建筑参数化设计与多学科交叉发展研究

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摘要：随着计算机科学的快速发展，建筑设计越来越依赖新兴的计算机辅助设计系统，这些辅助系统也开始影响建筑设计的发展。建筑参数化设计作为与计算机科学联系最为紧密的一种建筑设计方法之一，现如今也大量的运用在越来越多的实际项目之中。本论文从建筑参数化设计的基本特点出发，通过不同学科与建筑参数化设计的交叉角度，运用文献查阅、对比分析等研究方法，来探讨在多领域多学科的交叉影响发展下，建筑参数化设计在整体设计周期中所发挥的作用以及其未来发展的趋势及潜力。

关键词：参数化设计；学科交叉；设计方法

1建筑参数化设计及其特点

1.1建筑参数化设计。由于计算机科学在20世纪末期的飞速发展，计算能力不断提升，计算机辅助设计已经在各个设计行业中占据了绝对的统治地位。参数化设计方法正因得益于此，在2000年前后也开始出现在大众的视野中。参数化设计是指通过计算机编程，将影响设计的各种参数组织到一起，搭建一个数字化模型，调整不同的参数，就能够获得整个数字化模型的不同设计结果[1]。这种参数模型能够集合多种设计参数为一个整体系统，在这一系统中，各个参数又通过一定的拓补关系，与其他参数建立联系，对系统中任何一个参数的修改，都能够直观的看见其他参数乃至整个模型的变化，从而达到多种设计结果参考比对的目的。进入21世纪后，多种易用的计算机参数设计工具的出现，使得建筑参数化设计开始在全球范围内高速发展。1.2建筑参数化设计的特点。由于参数化设计需要通过算法将各种参数连接成一个整体的系统，那么这些不同的影响参数以及参数之间数学逻辑关系，就成为了这个系统中最为重要的两个部分。通过对这两个部分的调节，就能够精确的控制建筑的形态。根据这一系统的内外关系，建筑参数化可以总结为参数性，动态性和系统性[2]。参数性是指系统中所集成的大量数据，这些数据直接或间接的构建出整个建筑体系，以用来模拟在现实中影响建筑的各种条件。有的参数也是一种多维度的变量，处于一种不可见的过程态之中，一般的设计思路并不需要触及到这类参数，但在参数化设计中，这类参数往往很多，并且能够起到简化思路，便捷控制更多直观参数的作用。动态性是指在大量参数之间建立起来的数学联系，可以通过便捷的手段来进行实时的修改，来达到符合预期设计的目的。这种动态性在数学学科中被称之为函数集，即通过修改一定的参数，来串联性的自动修改其他的参数[3]。这种动态是实时、自动的进行，设计师只需要设置好参数并且配置好它们之间的数学关系，以此快速的呈现出不同的设计结果。系统性就是这一由庞大的数学模型，在同一平台之下，被有序的组织，呈现出精确的建筑模型。这一平台就是参数化平台，它不仅使建筑设计朝着一种逻辑性更强的方向发展，还使得建筑设计更加便捷自由并降低各项资源成本。发展成熟并使用广泛的平台是Rhino配合Grasshop－per，除此之外还有基于BIM的Revit-Dynamo等。1.3算法的思维模式。建筑参数化设计与传统的建筑设计方法有一个明显的区别，那就是参数化设计需要深入了解不同项目需要用到的最适合的算法，并考虑到算法在整个系统中所发挥的作用，这是一种跨学科的运用形式，建筑设计师需要具备最基本的算法选择与设计思维，制订出最契合项目参数运行方式的算法，将计算机学科中的观念与建筑设计结合起来。算法在参数化设计中起到了联系枢纽的作用。算法在不同的情况下也具有优劣之分，好的算法能够简化设计步骤，节省时间成本，减少资源调用等，算法是建筑参数化设计中最主要的部分，它体现了设计过程的流程形式。1.4参数化设计与非线性设计。非线性设计的起源要比参数化设计早很多，高迪所设计修建的米拉公寓以及圣家族大教堂等都可以视为非线性设计，整个建筑设计中包含了一些多维度的设计思路[4]。参数化设计所生成的建筑大多是非线性的，但这两者之间并不能够画上等号。从视觉上看，非线性设计可以通过多种设计手法来达到，而参数化设计所形成的设计方案也不全是非线性的。但从整个参数化设计系统来看，参数是各部分的内在联系，一旦发生改变，就有可能影响整个流程的运行结果，因此此类建筑可以看作一个非线性的集合[5]。

