參數化技術下室內空間設計的算法應用研究

當下參數化技術的發展不再僅僅局限于建筑設計行業，它的出現推動了設計行業設計方法與設計思維的再創新[1]。文章立足參數化發展的趨勢探究參數化設計在室內設計中的發展優勢，從算法生形的角度研究算法邏輯在設計中的應用，探究參數與算法的關系分析參數化設計的特點，以算法設計的思維來引導室內空間設計。

1 參數化設計概況

參數化設計是將影響設計的部分要素看成參變量即參數寫入到對應的函數中，建立一個參數化設計過程，通過對參數的運算改變設計的結果，其本質是參數與算法構建參數控制形態形成相互關聯的有機體的過程。

徐衛國認為這一過程為：設計要求對信息的數據化處理、建立參數設計關系、計算機軟件模型創建等[2]。當下參數化設計主要在建筑表皮、建筑單體造型的應用上，同時在景觀地形、產品設計等相關領域也有所應用，參數化設計是當代設計界的熱點，也是國際和國內的新趨勢，西方學術界認為我們正處于一個非標準化的多元化時代，是個性化展現的時代。參數化設計不僅是設計工具的進步，更是一種全新設計方法的發展[3]。但是目前國內對參數化設計理解較為片面，大多數的設計只在形式上進行模仿，沒有研究相關的數字技術和邏輯過程以及運算法則，因而設計項目落地后的效果也不盡如人意。

1.1 參數與算法

而通過輸入不同的條件的變化量來控制設計的不同結果[4]。如反比例函數x≠0)，f(x)為因變量，x為自變量，x值的改變則會改變f(x)輸出結果。自變量的形式可以為與設計相關的各種信息，比如光照、人流量、障礙物定位等，通過編碼轉換成計算機能夠識別的信息語言。編碼過程則是把非形式的信息轉化成計算機可讀的數據。

“算法”即規則運算系統是一系列按順序組織在一起的邏輯判斷和運算法則。它們的目的是共同完成某個特定的任務，在這里特定的任務就是構筑參數邏輯運算[5]。如反比例函數其中的運算，程序便是常數K與自變量x相除。算法在設計中的應用可以根據已有的編寫程序進行運算，如Rhino軟件下的編程插件Grasshopper直接將設計參數關系在這些軟件里建立參數模型進行設計生形，其設計的過程中就是算法的運算過程，同時也可以自行編寫運算方法創造算法指定給計算機，借助計算機對編寫的算法進行計算，最終生成設計結果。在室內設計的過程中對于形的生成把握需要引入相關要素進行限定，如何讓參數改變設計的形態這就需要借助參數化平臺提供的相關算法，用以解決生形問題。

1.2 借助算法的參數化設計特點

1.2.1 通過算法生出隨機造型

在室內空間設計的過程中受到的約束條件少則幾種多則數十種通過算法的數學運算生成不同的造型結果。

1.2.2 算法生形的不可預見性

對于一個特定室內空間造型，即使再多約束條件、受制因素，在沒有進行計算機輔助建模運算之前，設計師是不可能預見到最后的模型效果的。而且每一次新的設計方案都會給設計師帶來意想不到的創作靈感，都會帶來一種全新的造型風格。這是參數化室內空間設計師創作靈感不竭的源泉，也是參數化室內空間設計最大的魅力所在[6]。

1.2.3 相互聯系并且富有變化

在運用算法生形的過程中圖形符號是相互聯系并且富有變化。所有符號元素都將和其它元素產生聯系，不斷地變化，形成連續的差異性。

2 室內設計中兩種算法生形設計思路

“參數”可以定義為影響設計結果的變化量，其量值的變化會導致計算結果發生變化。參數化設計平臺則是制定出一個關聯系統，從

在室內空間中存在著彼此之間相互聯系相互影響的一種關系，在對其設計的過程中利用其中的影響因素作為設計參數同時構建相關算法程序對參數進行運算得出相應的設計結果，根據不同結果篩選出最優方案對參數不斷地調整并完善方案。算法種類很多，如有可生成曲面所用的數學函數表達式，也有可生成一系列幾何圖形的算法等[7]。文章主要介紹吸引子算法及Voronoi算法。

2.1 吸引子算法

在物理學研究中，場是以時間和空間為變化量的物理量。我們生活在一個相互關聯相互影響的世界?！昂崩碚撎岢鐾粫r空下細微的變化將能影響整個系統內較大的關聯反應。如圖1所示模擬場空間內對象之間的相互作用，進而影響對象的形態生成。吸引子能夠根據參數的不同使空間構成要素產生不同的變化，影響空間中其他對象的特性。吸引子的種類較多，比較常見的有點、曲線、位圖干擾（圖2-圖3），以及與設計相關的各類信息，比如日照、濕度、風壓等，都可以反饋到設計要素上[8]。吸引子可以進行多個場的疊加，在多重的作用中影響其他的相關要素。甚至可以調整影響吸引子的形式和吸引力的大小，通過干擾要素的調節，可以不斷地調整方案的生成，以獲得更好的設計效果。

