHA設計的廣州南沙體育中心（Nansha Sports Complex）是 NVIDIA Omniverse 平台的首次實際應用。這座可容納 6 萬人的體育場目前正在施工中，該運動設施使用 Omniverse 平台，將先前不相容的軟體套件整合在一起，這些軟體套件是用於創建體育中心的幾何形狀、形式和視覺效果的。過去，所有這些數據都必須手動編譯和交叉檢查，在 Maya 和 McNeel Rhino3D 等 3D 軟體之間交換。但 NVIDIA 的工具使用 OpenUSD（皮克斯通用場景描述框架的開源版本，最初為動畫開發）將這些數據集合在一起。
透過 NVIDIA Omniverse 平台，ZHA 的設計師們可以更輕鬆地整合不同軟體生成的數據，例如 Maya 負責建模，Rhino3D 負責結構分析，而其他的軟體則負責渲染和視覺化呈現。Omniverse 平台就像一個橋樑，將這些數據串聯起來，讓設計師們可以在同一個平台上進行協作，無需再手動編譯和交叉檢查數據，大幅提升了設計效率和數據的準確性。
運用 AI 探索 3D 建築設計的無限可能
這些龐大且「乾淨」的 3D 模型的創建，也對 AI 發展具有重大意義，其影響遠遠超出了生成式 AI 的 2D 應用。ZHA 副總監 Shajay Bhooshan 指出，透過這些 3D 模型生成的數據，可以讓下一代大型語言模型（LLM）根據每個場地的數據集和參數，提出 3D 建築形式。他解釋說：「如果你給 AI 一個虛擬世界，它就能夠學習那個世界中潛在的關係。」目前的 AI 模型，就像是神經網路的抽象化，它雖然不是人腦，但仍然很有用，因為它讓我們能夠深入了解人類是如何做出決策的。
ZHA 以 AI 形塑建築，提升設計價值
在形塑建築方面，ZHA將「由點生成元素」應用於設計中，例如：改善交通、增加自然採光、降低能源消耗等。「建築業並沒有真正投資於研發，」ZHA 副總監 Shajay Bhooshan 指出，「但這是一股上升的潮流，將會提升所有人的水平。這些工具的價值尚未確定，但它們的潛力是巨大的。」
虛擬世界中的建築實驗
ZHA 已經開始涉足虛擬世界，他們利用 Fortnite 遊戲平台，建立了一系列模組化的建築元素，可以添加到遊戲世界中，作為測試生成式都市主義的一種方式。除了與 Fortnite 的合作之外，ZHA 最近的計畫還包括與藝術家 Refik Anadol 合作，以及持續關注小型實驗性作品，像是：展館。這些小型結構被 ZHA 形容為「雕塑家的模型」和技術展示，從 ZHA 創立之初，就一直是其作品的重要部分。
Zaha Hadid Architects的小型建築實驗
ZHA 認為，這些小型作品就像實驗室，讓他們能夠在更自由的環境中嘗試新的設計理念和技術。透過這些實驗，ZHA 不斷突破建築設計的界限，探索建築的未來可能性。這些小型項目也成為 ZHA 展示其創新能力和設計理念的重要平台，吸引了來自世界各地的目光。
AI 工具改變建築設計的未來
ZHA 總監 Nils Fischer 將 AI 形容為「工具集的變革」，並補充說：「它將成為建築行業的一部分。你會看到許多利基工具，可以解決非常具體的問題。」例如，永續發展方面的應用可以利用 3D 模型來創建生命週期碳評估。眾所皆知，ZHA 是參數化設計的先驅，他們創建的模型可以根據設計變化自動調整。使用 AI 處理數據集，可以幾乎即時地提供關於風力研究、能源使用等方面的回饋，並探索場地的無數視覺可能性。
投資AI ：提升設計效率與客戶參與
「我們對 AI 的投資是為了提高我們自己的迭代速度。我們做的建築物不多，但我們參加了很多競圖，」 ZHA 副總監 Shajay Bhooshan 繼續說道，「AI 就像是一個副駕駛或助手，可以協助完成任務，並讓參數化設計更容易被大眾所接受。」實時渲染視圖的能力也改變了對業主簡報的方式。「這有助於業主參與到自己的建築中，」他補充道，「AI 徹底改變了渲染的藝術。」
實時渲染與業主參與
