1 | P a g e   

Initial readings 

1. Alisa Andrasek // Open Synthesis – Toward a Resilient Fabric of Architecture 

2. John H. Holland // Hidden Order – How Adaptation Builds Complexity 

Nomenclature 

cas  Complex Adaptive Systems 

 

 

COMPLEX ADAPTIVE SYSTEMS AND PERFORMANCE‐ORIENTED HETEROGENEITY    

IN ARCHITECTURAL FORM‐FINDING 

 

The  aim  of  the  following  literature  review  is  to  provide  a  theoretical  framework  for 

supporting the argument that complex adaptive systems can produce performance‐oriented 

heterogeneous  structures  through  bottom‐up  design  based  on  their  adaptation  ability 

towards inputs from their environment, such as reaction towards light. The existing literature 

on cas  is  investigated  in order  to provide  the basis  for understanding cas behavior, with a 

particular focus on their ability to adapt and generate complexity out of simplicity. Moreover, 

the  concept  of  heterogeneity  is  reviewed  from  the  perspective  of  philosophy  and 

performance‐oriented architecture, while the last part of the literature review focuses on the 

application of these concepts in contemporary architectural design. The acquired knowledge 

and findings from this review will be used as the basis for further research and application of 

these concepts on performance‐oriented architectural form‐finding. 

 

Complex Adaptive Systems 

In order to realize the potential of cas, some of the existing literature on cas behavior is 

presented below, beginning with one of the first formal studies on cas, conducted by scientist 

John Holland in the first half of the 90s. Taking place in the same period, the work of biologist 

S.  Kauffman  is  presented  afterwards,  approaching  the  topic  from  a  more  biological 

perspective. Moreover, an earlier  text which offers a clear example about cas behavior by 

cognitive scientist D. Hofstadter is reviewed, followed by a key work of writer J.L. Borges that 

expands on the idea of complexity from a more philosophical standpoint. Finally, the section 

ends with the work of Holland that focuses on the adaptation ability of cas. 

In the first chapter of his book on cas [Holland, 1995], Holland describes through various 

examples  the omnipresence of cas  in different scales of natural and artificial systems, and 

attempts  to  organize  the  basic  elements  that  constitute  every  cas  into  seven  distinct 

categories. According to him, the seven basic elements are divided into four properties and 

three mechanisms, which  are  aggregation,  nonlinearity,  flows  and  diversity,  and  tagging, 

internal modeling and building blocks  in respect. His research was one of the first scientific 

insights on cas and understanding cas behavior, along with the research work of S. Kauffman. 

Kauffman’s work [Kauffman, 1995] focused mainly on the mechanisms of evolving self‐

organization  systems,  such  as  cellular  structures,  and  the  collective  emergence  in  them, 

2 | P a g e   

similar to cas’ aggregation property and adaptation ability in Holland’s work. According to him, 

there  is  particular  interest  in  the  ability  of  these  systems  to  generate  complexity  out  of 

simplicity,  referred  as  ‘Order  for  free’  [Kauffman,  1995,  p.30].  Through  his  research  on 

ontogeny,  more  concepts  and  mechanisms  of  these  systems  are  presented,  such  as 

coevolution, adaptation, cell specialization, and order out of chaos. Every genomic network 

that controls an organism’s development can exist either in a highly ordered, chaotic, or in‐

between state [Kauffman, 1995, p.31], while each network’s state is controlled by the number 

of inputs in the system and the rules governing it [Kauffman, 1995, p.86]. 

The observation of Kauffman of ‘Order for Free’ is also described in the essay Ant Fugue, 

written by D. Hofstadter [1979], which presents many similarities with Holland’s cas.  In his 

essay, Hofstadter uses the example of an ant colony to  illustrate how a group of relatively 

unintelligent parts, namely ants, following a set of simple rules, has the ability to form a kind 

of  intelligence and  complex behavior when aggregated  in big numbers  [Hofstadter, 1979, 

p.166], which  is  the  ant  colony  in  this  case.  Some  of  the  properties mentioned  include 

specialization [Hofstadter, 1979, p.169], multiple layers of organization, constant change and 

adaptation  [Hofstadter,  1979,  p.170],  and  signals  acting  as  lever  points  or  creating  new 

behaviors in the system [Hofstadter, 1979, p.171], each of which can be assigned to one of 

the seven basic elements of Holland. The ideas of holism and reductionism, or top‐down and 

bottom‐up  approaches,  are  mentioned  as  two  different  ways  for  understanding  cas 

[Hofstadter,  1979,  p.159],  while  their  combination  is  essential  in  order  to  get  a  better 

understanding of a system’s complex behavior. 

