管文超，張鵬飛（.上海市建筑裝飾工程集團(tuán)有限公司， 上海 0007；.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院， 上海 0009）

隨著計(jì)算機(jī)硬件與 CADCAM 等數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的技術(shù)發(fā)展和扎哈·哈迪德等先鋒設(shè)計(jì)師的引領(lǐng)，設(shè)計(jì)手段和創(chuàng)意也不斷發(fā)展變化[1]，越來(lái)越多的建筑設(shè)計(jì)師在建筑外立面與室內(nèi)設(shè)計(jì)中使用非線性造型。無(wú)論是建筑的方案設(shè)計(jì)階段、深化設(shè)計(jì)階段還是建筑構(gòu)件產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，非線性曲面處理都需要大量的高效率、高精確性的重復(fù)勞動(dòng)，而用參數(shù)設(shè)計(jì)將在這個(gè)過(guò)程中起到至關(guān)緊要的作用[2]。

參數(shù)是數(shù)學(xué)專業(yè)的名詞，指改變方程結(jié)果的變量。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，將設(shè)計(jì)意圖看成結(jié)果，影響設(shè)計(jì)變化的主要因素看成變動(dòng)參數(shù)，設(shè)計(jì)的要求看成固定參數(shù)，然后用一種或多種算法指令來(lái)建立參數(shù)關(guān)系，通過(guò)控制參數(shù)與程序系統(tǒng)來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)想法和設(shè)計(jì)成果之間的關(guān)聯(lián)，并用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)語(yǔ)言在軟件中描繪參數(shù)關(guān)聯(lián)生成的模型[3]。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種在算法思維的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程[4]，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)可以快速精準(zhǔn)地搭建非線性自由曲面模型，在設(shè)計(jì)結(jié)果與程序或算法、參數(shù)之間形成聯(lián)動(dòng)，通過(guò)輸入不同的參數(shù)生成不同的設(shè)計(jì)成果，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)變化，這比用搭積木方式的逐一手動(dòng)建模更具有效率、更精準(zhǔn)、更具有邏輯性。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑裝飾工程中的應(yīng)用及流程分析

基于 Rhino 與 Grasshopper 提出建筑裝飾工程中參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本流程以及裝飾飾面設(shè)計(jì)中的形態(tài)建立和優(yōu)化的方法，并將該優(yōu)化方案應(yīng)用于裝飾工程項(xiàng)目，完成了建筑室內(nèi)異型曲面構(gòu)件的方案設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、裝飾部件加工、安裝等任務(wù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑裝飾工程中的應(yīng)用流程如圖 1所示。

圖 1 參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑裝飾工程中的應(yīng)用流程

深化設(shè)計(jì)階段參數(shù)化設(shè)計(jì)主要工作流程包含以下內(nèi)容。

（1）由于裝飾構(gòu)件的安裝依附于結(jié)構(gòu)主體，在深化設(shè)計(jì)階段時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)首先需對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)既有主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，將現(xiàn)場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)方案模型進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)調(diào)整方案模型的形體。

（2）對(duì)飾面材料特征進(jìn)行分析，對(duì)接材料生產(chǎn)工廠，明確材料單元構(gòu)件的生產(chǎn)規(guī)格及優(yōu)化目標(biāo)，如不同的材料能加工不同最大規(guī)格尺寸，雙曲面單元構(gòu)件優(yōu)化成單曲面和平板，多邊形平板單元構(gòu)件優(yōu)化成更多同規(guī)格模數(shù)的構(gòu)件，從而降低加工難度，減少開(kāi)模數(shù)量，降低施工成本。

（3）最后結(jié)合方案設(shè)計(jì)的形體對(duì)曲面進(jìn)行重構(gòu)，利用目標(biāo)函數(shù)對(duì)單元構(gòu)件的規(guī)格進(jìn)行不斷的調(diào)整排列組合，采用優(yōu)化算法模型優(yōu)化前后的偏離值，當(dāng)優(yōu)化后的模型與原設(shè)計(jì)方案最為接近時(shí)，即得到最好的優(yōu)化成果，這一過(guò)程必須是基于可用具體的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化的，其流程如圖 2 所示。

圖 2 建筑裝飾工程深化設(shè)計(jì)階段參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

圖 3 劇院整體墻飾面效果

2 工程案例應(yīng)用分析

某地塊項(xiàng)目位于上海市北外灘區(qū)域，集辦公、商業(yè)、劇院為一體，項(xiàng)目劇院地面材料為實(shí)木地板，墻面與天花飾面材料為 GRG，此處主要論述利用參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)異型 GRG 墻面進(jìn)行重構(gòu)，然后對(duì)異型裝飾面進(jìn)行優(yōu)化，從而減少 GRG材料生產(chǎn)所用的模具，降低施工成本。劇院整體效果及整體空間模型如圖 3 所示。