透過 AI 技術，ZHA 的設計師們可以更快速地生成建築模型的渲染圖，並根據業主的回饋進行即時調整。這種互動式的設計流程，讓業主能夠更直觀地了解設計方案，並參與到設計過程中，提升業主的參與感和滿意度。AI 技術的應用，也讓 ZHA 的設計作品更具吸引力和說服力，有助於他們在競圖中脫穎而出。
數位科技與建築設計的結合
建築師們將這種能夠同時建模並獲得回饋的能力，描述為就像是在「數位黏土」中工作。ZHA 的建築師們指出，許多開發商已經開始使用某種形式的 AI，來根據基地限制、照明、規劃、量體和潛在用途來形塑建築結構。然而，ZHA 主張更深入地應用這項技術。正如 ZHA 總監 Nils Fischer 所言，「我們大多數的城市都是在沒有建築師參與的情況下發展起來的，看看杭州和深圳之間的海岸，那裡住了 4000 萬人。20 年後，我們將需要容納 6 億人的城市，才能趕上人口的增長。」ZHA 副總監 Shajay Bhooshan 表示：「AI 在我們這個產業中扮演的關鍵角色之一，就是讓設計民主化，這將會是一件好事。」
ZHA 參與的南沙體育館設計包含數千個屋頂面板，團隊需要將非平面面板轉換為平面。他們開發了一個客製化可視化工具，用於識別非平面面板，並使用專有軟件將其轉換為平面。這一過程如果手動操作幾乎不可能實現。
AI 與建築設計的平衡
ZHA流暢、雕塑般的形式，透過一組參數就能生成複雜的建築？這個想法令人感到質疑，ZHA認為，他們提供的是優質產品，透過體育場、美術館和交通樞紐等公共建築進行創新。「我們是一流的建築事務所，因為我們從不做重複的事情，」Fischer 說，「我們的 AI 工具包將幫助我們做到這一點。建築設計並非火箭科學，但幾乎每棟建築都是原型，」他補充道，「AI 可以克服建築市場中固有的低效率問題。」
ZHA 團隊相信，AI 工具的應用，可以幫助他們更高效地設計出更具創意和獨特性的建築作品。透過 AI 技術，他們可以更快速地探索各種設計方案，並根據場地條件、環境因素和客戶需求，進行即時調整和優化。AI 技術的應用，讓 ZHA 能夠在建築設計中，更好地平衡藝術性、功能性和永續性，創造出更美好的城市空間。
AI 技術的應用與展望
ZHA 團隊並不擔心 AI 工具會帶來設計產業的低價競爭。Shajay Bhooshan 引用 ZHA 負責人 Patrik Schumacher 的話說：「他認為『美學是性能的承諾』。我們知道如何將其轉化為現實。」ZHA 團隊相信，提升頂尖設計的水準，可以帶動整個產業的進步，就像 20 世紀的建築大師柯比意（Le Corbusier）在印度昌迪加爾（Chandigarh）設計的指標性建築，不僅提升了當地建築的水平，也促進了整個印度建築產業的發展。
ZHA 認為，南沙體育場（Nansha Stadium）可以被視為 AI 建築的「零號項目」，是邁向計算設計新時代的第一步，它將對全世界的建築和都市規劃產生廣泛的影響。ZHA 團隊相信，AI 技術的應用，將為建築設計帶來革命性的變革，讓建築設計更有效率、更具創意，也更符合人類和環境的需求。
實時協作與更快速的迭代
目前，ZHA 有超過20位建築師正在使用基於 Omniverse 開發的擴展，未來計劃將用戶數量擴展至50人。「Omniverse 非常適合我們基於網格的高保真高性能模式，」Shajay 表示。「我們認為 USD 和 Omniverse 正在樹立新的行業標準，就像建築設計開發中的 GitHub 一樣。」
節省審核數據準備的時間非常重要，因為這給團隊更多時間進行設計迭代。他們故意採用「編輯與觀察」的方式，確保良好的設計不會留待運氣決定。團隊經常創建數百個不同的設計選項，以便在緊迫的期限內快速提交工作成果。
準備3D文件進行渲染也是一項耗時的工作，因為團隊需要將設計交給第三方渲染公司處理。ZHA 計算與設計研究組的首席設計師 Vishu Bhooshan 補充道：「我們需要超高性能的工作流程。現在有了 Omniverse，我們不必等待11小時導入文件，可以立即將它們發送給合作夥伴。」