The  idea of  complexity building up  from  some basic  elements  is  also presented  from 

another perspective in the short story ‘The Library of Babel’ by J.L. Borges [Borges, 1998],  first 

published  in 1941, which  focuses on  the  ‘indefinite and perhaps  infinite number’  [Borges, 

1998, p.1] of possibilities created from the combination of these elements. His story presents 

the complexity of the universe and its bottom‐up structure through its analogy with a library 

that contains every book that has or will ever exist [Borges, 1998, p.4]. His basic elements, 

namely letters and symbols, when combined form text in pages, leading to books, shelves full 

of books, and hexagonal galleries [Borges, 1998, p.2]. Some of the properties of cas, such as 

aggregation and the formation of meta‐agents, meta‐meta‐agents and so on, along with the 

ability  of  generating meaning  in  something  that  is  comprised  of  individually meaningless 

elements, are all evident in his story. 

Focusing more on the adaptation ability of cas systems, it is mentioned by Holland [1992] 

[1995] that an agent follows sets of rules, each of which is activated based on inputs from its 

environment, creating different rule combinations that lead to increased complexity and each 

rule becomes a building block [Holland, 1995, p.51]. The next step in achieving adaptation is 

credit assignment, which refers to the process of assigning each rule a strength factor, in order 

to assess its importance based on the system’s accumulated experience [Holland, 1995, p.53]. 

Moreover, adaptation can be achieved through rule discovery, referring to the creation of new 

offspring  rules derived  from parent  rules  through mutation  and  crossing‐over procedures 

[Holland, 1995, p.65,70]. 

 

 

 

3 | P a g e   

Performance – Oriented Heterogeneity and Deleuze 

As  it  is  shown,  the  adaptation  ability  of  agents  can  lead  eventually  to  nonlinear 

aggregations  of  increased  complexity,  generating  different  formations  across  a  system’s 

structure.  The  concept  of  heterogeneity  needs  to  be  introduced  here,  as  described  in 

philosophy by Gilles Deleuze in his book with Felix Guattari One Thousand Plateaus [Deleuze, 

Guattari, 2004] through smooth and striated space. Deleuze assigns multiple characteristics 

to these two terms, but a general interpretation could explain smooth space as highly dynamic 

and constantly changing,  similar  to cas and bottom‐up approaches, while striated space  is 

more rigid and inflexible, similar to formal and top‐down approaches.  

According to Deleuze, the two spaces always coexist and the one transforms the other in 

different ways  [Deleuze, Guattari, 2004, p.474]. Smooth  is  fundamentally characterized by 

heterogeneity, but  its  sole existence would  lead  to amorphous  results due  to  its constant 

change, while its coexistence with striated generates a different kind of heterogeneous space 

that allows a better definition of change within a rigid structure [Deleuze, Guattari, 2004]. In 

natural systems smooth precedes striated, with striated taking over smooth, but the  latter 

reappears  in a different  level through the striated structure and  interacts with  it  [Deleuze, 

Guattari, 2004, p.480]. Other interesting states between the two involve the transition from 

the one to the other, their change of state, as well as their superposition [Deleuze, Guattari, 

2004, p.482]. According to Deleuze, the interaction forces between smooth and striated are 

also their most interesting characteristic, while he mentions that ‘even the most striated city 

gives rise to smooth spaces’ [Deleuze, Guattari, 2004, p.500].  

Examining heterogeneity from an architectural and environmental performance‐oriented 

perspective,  the work of Michael Hensel  is highly engaged with achieving heterogeneity  in 

buildings  for  the creation of different microclimates within  the  same structure  in order  to 

maximize  building  performance  [Hensel,  2013].  Opposed  to  conventional  environmental 

design approaches, Hensel’s approach aims in generating smoother spaces that are closer to 

ecosystems  and  natural  processes,  while  the  importance  of  boundaries  and  transitions 

between spaces is mentioned, similar to the transition between smooth and striated space. 

