周文琪 鄧佛丹 王潔

上海杰地建筑設(shè)計(jì)有限公司

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)正逐漸被建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域所熟知。建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種建筑設(shè)計(jì)方法，很多建筑師或者學(xué)者都對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行過(guò)探討[1-4]。參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)的核心思想是把建筑設(shè)計(jì)的全要素都變成某個(gè)函數(shù)的變量，通過(guò)改變函數(shù)或者改變算法，從而獲得不同的建筑設(shè)計(jì)方案。

參數(shù)化本是關(guān)聯(lián)幾何學(xué)中的概念，自20世紀(jì)60、70年代開(kāi)始，這種思想被引入到計(jì)算機(jī)科學(xué)中并得到迅猛的發(fā)展，同時(shí)結(jié)合了變量幾何和幾何約束的思想，引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和幾何推理等智能化算法。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)80～90年代，相對(duì)成熟的參數(shù)化理論被廣泛應(yīng)用到如飛機(jī)、汽車(chē)、輪船等相關(guān)制造業(yè)中。

參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)則是從20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始興起的，當(dāng)時(shí)美國(guó)的哥倫比亞建筑學(xué)院、麻省理工建筑學(xué)院、英國(guó)的建筑聯(lián)盟學(xué)院等都設(shè)置了參數(shù)化設(shè)計(jì)的教學(xué)課程，之后開(kāi)始逐漸被先鋒建筑師所接受并運(yùn)用到實(shí)際的項(xiàng)目中。

參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的初期，建筑師通常通過(guò)手工完成方案設(shè)計(jì)，然后運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(duì)如此復(fù)雜的建筑形態(tài)，傳統(tǒng)的二維繪圖技術(shù)已無(wú)能為力，需要依托于三維數(shù)字技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，由此導(dǎo)致傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)技術(shù)向三維設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)變。

參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)在此之后不斷發(fā)展，以Zaha Architects為代表的先鋒事務(wù)所正在全面貫徹運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想，把設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)工具結(jié)合起來(lái)，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(shè)計(jì)的理念貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)概念、設(shè)計(jì)方案乃至施工圖階段。

1 古根海姆博物館

當(dāng)下，使用參數(shù)化設(shè)計(jì)的建筑形式相較于傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)形式，往往顯得更為復(fù)雜多樣，表現(xiàn)手法也大多比較夸張。以至于每當(dāng)提到參數(shù)化，建筑師們就會(huì)把它和Zaha、MAD、藍(lán)天組等這類(lèi)先鋒事務(wù)所聯(lián)系在一起，也會(huì)把它和Grasshopper劃上等號(hào)，而這樣的理解是有失偏頗的。

參數(shù)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一種設(shè)計(jì)方法或者設(shè)計(jì)流程，它不與任何建筑形式產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。有的學(xué)者采用“非線性建筑”的概念[7]來(lái)定義用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段無(wú)法表達(dá)的建筑。雖然參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)通過(guò)非線性建筑設(shè)計(jì)的廣泛需求而得到發(fā)展，但是參數(shù)化設(shè)計(jì)并不等于非線性設(shè)計(jì)。由此可以拓展參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅可以用于非線性建筑的設(shè)計(jì)流程中，也可以運(yùn)用于傳統(tǒng)類(lèi)型的建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)路徑

在傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)流程中，從方案到施工圖的各個(gè)環(huán)節(jié)都相對(duì)離散，需要基于不同的軟件平臺(tái)進(jìn)行工作。但是設(shè)計(jì)本身是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，需要根據(jù)分步設(shè)計(jì)的結(jié)果不斷地進(jìn)行調(diào)整，這樣離散的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致各種弊端。

（1）工作效率相對(duì)低下。若離散的過(guò)程中任一環(huán)節(jié)需要修改，都會(huì)造成其他專(zhuān)業(yè)或者環(huán)節(jié)的修改，這種修改在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)時(shí)間成本的耗費(fèi)是巨大的。

（2）面對(duì)如此低效的工作模式，沒(méi)有充分時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位考慮，設(shè)計(jì)結(jié)果很大程度依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，這樣設(shè)計(jì)出的建筑質(zhì)量是難以得到保障的。

