景觀建筑形態的數字化設計方法應用探究

陳陣　邢龍　姚松　蘇樂

摘要：數字化設計在景觀建筑中的應用已形成新興趨勢，針對景觀建筑方向的特殊性將數字化設計方法進行分解，從參數化設計與數字化表達兩個方面對景觀建筑設計的數字化設計方法進行解構與闡述。本文將參數化設計的方法與景觀建筑設計工作流程進行結合，以景觀建筑形態設計為切入點，詳細闡述形態設計與其相關影響條件的參數化設計方法以及與數字化設計表達方式的融合應用之道，再將總結后的數字化設計方法運用于實際項目之中，并且得到相應的概念性方案成果。

關鍵詞：數字化設計；建筑形態；景觀建筑；參數化設計

中圖分類號：TU-8文獻標志碼：A文章編號： 1001-2443（2023）06-0608-05

引言

近年來景觀建筑中的數字化設計被廣泛應用，數字技術的迭代也在不斷推動著數字化設計方法向前發展。探討景觀建筑設計中的數字化、參數化、信息化、智能化設計需要從景觀建筑設計過程中的具體需求與客觀條件出發，以景觀建筑所涉及到的領域和范圍來進行研究。因為景觀建筑相較于其他民用建筑具有明顯特殊性，所以其建造目的、環境、功能等方面與普通民用建筑相比有著諸多不同。

首先，是其使用功能的特殊性。景觀建筑設計是以創造建筑、人、環境之間的和諧關系為目標，強調景觀與建筑之間的呼應關系，體現以建筑作為“景觀”或為“觀景”的雙向功能價值屬性。其次，更強調審美功能屬性。建筑的功能是與人的行為活動相關聯的，而景觀建筑的審美功能與人類不斷變化的審美追求密不可分。因此，景觀建筑的類型相較于常見的居住類或公共類建筑具有更加靈活多變的形態和寓意，有時景觀建筑自身的審美價值往往超過其功能價值。最后，就是空間耦合特性。景觀建筑顧名思義將“景觀”前置于“建筑”，足可見環境對于建筑設計的重要程度，建筑與環境空間的“耦合關系”是最能體現“因地制宜”理念的途徑，也是景觀與建筑相互成就的最優方案［1］。因此，當代景觀建筑設計中需要通過嚴謹的數據信息與客觀條件梳理將設計環節中的各種情況進行量化分析并且形成閾值以加強景觀建筑設計的過程性控制，這樣不僅可以提高設計項目的耦合率與項目可行性，還可以通過數字化技術實現更豐富的景觀建筑形態設計方案，以滿足人們日益增長的審美需求。筆者認為，數字化設計的內容包含了參數化設計方法，而參數化的設計需要通過數字信息參數的控制生成結果，再由數字媒體技術進行表達，所以數字化設計從總體來看即是數字信息的參數化設計及數字化表達方法的綜合性運用。

1 景觀建筑形態數字化設計的意義

景觀建筑形態的基本樣式在數字化設計發展早期還是不能脫離以設計師經驗主導的單向指令的控制模式。例如，早在1980年代進入建筑設計領域的數字化設計是基于二維平面的計算機輔助設計工具CAD來進行工程繪圖的，雖然其運用的信息參數也會影響設計形態的改變，但從根本理解還是以單項指令輸出來完成特定的繪圖，所更改的信息參數也只是手工繪圖到計算機輔助繪圖的轉譯而已。

三維數字化設計技術的發展使這種單向性的數字參數化設計與空間表達相結合，較早出現在3DMax、Rhino、Maya、Sketch Up等以CG（Computer Graphics）平臺為主的應用框架內，這些軟件以數字信息的參數化控制，編輯三維空間形體來實現虛擬模型的制作和擬真效果的實現。在這個階段景觀建筑設計的形態變得具象化，尤其是20世紀70、80年代我國城市建設的高峰時期，以二維工程制圖加三維虛擬表達為主的行業工作流的廣泛應用，與當時快速增長的房地產行業結合實況，來推動大規模建設工程設計項目。以地產為主的項目類型比較單一，而形態多變的項目又只集中于少數公共市政項目，雖然產生一片欣欣向榮的市場景象，但卻并未實現更多元化的景觀建筑形態設計的發展，更多的則是設計流水線化的生產方式。隨著我國城市化率達到55.22%以上，城市擴張與建設速度逐漸趨緩，越來越多的工程設計項目從一味的追求高周轉、高產量的粗野式發展模式轉為追求設計美感與精神享受的精品化路線，工程設計類型的重點也由以往地產為主導逐漸轉變為多元化的項目需求，設計的類型與條件也隨著城市化發展的產業轉移而發生著改變。越來越多元化的項目已經使得傳統的批量化設計模式感到乏力，尤其是面對景觀建筑類設計項目的工作增量和設計要求不斷提高的行業現狀。