In  an  article  written  by  Hight,  Hensel  and  Menges  [2009],  a  space  is  defined  as 

heterogeneous by the existence of ‘a diverse range of  items or qualities’ [Hight et al, 2009, 

p.12], while the  importance of transitions and boundaries  is mentioned again. Some of the 

ideas of Deleuze can be found embedded in this article, such as the concept of smooth and 

striated  for describing heterogeneous and homogeneous space  in  respect. Deleuze’s  ideas 

about the constant coexistence of smooth and striated and the possible relationships between 

the two are used by the authors for proposing the need for the coexistence of homogeneous 

and heterogeneous space within the same structure [Hight et al, 2009, p.16]. This idea is used 

for presenting an ecological approach towards architectural design, through a system whose 

elements react locally to internal and external parameters, such as structural or light inputs, 

adapting and becoming  locally discontinuous and diverse, and  leading  in the generation of 

heterogeneous spaces, while the overall coherence of the structure is retained [Hight et al, 

2009, p.34].  The similarities of this model with cas and the concepts of bottom‐up, top‐down 

and order out of chaos are evident.  

This approach is also explored in another article by Hensel and Menges [2008], in which a 

system’s ability to respond to internal and external forces, such as environmental parameters, 

renders it highly adaptable and offers the potential for a fundamental performance‐oriented 

4 | P a g e   

approach  towards  architectural  design.  Moreover,  a  bottom‐up  approach  is  suggested, 

designing from the micro‐scale in order to achieve a truly heterogeneous space that interacts 

with its environment and produces unpreceded levels of performance [Hensel, Mengel, 2008, 

p.207].  

 

Architectural Applications of Complex Adaptive Systems and Heterogeneity 

Shifting the focus towards architectural design, the current research and application of 

cas in architectural design is reviewed, along with a number of related projects. The section 

starts with reviewing the article of Alisa Andrasek on “Open Synthesis”, written in a period in 

which these ideas are being explored by an increasing number of architects, and providing a 

clear description of their potential for architectural design. 

In her article for Log magazine [2012], A. Andrasek places architecture within the scientific 

and cultural framework of its time, in which the emergence of advanced computing systems 

and the ubiquitous use of code have created new opportunities and ideas in most scientific 

fields, philosophy and architecture,  leading  to a phenomenal exchange of  information and 

knowledge,  along  with  the  blurring  of  boundaries  between  the  various  disciplines.  The 

concept of agent systems is used for the description of cas [Andrasek, 2012, p.50], while the 

potential of  these  systems  in  architectural design  lies  in  their  adaptation  and  emergence 

ability, and in generating complexity out of simplicity. Their application can also be found on 

the  new  trajectories  that  architecture  is  engaging,  such  as materiality,  resilient  systems, 

generative design, nonlinearity and bottom‐up approaches. Moreover, multi‐agent systems 

are used  in object‐oriented programming  for  achieving heterogeneity which  can  result  in 

complex, adaptive and resilient outputs [Andrasek, 2012, p.49]. 

Looking at existing projects placed within this framework, the work of Biothing, led by A. 

Andrasek, is based on agent systems for creating generative design through the use of data 

and making  use  of  their  adaptation  ability  (fig.1,2). Moreover,  student  projects  from  the 

research cluster of Andrasek at the Bartlett School of Architecture present features of agent 

adaptation based on data inputs and the generation of heterogeneity, such as the Robofoam 

project (fig.3).  

 

 

Figure 1 ‐ FissurePort project / Biothing // Competition proposal from Biothing for the port terminal in

Kaohsiung, Taiwan 

5 | P a g e   

 

Another interesting agent‐based example is the work of Roland Snooks and Robert Stuart‐

Smith  from Kokkugia. According  to R. Snooks  [Snooks, 2012], a combination and  constant 

negotiation  between  bottom‐up  and  top‐down  approaches  needs  to  be  implemented  in 

design in order to maximize their potential, described as ‘messy computation’ [Snooks, 2012, 

p.60],  and  consisting  Kokkugia’s main  design  approach. An  example  is  Kokkugia’s  project 

‘Fibrous Tower’, in which an initial geometry is modified through environmental and structural 

inputs in order to generate a heterogeneous structure through agent‐based design (fig.4).  

