參數(shù)化建筑設計技術路徑探討

周文琪 鄧佛丹 王潔

上海杰地建筑設計有限公司

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，參數(shù)化建筑設計正逐漸被建筑設計領域所熟知。建筑參數(shù)化設計是一種建筑設計方法，很多建筑師或者學者都對參數(shù)化設計的概念進行過探討[1-4]。參數(shù)化建筑設計的核心思想是把建筑設計的全要素都變成某個函數(shù)的變量，通過改變函數(shù)或者改變算法，從而獲得不同的建筑設計方案。

參數(shù)化本是關聯(lián)幾何學中的概念，自20世紀60、70年代開始，這種思想被引入到計算機科學中并得到迅猛的發(fā)展，同時結合了變量幾何和幾何約束的思想，引入了神經(jīng)網(wǎng)絡和幾何推理等智能化算法。隨著計算機行業(yè)的發(fā)展，20世紀80～90年代，相對成熟的參數(shù)化理論被廣泛應用到如飛機、汽車、輪船等相關制造業(yè)中。

參數(shù)化建筑設計則是從20世紀90年代中后期開始興起的，當時美國的哥倫比亞建筑學院、麻省理工建筑學院、英國的建筑聯(lián)盟學院等都設置了參數(shù)化設計的教學課程，之后開始逐漸被先鋒建筑師所接受并運用到實際的項目中。

參數(shù)化建筑設計發(fā)展的初期，建筑師通常通過手工完成方案設計，然后運用參數(shù)化設計方法進行模型制作。如弗蘭克·蓋里于1997年完成的古根海姆博物館[5]，面對如此復雜的建筑形態(tài)，傳統(tǒng)的二維繪圖技術已無能為力，需要依托于三維數(shù)字技術得以實現(xiàn)，由此導致傳統(tǒng)二維設計技術向三維設計技術轉變。

參數(shù)化建筑設計在此之后不斷發(fā)展，以Zaha Architects為代表的先鋒事務所正在全面貫徹運用參數(shù)化設計的思想，把設計思想和設計工具結合起來，生成新的建筑形式。如Zaha Hadid于2013年完成的阿塞拜疆哈利耶夫文化中心[6]，參數(shù)化設計的理念貫穿于整個設計概念、設計方案乃至施工圖階段。

1 古根海姆博物館

當下，使用參數(shù)化設計的建筑形式相較于傳統(tǒng)的建筑設計形式，往往顯得更為復雜多樣，表現(xiàn)手法也大多比較夸張。以至于每當提到參數(shù)化，建筑師們就會把它和Zaha、MAD、藍天組等這類先鋒事務所聯(lián)系在一起，也會把它和Grasshopper劃上等號，而這樣的理解是有失偏頗的。

參數(shù)化設計本質(zhì)上是一種設計方法或者設計流程，它不與任何建筑形式產(chǎn)生關聯(lián)。有的學者采用“非線性建筑”的概念[7]來定義用傳統(tǒng)設計手段無法表達的建筑。雖然參數(shù)化建筑設計通過非線性建筑設計的廣泛需求而得到發(fā)展，但是參數(shù)化設計并不等于非線性設計。由此可以拓展參數(shù)化設計的概念，參數(shù)化設計不僅可以用于非線性建筑的設計流程中，也可以運用于傳統(tǒng)類型的建筑設計當中。

1 參數(shù)化設計的技術路徑

在傳統(tǒng)的建筑設計流程中，從方案到施工圖的各個環(huán)節(jié)都相對離散，需要基于不同的軟件平臺進行工作。但是設計本身是一個不斷迭代的過程，需要根據(jù)分步設計的結果不斷地進行調(diào)整，這樣離散的過程會導致各種弊端。

（1）工作效率相對低下。若離散的過程中任一環(huán)節(jié)需要修改，都會造成其他專業(yè)或者環(huán)節(jié)的修改，這種修改在設計時對時間成本的耗費是巨大的。

（2）面對如此低效的工作模式，沒有充分時間對設計進行全方位考慮，設計結果很大程度依靠設計師的經(jīng)驗和技術積累，這樣設計出的建筑質(zhì)量是難以得到保障的。

參數(shù)化設計能有效地解決傳統(tǒng)建筑設計流程中的這些弊端。參數(shù)化設計流程中，設計師首先定義好設計變量，其次定義好建筑方案生成的邏輯和算法，最終得到相應的設計方案，并可在只修改變量的情況下實現(xiàn)對設計方案的即時調(diào)整。如在上海中心大廈的參數(shù)化設計過程中[8]，設計師只通過類似于塔樓整體旋轉角度和收進比例等變量，基于Grasshopper通過相關算法邏輯就完成了對整個建筑表皮的定義，并可根據(jù)相關性能的需求，實時地通過變量調(diào)整設計結果。