當數字化設計發展趨勢來到，景觀建筑設計則成為最能體現數字化設計、參數化設計、信息智能化設計的重要應用領域之一，數字化設計的發展是一系列新興技術所帶來的工作流程與方法的變革。從項目全生命周期來看，數字化設計也應該是一個完整的設計環節，其工作流程框架體系應是對于傳統設計環節的升級，數字化設計工作升級的主體應包含參數化設計與數字化表達兩個主要部分，這也是項目實施前最為重要的工作階段之一［2］。

2 景觀建筑形態數字化設計方法

2.1 形態設計前期信息數據耦合階段

傳統的景觀建筑設計方法主要體現在以經驗為主導的單向設計過程中，設計者的個人修養與技術經驗對于景觀建筑設計項目的主觀影響較強，雖然設計者可以考慮到設計項目的客觀條件，但將其進行量化分析和判斷，過于主觀的設計意見也并不利于項目前期工作的展開。因此，本節所闡述的前期設計方法主要是以景觀建筑選址工作中復雜多變的基地環境所帶來的相關分析工作為例的。

項目選址中對于復雜地理數據的篩選和閾值的控制就可以通過Arcgis軟件對3S系統中的相關參數化信息進行處理。參數化設計對于此類數據的處理具有關聯性的優勢，數據并不是一成不變的，而是取決于參數信息輸入與控制時候閾值的設定，以參數化設定的方式控制復雜自然環境中的各項指標的具體量化，如日照、風向、水文、坡向、坡度、高程點、等高值、高差、徑流、地被等指標如（圖1）。環境參數的改變對于實際建設項目的影響是多方面的［3-8］，從項目深度來看基于地表的參數信息的改變會產生多個不同的參數變量，變量的的控制范圍既是設計者所設定的閾值范圍，而其中的若干控制點則是相關數據的閥值界限。例如，當我們以參數化設計方法來限定坡度、坡向、等高值等基礎參數來給景觀建筑項目選址時，此限定的三個空間閾值會基于3S系統中的相關數據進行分析和比對，基于組合算法對于適合項目的選址進行數據定位，這種數據有可能是坐標或者其他地理信息位置參數，再通過數字化表現將抽象數據進行圖形化表達，此時就會出現一個或者多個的可選區域范圍（圖1）。設計者限定的參數越是詳細，對于場地客觀條件的考慮也就更加具有價值，此時變更或者修改相關參數對于設計前期的影響也是關聯性的，數字信息在各個相關專業間進行互通，各個專業對于參數的閾值都可以在已有基礎上進行碰撞和討論。

這種必要的前期分析對于不同項目而言其重要程度也不相同，對于以依山傍水為主要特色的景觀建筑設計項目而言則更加重要，甚至決定了此類景觀建筑存在的價值。項目的前期設計內容不僅限于此，其他數字化設計的前期工作需要根據不同項目的各自特點開展。景觀建筑設計是一個多專業配合的綜合系統，不同的設計項目所面對的客觀條件和環境都不盡相同，所以前期設計過程中應當從項目實際出發靈活運用數字化設計技術對項目進行前期的綜合性設計，并且需要對重點的分析內容進行擴展，以增加項目實施的可行性。前期設計的工作成果也決定了后續具體設計中各個組件或者模塊的基本形態框架，具體設計形態若與限定的參數框架不可耦合則設計可行性存疑。超出或者不滿都會對空間形態效果產生諸多不同結果，就數字化設計而言都并非最接近其算法的最優解，除非限定的數字信息根據主觀需要發生關聯性修改才能逐步接近最后的“結果”。由此可見，景觀建筑空間形態與環境參數設定的耦合是前期設計工作的關鍵。

2.2 形態設計中期數字模型生成階段

隨著項目進行到中期階段，在解決前期總體規劃分析的基礎上將項目從總體設計向單體或者局部設計轉變。此時階段性的設計進入到相對深化設計階段，數字化設計需要將參數化設計方法運用到深化設計與工程圖設計過程之中。前文中已經闡述了景觀建筑形態設計獨特性的來源，在此就不再贅述，可見景觀建筑單體或建筑群的形態多變是目前行業不可逆的發展方向。景觀建筑形態的設計并不僅僅只是服務于效果圖的表達，而是需要完善的考慮到設計工作的便捷性與可建性，畢竟景觀建筑項目是需要落地實現的，而運用參數化設計不僅可以實現更多樣化的形態塑造，也因其具有完善的邏輯數據框架而提供了“可建性”。例如，運用基于Rhino平臺的參數化工具Grasshopper可以融入參數化設計的各個環節，Grasshopper原先是作為Rhino平臺的參數化插件而存在的，隨著軟件的發展逐漸內化在Rhino的內部工作流之中。