2建筑参数化设计与多学科交叉发展

2.1参数化设计与计算机学科。参数化设计是建立在计算机之上的，无论是软件还是硬件的发展，都能够在参数化设计中体现出来。从Rhino各个版本的对比中可以发现，随着计算能力的增强，以往很多的模拟只能够在一种很粗糙的环境下进行，所求得的解也不够精确。在实际建设中，非线性的幕墙需要细分曲面成为网格来进行施工，这一过程在早期的Rhino版本中，无论是精确度还是速度上来看，都远不如现在最新版本（Rhino6），而这一变化，主要依赖计算机的发展。2.2参数化设计与建筑结构学科。在传统的设计流程中，建筑设计师在完成设计之后，再将方案移交给结构工程师，来进行结构的搭建和计算，在一些结构较为复杂的方案中，就有可能出现结构和方案相冲突的情况。而在参数化设计中，往往方案与结构能够进行同步推进，很多非线性的结构合理特征往往需要参数化来进行模拟，而这种合理结构的模拟结果，都会具有非线性的美感，能够作为建筑的外表皮直接呈现出来。在参数化设计的同一平台下，设计师与结构式协同工作，仅通过调整参数，来达到双方都能够接受的最佳结果[6]。在现阶段BIM技术的推广下，结构已经逐步往设计阶段介入，在参数化的协助下，学科之间的隔阂已经逐步缩小。2.3参数化设计与绿色建筑方向。由于政策环境等影响，绿色建筑是我国现阶段公共建筑主要推进的重点方向。然而，许多绿色建筑设计方法仍停留在传统的外立面遮阳、覆盖绿化、拔风中庭等手法，这成为我国绿色建筑以主动技术为主导的局面[7]。在参数化设计方法中，通过恰当的算法及参数化平台的使用，建筑的很多物理性能都能够进行简单的模拟，然后使用优化算法，来求得建筑相关参数的最优解。这种方式生成的绿色建筑，在限制条件下都是最有利于节能减排的布局形式，无论是建筑的体型系数，还是建筑外表皮的遮阳开窗大小，通过算法的优化，得到的物理效果总是最优的存在。让建筑设计师能够通过可视化的方式与建筑物理方面的人员没有隔阂的交流，这将推动绿色建筑在我国的发展。2.4参数化设计与BIMBIM技术，又可称之为是建筑信息模型技术，其技术的核心主要是通过在计算机虚拟辅助工民建项目三维设计模型的建立及计算机数字化技术的辅助功能，为其所建立的三维模型提供可靠的、完整的、与实际状况相互一致的工民建项目数据信息库[8]。BIM在最近的几年中发展迅速，并且由于BIM平台本身较为前沿，适用范围极为广泛，因此许多的专业方向都在朝着BIM技术方向靠拢。在BIM建筑设计方向中，其运行的核心，可以理解为一种更加简洁高效参数化设计方法。在参数化的方式下，BIM能够集合庞大的建筑信息，形成一个高效完整的信息库。但是BIM本身是参数驱动的信息管理类的平台，其对于建筑设计以及造型能力非常弱。以Revit为例，为了弥补这一板块，其在后面的版本中推出了Dynamo设计工具，在一定程度上加强了参数化设计的能力。

3建筑参数化设计的发展趋势

在计算机运算能力不断的提升下，现阶段使用参数化来进行设计的项目越来越多，它所创造出的合理的结构、富有变化的外立面的建筑，也被越来越多的人所接受。参数化设计本身只是一种设计方法，其好坏依然依赖于设计师的专业素养。由于其需要设计师具备一定的编程能力，因此在往后的建筑教育中，计算机辅助方面的教育需要向更加前沿的技术方向上推进。当今国家正在建筑行业大力的推动BIM技术的研发与应用，参数化设计与BIM的结合在未来的发展中也成为了主流方向。BIM平台本身已经集合了结构、暖通、管道、绿色建筑等相关专业于一体，参数化设计依赖于BIM平台，也就能够打通与其他专业之间的壁垒。建筑参数化设计的趋势也会更加依赖计算机科学的发展，当前计算机科学中较为前沿的AI技术、VR技术等，在以后参数化设计的部分流程中，也会融入进去，进一步加强参数化设计的灵活性。

4结语

参数化设计已经发展了几十年之久，所积累的技术已经逐步成熟，无论是算法，还是设计手法，在当前建筑行业的发展趋势下，学科之间的交叉已经越来越深入，各个学科之间相互借鉴相互发展是未来建筑设计发展的基本趋势。建筑参数化设计利用最前沿的系统平台，来组织各学科的联系，创造出脱离人们审美疲劳的新建筑。但多学科交叉发展下的建筑参数化设计，对于建筑而言，所使用的平台越来越分散，各类型的参数化平台往往不能够覆盖大多数的相关学科。因此，建筑学作为建筑设计行业的“龙头”，也应该进入到平台开发的领域中去，引导各参数化平台的多学科跨专业开发。

参考文献

[1]靳悠，冯博.参数化建筑设计方法研究：潜力与途径———以北京世东国际中心设计为例[J].中外建筑，2016（10）：107-109.

[2]李眈，宋明星.探讨参数化设计：以湖南大学参数化设计教学为例[J].中外建筑，2015（12）：26-31.

[3]程霄，王辉.Dynamo可视化编程在预制装配式构件中的应用[J].四川建筑，2018，38（2）：25-27+29.

[4]徐愔愔.参数化非线性建筑设计对建筑艺术的影响[J].中国艺术研究院，2010.

[5]万亚兰.非线性建筑的参数化设计探究[J].江西建材，2016（18）：26.

[6]岂凡.基于Grasshopper的参数化方法在结构设计中的应用[J].土木建筑工程信息技术，2018，10（1）：105-110.

[7]吴婷婷，高鹏，幸运.基于绿色性能的参数化建筑设计研究[J].中外建筑，2018（9）：154-156.

[8]程雄林.BIM技术在辅助工民建设计中的应用初探[J].河南建材，2018（6）：72-73.

作者:彭圣杰 单位:西南交通大学建筑与设计学院