2 哈利耶夫文化中心

3 上海中心表皮構造

4 優(yōu)化算法工作流

5 動力松弛法找形

1.1 對變量的理解

變量在參數(shù)化設計過程中是展開后續(xù)工作的先決條件。參數(shù)化概念中的參數(shù)，就是設計過程中要定義的變量；設計變量影響了設計的結果，而通過改變變量實現(xiàn)對建筑方案的直接調(diào)整是簡單且高效的。建筑方案邏輯和算法的搭建需要以定義的變量為基礎，而在定義變量時，需要建筑師和工程師基于相應的理論和實踐基礎，選擇對設計結果影響較大的變量。

1.2 對算法的思考

算法的構建是參數(shù)設計進行的前提，也是工作量最大的一部分。設計師定義好設計目標、設置好變量之后的主要工作，就是構建和選擇參數(shù)化設計的算法和邏輯。建筑設計過程中的所有計算過程都定義為參數(shù)化設計相關的算法，而這些算法可以按以下的層次進行劃分。

1.2.1 空間幾何層面的算法

生成形體、構造空間是建筑設計過程中的首要環(huán)節(jié)。當下基于參數(shù)化概念，能夠幫助建筑師創(chuàng)建不同形式空間和布局的算法不斷涌現(xiàn)。Joel Simon使用生成設計探索理論的和優(yōu)化的平面布局[9]；徐衛(wèi)國、李寧等學者通過仿生模擬生物形體的方法創(chuàng)建建筑形體[10]；林秋達通過IFS算法進行建筑分形設計[11]。結合力學概念，通過諸如力密度法、動力松弛法、有限元法[12，13]、拓撲優(yōu)化[14，15]等創(chuàng)建力學性能最優(yōu)形體的方法也不斷涌現(xiàn)。波前法、映射法、基于柵格法、掃略法等一系列網(wǎng)格劃分算法[16，17]也在不斷地發(fā)展，以滿足建筑師對造型和美學的追求。

1.2.2 性能分析層面的算法

建筑設計不僅要滿足人們對美學及空間上的需求，相關建筑性能的設計也是其中相當重要的一環(huán)。日照、人流、噪聲、結構力學性能、舒適度等方方面面的需求都是建筑設計過程中需要考慮和滿足的指標。目前依托于參數(shù)化設計，相應的算法得到了發(fā)展，各種參數(shù)化設計平臺也提供了相關的算法資源[18-20]，將通過參數(shù)化設計得到的建筑模型接入性能化分析的算法，就可以計算出相關的建筑性能指標，從而為建筑設計的優(yōu)化提供依據(jù)。

雖然目前Grasshopper平臺提供了很多分析工具，但是并不能完全只依靠其進行性能指標的計算。參數(shù)化設計流程完全可以接入已有的性能設計軟件或者自行編制相關的算法。對于參數(shù)化建筑設計來說，Grasshopper并不是全部。

1.2.3 最優(yōu)化層面的算法

模型的建立和性能指標的獲取并不是建筑設計的終點，建筑師依然需要基于性能化分析的結果不斷對建筑方案進行優(yōu)化。

傳統(tǒng)的設計過程中，性能化分析的結果往往依靠建筑師自己來進行判斷、調(diào)整和迭代，設計質(zhì)量很大程度上受到建筑師自身水平的制約；而在參數(shù)化設計流程中，可以撇開人為經(jīng)驗的因素，利用諸如遺傳算法、模擬退火算法等一系列最優(yōu)化算法，通過計算機對建筑性能分析的結果進行迭代。譬如在遺傳算法的迭代過程中：遺傳算法初始化一組變量提交給性能化分析算法，性能化分析算法得到性能指標再返回給遺傳算法，遺傳算法再根據(jù)這組計算結果生成一組相對優(yōu)秀的變量再次提交給性能化設計算法……依此往復，完全排除人為干擾，算法使性能化分析實現(xiàn)自我迭代，從而獲取最優(yōu)結果。這個過程完全無需人工干預，相較于傳統(tǒng)設計流程而言，不僅效率更高，而且質(zhì)量更優(yōu)。

1.3 設計過程的自動化

首先，需要考慮整個流程中參數(shù)化設計的通路。雖然通過參數(shù)化的手段可以迅速地實現(xiàn)方案之間的調(diào)整，但是這個過程往往是單向的，也是離散的。建筑方案無法在不同平臺上實現(xiàn)交互以及設計的自動迭代優(yōu)化。要想解決這個問題，就需要建立協(xié)調(diào)不同軟件系統(tǒng)之間的平臺，并在這個平臺上實現(xiàn)不同軟件的自動化控制，實現(xiàn)變量與設計結果之間的自動化反饋與迭代。

