从原始社会到奴隶社会、封建社会，再到现代社会，人类社会的分工趋向精细化，使得人类社会不断趋于复杂。从建筑的发展趋势上看，以穴居、巢居为始，建筑的形态和功能都在逐渐趋于复杂。在形态上，建筑物除了用于空间分隔、空间围护和结构体系的必需部分之外，还有着各种各样的细节装饰和丰富多样的家具构件。在功能上，从在一个大空间里完成所有日常生活，到细分出各种功能空间，并且有了更多种类、肩负不同功能属性的建筑类型，都使得建筑的功能趋于复杂。随着智能建筑、绿色建筑等概念的提出与发展，建筑不仅承担着传统的空间功能，也开始负担更多的生活功能和生态功能等，建筑形态也趋于复杂。

复杂建筑形态具有3个层次的含义，并以复杂性为核心特征，强调形态构成单元的复杂组合关系。

第一个层次，复杂建筑形态是由系列算法生成的，强调复杂建筑形态的生成“过程”，而这一“过程”也是构成复杂性的基础。不同于欧氏几何中依赖“方程”描述和建立对象形状，“过程”直观表现为由系列算法构成的生形流程，更依赖于生形的逻辑过程而非具体运用的“方程”。例如，分形几何方法就是使用“过程”而非“方程”来建立模型，进而真实地描述自然景物。相比于“方程”，“过程”能够带来更强的复杂性，也更符合复杂性科学对复杂性的认识。尽管如此，在复杂建筑形态的生成中，仍然包含着“方程”，基于“方程”可以建立形态生成的“过程”。因而，复杂建筑形态的生成不同于传统的形态，更强调算法构成的“过程”的作用，同时也可能包含具有几何关系的“方程”。

第二个层次，复杂建筑形态是一种以“形”为核心要素的建筑形态。从建筑学的角度，建筑形态是“建筑的气质、品格”，由“构成建筑的各种物体、物质”及其配置、组合加以表达，这些“物体、物质”包含着建筑的情感并“反射出建筑的形态”。建筑形态直接影响着人对于建筑的感受。而依据建筑带给人的抽象感受，建筑形态又有形、色、质、量、场五大类基本要素，其中形是复杂建筑形态的主要要素，是建筑的形状感和形象感。复杂建筑形态与人有着密切的关联，在设计过程中，有设计者的参与；在使用过程中，有使用者的参与；从话语权的角度，建筑的所有者对形态具有话语权，而建筑作为城市中的一种公共形象，普通民众也具有一定的话语权；建筑形态不能够脱离于环境而存在，建筑的存在改变着既有环境，而环境因素也会对之产生影响，同时影响人们对建筑形态的判断与感受。

第三个层次，即为复杂建筑形态的复杂性。复杂建筑形态相比于其他一般建筑形态的复杂性主要指形态构成单元的复杂组合关系，主要表现为视觉形式上的复杂性、设计过程的复杂性、加工建造的复杂性3个方面。①视觉形式上的复杂性，复杂建筑形态相比于一般建筑形态具有更高的复杂度，直观表现为空间或形式的复杂，非专业人士一般不能够一眼看出其形式逻辑或法则，不能准确预测其变化趋势。其具体表现为空间形态变化丰富而不可预测，或构成单元数量庞大、规则玄妙，或形态变化存在突变、不均匀等。②设计过程的复杂性，运用到复杂的几何学函数公式、涉及繁复的逻辑计算，需要借助于计算机程序算法方能完成形态生成与设计，是自上而下与自下而上两种方法的结合。复杂建筑形态的设计过程包含高等几何学的公式函数或者复杂的算法逻辑，使所得形态具有复杂的几何关系或者遵循复杂的抽象规则。一方面，高等几何涉及的多维空间模型、复变函数等等，使得形态结果具有复杂的几何关系，并表现为复杂的空间形态；另一方面，由于算法中存在的不确定性、随机性和循环迭代，也使得形态结果具有较高的复杂度。复杂建筑形态的设计过程是双向的，即自上而下与自下而上相结合。自上而下和自下而上这一对概念在复杂性科学和基于生物原型的建筑生形中都有提到，但含义不同。从复杂性科学的角度，“自上而下”强调对于复杂系统的人为干预，“自下而上”强调组成系统的各单元的自主行为和涌现现象；基于生物原型的建筑生形中，“自上而下”强调从现状问题出发，寻找相关的生物原型来提出解决方案，而“自下而上”强调从生物原型出发反推相关问题的解决方案。这增加了设计过程的复杂性（图1）。设计者要控制整个设计过程，通过调整规则等方式来干预设计结果；各单元也具有自主行为，不断改变自身特征以适应规则，进而影响设计结果。建筑设计之初，既要考虑到自然原型的特征，也要兼顾与之相关的技术问题，经过全方位的研究，来发掘自然原型的应用价值、提出解决技术问题的客观方法。③加工建造的复杂性，相比于一般建筑形态而言，复杂建筑形态加工建造的难度更高、精度要求更高、更具挑战性、更需创新性。一方面，构成复杂建筑形态的单元往往变化不一，需要数控加工，传统的标准化加工不能满足其需求；另一方面，复杂建筑形态的单元组合关系也是复杂的，需要智能建造以快速、精确地定位每一个单元，并采用特定的方式加以组合。