2.1 方案設(shè)計(jì)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)方案模型推敲分析，可確定劇院以中軸線為中心，將所有飾面分成兩個(gè)部分，且兩部分構(gòu)件呈鏡像的幾何關(guān)系，所以可以中線為界限，將一半的構(gòu)件優(yōu)化好后，則整體模型深化設(shè)計(jì)即可完成。墻體曲面以 a 為軌跡線，以 b 為斷面線，b 以 a 為基準(zhǔn)，單軌掃掠得到曲面，如圖 4 所示。

圖 4 劇院曲面生成邏輯分析

2.2 曲面優(yōu)化應(yīng)用

（1）通過(guò) rhino 軟件打開(kāi)曲線 a 的控制點(diǎn)，可得知曲線 a 的控制點(diǎn)分布較多，且并不均勻，由此可判斷曲線 a 為B 樣條自由曲線。

（2）若要減少曲面開(kāi)模數(shù)量，則可將軌跡曲線優(yōu)化成由圓弧組成的曲線（圖 5），利用圓弧曲線半徑相等的特點(diǎn)，將圓弧 c 分割成 4 段等距離的曲線，則分割后的曲線c1、c2、c3、c4 幾何特征完全相同，由此可知若由圓弧曲線 c 作為軌跡線生成的曲面，則等距離分割后的曲面 S1、S2、S3、S4 也完全相同，從而推理出將生成曲面的軌跡曲線優(yōu)化成圓弧線，可只用一組模具可生產(chǎn)出同一圓弧線或等半徑的圓弧曲線上分割后的 GRG 曲面。

圖 5 等距離圓弧曲線推理

（3）將自由曲線重構(gòu)成圓弧，是用圓弧曲線去擬合自由曲線，即求一條圓弧曲線 ，使其無(wú)限接近于原始自由曲線，讓求出的圓弧曲線與原始曲線之間的差值達(dá)到最小。如圖 6 所示，曲線 m 為自由曲線，點(diǎn) A、B 為曲線 m 的端點(diǎn)，點(diǎn) C 為曲線 m 上的任意一點(diǎn)，根據(jù)三點(diǎn)可求出一個(gè)圓弧的原則，用一段圓弧線 n 連接 A、B、C 三點(diǎn)。點(diǎn) A、B 固定不動(dòng)，當(dāng)點(diǎn) C 在曲線上移動(dòng)，可形成不同的圓弧線，當(dāng)移動(dòng)至三點(diǎn)連成的圓弧線與原曲線 m 差值最小時(shí)，即停止移動(dòng)，此時(shí)的圓弧線即是最佳擬合曲線。

圖 6 重構(gòu)圓弧線推理過(guò)程

利用參數(shù)化設(shè)計(jì)在曲線 m 上取若干點(diǎn)，連接至曲線 n,將所有短直線的長(zhǎng)度相加，利用 grasshopper 中的遺傳算法運(yùn)算器不斷迭代計(jì)算，使 m至 n 的距離和最小，即求出最優(yōu)解。同理可利用此方法將劇院室內(nèi)曲面進(jìn)行優(yōu)化，減少開(kāi)模數(shù)量，降低材料加工成本，如圖 7 所示。

圖 7 劇院曲面優(yōu)化

3 結(jié) 語(yǔ)

參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是將設(shè)計(jì)要求和限定條件設(shè)置成合適的參數(shù)，將初步的設(shè)計(jì)目標(biāo)與這些參數(shù)串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)聯(lián)動(dòng)的程序系統(tǒng)，通過(guò)這種可視化編程建模的方式可以實(shí)時(shí)獲得反饋，快速地獲得多種階段性成果。

通過(guò)上述參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)際案例，本文展示了參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑室內(nèi)裝飾工程中深化設(shè)計(jì)階段的作用，利用參數(shù)化設(shè)計(jì)可精準(zhǔn)高效地完成模型的優(yōu)化，并將數(shù)據(jù)信息傳遞到裝飾構(gòu)件加工安裝階段，從而降低施工成本和施工難度，提高工作效率。BIM 技術(shù)的應(yīng)用再次證明，將建筑室內(nèi)裝飾工程各項(xiàng)物理信息分析從深化設(shè)計(jì)提前并貫穿整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程，有助于設(shè)計(jì)建造階段進(jìn)行相關(guān)工期、質(zhì)量以及造價(jià)控制管理。因?yàn)樵O(shè)計(jì)建造階段根據(jù)工程特點(diǎn)和優(yōu)化目標(biāo)搭建好程序系統(tǒng)后，將容易出錯(cuò)的、重復(fù)的、大量的密集型工作交給計(jì)算機(jī)去解決，將建筑師和工程師從重復(fù)勞動(dòng)中解放出來(lái)，從而可以將更多精力用于改進(jìn)施工工藝、提升優(yōu)化管理和組織協(xié)調(diào)資源。總之，將參數(shù)化設(shè)計(jì)信息化技術(shù)充分應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)更有效的項(xiàng)目全壽命期管理和企業(yè)利潤(rùn)最大價(jià)值運(yùn)用，已是我國(guó)建筑室內(nèi)裝飾工程領(lǐng)域未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。