參數(shù)化設(shè)計(jì)能有效地解決傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)流程中的這些弊端。參數(shù)化設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)師首先定義好設(shè)計(jì)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(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并可在只修改變量的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的即時(shí)調(diào)整。如在上海中心大廈的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中[8]，設(shè)計(jì)師只通過(guò)類(lèi)似于塔樓整體旋轉(zhuǎn)角度和收進(jìn)比例等變量，基于Grasshopper通過(guò)相關(guān)算法邏輯就完成了對(duì)整個(gè)建筑表皮的定義，并可根據(jù)相關(guān)性能的需求，實(shí)時(shí)地通過(guò)變量調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)果。

2 哈利耶夫文化中心

3 上海中心表皮構(gòu)造

4 優(yōu)化算法工作流

5 動(dòng)力松弛法找形

1.1 對(duì)變量的理解

變量在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中是展開(kāi)后續(xù)工作的先決條件。參數(shù)化概念中的參數(shù)，就是設(shè)計(jì)過(guò)程中要定義的變量；設(shè)計(jì)變量影響了設(shè)計(jì)的結(jié)果，而通過(guò)改變變量實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑方案的直接調(diào)整是簡(jiǎn)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(chǔ)，而在定義變量時(shí)，需要建筑師和工程師基于相應(yīng)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，選擇對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果影響較大的變量。

1.2 對(duì)算法的思考

算法的構(gòu)建是參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行的前提，也是工作量最大的一部分。設(shè)計(jì)師定義好設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)置好變量之后的主要工作，就是構(gòu)建和選擇參數(shù)化設(shè)計(jì)的算法和邏輯。建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有計(jì)算過(guò)程都定義為參數(shù)化設(shè)計(jì)相關(guān)的算法，而這些算法可以按以下的層次進(jìn)行劃分。

1.2.1 空間幾何層面的算法

生成形體、構(gòu)造空間是建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的首要環(huán)節(jié)。當(dāng)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(shè)計(jì)探索理論的和優(yōu)化的平面布局[9]；徐衛(wèi)國(guó)、李寧等學(xué)者通過(guò)仿生模擬生物形體的方法創(chuàng)建建筑形體[10]；林秋達(dá)通過(guò)IFS算法進(jìn)行建筑分形設(shè)計(jì)[11]。結(jié)合力學(xué)概念，通過(guò)諸如力密度法、動(dòng)力松弛法、有限元法[12，13]、拓?fù)鋬?yōu)化[14，15]等創(chuàng)建力學(xué)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(mǎn)足建筑師對(duì)造型和美學(xué)的追求。

1.2.2 性能分析層面的算法

建筑設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足人們對(duì)美學(xué)及空間上的需求，相關(guān)建筑性能的設(shè)計(jì)也是其中相當(dāng)重要的一環(huán)。日照、人流、噪聲、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、舒適度等方方面面的需求都是建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮和滿(mǎn)足的指標(biāo)。目前依托于參數(shù)化設(shè)計(jì)，相應(yīng)的算法得到了發(fā)展，各種參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)也提供了相關(guān)的算法資源[18-20]，將通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)得到的建筑模型接入性能化分析的算法，就可以計(jì)算出相關(guān)的建筑性能指標(biāo)，從而為建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供依據(jù)。

雖然目前Grasshopper平臺(tái)提供了很多分析工具，但是并不能完全只依靠其進(jìn)行性能指標(biāo)的計(jì)算。參數(shù)化設(shè)計(jì)流程完全可以接入已有的性能設(shè)計(jì)軟件或者自行編制相關(guān)的算法。對(duì)于參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，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(biāo)的獲取并不是建筑設(shè)計(jì)的終點(diǎn)，建筑師依然需要基于性能化分析的結(jié)果不斷對(duì)建筑方案進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，性能化分析的結(jié)果往往依靠建筑師自己來(lái)進(jìn)行判斷、調(diào)整和迭代，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流程中，可以撇開(kāi)人為經(jīng)驗(yàn)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(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)建筑性能分析的結(jié)果進(jìn)行迭代。譬如在遺傳算法的迭代過(guò)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(biāo)再返回給遺傳算法，遺傳算法再根據(jù)這組計(jì)算結(jié)果生成一組相對(duì)優(yōu)秀的變量再次提交給性能化設(shè)計(jì)算法……依此往復(fù)，完全排除人為干擾，算法使性能化分析實(shí)現(xiàn)自我迭代，從而獲取最優(yōu)結(jié)果。這個(gè)過(guò)程完全無(wú)需人工干預(yù)，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程而言，不僅效率更高，而且質(zhì)量更優(yōu)。

