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        可視化編程語言下的計算式設計插件——Dynamo初探

        2015-01-27 10:19:48王松
        福建建筑 2015年11期
        關鍵詞:編程語言塔樓插件

        王松

        (華僑大學建筑學院 福建廈門 361021)

        可視化編程語言下的計算式設計插件
        ——Dynamo初探

        王松

        (華僑大學建筑學院 福建廈門 361021)

        當今國內的BIM發(fā)展勢頭良好,很多優(yōu)秀的BIM設計平臺被引入建筑設計及其管理的進程當中,Dynamo作為其中的一員,目前還沒有被國內大部分設計工作者所熟知。本文對Dynamo插件采用的計算式設計和可視化編程語言進行了簡單的介紹,通過三個案例對其應用加以說明,并對其前景進行了一定的展望。

        計算式設計;可視化編程語言;Dynamo

        E-mail:1092790626@qq.com

        BIM在建筑設計設計和管理上的優(yōu)勢毋庸置疑,近年來,我國對BIM的重視程度不斷提高,很多設計院都開始采用BIM技術指導設計。BIM軟件眾多,例如Revit,ArchiCAD等,其中Revit在高校和設計院的普及率比較廣泛,在建筑設計、水暖電工程設計、結構設計上相較于其他軟件能力突出,交流便捷。Revit也擁有眾多插件,例如速博插件,橄欖山插件等,但一直缺少一種讓設計師直面程序設計的插件,Dynamo的出現(xiàn)打破了這種局面,通過計算式設計和可視化編程語言,設計師可以在Dynamo簡潔的界面中隨心所欲的編寫邏輯算法,解決設計難題;算法也可以保存為指定文件,方便反復使用與修改。

        1 計算式設計和可視化編程語言

        1.1 計算式設計(Computational Design)

        計算式設計,是指利用計算機強大的運算能力來解決設計問題,通過自動化、腳本編寫、模擬計算和參數(shù)化等各種技術來生成設計解決方案。近年來,隨著計算機科學技術的不斷發(fā)展,計算式設計也越來越多的被引入建筑設計,并對其產生深遠的影響。許多設計任務都已經(jīng)開始嘗試使用新的計算技術,幫助設計師優(yōu)化設計流程,生成創(chuàng)新型的設計選項。計算技術用途廣泛,例如可以將復雜冗長的生產過程自動化起來,或者運用編程語言編寫依據(jù)輸入條件自動生成三維形體的應用程序[1]。

        1.2 可視化編程語言(Visual Programm ing Language)

        “可視化編程語言”即是讓設計師在圖形化的操作界面下創(chuàng)建程序。通過掌握一定的編程邏輯知識,針對某一問題,設置一套循序漸進的步驟方法,在軟件中連接預定義的功能模塊,輕松創(chuàng)建自己的算法和工具,通過輸入、處理和輸出的基本邏輯解決該問題。設計師不必從頭編寫復雜的程序代碼,就可以享受計算式設計帶來的方便與快捷[2]。

        2 計算式設計插件——Dynamo

        2.1 Dynamo簡介

        Dynamo是一個運行在Autodesk Revit和Vasari上的開源插件,在0.7以后的版本中也可以獨立運行,并在0.8以后的版本中集合了中文語言包。通過基于結點的可視化編程界面,Dynamo可以讓用戶自由創(chuàng)建計算式設計模型或者其它自動化處理過程。用戶可以使用完善的數(shù)據(jù)處理,關聯(lián)性結構和幾何控制功能。這些功能在基于傳統(tǒng)CAD界面的軟件中是很難做到的。更重要的是,Dynamo讓設計師可以在BIM環(huán)境(Revit平臺)中充分發(fā)揮計算式設計能力。設計師完全可以自定義Revit中各種建筑構件的創(chuàng)建與修改流程。Dynamo是開源的,允許設計師對插件內部的程序進行修改,并在Dynamo論壇上提供建議。

        圖1 Dynamo界面

        Dynamo提供了與Autodesk Revit和Vasari的全新交互思路。設計師可以創(chuàng)建完整的幾何體生成—定位—可視化流程??梢暬幊探缑婧艽蟪潭壬蠑U展了使用BIM驅動設計迭代的方式方法。作為插件,Dynamo可以運行在Revit2013及以后的各版本之上,還有Vasari Beta 3。Dynamo在獨立運行時,除Revit相關的結點無法使用外,其它功能都可正常使用。同時Dynamo也正在嘗試集成到其它平臺上。目前已經(jīng)出現(xiàn)了基于Rhino平臺的Rhynamo插件,該插件也在不斷完善中。

        2.2 Dynamo和Grasshopper的比較

        由于操作界面和操作方法的相似性,Dynamo常常被許多人用來和Grasshopper比較,被稱作“Revit上的Grasshopper”。這種說法看似正確,但其實是對Rhino和Revit兩種平臺的誤解。

