董新怡

(福州市建筑設(shè)計(jì)院　福建福州　350011)

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淺談建筑設(shè)計(jì)的參數(shù)化與信息化
——以閩清縣游泳館建設(shè)項(xiàng)目為例

董新怡

(福州市建筑設(shè)計(jì)院福建福州350011)

隨著數(shù)字化技術(shù)不斷成熟，參數(shù)化技術(shù)與信息化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中起了重要作用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)模式的不足。文章以閩清縣游泳館建設(shè)項(xiàng)目為例，介紹Rhino及Grasshopper在實(shí)際項(xiàng)目中從方案到施工圖階段的運(yùn)用，分析Rhino參數(shù)化與Revit信息化結(jié)合運(yùn)用的可行性，并結(jié)合VR技術(shù)及3D打印技術(shù)對未來科技的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

參數(shù)化設(shè)計(jì)；Rhino；Grasshopper；信息化；BIM

0　引言

21世紀(jì)，參數(shù)化與信息化技術(shù)在各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)升級中都發(fā)揮了重要作用，建筑領(lǐng)域亦然。參數(shù)化技術(shù)與信息化技術(shù)在國外都已發(fā)展多年，能夠較成熟地投入建筑全生命周期使用。在我國建筑業(yè)，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用仍多數(shù)停留在效果表達(dá)演示及制圖層面，缺乏設(shè)計(jì)思維和手法的創(chuàng)新。加之外國建筑機(jī)構(gòu)強(qiáng)勢駐入，市場競爭激烈，如何利用參數(shù)化與信息化技術(shù)提升自身競爭力，加速我國建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，已成為時(shí)下熱點(diǎn)。

1　參數(shù)化技術(shù)及信息化技術(shù)概述

1.1參數(shù)化技術(shù)與Rhino

參數(shù)化技術(shù)能將圖形數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相結(jié)合，有效提高圖形設(shè)計(jì)智能化，將其應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)，在解決復(fù)雜建筑形態(tài)等問題上有突出成就。參數(shù)化的動態(tài)設(shè)計(jì)方式能夠突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手法的局限，靈活應(yīng)用非線性建筑形式。其主要方法即：根據(jù)設(shè)計(jì)意圖編程構(gòu)建幾何模型，修改其中參數(shù)，模型也相應(yīng)發(fā)生變化。目前常用的參數(shù)化平臺有：Rhino、Catia、Maya、Houdini等。

Rhino，全名Rhinoceros，是美國Robert McNeel & Associates于1998年推出的專業(yè)3D造型軟件。其率先引入了區(qū)別于Polygon建模①的NURBS建模②方式，以精確的空間曲線及曲面描述能力，迅速獲得用戶認(rèn)可[1]。此外Rhino與CAD類軟件的良好銜接使其特別適應(yīng)于工業(yè)產(chǎn)品的造型與生產(chǎn)。隨著建筑設(shè)計(jì)數(shù)字化的發(fā)展，三維復(fù)雜形體的建筑外觀被大量使用，Rhino開始廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。Grasshopper是一款基于Rhino的編程插件。因其功能全面的運(yùn)算器所提供的節(jié)點(diǎn)式可視化編程操作與動態(tài)實(shí)時(shí)成果展示，缺乏編程基礎(chǔ)的用戶也能迅速掌握，極大地推動了參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)及理論的普及。

1.2信息化技術(shù)與BIM軟件

信息化技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用即BIM，Building Information Modeling，普遍譯為建筑信息模型，可簡單地理解為建筑模型加信息，即除建筑構(gòu)件的幾何形式外，還包含結(jié)構(gòu)及物理性能等多重信息。美國國家BIM 標(biāo)準(zhǔn)(NBIMS: National Building Information Modeling Standard)將BIM定義為利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的過程，成果是一個(gè)信息豐富的多維項(xiàng)目模型，即BIM模型。由此可見BIM涉及設(shè)計(jì)、建造施工、運(yùn)營等全生命周期過程[2]，具有可視化、模擬性、協(xié)調(diào)性、優(yōu)化性等特點(diǎn)。目前市場上常見的BIM建模軟件有：Autodesk Revit、ArchiCAD、Bentley等。