其次，需要自動化手段對整個設計流程的目標進行通盤考慮。建筑設計不僅是對單一目標進行設計優(yōu)化，還需要同時考慮建筑、結構、設備等方方面面的需求，每個專業(yè)乃至每個專業(yè)內(nèi)部都有許多需要優(yōu)化的目標。而某些變量會同時對多個專業(yè)的設計目標產(chǎn)生影響，那么就需要在參數(shù)化設計流程中引入各個目標的機制，通過自動化的手段實現(xiàn)對不同目標的通盤考慮。

6 Revit 與 Dynamo

再次，數(shù)據(jù)的標準化是實現(xiàn)設計過程自動化的重要條件。在參數(shù)化設計的背景下，不同的軟件平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸格式是不同的，如此一來，在傳輸?shù)倪^程中就需要建筑師和工程師對相應的數(shù)據(jù)進行翻譯，使數(shù)據(jù)能夠在不同平臺之間實現(xiàn)自由共享，使自動化流程得以更為有效地搭建。

2 參數(shù)化設計的發(fā)展

2.1 參數(shù)化設計與BIM

將參數(shù)化設計與BIM的概念相融合[21]，可以使參數(shù)化設計得到更廣闊的發(fā)展。目前行業(yè)內(nèi)對參數(shù)化設計的誤解限制著參數(shù)化設計的發(fā)展，而脫離Grasshopper的限制，BIM對參數(shù)化設計的助力是毋庸置疑的。

BIM的關鍵詞“建筑信息”，使BIM自帶參數(shù)化的“基因”。參數(shù)化設計本身就是根據(jù)變量不斷地對數(shù)據(jù)進行加工傳遞，從而實現(xiàn)設計目的。而BIM模型中蘊含的數(shù)據(jù)，對參數(shù)化設計而言無疑是豐富的寶藏。任何在BIM模型中被定義的數(shù)據(jù)，都可以用作參數(shù)化設計的基礎數(shù)據(jù)，而通過參數(shù)化流程，新的BIM模型也可以被定義。例如Revit平臺下的Dynamo，正是基于BIM的參數(shù)化設計工具。

2.2 參數(shù)化設計助力VR在建筑行業(yè)中的應用

VR的發(fā)展已經(jīng)成為風潮[22]，而建筑行業(yè)內(nèi)VR的應用也在不斷地被拓展。Grasshopper平臺上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列VR相關插件，同時諸如光輝城市這樣的建筑VR軟件也正在發(fā)展。VR在建筑設計過程中為設計師提供了一種更為直觀的感受。參數(shù)化設計的模型是天然的VR素材，而通過參數(shù)化設計的手段，使項目中各方在VR的環(huán)境中實時感受設計變量對設計的影響，也提供了一種新的決策手段。

2.3 參數(shù)化設計給新的建造方式提供可能

數(shù)字化建造已成為建筑行業(yè)內(nèi)研究的前沿[23]。參數(shù)化設計生成的模型內(nèi)部蘊含的各種模型信息，也天然地成為數(shù)字化建造的基礎數(shù)據(jù)。通過數(shù)字化建造技術，利用機械臂或者機器人等手段，可以降低施工現(xiàn)場的時間、人力成本和安全風險。同時，數(shù)字化建造技術也能實現(xiàn)對更為復雜的建筑構件的加工，從而實現(xiàn)更為復雜的建筑形態(tài)。

3 結論

隨著數(shù)字技術的發(fā)展，參數(shù)化設計正在被越來越廣泛地運用。參數(shù)化設計是一種結合數(shù)字化技術的設計方法。參數(shù)化設計將設計過程中的各個環(huán)節(jié)有機整合在一起，形成一個完整的數(shù)字化流程，并在這個數(shù)字化流程中拓展出一系列分支，對建筑設計性能化設計過程中的各個指標進行分析，同時可以通過最優(yōu)化算法的手段尋找最優(yōu)的建筑設計方案。因此，參數(shù)化設計的工作模式可以提高設計師的工作效率和工作質(zhì)量。

此外，通過參數(shù)化設計的概念與BIM相結合，可以實現(xiàn)參數(shù)化設計更為廣泛的應用；基于參數(shù)化設計技術并結合VR，也給建筑設計流程以新的體驗；參數(shù)化設計技術也為數(shù)字建造提供了更多可能。