1.3 設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化

首先，需要考慮整個(gè)流程中參數(shù)化設(shè)計(jì)的通路。雖然通過(guò)參數(shù)化的手段可以迅速地實(shí)現(xiàn)方案之間的調(diào)整，但是這個(gè)過(guò)程往往是單向的，也是離散的。建筑方案無(wú)法在不同平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)交互以及設(shè)計(jì)的自動(dòng)迭代優(yōu)化。要想解決這個(gè)問(wèn)題，就需要建立協(xié)調(diào)不同軟件系統(tǒng)之間的平臺(tái)，并在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)不同軟件的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)變量與設(shè)計(jì)結(jié)果之間的自動(dòng)化反饋與迭代。

其次，需要自動(dòng)化手段對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程的目標(biāo)進(jìn)行通盤(pán)考慮。建筑設(shè)計(jì)不僅是對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，還需要同時(shí)考慮建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等方方面面的需求，每個(gè)專(zhuān)業(yè)乃至每個(gè)專(zhuān)業(yè)內(nèi)部都有許多需要優(yōu)化的目標(biāo)。而某些變量會(huì)同時(shí)對(duì)多個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)生影響，那么就需要在參數(shù)化設(shè)計(jì)流程中引入各個(gè)目標(biāo)的機(jī)制，通過(guò)自動(dòng)化的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的通盤(pán)考慮。

6 Revit 與 Dynamo

再次，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化的重要條件。在參數(shù)化設(shè)計(jì)的背景下，不同的軟件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸格式是不同的，如此一來(lái)，在傳輸?shù)倪^(guò)程中就需要建筑師和工程師對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行翻譯，使數(shù)據(jù)能夠在不同平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)自由共享，使自動(dòng)化流程得以更為有效地搭建。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的發(fā)展

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)與BIM

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

BIM的關(guān)鍵詞“建筑信息”，使BIM自帶參數(shù)化的“基因”。參數(shù)化設(shè)計(jì)本身就是根據(jù)變量不斷地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工傳遞，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。而B(niǎo)IM模型中蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)，對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)而言無(wú)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而通過(guò)參數(shù)化流程，新的BIM模型也可以被定義。例如Revit平臺(tái)下的Dynamo，正是基于BIM的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)助力VR在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

VR的發(fā)展已經(jīng)成為風(fēng)潮[22]，而建筑行業(yè)內(nèi)VR的應(yīng)用也在不斷地被拓展。Grasshopper平臺(tái)上陸續(xù)出現(xiàn)了一系列VR相關(guān)插件，同時(shí)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(shè)計(jì)過(guò)程中為設(shè)計(jì)師提供了一種更為直觀的感受。參數(shù)化設(shè)計(jì)的模型是天然的VR素材，而通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)的手段，使項(xiàng)目中各方在VR的環(huán)境中實(shí)時(shí)感受設(shè)計(jì)變量對(duì)設(shè)計(jì)的影響，也提供了一種新的決策手段。

2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)生成的模型內(nèi)部蘊(yùn)含的各種模型信息，也天然地成為數(shù)字化建造的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)字化建造技術(shù)，利用機(jī)械臂或者機(jī)器人等手段，可以降低施工現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間、人力成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，數(shù)字化建造技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)對(duì)更為復(fù)雜的建筑構(gòu)件的加工，從而實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的建筑形態(tài)。

3 結(jié)論

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)正在被越來(lái)越廣泛地運(yùn)用。參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種結(jié)合數(shù)字化技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)整合在一起，形成一個(gè)完整的數(shù)字化流程，并在這個(gè)數(shù)字化流程中拓展出一系列分支，對(duì)建筑設(shè)計(jì)性能化設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，同時(shí)可以通過(guò)最優(yōu)化算法的手段尋找最優(yōu)的建筑設(shè)計(jì)方案。因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)的工作模式可以提高設(shè)計(jì)師的工作效率和工作質(zhì)量。

此外，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念與BIM相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)更為廣泛的應(yīng)用；基于參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)并結(jié)合VR，也給建筑設(shè)計(jì)流程以新的體驗(yàn)；參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)也為數(shù)字建造提供了更多可能。