基于數(shù)字技術(shù)的建筑方案設(shè)計探究

黃金辰

啟迪設(shè)計集團(tuán)股份有限公司南京分公司 江蘇 南京 210000

1 傳統(tǒng)建筑方案設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)建筑方案設(shè)計的含義

高質(zhì)量的建筑設(shè)計方案是保障建筑工程質(zhì)量的關(guān)鍵，同時建筑方案設(shè)計也影響著項目建設(shè)效益和進(jìn)度。傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方案主要是由設(shè)計人員搜集數(shù)據(jù)資料，然后利用繪圖工具，根據(jù)建筑實際情況、地理位置、人文環(huán)境加以設(shè)計，整體設(shè)計效率偏低，并且數(shù)值準(zhǔn)確性無法得到保障。

1.2 建筑方案設(shè)計的發(fā)展

信息技術(shù)飛速發(fā)展的背景下促進(jìn)了諸多行業(yè)進(jìn)步，對于建筑行業(yè)來講，在設(shè)計與施工期間開始對諸多先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用，比如設(shè)計環(huán)節(jié)可以利用繪圖儀以及諸多先進(jìn)的勘察設(shè)備，在測繪的精確性、設(shè)計的整體性上都更有保障，人工勘察也逐漸被計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取代。

2 數(shù)字化技術(shù)在建筑方案設(shè)計中的作用

相較于其他行業(yè)，建筑行業(yè)受社會意識以及生產(chǎn)方式影響更為明顯，尤其是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的影響之下，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方案已無法滿足社會發(fā)展要求。在信息技術(shù)革新的背景下，數(shù)字技術(shù)開始與建筑方案融合，比如CAD工程設(shè)計圖繪制以及BIM信息技術(shù)的應(yīng)用都發(fā)揮了數(shù)字技術(shù)的精確性、高效性特征，幫助設(shè)計人員展示建筑的立體空間和抽象思維，然后通過建筑數(shù)字信息模型的形式體現(xiàn)。此外，在建筑的方案設(shè)計中對數(shù)字化技術(shù)利用可以促進(jìn)設(shè)計人員對施工人員交流，顯著的提升施工效率，促進(jìn)資源的優(yōu)化配置，并且在這一過程中節(jié)約人力成本與物資成本[1]。

3 建筑方案的數(shù)字化生成設(shè)計方法

數(shù)字化生成技術(shù)為科學(xué)的藝術(shù)創(chuàng)作方式，在基因編碼轉(zhuǎn)換下得到人造物，具體說來，就是在計算機編程下得到不同的設(shè)計形態(tài)，并且利用顯示設(shè)備直觀展示。在建筑的設(shè)計環(huán)節(jié)，一方面需要通過設(shè)計參數(shù)分析生成設(shè)計問題，由于參數(shù)的受約束條件較多，在程序化設(shè)計期間物體的形態(tài)發(fā)生較大變化和尺寸大小關(guān)系密切，所以在復(fù)雜的系統(tǒng)中應(yīng)用較多，之后通過整合實現(xiàn)；另一方面是采用隨機形式設(shè)計，該設(shè)計理念主要是在諸多的設(shè)計方案中優(yōu)選，所以對設(shè)計人員的專業(yè)性有著很高要求。此外，要考慮建筑的結(jié)構(gòu)、形式、技術(shù)、審美等內(nèi)容，形成多層次的設(shè)計方法，并且生成塞爾曲線，之后把建筑的品質(zhì)與特征納入設(shè)計范疇。

4 數(shù)字技術(shù)進(jìn)行建筑方案設(shè)計的主要技術(shù)

在當(dāng)前的建筑設(shè)計環(huán)節(jié)多種技術(shù)和軟件得到了利用，在建筑設(shè)計環(huán)節(jié)，前期現(xiàn)場調(diào)查以及后期建筑方案設(shè)計都需要借助數(shù)據(jù)信息。因此，數(shù)字化技術(shù)發(fā)揮了重要作用，具體說來：

