非解构参数化建筑设计技术路径探讨

        随着数字化技术的发展，参数化建筑设计正逐渐被建筑设计领域所熟知。建筑参数化设计是一种建筑设计方法，很多建筑师或者学者都对参数化设计的概念进行了探讨[1] [2] [3] [4]， 参数化建筑设计的核心思想是把建筑设计的全部要素都变成某个函数的变量，通过改变函数，或者说改变算法，使设计师能够获得不同的建筑设计方案。

        参数化本是关联几何学中的概念，上世纪60、70 年代开始，这种思想被引入到计算机科学中，并得到迅猛的发展，结合了变量几何和几何约束的思想，并且引入了神经网络和几何推理等智能化算法。随着计算机的发展，上世纪80-90年代，相对成熟的参数化理论被广泛应用到如飞机，汽车，轮船等相关制造业中。

        参数化建筑设计是从上世纪90年代中后期开始兴起的，美国的哥伦比亚建筑学院、麻省理工建筑学院，英国的建筑联盟学院等都设置了参数化设计的教学课程。之后开始逐渐被先锋建筑师所接受，并运用到实际的项目中。

        参数化建筑设计发展的初期，建筑师往往通过手工完成方案设计，然后运用参数化设计方法进行模型的制作。如弗兰克·盖里于1997年完成的古根海姆博物馆[5]。面对如此复杂的建筑形态，传统的二维绘图技术已无能为力，需要依托于三维数字技术得以实现，由此导致传统二维设计技术向三维设计技术转变。

        参数化建筑设计在此之后不断发展，以Zaha为代表的先锋事务所正在彻底的运用参数化设计的思想，把设计思想和设计工具结合起来，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]，参数化设计的理念贯穿于整个概念，方案乃至施工图阶段。

图1  古根海姆博物馆

 图2 哈利耶夫文化中心

        当下，使用参数化设计的建筑形式相较于传统的建筑设计形式，往往显得更为复杂及多样，较多地采用比较夸张的表现手法。以至于每当提到参数化，建筑师们就会把它和ZAHA，MAD，蓝天组这类先锋事务所联系在一起，也会把它和grasshopper划上等号，而这样的理解是有失偏颇的。

         参数化设计本质上是一种设计方法或者设计流程，它不与任何建筑形式产生关联。 有的学者采用“非线性建筑”的概念[7]来定义用传统设计手段无法表达的建筑。虽然参数化建筑设计通过非线性建筑设计的广泛需求而得到发展，但是参数化设计并不等于非线性设计。由此可以拓展参数化设计的概念， 参数化设计不仅可以用于非线性建筑的设计流程中，也可以运用于传统类型的建筑设计当中。

2、参数化设计的技术路径

          在传统的建筑设计流程中，从方案到施工图的各个环节都相对离散，需要基于不同的软件平台进行工作。但是设计本身就是一个不断迭代的过程，需要根据分步设计的结果不断地进行调整，这样离散的过程主要有两个弊端：

（1）工作效率相对低下。当这些离散的过程中的任意环节需要修改，都会造成其他专业或者环节的修改。这种修改在设计时对时间成本的耗费是巨大的。

（2）面对如此低效的工作模式，没有充分时间对设计的方方面面进行考虑，设计结果很大程度依靠设计师的经验和技术积累。这样的模式下设计出的建筑质量是难以得到保障的。

         参数化设计能有效地解决传统建筑设计流程中的弊端。参数化设计流程中，设计师首先定义好设计变量，其次定义好建筑方案生成的逻辑和算法，最终得到相应的设计方案，并可在只修改变量的情况下实现对设计方案的即时调整。 如在上海中心大厦的参数化设计过程中[8],设计师只通过类似于塔楼整体旋转角度，收进比例等变量，就基于grasshopper通过相关算法逻辑完成了对整个建筑表皮的定义，并根据相关性能的需求，实时地通过变量调整设计结果。

图3 上海中心表皮构建造

2.1 对变量的理解

        变量在参数化设计过程中是展开后续工作的先决条件。 参数化概念中的参数，就是设计过程中要定义的变量。设计变量影响了设计的结果，而通过改变变量实现对建筑方案的直接调整是简单且高效的。建筑方案逻辑和算法的搭建，需要以定义的变量为基础。在定义变量时，需要建筑师和工程师基于相应的理论和实践基础，选择对设计结果影响较大的变量。

2.2 对算法的思考

         算法的构建是参数化设计进行的根本，也是工作量最大的一个部分。 设计师完成定义好设计目标，设置好变量之后的主要工作，就是在构建和选择参数化设计的算法和逻辑。建筑设计过程中的所有计算过程都定义为参数化设计相关的算法，而这些算法，可以按以下的层次进行划分：