Figure 2 FissurePort project / Biothing // Façade generated through agent adaptation  

Figure 3 – Robofoam Project / MArch GAD, Bartlett School of Graduate Studies / 2012‐13 // Agent 

system, adaptation based on heat inputs and heterogeneity 

Figure 4 – Fibrous Tower / Kokkugia // Hybrid design combining bottom‐up and top‐down design 

approach. Initial geometry modified through agents reacting to environmental and structural inputs 

6 | P a g e   

In terms of environmental performance‐oriented design and heterogeneity, the work of 

M. Hensel, although not being related to agent systems, is the most representative example. 

The project ‘M‐Velope’ of Hensel’s research practice OCEAN is such an example, in which a 

façade  structure  generates  climatic  and  spatial  heterogeneity  through  the  use  of  non‐

standarised panels (fig.5) [Hensel, 2013, p.109‐110]. 

Another example that should be mentioned because of the project’s engagement with 

performance through data inputs, although structural, as well as the use of agent systems and 

heterogeneity through adaptation, is the ProtoHouse project by Softkill Design (fig.6), based 

on structural analysis of voxelised space for the generation of fibre structure [Softkill, 2012]. 

Looking  at  projects  focusing  on  heterogeneity  through  agent  systems,  the  project 

“Cellular Forms” of Andy Lomas (fig.7) should be mentioned. According to him [Lomas, 2014], 

the project focuses on generative bottom‐up growth systems, which are controlled by local 

rules  based  on  internal  or  external  inputs,  similar  to  Holland’s  cas,  and  result  in  highly 

heterogeneous outputs with prevailing  smooth qualities. The principle of minimum  input‐

maximum output is implemented, while iterating the system’s parameters generates highly 

differentiated outputs. In addition, the concept of light inputs is tested for generating nutrient 

creation and, in turn, cellular growth and heterogeneity [Lomas, 2014, p.4]. 

Figure 5 – M‐Velope / OCEAN // Screen wall comprised of non‐standarised panels generated based on 

light inputs. Climatic and spatial heterogeneity, extended threshold 

Figure 6 – ProtoHouse / Softkill design // Agent system adapting locally to inputs from structural 

analysis and generating reinforced and heterogeneous structure 

7 | P a g e   

 

Finally,  combining  the  concepts  of  bottom‐up  growth,  cas,  heterogeneity  and 

performance, the work of Neri Oxman is of high interest. In one of her papers [Oxman, 2007], 

the concept of performance‐oriented form‐finding through light inputs is explored, in which 

an initial geometry is analysed and modified based on light intensity and direction, resulting 

in heterogeneous outputs. However, this approach was limited by the need of generating an 

initially predefined geometry [Oxman, 2007, p.681], so Oxman’s later and ongoing research 

focuses on drawing  inspiration from biological mechanisms and using concepts such as cell 

differentiation, growth and self‐organising structures [Oxman, 2015]. An interesting example 

is the project ‘Wanderers: Wearables for Interplanetary Pilgrims’, in which different growth 

systems  are  explored,  producing  highly  differentiated  and  heterogeneous  results  (fig.8) 

[Oxman, 2015, p.107]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conclusion 

All in all, by reviewing the existing literature on cas behavior, along with the concept of 

performance‐oriented heterogeneity and the application of these concepts  in architectural 

form‐finding, a  theoretical  foundation  that supports  the  initial argument and provides  the 

basis for further research has been set.  

It was shown that a number of projects focus on agent‐driven design, but the need for an 

initial geometry exists in most of them. On the other hand, projects aiming for performance‐

driven heterogeneity usually have highly striated qualities. As a result, there seems to be a 

gap  in  the existing  literature on  the  combination of  the  two  systems  for a  fundamentally 

bottom‐up approach towards generative and performance‐driven form‐finding through the 

Figure 8 – Wanderers / Neri Oxman // Grown heterogeneous structures based on cellular growth, cell

differentiation and self‐organisation 

Figure 7 – Cellular Forms / Andy Lomas // Bottom‐up approach and use of agent system with  local 

adaptation and external or internal inputs that produce heterogeneous and highly variable results 

8 | P a g e   

use of agent systems and environmental data  inputs  in generating heterogeneous outputs. 