4.1 建筑方案參數(shù)化設(shè)計

在當(dāng)前的建筑方案設(shè)計過程中，數(shù)字化技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用的工具，主要價值在于優(yōu)化方案的參數(shù)，而參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵在于邏輯建模，也就是通過物體自身邏輯建立物體的模型，其中涵蓋了參量、關(guān)系、結(jié)果三個因素，并且參量與關(guān)系處于時刻變化狀態(tài)，隨著坐標(biāo)點位移，直線長度以及位置也會變化。通過參數(shù)化設(shè)計讓建筑方案設(shè)計可行性和邏輯性增強，這也是數(shù)字技術(shù)用于建筑方案設(shè)計的重要體現(xiàn)。

4.2 CAD設(shè)計效率提升

CAD是一種專業(yè)的繪圖工具軟件，可以在建筑工程方案設(shè)計和圖形繪制中發(fā)揮出重要作用。在方案設(shè)計初期，設(shè)計人員通過自身想象與判斷，設(shè)計雛形之后結(jié)合地理環(huán)境優(yōu)化設(shè)計方案，該方法需要在二維圖紙文件基礎(chǔ)上繪制，然后利用其中的多種功能輔助方案設(shè)計，確保設(shè)計內(nèi)容的合理性與規(guī)范性。比如在建筑空間設(shè)計、外立面設(shè)計、剖面圖設(shè)計都能達(dá)到良好效果。目前CAD設(shè)計軟件應(yīng)用廣泛，能夠呈現(xiàn)三維立體坐標(biāo)，精確建筑的具體位置，尤其是預(yù)應(yīng)力計算和深基坑設(shè)計環(huán)節(jié)能夠保證每個坐標(biāo)點分布的合理性。由此提升工程質(zhì)量。

4.3 SketchUp的利用

SketchUp是一款草圖設(shè)計軟件，能夠快速創(chuàng)建、觀察和修改三維創(chuàng)意，可確保方案生成更加便捷。設(shè)計人員無須考慮紋理、色彩、技術(shù)等方面內(nèi)容，而是把建筑主體塑造當(dāng)作設(shè)計中心，在設(shè)計環(huán)節(jié)關(guān)鍵是選擇好設(shè)計工具，進(jìn)而與設(shè)計人員的思想表達(dá)具有連貫性，并且這種設(shè)計方法的表現(xiàn)性很強。設(shè)計人員通過剖視透明觀察、任意視點觀察等方法，結(jié)合自身的創(chuàng)新思維得到三維模型視圖，之后提交設(shè)計方案，并且無須后續(xù)加工處理。相較于CAD技術(shù)，這款草圖設(shè)計軟件解決了難于修改問題，人們可以根據(jù)設(shè)計目標(biāo)解決整個設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題。

4.4 BIM技術(shù)的應(yīng)用

BIM也被稱為建筑信息模型，該技術(shù)可以用于項目工程的整個生命周期當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑設(shè)計的集成化、三維化與標(biāo)準(zhǔn)化，有效提升建筑方案設(shè)計效率，這種數(shù)字化技術(shù)把工程項目當(dāng)中的單一構(gòu)件或者物體作為基本元素，然后描述其物理特征，之后形成數(shù)字化建筑模型，并作為建筑工程的數(shù)據(jù)資料庫，這些數(shù)據(jù)能夠圍繞建筑構(gòu)件和物體組織起來，展示建筑元素、物理屬性、幾何特性的同時，還可以展示建筑整體的空間關(guān)系，形成虛擬化的建筑物，打造更加完整的信息系統(tǒng)，BIM技術(shù)承載了多種信息，并且信息之間具有關(guān)聯(lián)性，有利于和施工單位以及其他人員信息共享，憑借以上優(yōu)勢成為當(dāng)前建筑方案設(shè)計有力助手[2]。

5 如何利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行建筑方案設(shè)計

5.1 設(shè)計前期的信息收集和處理

在建筑設(shè)計方案制定前期主要是進(jìn)資料的搜集和檢索，主要是表達(dá)出記錄性、發(fā)散性和相對隨意性的特征。建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮諸多內(nèi)容，所以設(shè)計人員不僅需要分析設(shè)計任務(wù)書，還需要從經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境等視角分析問題。在設(shè)計環(huán)節(jié)不僅會對多種先進(jìn)的設(shè)計軟件利用，還需要借助搜索引擎在整體上了解地區(qū)文化習(xí)俗、社會經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境，由此擴(kuò)展設(shè)計人員的思維，增加設(shè)計質(zhì)量。

