探析建筑設計下的參數化和數字化

董昌恒

摘 要：參數化設計在現代設計中逐漸顯露出來，以扎哈為代表的一系列曲面建造開始出現在大眾視野里。參數化設計指作為主體的設計師或建筑師使用參數去設計實現心里所想的設計，只需要輸入所設置的參數就可以得到復雜或者簡單重復出現的模型，僅僅修改參數則可以生成和改變模型的基本形態。

關鍵詞：參數化；數字化建筑；多邊形建模；曲線建模；參數化建模

參數設計并不是偶然出現的，它是前人在不斷積累和實驗后對設計方法進行歸納和總結的前提下逐漸被發現和發展起來的。而歸納設計法對于廣大設計師則是一個重要的學習方法。

19世紀晚期的加泰羅尼亞建筑師安東尼·高迪在設計天主教堂圣家族大教堂時就結合歸納設計使用到類似于參數化的設計方法。圣教堂內部和外部表皮上有很多尖尖的高塔，各高塔之間又相互連接相互交叉，外部造型奇特富有張力，而建筑內部的穹頂和天花結構復雜，相互之間的支撐涉及力學知識，多個拱劵之間連接又各有分工，所謂牽一發而動全身。在當時的19世紀，沒有電腦的輔助設計，想貼近真實去模擬建筑物的受力情況相對比較困難，更何況還要根據各個受力點進行相對應的調整，之間涉及的參數變化的計算量頗大。而建筑師安東尼·高迪則使用線條和線條之間相互聯接模擬拱劵和穹頂之間的聯系長度，用木條和鉛塊模擬重力和受力點，這樣修改一個變量，其相互連接的地方也會出現相應的變化，借以實現整個天主教堂圣家族教堂的前期設計和圖紙的繪制。這種修改變量的方法就類似于現在電腦Grasshopper里的參數設置和Kangaroo的拉力成型，只不過建筑師安東尼·高迪所用的是現實手動參數導致變量，而現今有了電腦的我們則可以在軟件中輸入需要變化的量讓電腦自動計算生成數據，從而實現參數化的建模和修改。

參數化設計應用非常廣泛，建筑、室內、景觀、首飾、樂器、舞蹈、書法等都有涉及。參數化設計是一種概念，是一種設計思維，參數化設計之后涉及實際建造，而數字化建造則是一種建造方法，與參數化設計之間相互銜接相互配合。參數化設計給出實際數據，再結合數字化建造中的一些機械實現所設計物品的現實呈現。

一、數字化建造方法

（一）數字化建造概念

數字化建造，在當今廣泛應用于建筑行業，2017年夏季同濟“機器人裁縫”工作坊則使用機械臂的建造方法，采用低廉的紙片建造出結構堅固的拱形地景裝置和3D打印橋。同年9月在南京大學的DADA數字建造國際工作坊則有來自東京大學的機器人抒情（通過人、機、建造工具三者之間的互相聯系和刺激，探索人機人互動對于的數字化繪制的更多可能），東南大學的神經元（模擬動物神經元之間的鏈接使結構更加穩固），同濟大學的超薄板材空間結構設計（挑戰超薄鋼材的承壓能力），清華大學的互動巢群（金屬片模擬蟋蟀籠子，安裝感應裝置，當人靠近裝置，裝置對應會觸發燈光和聲音），南京大學的彈性彎曲（研究木板材料的彈性張力），南京藝術學院花之亭2.0（采用3d打印節點，特點簡單結構，主要突出裝置藝術性）都是采用數字化建造的方法，在電腦中利用參數化成型的方法把模型實時模擬出來，實現電腦和現實真實情況的真實模擬，之后再輸出準確數據，利用數字軟件和機械進行實物搭建。

（二）數字化建造在建筑的應用

在建筑設計方向中，參數化的數字化建造也逐漸開始多了起來。國內最早的廣州大劇院，根據江中的2塊石頭與水相產生的流線波紋設計出實際模型，再根據輸出數據建造出內部構建和外部幕墻。哈爾濱大劇院，流動的外部造型也是依照參數化和數字化的設計、建造方式得以成型。而現代建筑設計已經從傳統的直來直去設計方式進入到曲面、異面的時代，按照以往的建造工藝方式已經難以進行這些曲面、異面的外表皮結構的搭建，所以數字化建造逐漸開始出現在大家的視野里。因為科技和施工材料即技術的原因，民用家裝室內設計也逐漸有開始轉變的勢頭，北京大柵欄地區的排子胡同的扭院兒的四合院舊建筑改造中，其室內設計和建筑外表皮建筑都使用了曲面建造的方法。四合院給人的感覺就是莊嚴、刻板、古老和破舊，而這次的建筑改造則完全顛覆了人們傳統思想中的四合院的想法，在基于傳統四合院的布局之中，采用起伏彎曲的地形連接室內和室外，而人們行走的地面則創造性地扭曲連接到房屋屋頂之上，傳統的歇山頂屋頂也采取了曲面的辦法進行搭建。傳統院墻的直來直去在向前延伸之際突然出現圓滑的曲面，仿佛一片安靜的湖面上突然出現漣漪一般，其感覺妙不可言。但是這次的舊建筑改造并不是真正意義上的數字化建造，其不比高校之中的數字化工作坊那種高技派的建造方式，有的只是把曲面納入到傳統設計中，可以看做是在室內設計平民化方向參數化概念的一種前期萌芽狀態。