參數化的設計工具Grasshopper首先是將計算機編程語言進行模塊化處理，以便于設計師對各種復雜的計算機語言所構建的功能模塊進行理解和運用，語言模塊需要進行邏輯線連接，而邏輯線的連接其實就是數據匹配和處理的過程，計算機通過模塊工具的連接來判斷步驟施行情況并得出相應結果，邏輯可行的指令會產生相應的數據結構，也就會表現在數字圖形中，但若程序語言邏輯不通則不會產生結果，并顯示邏輯連接錯誤。連接過程由各類數字信息參數和算法模塊控制，算法是作用在參數信息數據結構上的，使得Rhino空間中的數字模型的編寫通過不同算法得出相應的結果，從簡單的數字加減運算到相對復雜的積分概念，設計者需要將基本數學算法與計算機編程語言邏輯對應起來以滿足的不同項目需求，最終將完整無誤的計算機語言轉化為數字圖示或形態，逐步實現數字模型的生成。當然，參數化的建模可以在Rhnio三維空間中通過Grasshopper的各類工具模塊的邏輯串聯直接生成，也可以配合其他三維建模軟件空間的手工建模方式綜合運用，例如運用Rhino中的Nurbs曲線的參數化編輯對各類空間造型進行繪制，利用NURBS曲線函數原理（如圖2），可以根據控制點、權重和結點向量來生成各種形狀的曲線。同時，還可以對控制點、權重和結點向量進行調整來改變和豐富曲線界面的空間三維形態，以此創造更多空間藝術造型的可能性，并且相關函數所關聯的數字算法所生成的設計結果也可通過Grasshopper參數化模塊進行聯動修整與重構。

以應用型編程語言為基礎的數字模型生成是有邏輯的，每一個完善的參數設計步驟都會得到一個相應的成果，可以將步驟成果分階段提取并以數字化方式進行預覽效果的檢查，數字化表達在此步驟中不僅是向甲方匯報的最終成果，還是計算機設計語言邏輯的即時反饋。由此可見，數字設計中所包含的參數化設計方法與數字化表達的界限也將越來越模糊，計算機相關技術的發展使得傳統設計工作中各環節的割裂情況發生改變，正不斷地相互融合成為更加一體化的設計方法。

2.3 形態設計后期數字成果表達階段

以往設計流程中，階段性結束的環節即是以數字化方式進行階段性成果的表達為標志。在此部分，數字表達只是將軟件中的構建好的空間以設計者的主觀視角進行表達和展現，數字化的成果以圖形的方式進行保存、傳輸、打印后形成紙質工程文件，另外還可以通過數字媒體進行各類動畫制作與播放。正如前文所述，設計的智能化和數字化體現是需要將數字表達以交互的方式嵌入到整個工作流程之中的。參數化設計的結果是邏輯性的，參數信息的變化直接影響其數字表達的圖形語言，這也是關聯性設計的一個體現。目前，虛擬現實技術（Virtual Reality）與交互設計（Interaction Design）共同應用于數字表達階段是應用的方向之一，不論是最終的方案匯報還是設計環節中的專業交流都可以在同一個數字化的虛擬空間中完成。設計師在面對不同對象時，在數字空間中需要解決的問題也不盡相同。例如，面對甲方時需要展現的大多是以甲方目標效果意見為反饋的技術解答，而面對相關設計單位時則側重于專業配合等情況，諸如此類問題都將基于統一的數字化設計模型成果的表達而解決，就如同BIM（Building Information Modeling）系統所起到的作用那樣。

所以筆者認為景觀建筑設計的過程中數字技術表達的內涵已經被擴展，參數化設計與數字化表達應該是一個相互嵌入的應用方法。結合景觀建筑設計的特殊性來看數字化設計部分需要在設計的調研分析、設計交流、專業配合等方面進行或主或輔的相關工作內容。而設計表達在如今數字化設計框架下的意義也不僅僅是效果表達那么簡單，由于數字表達與即時渲染技術的普及推廣，相關技術的更新迭代也將其應用領域與設計過程聯系的更加緊密。數字化設計表達與設計過程的融合將原本分離的兩個設計階段相互嵌入，以設計目標達成為方向，在設計的各個領域都可以進行意見的碰撞或者設計程序文件的互通，即數字表達作為設計交互媒介而不僅僅是最終成果的展示媒介，以一個更加全面的“角色”作用于整個設計流程之中。