Revit作為一款BIM核心建模軟件，具有建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等全專業(yè)內(nèi)容，依托AutoCAD的天然優(yōu)勢，有著不錯(cuò)的市場表現(xiàn)。

1.3參數(shù)化技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合的趨勢

由于參數(shù)化設(shè)計(jì)的高效便捷性，使其在建筑的設(shè)計(jì)創(chuàng)意構(gòu)思階段有很大優(yōu)勢。而BIM技術(shù)的優(yōu)勢在于高度整合全專業(yè)多重信息，便于后期管線、日照、物理聲光熱、費(fèi)用評估等方面的綜合性專業(yè)分析，二者各有優(yōu)劣。近年來，相關(guān)軟件紛紛擴(kuò)充插件，完善自身功能。例如，參數(shù)化平臺Rhino有RhinoBIM插件補(bǔ)充自身BIM功能，BIM軟件Revit也開發(fā)了Dynamo平臺以完善參數(shù)化功能?？梢妳?shù)化與BIM技術(shù)結(jié)合也是建筑設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的一種趨勢[3]。

2　 Rhino及Grasshopper在項(xiàng)目中的運(yùn)用

2.1項(xiàng)目概況

閩清縣游泳館建設(shè)項(xiàng)目位于閩清縣梅溪新城東南隅，基地南側(cè)為橫五路，西側(cè)為主干三路，北面及東面為景觀河道，用地面積7 931m2，總建筑面積5 195.99m2。館內(nèi)設(shè)有25m×50m，10道標(biāo)準(zhǔn)泳池，觀眾席197座，可承擔(dān)縣級游泳比賽，平時(shí)滿足訓(xùn)練及市民日常健身要求。

場館整體規(guī)劃聯(lián)合體育館科技館，吸收閩清縣梅城文化，取意“飄落在三山四水間的梅花瓣”，與閩清山水城市格局相呼應(yīng)。造型吸納梅花飄落的輕盈與寫意，以金屬板的靈動配合玻璃的晶瑩，整體圓潤通透，猶如一朵含苞待放的梅花(圖1)。靈動的外觀造型，類橢圓形的平面布局，加大了整體設(shè)計(jì)難度，故需引入Rhino全程輔助設(shè)計(jì)。

2.2方案階段的運(yùn)用

在方案設(shè)計(jì)階段，主要運(yùn)用Grasshopper編程生成主要形體(圖2)，后于Rhino中手動修改部分細(xì)節(jié)，靈活利用軟件如下特性，完善設(shè)計(jì)。

(1)可調(diào)整性

方案階段需要大量反復(fù)調(diào)整，利用Grasshopper參數(shù)化技術(shù)，僅需修改相應(yīng)參數(shù)即可完成調(diào)整，節(jié)約建模時(shí)間。

(2)可視化

在調(diào)整參數(shù)的同時(shí)，可實(shí)時(shí)觀察建筑變化，并進(jìn)行多方案對比。

(3)可控性

建筑體量基于參數(shù)生成，可利用編程控制建筑高度，幕墻出挑尺度，屋面坡度，立面虛實(shí)比例等限制因素，提高方案可實(shí)施性。

(4)圖紙兼容性

Rhino與CAD具有良好銜接，二者圖紙信息相互導(dǎo)入，保證造型與功能協(xié)調(diào)聯(lián)動配合。

2.3施工圖階段的運(yùn)用

由于非線性建筑造型對內(nèi)部空間的影響，各專業(yè)在依照傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)工作時(shí)，均會遇到一定困難。故利用Rhino建模的精準(zhǔn)性，配合Grasshopper參數(shù)化功能，深化設(shè)計(jì)，對部分內(nèi)容進(jìn)行三維建模(圖3)，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)及圖紙，配合施工圖設(shè)計(jì)。