        Grasshopper作為基于Rhino平臺的插件,有著豐富的拓展工具,可以幫助設計者通過參數(shù)化手段處理復雜幾何形體,大大加強了Rhino對形體的處理能力。經(jīng)過幾年的發(fā)展,Grasshopper在這方面的功能日漸成熟,作為當今參數(shù)化設計軟件中最廣為人知的插件,Grasshopper有著較為成熟的數(shù)據(jù)結構和廣泛的用戶,而且許多優(yōu)秀的外置運算器可以被集成其中,如Kangraoo,Geco等等。而Dynamo想跟Grasshopper做到類似程度,還需要很長的軟件開發(fā)時間,因為創(chuàng)建自由幾何形體并不是Revit的強項。Revit的出色之處在于管理建筑信息,我們知道,Revit中的模型不僅具有3D造型,也帶有豐富的數(shù)據(jù)信息,在Dynamo出現(xiàn)之前,還沒有一款插件可以支持Revit以可視化的方式管理這些信息模型。Dynamo的出現(xiàn),填補了這一空白。使得信息模型的管理更加靈活。

        3 Dynamo結合Revit的應用

        以下通過幾個案例展示Dynamo利用計算式設計方法在revit平臺下處理建筑信息的能力。

        3.1 座椅排布

        對于建筑設計中相同元素(門、窗、桌椅等)基于某一規(guī)律的排布問題,雖然難度不大,但有時修改起來非常費時。例如階梯式座椅排布問題,在水平投影面積固定的一片區(qū)域,如何排布階梯式的座椅,一般的CAD軟件難以勝任,單用Revit本身處理起來也比較麻煩,在利用Dynamo結合Revit,就能很好的解決這個問題。

        操作實例擬在一個水平投影為4m×6m的區(qū)域內布置一組行列間距均為0.8m,高度間距為0.5m的座椅組。在操作過程中,可以將每個座椅抽象為一個點,而每個點在Dynamo的坐標系中,都含有坐標信息X、Y、Z,這個坐標信息和Revit中的坐標信息是相對應的。換言之,Revit中的座椅排布可以轉化為Dynamo中的點陣排布,依照這種轉化思路,我們就可以在Dynamo中思考該問題的解決辦法,我們用水平投影的總寬度(W)除以寬度方向的間距(Dw),得到一個數(shù)值k,用運算器Math.Floor將該數(shù)值取整為Kw(k不一定為整數(shù)),我們便得出了寬度方向上點的數(shù)量(Revit中座椅的數(shù)量),而Dw即為寬度方向上相鄰兩點之間的距離(Revit中相鄰兩列座椅的水平距離)。這時用運算器Number Sequence將數(shù)值帶入,start為起始數(shù)值,這個數(shù)值可以依據(jù)Revit中座椅陣列的位置調整,amount=Kw,step=Dw,于是我們得到一組等差數(shù)列,即寬度方向上座椅的排布。同理,我們可以得到長度方向上座椅的排布,amount=Kd,step=Dd。(圖3)將兩個方向的點陣納入運算器Point.ByCoordinates中,運用叉積運算方法,得到了一組二維數(shù)組,即我們需要的座椅在水平方向上的排列方式。至于座椅高度方向上的H值,即每行座椅的高度,可以利用H/Dd(即階梯角度的正切值)將長度方向的數(shù)值轉換為高度值。

        圖2 計算思路

        圖3 Dynamo計算得出的結果

        為了使運算界面更加簡潔,如果這類計算具有很強的實用性,我們可以將中間的計算算式打包成一個自定義節(jié)點(Custom Node)并賦予節(jié)點名稱和端口名稱(圖4)設計師只需改變輸入端的數(shù)據(jù),便可由計算機計算生成不同的結果。(圖5)從這個簡單的案例中可以發(fā)現(xiàn)計算式設計的優(yōu)勢所在:在可視化平臺上搭建邏輯算式,約束元素排布,在保證靈活性的前提下,使得設計的可控性更強,這正是設計師一貫追求的方法。

        3.2 建筑形體構建

        第一個案操作實例通過將建筑構件的排布轉化為點的排布,將建筑構件的管理轉化為對點的管理,解決了座椅的排布問題。不難看出,管理控制點是一種很好的轉化思維,以此類推,我們也可以管理Revit中的線或面,從而創(chuàng)建非常規(guī)的形體。在夢露大廈形體的模擬當中,Dynamo只利用了Revit概念體量中的兩條焦點相同,焦距不同的橢圓線,便創(chuàng)造出了扭轉的塔樓形體,且形體可以依照輸入端的數(shù)據(jù)加以控制。