2.2.1 空间几何层面的算法

生成形体，构造空间是建筑设计过程中的首要环节。 当下基于参数化概念，帮助建筑师创建不同形式空间和布局的算法不断涌现。Joel Simon 使用生成设计探索理论的和优化的平面布局[9]。徐卫国，李宁等学者通过仿生模拟生物形体的方法，创建建筑形体[10]。林秋达通过ifs算法进行建筑分形设计[11]。结合力学概念，通过诸如力密度法，动力松弛法，有限元法 [12][13]，拓扑优化[14][15]等创建力学性能最优的形体的方法也在不断涌现。波前法，映射法，基于栅格法，扫略法等等一系列的网格划分算法[16][17]也在不断地发展，以匹配建筑师对造型以及美学的追求。

图4 动力松弛法找形

2.2.2 性能分析层面的算法

        建筑设计不仅要满足人们对美学及空间上的需求，相关建筑性能的设计也是其中相当重要的一环。日照，人流，噪声，结构力学性能，舒适度等等方方面面的需求也是建筑设计过程中需要考虑和满足的指标。而目前依托于参数化设计，相应的算法也得到了发展，各种参数化设计平台也提供了相关的算法资源[18][19][20]。将通过参数化设计得到的建筑模型，接入性能化分析的算法，就可以计算出相关的建筑性能指标，从而为建筑设计的优化提供依据。

虽然grasshopper平台提供很多分析工具，但是性能指标的计算并不完全单单依靠grasshopper。参数化设计流程完全可以接入已有的性能设计软件或者自行编制相关的算法。对于参数化来说，grasshopper并不是全部。

2.2.3 最优化层面的算法

        模型的建立和性能指标的获取并不是建筑设计的终点。设计师依然需要不断基于性能化分析的结果对建筑方案进行优化。

        传统的设计过程中，性能分析的结果往往依靠设计师来进行判断，调整和迭代，设计质量很大程度上受到设计师自身水平的制约。而在参数化设计流程中，可以撇开人为经验的因素，通过诸如遗传算法，模拟退火算法等一系列最优化算法，通过计算机对建筑性能分析的结果进行迭代。

        譬如在遗传算法的迭代过程中：遗传算法初始化一组变量提交给性能化分析算法，性能分析算法得到性能指标再返回给遗传算法，遗传算法再根据这组计算结果生成一组相对优秀的变量再提交给性能化设计算法，依此往复， 完全排除人为干扰，算法使性能分析实现自我迭代，从而获取最优结果。这个过程完全无需人工干预。相较于传统流程而言，不仅效率更高，质量也会更优。

图5 优化算法工作流

2.3 设计过程的自动化

          首先，需要考虑整个设计流程参数化设计的通路。虽然通过参数化的手段可以迅速地实现方案之间的调整，但是这个过程往往是单向的，也是离散的。建筑方案无法在不同的平台上实现交互，实现设计的自动迭代优化。而要解决这个问题，就需要建立协调不同软件系统之间的平台，并在这个平台上实现不同软件的自动化控制，实现变量与设计结果之间的自动化反馈与迭代。

        其次，需要自动化手段对整个设计流程的目标进行通盘考虑。建筑设计不仅是对单一目标进行设计优化，它需要同时考虑建筑，结构，设备等方方面面的需求，每个专业，乃至每个专业内部都有许多需要优化的目标。而某些变量，会同时对多个专业的设计目标产生影响。那么，就需要在参数化设计流程中引入各个目标的机制，通过自动化的手段实现对不同目标的通盘考虑。

        再次，数据的标准化是实现设计过程自动化的重要条件。在参数化设计的背景下，不同的软件平台之间的数据的传输格式是不同的，而在这个传输的过程中，就需要建筑师和工程师对相应的数据进行翻译，使数据能在不同的平台之间可以自由地共享，这就使自动化流程得以更为有效地搭建。

3、参数化设计的发展

3.1 参数化设计与BIM

        将参数化设计与BIM的概念相融合[21]，参数化设计可以得到更广阔的发展。目前行业内对参数化设计的误解，正限制着参数化设计的发展。 脱离出grasshopper的框框，BIM对参数化设计的助力是毋庸置疑的。

        BIM的关键词建筑信息，使BIM自带了参数化的基因。参数化设计本身就是根据变量不断地对数据进行加工传递，从而实现设计目的。而BIM模型中蕴含的数据，对参数化设计而言无疑是丰富的宝藏。任何在BIM模型中被定义的数据，都可以用作参数化设计的基础数据。而通过参数化流程，新的BIM模型也可以被定义。Revit平台下的Dynamo，正是基于BIM的参数化设计工具。