2.3.1幕墻設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式在異形曲面幕墻的表達(dá)以及設(shè)計(jì)精確性上均有欠缺，故需采用三維設(shè)計(jì)與二維設(shè)計(jì)結(jié)合的方式深化。利用Rhino進(jìn)行幕墻嵌板分割形式的確定與定位，再生成各平面定位點(diǎn)對應(yīng)剖面，交由幕墻專業(yè)在二維圖形中深化設(shè)計(jì)(圖4～圖6)。

2.3.2構(gòu)件定位

為使結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑造型相適應(yīng)，圈梁布置需順應(yīng)幕墻走勢。此外，坡屋面為不規(guī)則形，在二維圖形上難以計(jì)算標(biāo)高。二者皆需進(jìn)行三維建模并提取標(biāo)高信息(圖7)，供給結(jié)構(gòu)進(jìn)行梁、柱、網(wǎng)架設(shè)計(jì)。除結(jié)構(gòu)構(gòu)件外，屋面及排水檐溝坡度與標(biāo)高、屋面格柵三維定位、馬道標(biāo)高等部分，同樣需要利用三維模型提供基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.3.3管線碰撞

同時(shí)，三維模型的建立還提供了碰撞檢查功能，如上部空間網(wǎng)架與風(fēng)管(圖8)、網(wǎng)架與馬道，幕墻立桿與結(jié)構(gòu)梁柱等，可以達(dá)到一定BIM軟件的作用。

3　Rhino與Revit結(jié)合運(yùn)用的探究

3.1Rhino與Revit各自的優(yōu)劣

Rhino在建筑造型及初步方案設(shè)計(jì)方面有明顯優(yōu)勢。其NURBS建模方式解決了復(fù)雜曲面及非線性造型建模問題。同時(shí)，在眾多二次開發(fā)者的努力下，各類專業(yè)建筑設(shè)計(jì)擴(kuò)展插件層出不窮，如Visual-ARQ、PaneingTools、Grasshopper、RhinoBIM等，完善其建筑建模及分析能力。此外，隨著Grasshopper的出現(xiàn)，Rhino逐漸成為建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要平臺。

Rhino的不足之處也顯而易見。首先，通過封閉曲面拼合實(shí)體的建模方式與建筑的建造邏輯不同；其次，現(xiàn)階段BIM插件信息化程度不足；第三，軟件自帶出圖功能與我國出圖標(biāo)準(zhǔn)不同，圖紙仍需輸出CAD二次編輯修改，便利性不佳。

Revit的建模方式區(qū)別于傳統(tǒng)CG表現(xiàn)類軟件，不以點(diǎn)線面，而是以建筑構(gòu)件為建模單元，更符合建筑的建造邏輯。其建模方式類似于天正Tarch繪圖，對已熟練掌握CAD及天正的設(shè)計(jì)人員而言相對容易。Revit的信息化功能已較為完善，不但兼具部分參數(shù)化能力，而且在圖紙表達(dá)方面基本滿足出圖要求，設(shè)計(jì)建模出圖一體化，簡化工作流程。

當(dāng)然，Revit也有自身的不足之處。Revit體量建模工具也有一定的曲面造型能力，但較之專業(yè)CG建模軟件仍有較大差距。并且，建模過程中需設(shè)置大量信息，方案修改操作較繁復(fù)，時(shí)間成本較高。

3.2Rhino與Revit結(jié)合的優(yōu)勢

綜合來看，兩款建模軟件優(yōu)勢互補(bǔ)。結(jié)合雙方優(yōu)勢加以運(yùn)用，可以規(guī)避Revit自身在曲面造型及細(xì)分處理中的弱勢及Rhino信息化程度不足的問題。為復(fù)雜形體BIM化提供一條較為便捷的道路，在參數(shù)化與信息化方面獲得更大的突破。