2.4 形態數字化設計方法在實際項目中的應用

筆者將以上方法試用于實際項目之中，在此以安徽省蕪湖市南陵縣大工山景觀建筑項目為例。依據前文所闡述的數字化設計方法對該項目地塊進行前期概念性設計，在有項目實地勘察基礎后與當地項目策劃負責部門進行交流并擬定概念設計任務書，明確用地范圍內的相關數據條件和設計效果需求。

從數據上看建設方要求在丘陵地形與山地高差之間建設以旅游康養為主題的綜合性產業園區，項目分為若干分期進行。從工山鎮到山峰水庫規劃出一條游覽路線，并且在主干游覽線路中的多個適宜改造的區域進行建設，建設項目例如乘客運轉中心、養老公寓、山景步道、山峰水庫等景觀節點。基于當地的山區地形，需要通過數字化設計對相關自然條件進行分析和量化，尤其是擬定的規劃區域內景觀建筑選址的量化數據，基于對DEM（Digital Elevation Model）數字高程模型數據信息參數控制得到規劃區內三處符合景觀建筑設計環境指標的選址（如圖1），并在此基礎上進行下一步的具體設計。景觀建筑需要結合參數化限定的選址設計，場地內的大工山游客中心的功能實現與形態設計需要根據場地空間的限定條件進行修正。在選定場地內需要解決大約12°至20°的坡度建造問題，保留功能區劃中限定的流線范圍，使得景觀建筑的可設計面積進一步被場地空間參數所限定。

重點景觀的設計概念是以場地再生為主題的輕質鋼木結構仿生建筑，其形態需要在傳統徽派建筑的基礎上添加新穎的創意，用參數化設計方法進行仿生造型的構建，在限定的物理空間中運用Rhino與Grasshopper的進行參數化設計來塑造多變的有機仿生形態（如圖3）［9-10］。以樹狀有機體的輕質鋼結構景觀構筑形態與傳統徽派坡屋頂造型進行戲劇化的沖突與融合，不僅解決建筑中庭采光的問題，也為景觀建筑形態增添自由靈動之感。目前本項目的概念性設計工作已經基本結束，項目的匯報方式用數字技術進行展示，以數字文本與數字動畫的形式將項目的概念性設計流程至結果進行全方位展示并獲得甲方認可，后續項目推進工作目前也已進入評估階段。

3 結語

景觀建筑的形態設計是數字化設計應用的眾多領域之一，數字化設計方法為景觀建筑空間形態的創新提供了更多可能。數字化設計方法將景觀建筑項目的“可建性”在方案階段進行剖析，有利于在方案階段更加準確的推斷方案可行性。基于其設計方法的運算邏輯可以更好地將設計與建造相聯系，促進設計施工一體化的發展。最近，新興的人工智能技術在設計領域的滲入，以編程語言腳本乃至計算機算法為核心的生成型設計也悄然興起，筆者認為這種非線性的智能化設計的產生也是源于數字化設計的基本概念之中，數字化設計不僅是現階段較為前沿的設計方法，也是未來向建筑智能化設計與制造發展的方向。

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Research on the Application of Digital Design Method of Landscape Architecture Form

CHEN Zhen，XING Long，YAO Song，SU Le

（College of Art and design， Anhui Institution of Information Technology， Wuhu 241100，China）

Abstract： The application of digital design in landscape architecture has formed a new trend. According to the particularity of landscape architecture direction， the digital design method is decomposed， and the digital design method of landscape architecture design is structured and restructured from two aspects of parametric design and digital expression. This paper combines the parametric design method with the workflow of landscape architecture design， taking the form of landscape architecture as the starting point.The parameterized design method of shape design and its related influence conditions and the integration and application of digital design expression methods are described in detail. The summarized digital design method is applied to the actual project and the corresponding conceptual scheme results are obtained.

Key words： digital design； architectural form； landscape architecture； parameterized design

（責任編輯：葉松慶）

收稿日期：2023-07-18

基金項目：2022年度安徽信息工程學院青年科研基金項目（22QNJJSK007）.

作者簡介：陳陣（1988—），男，安徽蕪湖市人，碩士，講師，研究方向為景觀建筑設計、環境設計.

引用格式：陳陣，邢龍，姚松，等.景觀建筑形態的數字化設計方法應用探究［J］.安徽師范大學學報（自然科學版），2023，46（6）：608-612.