 图6  REVIT 与 Dynamo

3.2 参数化设计助力VR在建筑行业中的应用

        VR的发展已经成为风潮[22]，而建筑设计行业内， VR的应用也正在不断地被拓展。grasshopper平台上陆续出现了一系列的VR插件。同时诸如光辉城市这样的建筑VR软件也正在发展。VR在建筑设计过程中为设计师提供了一种更为直观的感受。参数化设计的模型，是天然的VR素材。而通过参数化设计的手段，使项目中的各方在VR的环境中实时感受设计变量对设计的影响，也提供了一种新的决策手段。

3.3 参数化设计给新的建造方式提供可能

        数字化建造已经成为建筑行业内研究的前沿[23]。参数化设计生成的模型内部蕴含的各种模型信息，也天然地成为了数字化建造的基础数据。通过数字化建造技术，采用机械臂或者机器人等手段，可以降低施工现场的时间人力成本和安全风险。同时，数字化建造技术也能实现对更为复杂的建筑构件的加工，从而实现更为复杂的建筑形态。

4 结论

          随着数字技术的发展，参数化设计的手段正在被越来越广泛地运用。但是，当前建筑设计行业内对参数化设计依然存在着许多误解。参数化设计是一种结合数字化技术的设计方法。

         参数化设计将设计过程中的各个环节有机的整合在一起，形成一个完整的数字化流程，并在这个数字化流程中拓展出一系列的分支，对建筑设计性能化设计过程中的各个指标进行分析，同时可以通过最优化算法的手段寻找最优的建筑设计方案。因此，参数化设计的工作模式可以提高设计师的工作效率和工作质量。

         此外，通过参数化设计的概念与BIM相结合，实现参数化设计更为广泛的应用；基于参数化设计技术并结合VR，给建筑设计流程以新的体验；参数化设计技术也为数字建造提供了更多可能。

注：本文发表于2020年5月刊《建筑技艺》

参考文献：

[1]高岩.参数化设计—更高效的设计技术和方法[J].世界建筑，2008（5）：28-33

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

[3]王美伦. 参数化设计在复杂形态建筑结构设计中的应用[D].北京建筑大学,2016

[4]任振华.建筑复杂形体参数化设计初探[D].华南理工大学,2010

[5]赵默超.参数化逻辑下的复杂形态建筑设计与营造[D],湖南大学,2010

[6] T Winterstetter ,M Alkan. Engineering complex geometries – the Heydar Aliyev Centre in Baku[J].Steel Construction,2015(8):65-71.

[7]徐卫国.非线性建筑设计[J].建筑学报.2005(12):32-35

[8]夏军,彭武. 上海中心大厦造型与外立面参数化设计[C].世界高层都市建筑学会第九届全球会议.2012:112-119

[9] Joel Simon.Evolving Floorplans[EB/OL]. https://www.joelsimon.net/evo_floorplans.html

[10]徐卫国，李宁.生物形态的数字图解[M].中国建筑工业出版社.2018

[11]林秋达.基于三维IFS算法的建筑分形设计[J].世界建筑.2013（09）：106-109

[12]Sigrid Adriaenssens,Philippe Block,Diederik Veenendaal and Chris Williams. Shell Structure for  Architecture[M].Routledge.2014

[13] EMIL POULSEN. Structural design and analysis of elastically bent gridshells[D]. Chalmers University of Technology.2015

[14]曹倩,侯胜利,汪洋.OptiStruct在超高层建筑结构优化中的应用[C]. Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集.2012

[15] Alessandro Beghini, Mark Sarkisian,. Geometry Optimization in Structural Design[C]. SEAOC 2014 83rd Annual Convention.2014

[16]马腾.自由曲面网格结构的网格划分技术研究[D].浙江大学.2015

[17]王伟,樊宏周,席光.参数曲面三角网格生成的改进波前法[J].西安交通大学学报，2014,48（3）：61-67

[18] Rex Wang. SUNFLOWER[EB/OL]. https://www.food4rhino.com/app/sunflower

[19] City Form Lab. URBAN NETWORK ANALYSIS TOOLBOX [EB/OL]. https://www.food4rhino.com/app/urban-network-analysis-toolbox

[20] Clemens Preisinger.karamba3D[EB/OL]. http://www.karamba3d.com/

[21]高岩.基于设计实践的参数化与BIM[J].南方建筑.2014,4:9-19

[22]Vanessa Quirk. Disrupting Reality: How VR Is Changing Architecture’s Present and Future[EB/OL]. https://www.metropolismag.com/architecture/disrupting-reality-how-vr-is-changing-architecture-present-future/

[23]徐卫国.走向建筑工业的“智能建造”[N].中国建设报.2019-06-07(8)