图1 复杂建筑形态的设计过程图解

复杂建筑形态的特征主要有：①复杂建筑形态的内部单元构成一个“系统”，具有整体性、关联性、动态性、层次性和涌现的特征等，形态的复杂度远大于单元的复杂度之和，参数的微调可能会带来形态的剧变。复杂建筑形态不是混乱无序，而是不可预测。②复杂建筑形态的内部单元遵循共同的简单规则，随时间演进，单元本身，以及单元间关系不断重构，规则本身也可能改变。在数字建筑设计不断运行的程序中，构成形态的单元不断地进行自我重建，而这一重建过程适应于建筑设计不断优化调整的特点。随着程序运行、形态演化，运行的程序可能也在随着形态的演化而变化或调整，构成形态的单元关系也可能随之变化。③复杂建筑形态的内部单元具有主动性，既能够发出信号也能够接收信号，邻近单元之间存在相互作用，任一单元没有全局观念。④复杂建筑形态的内部单元本身不能被分类，单元之间既存在差异又彼此相似，而使得单元出现差异的原因在于“位置关系”的不同以及处于不同“位置”下对同一规则做出的不同反馈。这里的位置关系和位置并不实指空间中的位置关系，而包含在程序运算中的位置关系、计算过程中的先后顺序等在以往的大规模标准化生产中，建筑构件被明确地划分为墙、柱子、窗户、门等若干不同的类别，分别建立标准以便于大规模的加工生产。这种标准化的设计方式基于对建筑构件的有序、有限分类，与复杂形态的特征南辕北辙。在复杂建筑形态的设计中，构成形态的诸多组件可能没有“节点”与“构件”之分，单元没有分类，单元与单元之间可以直接连接，如同K.奥特修斯（Kas Oosterhuis）所设想的“大规模定制化时代”，“建筑中的构件没有分类，而是直接由材料生产、加工为具有特定功能的组件”。

复杂建筑形态生成方法是用于建筑方案设计阶段以生成复杂建筑形态的设计方法，能够生成建筑雏形、辅助建筑方案设计，是参数化设计阶段的理论方法，为智能化设计提供基础。以矩阵、映射、迭代、集群、动力系统、马尔科夫链等为基础，有6大类复杂建筑形态生成方法，每一种方法又可以分为自然原型、抽象阐述、几何描述、生形算法、形态生成等5个主要部分。

自然原型。是复杂建筑形态生成方法的灵感来源，是基础和源头。每一类复杂建筑形态生成方法都有与之相应的自然原型。矩阵的自然原型是阴影与物体的运动等；映射则广泛地存在于各类形态的对应关系中；迭代的自然原型是运动的轨迹、树枝的分叉和海岸线的分形等；集群的自然原型有鸟群迁徙、蚂蚁活动等；动力系统的自然原型有水波流动与烟雾扩散等；马尔科夫链中每一组数据都有相对应的自然原型，如化学分子和恒星分布等。

抽象阐述。从复杂性科学等抽象的角度对复杂建筑形态生成方法加以阐述。每一类复杂建筑形态生成方法都能够结合复杂性科学理论从抽象的角度进行阐述。如形态的构成特点、构成单元与整体之间的关系、构成单元遵循的规则、构成单元的形态特征、整体的形态特征、蕴含的复杂性特征等。

几何描述。利用几何学知识对复杂建筑形态生成方法中的几何关系加以描述。几何关系是复杂建筑形态生成方法的必要基础，是复杂建筑形态的核心特征，从几何学的角度能够对各类复杂建筑形态生成方法所得形态的几何关系进行描述，包括几何单元形态、单元间的几何关系、对应的函数方程以及相应的形象化图解等。

生形算法。是生成形态的逻辑规则与计算机程序语言，形态生成是复杂建筑形态生成方法所得的形态结果，是复杂建筑形态生成方法的主体与核心。生形算法依据抽象规则和几何关系建立，并在Mathematica、Rhino、Grasshopper、Processing、Python、3ds Max、Realflow等程序中进行编写，通过构建运算逻辑、设置参数和参数关系、优化算法结构加以实现。传统设计中的环境因素等设计条件都可以通过参数的形式写入算法，从而作用于最终形态。

形态生成。复杂建筑形态生成方法所得的形态结果，是系列各具特色、受到程序或参数控制的复杂形态的快速、大批量生成结果及其比较分析。以生形算法为工具，是复杂建筑形态生成方法的核心，通过调整参数值、改变影响因子等生成一系列复杂建筑形态，并分析不同参数对形态的影响作用等。

图2 六大类复杂形态生成方法的内容与算法说明