他表示，USD 即將實現的一項好處是，團隊可以在所有3D數據聚合完成之前就開始準備渲染工作。
「一旦我們擁有統一的存儲庫，並讓每位團隊成員都掌握這一工作流程，我們將能在設計團隊迭代的同時平行準備渲染文件，這將帶來巨大的潛力，支持非破壞性的平行工作流程，」Vishu 說。「當我們構建資產存儲庫時，也會考慮與 NVIDIA 正在領先開發的技術如文本轉3D（text-to-3D）進行整合。」
利用 Omniverse 核心技術進行開發
Zaha Hadid Architects 的計算與設計小組（ZHA CODE）是一個研究團隊，專注於使用尖端參數化設計軟件與技術，結合計算機圖形、數字設計與機器人建造，創造出美觀且高效的建築設計。
團隊運用計算能力來增強人類的直覺，從而加快設計速度、數據整合並探索新的可能性。他們開發的專屬計算框架 Spatial Technology Stack (STS)，能夠實現最佳化幾何的整合並創造沉浸式空間體驗。
ZHA CODE 開始在 Omniverse 平台上進行開發，並構建自己的定製擴展來連接現有工具。
在10個月的時間裡，他們構建了超過10個擴展，完善了他們的生產流程。Shajay 解釋他們開發這些新工具的方式，旨在改造和優化流程，解決行業中的問題，而不是依賴臨時解決方案或不可擴展的策略。
例如，ZHA CODE 不斷實驗機器人熱線切割技術，這是一種用於製造複雜雙曲混凝土模具的方法。該技術通過安裝了熱線切割器的機械臂和大塊泡沫材料來製造模具分段，所需時間大幅縮減。為了增強對機器人的訓練，ZHA 構建了一個模擬機器人線切割的插件擴展。
團隊設計了一個機器人的數字雙胞胎（Digital twin、數位對映、數位孿生、數位分身、數位雙生），用於訓練、可視化和教導其操作，且完全可以在虛擬環境中完成，無需實際與機器人交互。通過在 Omniverse 中生成 AI 驅動的模擬，設計師能更好地可視化機器人如何切割3D方塊以及3D方塊將呈現的形狀。
該模型在虛擬環境中訓練與優化，然後與實體機器人連接，讓其執行已訓練的雕刻操作。這一創新製造技術能進一步推動 ZHA 著名的設計風格向前發展。團隊對這一擴展非常滿意，最終決定通過 GitHub 開源，供他人使用。
透過這些定製工具和 Omniverse 平台的技術支持，Zaha Hadid Architects 的工作流程大大提升了效率和精確性。該可視化工具不僅能快速識別設計問題，還能直接解決傳統方法無法處理的複雜幾何挑戰，這進一步展示了 ZHA 在技術創新中的領先地位。
此外，團隊還開始探索如何將 Omniverse 與 AI 技術整合，以進一步提升設計流程。例如，他們計劃將資產存儲庫與 NVIDIA 的 AI 技術相結合，包括文本生成3D模型（text-to-3D）的創新應用。這不僅能讓設計過程更加高效，還能幫助他們實現更具創造性和自由度的設計探索。
推動行業的未來
Zaha Hadid Architects 的願景是為建築設計和工程行業樹立全新的標準。他們對 Omniverse 平台的應用不僅改變了內部的工作流程，還在全球範圍內推動了建築設計技術的進步。團隊開發的擴展和解決方案展示了如何將尖端技術與建築藝術相結合，實現突破性的成果。
對於未來，ZHA 的計算設計研究小組（Computational Design Research Group）表示，他們將繼續優化和擴展他們的工具集，進一步整合 OpenUSD 和 Omniverse 平台的能力。他們還計劃分享更多的開源工具，讓整個行業都能受益於他們的技術創新，並共同應對未來的挑戰。
憑藉在設計效率、協作能力和製造技術上的顯著進步，Zaha Hadid Architects 以一種前所未有的方式重新定義了建築設計的可能性。他們的探索不僅對當下進行的建案有深遠影響，也為未來的建築設計開創了新的道路。