3.3結(jié)合運(yùn)用的方法探究

借由閩清縣游泳館建設(shè)項(xiàng)目，筆者就參數(shù)化與信息化結(jié)合的實(shí)施方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：利用Rhino完成造型等內(nèi)容的參數(shù)化設(shè)計(jì)，再導(dǎo)入Revit，參照前期設(shè)計(jì)成果，完成全面信息化。目前Rhino導(dǎo)入Revit主要有以下兩種方式：

(1)Rhino轉(zhuǎn)存SAT文件，模型直接導(dǎo)入Revit

利用施工圖設(shè)計(jì)階段已經(jīng)完成細(xì)分的Rhino幕墻嵌板模型，直接導(dǎo)入(圖9)，后在Revit中進(jìn)行拾取并賦予參數(shù)。此法雖較為方便快捷，但導(dǎo)入后的模型可修改性差，信息參數(shù)需逐個(gè)賦予。且只能識別曲面，無法導(dǎo)入曲線信息。鑒于Revit曲面造型設(shè)計(jì)能力較弱，適合在造型已敲定的情況下使用。

(2)借由Grasshopper插件導(dǎo)入

為提高Rhino與Revit的協(xié)調(diào)性，開發(fā)者編寫了Hummingbird、Grevit等 Grasshopper插件，提供數(shù)據(jù)模型互導(dǎo)功能。筆者嘗試了點(diǎn)陣導(dǎo)入、線陣導(dǎo)入、體量曲面導(dǎo)入、構(gòu)件導(dǎo)入等多種方式(圖10)。這種模式需借由Grasshopper簡單編程設(shè)置，導(dǎo)入Revit后自帶參數(shù)。并且導(dǎo)入的物件帶有Revit物件屬性，便于二次修改編輯。

4　關(guān)于設(shè)計(jì)階段引入BIM運(yùn)用的思考

4.1目前BIM技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用

BIM技術(shù)雖已在美國、日本、新加坡等地發(fā)展多年，且相對成熟，但在國內(nèi)還屬于新興領(lǐng)域。據(jù)悉，目前我國建筑業(yè)信息化率僅為0.03%，與國際水平相差10倍?，F(xiàn)如今，工程項(xiàng)目施工難度加大，技術(shù)上的迫切需求與直接可見的效益回報(bào)，使得施工領(lǐng)域BIM應(yīng)用熱情高漲。但在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，目前BIM應(yīng)用尚缺乏過程連續(xù)性及各專業(yè)關(guān)聯(lián)性(圖11)。BIM技術(shù)淪為“建模、翻模”供給施工使用，BIM創(chuàng)新發(fā)展緩慢。

4.2設(shè)計(jì)階段引入BIM的益處與困難

BIM是一種貫穿建筑全生命周期的三維設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)階段作為建設(shè)工程的初始，建筑功能、造型、性能等一系列信息參數(shù)均在此階段創(chuàng)建[4]。故在設(shè)計(jì)階段引入BIM技術(shù)對建筑產(chǎn)業(yè)信息化尤為重要。基于BIM技術(shù)特性，在設(shè)計(jì)階段引入BIM有如下3點(diǎn)益處：

(1)設(shè)計(jì)圖紙與模型空間動態(tài)關(guān)聯(lián)，節(jié)省多視圖修改的時(shí)間成本；

(2)模型兼具設(shè)計(jì)與節(jié)能、通風(fēng)、采光等多種模擬分析功能，避免重復(fù)建模并盡早做出針對性修改；

(3)各專業(yè)整合協(xié)同設(shè)計(jì)，提早介入配合，提高整體協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)精細(xì)設(shè)計(jì)，減少施工階段設(shè)計(jì)修改成本。

雖然BIM技術(shù)優(yōu)勢明顯，但在實(shí)際應(yīng)用中推廣仍十分緩慢。一是因缺乏熟練使用BIM軟件的人才；二是沒有BIM技術(shù)應(yīng)用的專項(xiàng)費(fèi)用，投入缺乏直接收益，設(shè)計(jì)人員積極性不高；三是受二維設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)影響，BIM技術(shù)的必要性被忽視；四是應(yīng)用BIM技術(shù)后，設(shè)計(jì)更加精細(xì)化，工作量增加，加之軟件掌握不足，時(shí)間成本加大，促使設(shè)計(jì)人員退回二維設(shè)計(jì)模式。此外，還有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不明、上層發(fā)展方向決策不清等諸多因素。