5.2 建筑方案的構(gòu)思

在方案的構(gòu)思方面，包括概念設(shè)計與方案發(fā)展兩個環(huán)節(jié)，由于設(shè)計人員在這兩個環(huán)節(jié)思維表達(dá)和工作思路存在差異，在媒體工具上的應(yīng)用也會存在差異。在概念設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員主要是在繪圖、建模的過程中將自身的構(gòu)思外化和具體化，得到概念設(shè)計草圖，使得建筑師通過跳躍性和開放性的思維設(shè)計多個方案，然后在變化形式中獲取更多的線索，一般需要對CAD工具以及BIM技術(shù)實現(xiàn)。在方案發(fā)展階段，需要設(shè)計人員在前期與中期明確設(shè)計思維與表達(dá)，深入思考和比較建筑功能、空間、造型與整體環(huán)境。在方案發(fā)展的后期，主要是通過多媒體進(jìn)行演示，進(jìn)而對這些內(nèi)容深入思考，比如結(jié)合項目的設(shè)計深度、規(guī)模、復(fù)雜程度、個人想法、所用媒體類型。一般在該階段包括三種可選擇的設(shè)計方案，包括以三維模型為核心、以信息模型為核心、以三維模型到信息模型的策略。

5.2.1 面向三維建筑對象的概念設(shè)計。隨著SketchUp、3D Studio Max、 ArchiCAD mac等三維建模軟件的推出，如今借助計算機直接建立模型已經(jīng)十分容易，這些建筑模型軟件不僅是媒體工具，還可幫助設(shè)計人員將想法概念化或者形象化呈現(xiàn)出來，滿足對建筑形式、空間與功能的設(shè)計需要，這些面向建筑實體的三維構(gòu)思設(shè)計方法可以提升設(shè)計信息的準(zhǔn)確性、關(guān)聯(lián)性、效率性和完整性，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的草圖設(shè)計。

5.2.2 以三維模型為核心的方案發(fā)展。一般用于規(guī)模小、設(shè)計難度小的建筑，一種是SketchUp，該技術(shù)不會受到紋理與色彩的約束，便于設(shè)計人員圍繞造型、空間等問題探索和研究，并且利用原方案可以與設(shè)計師思維保持一致。在表現(xiàn)方面，設(shè)計的方案有利于設(shè)計人員創(chuàng)新思維，快速生成三維模型視圖，受到建筑設(shè)計人員的歡迎；另一種是CAD，比如在建筑室內(nèi)設(shè)計環(huán)節(jié)可以對設(shè)計模板利用，然后進(jìn)行圖紙畫幅設(shè)置、標(biāo)題確定以及線型選擇，在細(xì)節(jié)圖層設(shè)計期間可以存儲制作完成的圖層，為后續(xù)的設(shè)計提供參考。工具欄中的草圖設(shè)置功能可以幫助設(shè)計人員捕捉對象，比如在室外的環(huán)境設(shè)計利用中心交點斷點捕捉圖像，整個操作環(huán)節(jié)較為便捷。

5.2.3 以信息模型為核心的方案發(fā)展。一般用于建筑規(guī)模大、設(shè)計難度高的建筑，具體說來：其一，在建筑信息模型當(dāng)中包括空間幾何、構(gòu)造、材料、造價等信息，在設(shè)計人員利用這些信息模型過程中也需要對技術(shù)、造價等因素考慮，進(jìn)而確保設(shè)計的成果對后續(xù)的施工起到支持作用；其二，建筑信息模型具有三維設(shè)計功能，便于設(shè)計人員進(jìn)行觀察，掌握任意位置、高度的平面圖、剖面視圖、軸測圖、線框透視圖，都有利于對設(shè)計方案優(yōu)化；其三，在建筑信息模型中可以分析和計算概預(yù)算、電負(fù)荷、熱負(fù)荷與光照模擬，并且在軟件中可以提供報表、圖紙等自動生成工具。

