探析建筑设计下的参数化和数字化

董昌恒

摘 要：参数化设计在现代设计中逐渐显露出来，以扎哈为代表的一系列曲面建造开始出现在大众视野里。参数化设计指作为主体的设计师或建筑师使用参数去设计实现心里所想的设计，只需要输入所设置的参数就可以得到复杂或者简单重复出现的模型，仅仅修改参数则可以生成和改变模型的基本形态。

关键词：参数化；数字化建筑；多边形建模；曲线建模；参数化建模

参数设计并不是偶然出现的，它是前人在不断积累和实验后对设计方法进行归纳和总结的前提下逐渐被发现和发展起来的。而归纳设计法对于广大设计师则是一个重要的学习方法。

19世纪晚期的加泰罗尼亚建筑师安东尼·高迪在设计天主教堂圣家族大教堂时就结合归纳设计使用到类似于参数化的设计方法。圣教堂内部和外部表皮上有很多尖尖的高塔，各高塔之间又相互连接相互交叉，外部造型奇特富有张力，而建筑内部的穹顶和天花结构复杂，相互之间的支撑涉及力学知识，多个拱劵之间连接又各有分工，所谓牵一发而动全身。在当时的19世纪，没有电脑的辅助设计，想贴近真实去模拟建筑物的受力情况相对比较困难，更何况还要根据各个受力点进行相对应的调整，之间涉及的参数变化的计算量颇大。而建筑师安东尼·高迪则使用线条和线条之间相互联接模拟拱劵和穹顶之间的联系长度，用木条和铅块模拟重力和受力点，这样修改一个变量，其相互连接的地方也会出现相应的变化，借以实现整个天主教堂圣家族教堂的前期设计和图纸的绘制。这种修改变量的方法就类似于现在电脑Grasshopper里的参数设置和Kangaroo的拉力成型，只不过建筑师安东尼·高迪所用的是现实手动参数导致变量，而现今有了电脑的我们则可以在软件中输入需要变化的量让电脑自动计算生成数据，从而实现参数化的建模和修改。

参数化设计应用非常广泛，建筑、室内、景观、首饰、乐器、舞蹈、书法等都有涉及。参数化设计是一种概念，是一种设计思维，参数化设计之后涉及实际建造，而数字化建造则是一种建造方法，与参数化设计之间相互衔接相互配合。参数化设计给出实际数据，再结合数字化建造中的一些机械实现所设计物品的现实呈现。

一、数字化建造方法

（一）数字化建造概念

数字化建造，在当今广泛应用于建筑行业，2017年夏季同济“机器人裁缝”工作坊则使用机械臂的建造方法，采用低廉的纸片建造出结构坚固的拱形地景装置和3D打印桥。同年9月在南京大学的DADA数字建造国际工作坊则有来自东京大学的机器人抒情（通过人、机、建造工具三者之间的互相联系和刺激，探索人机人互动对于的数字化绘制的更多可能），东南大学的神经元（模拟动物神经元之间的链接使结构更加稳固），同济大学的超薄板材空间结构设计（挑战超薄钢材的承压能力），清华大学的互动巢群（金属片模拟蟋蟀笼子，安装感应装置，当人靠近装置，装置对应会触发灯光和声音），南京大学的弹性弯曲（研究木板材料的弹性张力），南京艺术学院花之亭2.0（采用3d打印节点，特点简单结构，主要突出装置艺术性）都是采用数字化建造的方法，在电腦中利用参数化成型的方法把模型实时模拟出来，实现电脑和现实真实情况的真实模拟，之后再输出准确数据，利用数字软件和机械进行实物搭建。

（二）数字化建造在建筑的应用

在建筑设计方向中，参数化的数字化建造也逐渐开始多了起来。国内最早的广州大剧院，根据江中的2块石头与水相产生的流线波纹设计出实际模型，再根据输出数据建造出内部构建和外部幕墙。哈尔滨大剧院，流动的外部造型也是依照参数化和数字化的设计、建造方式得以成型。而现代建筑设计已经从传统的直来直去设计方式进入到曲面、异面的时代，按照以往的建造工艺方式已经难以进行这些曲面、异面的外表皮结构的搭建，所以数字化建造逐渐开始出现在大家的视野里。因为科技和施工材料即技术的原因，民用家装室内设计也逐渐有开始转变的势头，北京大栅栏地区的排子胡同的扭院儿的四合院旧建筑改造中，其室内设计和建筑外表皮建筑都使用了曲面建造的方法。四合院给人的感觉就是庄严、刻板、古老和破旧，而这次的建筑改造则完全颠覆了人们传统思想中的四合院的想法，在基于传统四合院的布局之中，采用起伏弯曲的地形连接室内和室外，而人们行走的地面则创造性地扭曲连接到房屋屋顶之上，传统的歇山顶屋顶也采取了曲面的办法进行搭建。传统院墙的直来直去在向前延伸之际突然出现圆滑的曲面，仿佛一片安静的湖面上突然出现涟漪一般，其感觉妙不可言。但是这次的旧建筑改造并不是真正意义上的数字化建造，其不比高校之中的数字化工作坊那种高技派的建造方式，有的只是把曲面纳入到传统设计中，可以看做是在室内设计平民化方向参数化概念的一种前期萌芽状态。