吸引子算法在建筑設計應用較多，在室內設計中的應用可根據室內影響要素設置干擾點或者干擾曲線，例如對大型建筑內的燈具安裝，可以根據場內布置進行位置的計算，在重要節點設置為吸引子的干擾點，距離干擾點較遠的燈光可適當加大距離反之則縮小間距。同時在頂面造型設計上也可利用吸引子算法，造型的生成不僅僅局限于美觀的角度，更多的是綜合相關影響參數進行設計。以上吸引子算法是基于Grasshopper的參數化平臺來探討了其中的干擾邏輯原理。

2.2 voronoi算法

Voronoi算法生成的圖形是由俄國數學家沃羅諾伊提出的，是針對空間分割的一種算法[9]。Voronoi算法在眾多學科都有所涉及，如幾何學，氣象學等。Voronoi圖形（即泰森多邊形），在二維空間情況下，是分布在平面空間內的隨機多個點由彼此相鄰兩點構成的直線垂直平分線組成的連續多邊形（圖4）。在立體結構中進行拓展的泰森多邊形與二維空間形成的圖形有所不同，圖形的組成會從平面上的多邊形轉變為高維的立體結構（圖5-圖6）。Voronoi算法從本質上來說是空間分割后由多邊形組合而成，每一多邊形區域與之相對應一個點目標，多邊形區域內的每一點到中心點目標的距離比到任何其他區域點目標都要近，它主要刻畫了空間點的鄰近區的邊界關系[10]。

Voronoi算法是空間幾何形態與對應空間所產生的相關聯系，利用自身的性質所創建的空間結構體系，使得其自然屬性與建造表達之間產生了直接的聯系，同時也是語言探索和實踐創新的過程，也推動了的數字化設計的流程和制造技術[11]。泰森多邊形在室內空間應用上，多數在室內的陳設產品設計之中有所涉及，對于空間的整體設計研究應用還很少。在室內空間的地面造型設計上、頂面造型設計上對于泰森多邊形的應用能夠對其擁有整體的把控和調整。在未來的室內空間設計中合理利用泰森多邊形的設計原理不僅在形式上有所創新，在功能上也將會更加的合理。

■圖1 場內干擾

■圖2 點的干擾

■圖3 線的干擾

■圖4 二維voronoi算法圖形

■圖5 三維voronoi算法圖形

■圖6 三維voronoi算法圖形

3 算法設計應用于室內空間的優勢及前景

3.1 室內算法設計應用優勢

算法是在編程的基礎上形成的計算機語言模式，傳統的算法語言是對代碼的編程輸入，而編程的學習又較為復雜，Grasshopper的出現繞開了這一難題，通過使用自動象形圖標規避了代碼的編寫把代碼程序嵌入到象形圖標中形成圖形腳本，這種圖形腳本形式相比較之下操作起來更加便捷，省去了繁瑣的編碼過程，因此也逐漸受到設計師的關注[12-13]。

在室內空間設計中借助于參數化平臺綜合考慮，相關影響因素用于參數平臺的可變參數利用算法生出室內造型特征，對室內空間進行多方面綜合考慮最終形成的最優室內空間造型方案，參數化平臺下的算法設計能夠使室內空間設計更加的合理化，對于空間的功能需求、能源耗損、功能定位更加的有理有據[14]。進一步完善傳統設計中的不足之處。

3.2 參數化平臺下算法生形應用前景

相較于傳統設計，基于參數化軟件平臺下的算法應用構建出來的空間方案更加的新穎、更加的多樣化。其構建出來的造型并不是只追求造型的標新立異，更多的是以參數為根據，把影響的相關要素植入算法之中。它的不確定性致使造型的豐富多樣性，同時計算機衍生出的造型結果是雙向的引導，一則讓計算機的思維與設計師的靈感相碰撞，二則設計師根據結果繼續添加相應的影響參數，這樣就形成了一種相互影響的關系[15-17]。伴隨著數字化時代的快速發展，設計方式也會與之轉變。參數化設計發展的大潮已經向我們涌來，站在時代的浪尖上抓住設計方式的變革是每位設計師必須要完成的[18]。

4 結語

參數化設計漸漸成為一種新的設計理念,不僅帶來了風格上的變化同時也將成為未來發展的一個重要方向。參數化設計的影響面已經不僅僅局限在建筑設計的領域中，作為建筑的內在空間需要與建筑形式同步發展，因此數字化時代驅使下的參數化室內空間設計變革正在悄然發生。設計師不再是負重前行的繪圖員，掌握數字化技術并利用各種分析軟件來提高設計的效率和質量才是未來設計師需要關注的方向。

參數化平臺下的算法生形則是一種新的設計思路，轉變傳統自上而下的設計思維，并且對于參數化室內空間的設計研究能夠讓設計師不僅僅局限于主觀臆想上，更多的是理性的思考，充分發揮電腦的運算功能為設計師提供源源不斷的設計想法，同時對于設計的修改也提供了極大的方便，但是在室內設計中還有部分算法是如何運算又是以何種手段進行分析的還需要進一步研究，只有這樣才能為后來的室內空間設計提供強有力的幫助。