6 基于數(shù)字技術(shù)的建筑方案設(shè)計案例分析

南京市河西青奧中心1號樓于2017年建設(shè)完成，該建筑高度達(dá)到315m，方案設(shè)計期間對數(shù)字技術(shù)加以利用。本文以參數(shù)化平臺Grasshopper為例，從組團(tuán)層級、體量層級、細(xì)部層級入手，分析數(shù)字化技術(shù)在建筑方案設(shè)計的具體利用。

6.1 組團(tuán)層級

6.1.1 概述。在宏觀層面講，城市建筑的設(shè)計從生態(tài)性出發(fā)可以包括如下方面，其一是建筑與環(huán)境之間關(guān)系；其二是建筑與建筑間關(guān)系。具體說來：在建筑與環(huán)境設(shè)計方面需要考慮氣候、地形等要素與進(jìn)駐之間的關(guān)系，而建筑與建筑的關(guān)系是分析建筑組團(tuán)布局，也就是分析建筑的朝向，開放空地，進(jìn)而滿足建筑室內(nèi)的采光與通風(fēng)需要。

6.1.2 數(shù)字技術(shù)介入。其一是需要利用數(shù)字平臺建立關(guān)系模型，進(jìn)而對群租的空間關(guān)系與群租形態(tài)描述，設(shè)計人員通過精確輸入建筑形態(tài)、數(shù)量、高度等參數(shù)整體調(diào)節(jié)建筑群；其二借助計算公式優(yōu)化容積率、熱環(huán)境、室外風(fēng)環(huán)境，進(jìn)而優(yōu)化建筑群落的生態(tài)方案[3]。

6.2 體量層級

6.2.1 概述。在建筑的主體設(shè)計中包括了建筑形態(tài)和功能布局，并且在設(shè)計的過程中建筑截面形狀、體型系數(shù)都和節(jié)能情況有關(guān)。此外，形體的組合也會對建筑的生態(tài)性能產(chǎn)生影響。而功能布局要考慮用戶的使用形式，對機電設(shè)備集中布置，進(jìn)而達(dá)到降低能耗的目標(biāo)。

6.2.2 數(shù)字技術(shù)介入。數(shù)字技術(shù)介入體量層級需要設(shè)計方案的制定和實施，不過評價數(shù)據(jù)無法生成優(yōu)化方案植入基地當(dāng)中，因此體量階段的方案優(yōu)化需要和設(shè)計方案同步進(jìn)行。

6.3 細(xì)部層級

6.3.1 概述。在建筑的細(xì)部層級優(yōu)化中主要是從以下兩個方面入手：其一是維護(hù)體系的細(xì)部構(gòu)造優(yōu)化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能一般認(rèn)為墻體越厚越保溫，而細(xì)節(jié)處理方面主要是避免門窗等部位出現(xiàn)“冷熱橋”；其二是建筑外立面的優(yōu)化，比如開窗的位置、材質(zhì)、大小就會對建筑的節(jié)能設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生影響。

6.3.2 數(shù)字技術(shù)介入。在確定方案體量的前提下，數(shù)字技術(shù)在細(xì)部層級的介入主要體現(xiàn)在，利用參數(shù)化模型對建筑表皮的生成控制，生態(tài)模擬可以提供數(shù)據(jù)來源，可以對結(jié)構(gòu)形態(tài)整體控制。

7 結(jié)束語

綜上所述，在信息化技術(shù)與數(shù)字技術(shù)廣泛用于建筑工程的今天，大大降低了設(shè)計人員的工作量，設(shè)計的方案更加具有合理性，后續(xù)的施工環(huán)節(jié)也會減少問題出現(xiàn)。目前，在建筑設(shè)計環(huán)節(jié)主要是對BIM、CAD以及SketchUp等建模軟件利用，需要設(shè)計人員結(jié)合項目的自然環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人文環(huán)境等方面考慮，由此打造高質(zhì)量的建筑工程。