（三）數字化建造在其它藝術領域的應用

數字化建造的實現方向有很多例如：3D打印、激光切割、3D打印筆等等，但這都是屬于搭建方面的地方，也就是屬于后期實現方部分。“數字化建造”可分為“數字化”和“搭建”二部分。

數字化在其他藝術領域也有很多可以廣泛運用的地方，比如樂器的建造。傳統的樂器形態在歲月的流逝中已經發揮到最優的造型，所以在于形態的發展上，數字化建造并不能對其形態產生什么過多的優化之處，但并不能排除在以后的設計中能否產生革命性的變化，現在所能實現的則是對其外表皮做一些參數化的設計，借用電腦對其進行數字化建造比如3D打印等。其中可圈可點的可數位于上海的極致盛放3D打印公司，推出的一系列小提琴、鋼琴的復雜化外表皮讓人們嘆為觀止。

二、數字化建模

“數字化”的前期實現則為模型的制作。現在藝術領域的建模方向可分為產品建模，室內建模，景觀建模，建筑建模，以及可視化平面建模。而各種軟件軟件有著不同建模底層邏輯，所以操作方式和建模思維則又大為不同。

從建模思維分則又可分為：多邊形建模、曲線建模、參數化建模；每種建模方式思維不同所對應的設計領域也不同，但并不是建模思維不同各個軟件之間就不能相互使用，故步自封。要強調的是軟件只是設計工具，而思維才是最重要的，更何況在數字化這種更加前沿和開放的設計方法之中，只要能實現設計者心中所想，大可不必為采用什么軟件糾結。

首先說一下多邊形建模，多邊形建模軟件可分為：3Dmax、Maya、草圖大師等。以Maya為代表的多邊形建模，其特點是建模簡單，抽象性要求沒有其他建模軟件要求的高，如同捏泥巴一樣，只要建模者有確切的模型外觀，就可逐漸捏造出所需模型，唯一要注意的就是在建造模型過程中的布線合理。缺點是如果想實現在數字化建造，對于模型中的參數化控制則比較繁瑣，只有依靠其新的參數化插件或者底層語言腳本才能實現參數化數據修改，實現起來比較麻煩，也存在精確問題。

其次是曲線建模，代表軟件軟件：Rhino。Rhino在曲面建模中有著不可撼動的地位，最初的Rhino實際是為工業設計所服務的，隨著時間和使用者逐漸多起來，其他領域的設計者開始接觸Rhino，建筑領域首先開始使用Rhino制作建筑外立面，建筑外立面可以由傳統的BOX模型轉型到Curve模式；緊接著藝術設計方面也開始了曲面設計的發展，各藝術領域逐漸開始使用Rhino。Rhino中的曲面建造比多邊形建模簡單和多樣，曲面的生成方式可分為放樣、單軌放樣、雙軌放樣、234放樣、曲面銜接等多種方式，原理簡單使用便捷，而且軟件對于硬件的要求也沒有多邊形建模軟件要求的那么苛刻。但是其缺點就是按鈕過多，比較繁瑣，一開始為理工科設計的軟件其他科剛開始接觸起來較為吃力，渲染效果也沒有多邊形建模模型中的Vary好。但其曲面建模的能力之強也在逐漸被廣大使用者喜愛。

參數化建模軟件：Grasshopper、程序代碼。參數化建模主要是程序代碼，在同濟和DADA國際工作坊之中，同濟、南大、東大所用的數字化建模就是用純粹的底層代碼進行程序編程，這種底層代碼的編寫要求使用者有很深厚的理工科知識基礎和電子計算機C語言的熟練度，所以這一塊建模方法難度和局限性比較大。而另一種參數化建模則是以Grasshopper為代表的蚱蜢軟件插件，它是基于Rhino為基礎的一種參數化建模方式，把計算機底層語言優化成一個個電池組，各電池組之間相互輸入輸出連接，進行腳本的編寫，不需要使用者去書寫代碼，相比較簡單些，同時也能實現參數化的實時修改。是現代設計參數化的必備軟件和Rhino配合使用起來也較為便捷。

多邊形建模和曲線建模中間軟件：T-S。T-S是介于多邊形建模和曲面建模之間的軟件，原屬于Autodesk公司，后被Robert McNee收購，成為Rhino中的一個多邊形建模插件，T-S能實現NURBS面和T-Spline面的相互轉換。其使用起來和多邊形建模相似，可以說是兩者之間相互轉換的橋梁。

三、結語

參數化和數字化有著很大的開發空間，可以開闊使用者的思維空間，打破設計者的思維定式，是一種新的設計方式。但也不能過于神話這些設計概念，只有設計者充分理解和掌握了設計思維才能更好地實現自己的設計理念，而其軟件和建模方式只是設計者的輔助方式。

參考文獻：

[1]潘魯生，劉坤，彭冬梅.Maye三維動畫基礎與實例教程[M].濟南：山東美術出版社，2006.

[2]潘魯生，劉坤，彭冬梅.Rhino3輔助造型設計基礎與進階教程[M].濟南：山東美術出版社，2006.

[3]高峰.3Dmax室內效果圖設計技法實例詳解[M].北京：中國青年出版社，2006.

[4]祁鵬遠.參數化設計教程[M].北京：中國建筑工業出版社，2017.

作者單位：

南京藝術學院