5　未來技術(shù)發(fā)展同參數(shù)化與信息化技術(shù)的聯(lián)系

近年，3D打印技術(shù)與VR技術(shù)等陸續(xù)崛起，引發(fā)了各個(gè)領(lǐng)域的變革。早在20世紀(jì)90年代中期，3D打印技術(shù)就已出現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷完善，3D打印不僅應(yīng)用于小件物品，更顛覆了傳統(tǒng)建筑行業(yè)。如今，已有許多3D打印建筑的實(shí)例存在。而VR技術(shù)也早已發(fā)展了半個(gè)世紀(jì)，隨著近年其在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用，成為時(shí)下熱點(diǎn)，科技為建筑提供了更自由的建造方式，更靈活的設(shè)計(jì)、展示、檢測模式，而參數(shù)化與信息化正是順應(yīng)這些變革的基礎(chǔ)。3D打印需要更全面的建筑信息模型，VR技術(shù)對建模的便捷性提出了要求。新技術(shù)不僅服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)，也對建筑領(lǐng)域提出了更大的挑戰(zhàn)。

6　結(jié)語

參數(shù)化與信息化已是如今的行業(yè)熱點(diǎn)，也是未來的行業(yè)發(fā)展方向。在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用中，特別是復(fù)雜造型建筑的深化設(shè)計(jì)，不難發(fā)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)較之傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式的諸多優(yōu)勢，如：設(shè)計(jì)精細(xì)化、直觀化、后期問題的可預(yù)見性等?？萍紟淼牟粌H是設(shè)計(jì)工具的轉(zhuǎn)變，更是工作方式和思維方式的轉(zhuǎn)變。引入?yún)?shù)化與信息化技術(shù)旨在通過這一平臺的構(gòu)建，提升精細(xì)化設(shè)計(jì)概念，加速建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化。

由于參數(shù)化設(shè)計(jì)與信息化技術(shù)涉及龐大的知識體系及多專業(yè)技術(shù)和學(xué)科知識，本文所言內(nèi)容尚十分有限。對于如何順應(yīng)科技發(fā)展，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)一步提高參數(shù)化與信息化程度，還有待更多思考。

[1]曾旭東，王大川，陳輝.Rhinoceros & Grasshopper參數(shù)化建模[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[2]岳杰.BIM技術(shù)及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].四川建材，2011(5)：270-271.

[3]張龍.參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)的本土化應(yīng)用[D].山西：太原理工大學(xué)，2015.

[4]周佳悅.BIM技術(shù)應(yīng)用模式分析與適應(yīng)性設(shè)計(jì)探索[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2014.

注釋

①Polygon建模即通過許多三角和四角平面的組合模擬復(fù)雜曲面造型。

②NURBS全稱為“非均勻有理B樣條曲線”，NURBS建模即通過U、V兩個(gè)方向的曲線集合得到曲面。

圖 片 來 源

文中插圖均為作者自繪

Discussion on the parameterization and informationization of architectural design——Take the natatorium construction project in Minqing County for example

DONG Xinyi

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

Parametric technology and information technology meet the requirements of the digitized era, and also make up for the shortcomings of traditional two-dimensional design patterns. Taking Minqing swimming pool construction project as an example, This article introduces the use of Rhino and Grasshopper from schematic design to construction design. It also analysis the feasibility of the combination on Revit and Rhino. Combined with VR technology 3D printing technology，it discusses the direction of future technology in architecture.

Parametric design; Rhino; Grasshopper; Informationization; BIM

董新怡(1992.6-)，女，助理建筑師。E-mail:dongxyi@qq.com

2016-08-05

TU2

A

1004-6135(2016)09-0033-05