        圖5 不同賦值下的座椅排布

        內圈的橢圓線a用于生成塔樓形體。從夢露大廈的形體可以得知,塔樓形體分為四個部分:上,下兩段的扭轉角度較小,而中間兩段的扭轉角度較大,故形體建模也分為四個部分的數(shù)據(jù)分別輸入,每個部分的層數(shù)和旋轉角度均有不同。

        首先將橢圓線a按照Z軸的方向向上復制,數(shù)目和間距分別為層數(shù)和層高,這時我們得到的是一個沒有旋轉的一組曲線,然后利用Dynamo中的Geometry.Rotate這個節(jié)點進行旋轉,該節(jié)點的輸入端有三個端口,分別為geometry(幾何)、basePlane(基面)和degrees(角度)。在基面輸入端輸入Plane.XY,即確定了形體的基面方向(水平面),geometry端口輸入剛剛得到的曲線組,degrees端口輸入角度數(shù)據(jù)。角度數(shù)據(jù)的處理,運用了一個自定義節(jié)點,該節(jié)點將四個部分的曲線旋轉數(shù)據(jù)組合成一個數(shù)組(list),傳遞給degrees輸入端,至于每個部分的曲線旋轉數(shù)據(jù)又被分為三個部分,起始角度,旋轉角度(由層數(shù)×每層旋轉角度得到)和終止角度組成,第一部分的終止角度被輸入到第二部分的起始角度端口,以此類推,得到了四組旋轉角度數(shù)據(jù),最后將這四組數(shù)據(jù)組合為一組數(shù)據(jù),便得到了塔樓扭轉的所有角度數(shù)據(jù)。由Geometry.Rotate節(jié)點生成了旋轉的橢圓線組,將這組曲線輸入到PolySurface.Byloft的節(jié)點中(該節(jié)點由將不同高度層的曲線轉化為光滑曲面),最終得到了扭轉的塔樓形體(圖6)。

        塔樓挑檐板的生成邏輯與塔樓形體類似,利用Curve.ExtrudeAsSolid節(jié)點分別將外圈的橢圓線b和內圈橢圓線a沿Z方向擠出相同的厚度,隨即得到兩個實體(Solid),將兩實體進行布爾運算,得到挑檐板實體,然后依照相同的邏輯沿Z軸方向向上旋轉,便生成了旋轉的挑檐板實體(圖7)。

        這種方法看似復雜,但只要掌握了一定的邏輯思路,構建這樣的形體并不困難,況且形體建成后,可以隨意修改,層數(shù),層高,角度均可以控制,相較于單純運用Revit的反復建模修改,Dynamo再次體現(xiàn)出其便捷性與高效性。

        3.3 紐約現(xiàn)代藝術博物館PS1年輕建筑師方案“hy-fi”

        圖6 塔樓形體的生成

        圖7 塔樓挑檐板的生成及塔樓最終成果

        在由The living設計的紐約現(xiàn)代藝術博物館PS1年輕建筑師方案“hy-fi”中,結合了先進的生物技術,建筑完全由玉米莖和特質根結構材料制作的有機磚組成,并且完全不耗費任何能量,也沒有任何碳排放。在建筑的建造過程中,曲面磚墻的交錯砌筑方式是一個難點,針對這個難點,Dynamo允許設計師通過試驗的辦法進行模擬并得到多個方案,(圖8,圖9)經(jīng)過人為篩選,最后得出了搭接方式較為合理的砌筑方式。從中我們可以看出,Dynamo對實際項目中建筑的建造方法也具有一定的指導性。

        3.4 小結

        圖8 Dynam o模擬“hy-fi”曲面磚墻建造

        圖9“hy-fi”建成實體

        結合以上三個案例,可以看出Dynamo對設計師的設計思維和邏輯有著較高的要求,而軟件本身的操作并不復雜,在連接各個計算功能模塊的同時,設計師的設計思路不知不覺躍然“紙”上,這對正確思路的培養(yǎng)十分有益,在這點上Dynamo和Grasshopper具有同樣的優(yōu)勢,雖然造型手段尚不夠豐富,但Dynamo的獨特優(yōu)勢在于有著強大的Revit平臺進行支撐,不僅可以幫助設計師在建模上有所突破,更重要的是,在建造和管理方面,Dynamo可以將模型中的信息依照一定邏輯重組,在最終的方案成果中,所有的原始信息都會被完整的保留下來。相較于Grasshopper復雜的形體模式處理,這些功能則更加實用,更加適合生產生活的需要。