Based on this observation, further work and research will be made,  in order to explore the 

generative potential of such an approach for architectural form‐finding that is fundamentally 

related to performance and closer to an integrated design approach from the macro scale to 

the  building  scale.  In  this way,  it  is  believed  that  a  novel  high  resolution  output  can  be 

achieved, both in terms of performance and form. Finally, the concept of growing structures 

and biological processes such as cell division and differentiation might present a good starting 

point towards achieving this approach. 

   

 

References 

ANDRASEK, A., 2012. Open Synthesis – Toward a Resilient Fabric of Architecture. LOG, 

25, 45‐54 

BORGES, J.L., 1998. The Library of Babel. Collected Fictions. New York: Penguin Books 

DELEUZE G., GUATTARI F., 2004. The Smooth and The Striated. A Thousand Plateaus. 

London: Continuum 

HENSEL, M., MENGES, A., 2009. The Heterogeneous Space of Morpho‐Ecologies. Space 

Reader: Heterogeneous Space In Architecture. UK: John Wiley and Sons 

HENSEL, M., 2013. AD Primers: Performance‐Oriented Architecture. UK: John Wiley and 

Sons 

HIGHT, C., HENSEL M., MENGES, A., 2009. En route: Towards a Discourse on 

Heterogeneous Space beyond Modernist Space‐Time and Post‐Modernist Social 

Geography. Space Reader: Heterogeneous Space In Architecture. UK: John Wiley and 

Sons 

HOFSTADTER, D., 1979. Prelude… Ant Fugue. Gödel, Escher, Bach: An Eternal Golden 

Braid. New York, USA: Basic Books 

HOLLAND, J., 1995. Hidden Order: How Adaptation Builds Complexity. Cambridge: 

Perseus Books 

HOLLAND, J., 1992. Adaptation in Natural and Artificial Systems. Cambridge, 

Massachusetts, USA: The MIT Press 

KAUFFMAN, S., 1995. At Home in the Universe: The Search for Laws of Self‐Organization 

and Complexity. Oxford, UK: Oxford University Press 

LOMAS, A., 2014. Cellular Forms: An artistic exploration of Morphogenesis. Available 

from: http://www.andylomas.com/extra/andylomas_paper_cellular_forms_aisb50.pdf 

[Accessed December 2015] 

OXMAN, N., 2007. Get Real: Towards Performance Driven Computational Geometry. 

International Journal of Architectural Computing (IJAC). UK, 4(5), 663 ‐684 

OXMAN, N., 2015. Templating Design for Biology and Biology for Design. AD Material 

Synthesis: Fusing the Physical and the Computational. UK: John Wiley and Sons 

SNOOKS, R., 2012. Volatile Formation, LOG, 25, 55‐62 

SOFTKILL Design, 2012. Dezeen magazine [online]. Available from: 

http://www.dezeen.com/2012/10/23/protohouse‐by‐softkill‐design (Accessed: 

26/12/2015) 

 

9 | P a g e   

Image References 

Fig.1 ‐ Biothing, [image] At: http://www.biothing.org/?attachment_id=394 (Accessed: 

03/12/15) 

Fig.2 ‐ Biothing, [image] At: http://www.biothing.org/?attachment_id=280 (Accessed: 

03/12/15) 

Fig.3 – Robofoam [image] At: http://www.daghancam.com/#!bartlett‐2012‐

13/zoom/c1c0x/imageu0a (Accessed: 03/12/15) 

Fig.4 – Kokkugia [image] At: http://www.robertstuart‐smith.com/rs‐sdesign‐fibrous‐

tower (Accessed: 26/12/15) 

Fig.5 – OCEAN [image] At: HENSEL, M., 2013. AD Primers: Performance‐Oriented 

Architecture. UK: John Wiley and Sons, p.110 

Fig.6 – Softkill Design [image] At: http://www.3ders.org/articles/20130213‐protohouse‐

2‐first‐3d‐printed‐home‐can‐be‐assembled‐within‐a‐day.html (Accessed: 03/12/15) 

Fig. 7 – Andy Lomas [image] At: http://www.andylomas.com/cellularFormImages 

[Accessed: 03/12/15] 

Fig.8 – Oxman, N. [image] At: http://thecreatorsproject.vice.com/blog/neri‐oxmans‐

bacteria‐infested‐spacesuits‐are‐grown‐not‐designed [Accessed: 28/12/15]