（三）数字化建造在其它艺术领域的应用

数字化建造的实现方向有很多例如：3D打印、激光切割、3D打印笔等等，但这都是属于搭建方面的地方，也就是属于后期实现方部分。“数字化建造”可分为“数字化”和“搭建”二部分。

数字化在其他艺术领域也有很多可以广泛运用的地方，比如乐器的建造。传统的乐器形态在岁月的流逝中已经发挥到最优的造型，所以在于形态的发展上，数字化建造并不能对其形态产生什么过多的优化之处，但并不能排除在以后的设计中能否产生革命性的变化，现在所能实现的则是对其外表皮做一些参数化的设计，借用电脑对其进行数字化建造比如3D打印等。其中可圈可点的可数位于上海的极致盛放3D打印公司，推出的一系列小提琴、钢琴的复杂化外表皮让人们叹为观止。

二、数字化建模

“数字化”的前期实现则为模型的制作。现在艺术领域的建模方向可分为产品建模，室内建模，景观建模，建筑建模，以及可视化平面建模。而各种软件软件有着不同建模底层逻辑，所以操作方式和建模思维则又大为不同。

从建模思维分则又可分为：多边形建模、曲线建模、参数化建模；每种建模方式思维不同所对应的设计领域也不同，但并不是建模思维不同各个软件之间就不能相互使用，故步自封。要强调的是软件只是设计工具，而思维才是最重要的，更何况在数字化这种更加前沿和开放的设计方法之中，只要能实现设计者心中所想，大可不必为采用什么软件纠结。

首先说一下多边形建模，多边形建模软件可分为：3Dmax、Maya、草图大师等。以Maya为代表的多边形建模，其特点是建模简单，抽象性要求没有其他建模软件要求的高，如同捏泥巴一样，只要建模者有确切的模型外观，就可逐渐捏造出所需模型，唯一要注意的就是在建造模型过程中的布线合理。缺点是如果想实现在数字化建造，对于模型中的参数化控制则比较繁琐，只有依靠其新的参数化插件或者底层语言脚本才能实现参数化数据修改，实现起来比较麻烦，也存在精确问题。

其次是曲线建模，代表软件软件：Rhino。Rhino在曲面建模中有着不可撼动的地位，最初的Rhino实际是为工业设计所服务的，随着时间和使用者逐渐多起来，其他领域的设计者开始接触Rhino，建筑领域首先开始使用Rhino制作建筑外立面，建筑外立面可以由传统的BOX模型转型到Curve模式；紧接着艺术设计方面也开始了曲面设计的发展，各艺术领域逐渐开始使用Rhino。Rhino中的曲面建造比多边形建模简单和多样，曲面的生成方式可分为放样、单轨放样、双轨放样、234放样、曲面衔接等多种方式，原理简单使用便捷，而且软件对于硬件的要求也沒有多边形建模软件要求的那么苛刻。但是其缺点就是按钮过多，比较繁琐，一开始为理工科设计的软件其他科刚开始接触起来较为吃力，渲染效果也没有多边形建模模型中的Vary好。但其曲面建模的能力之强也在逐渐被广大使用者喜爱。

参数化建模软件：Grasshopper、程序代码。参数化建模主要是程序代码，在同济和DADA国际工作坊之中，同济、南大、东大所用的数字化建模就是用纯粹的底层代码进行程序编程，这种底层代码的编写要求使用者有很深厚的理工科知识基础和电子计算机C语言的熟练度，所以这一块建模方法难度和局限性比较大。而另一种参数化建模则是以Grasshopper为代表的蚱蜢软件插件，它是基于Rhino为基础的一种参数化建模方式，把计算机底层语言优化成一个个电池组，各电池组之间相互输入输出连接，进行脚本的编写，不需要使用者去书写代码，相比较简单些，同时也能实现参数化的实时修改。是现代设计参数化的必备软件和Rhino配合使用起来也较为便捷。

多边形建模和曲线建模中间软件：T-S。T-S是介于多边形建模和曲面建模之间的软件，原属于Autodesk公司，后被Robert McNee收购，成为Rhino中的一个多边形建模插件，T-S能实现NURBS面和T-Spline面的相互转换。其使用起来和多边形建模相似，可以说是两者之间相互转换的桥梁。

三、结语

参数化和数字化有着很大的开发空间，可以开阔使用者的思维空间，打破设计者的思维定式，是一种新的设计方式。但也不能过于神话这些设计概念，只有设计者充分理解和掌握了设计思维才能更好地实现自己的设计理念，而其软件和建模方式只是设计者的辅助方式。

参考文献：

[1]潘鲁生，刘坤，彭冬梅.Maye三维动画基础与实例教程[M].济南：山东美术出版社，2006.

[2]潘鲁生，刘坤，彭冬梅.Rhino3辅助造型设计基础与进阶教程[M].济南：山东美术出版社，2006.

[3]高峰.3Dmax室内效果图设计技法实例详解[M].北京：中国青年出版社，2006.

[4]祁鹏远.参数化设计教程[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

作者单位：

南京艺术学院