        4 與編程結合下的Dynamo的發(fā)展前景

        計算式設計的基礎是腳本的編寫,為了讓設計師省去學習編程的時間,像Grasshopper,Dynamo之類的插件通過編寫預定義功能節(jié)點的方式,讓設計師“拼裝”程序,以滿足自身需要。但是節(jié)點可視化編程本身的特點,靜態(tài)的數(shù)據(jù)處理方式一定程度上限制了編程語言對數(shù)據(jù)結構處理的能力,這也是Grasshopper,Dynamo之類插件不斷更新的原因。在這方面,利用Python等計算機語言可以更加自由的處理數(shù)據(jù),彌補軟件的不足。一些設計師甚至直接用計算機語言編寫程序,通過邏輯思維,用最簡潔的辦法具有針對性的解決設計難題,避免了由于節(jié)點運算能力的不足導致思維不得不走“彎路”。

        隨著計算機、材料、制造業(yè)等相關產業(yè)技術在建筑領域的不斷發(fā)展,近年來出現(xiàn)了可以打印建筑構件甚至小型房屋的3D打印技術,極大的提高了生產效率和建筑的適應性以及可變性。這在技術上是一個質的飛躍,也會極大影響到建筑設計思維:由于3D打印采用數(shù)控技術,而不再是人工砌筑,若想操控3D打印機,使之按照設計師的思維方式按步驟合理的打印建筑,必要的編程知識是不可或缺的。如果設計師懂得編程,不但可以豐富自身的設計手段,更可以有效的操控機械實現(xiàn)設計建造,避免了設計師與施工方的理解差異,交流不暢等導致的遺憾。

        利用Dynamo的開源性,設計師可以更改預定義功能節(jié)點中出現(xiàn)的錯誤,不斷優(yōu)化這個平臺。當然,基于商業(yè)的目的,Dynamo研發(fā)團隊也推出了Dynamo Studio,這是一款界面更加優(yōu)化,功能更加全面,性能更加穩(wěn)定的軟件平臺,通過收取一定費用來支持軟件的研發(fā)和網(wǎng)站的維護。但該研發(fā)團隊也指出,Dynamo這款插件將繼續(xù)保持開源性并向用戶提供免費下載和使用。這種軟件開發(fā)模式允許開發(fā)者和用戶之間平等交流,也使得軟件的更新速度幾乎達到了日日更新。Dynamo研發(fā)團隊種種友好的“舉動”也使許多設計師和愛好者加入到Dynamo的研發(fā)當中。

        5 結語

        基于Revit平臺的計算式設計插件Dynamo,自身具備了如下的特點:

        (1)作為BIM軟件平臺上的插件,方便管理模型及其信息,且具有一定的造型能力。

        (2)可以脫離Revit平臺獨立運行,具有一定的獨立性。

        (3)軟件始終保持開源,更新速度快,免費為設計師提供服務。

        (4)擁有和其他同類軟件交互的語言接口(Python)。

        (5)最新版本已經(jīng)支持中文。

        Dynamo的上述特點,使得其在同類軟件中有著無可比擬的優(yōu)勢,雖然在軟件開發(fā)上尚不成熟,但它無疑瞄準了正確的方向。當今國內的BIM發(fā)展勢頭良好,很多優(yōu)秀的BIM設計平臺被引入建筑設計及其管理的進程當中,Dynamo作為其中的一員,目前還沒有被國內大部分設計工作者所熟知。本文對Dynamo插件的原理進行了簡單的介紹,通過兩個操作案例和一個實際案例對其應用加以說明,并對其前景進行了一定的展望。在國外,Dynamo的應用已經(jīng)不止于建筑,在橋梁,制造等產業(yè),它的功效已經(jīng)被越來越多的人所認同。相信在不久的將來,Dynamo插件可以更加完善,能夠被國內更多的設計師所了解并在實踐中加以運用,輔助設計師生成更多優(yōu)秀的作品。

        圖片來源:

        圖8,圖9來自極客建筑論壇,其余均為作者自繪

        [1]“初識DYNAMO”系列之一——可視化編程利器(http:// www.archgeek.org/2014/09/basicinfor/)

        [2]The Dynamo Primer(http://dynamoprimer.com/)

        Com putational algorithm design p lug-in in Visual programm ing language——an initial research of Dynamo

        WANGSong
        (School of Architecture,Huaqiao University,Xiamen 361021)

        Nowadays the BIM(Building Information Modeling)sees a promising future.and Many BIM design platforms have been applicated in Architecture,Building and Construction management,yet Dynamo,however,as one of which,remains a new acquaintance to mostof the designers in China.This thesis consists in introducing briefly this plug-in using three pratical cases and providing its outlook.

        Computational;Design;Visual Programming Language;Dynamo

        TU201.4

        A

        1004-6135(2015)11-0105-06

        本文為華僑大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(華大研[2014]6號)

        王松(1989.7- ),男。

        2015-09-03

        王 松(1989.7- ),男,碩士,主要從事建筑設計及其理論方面的研究。

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