参数化技术下室内空间设计的算法应用研究

当下参数化技术的发展不再仅仅局限于建筑设计行业，它的出现推动了设计行业设计方法与设计思维的再创新[1]。文章立足参数化发展的趋势探究参数化设计在室内设计中的发展优势，从算法生形的角度研究算法逻辑在设计中的应用，探究参数与算法的关系分析参数化设计的特点，以算法设计的思维来引导室内空间设计。

1 参数化设计概况

参数化设计是将影响设计的部分要素看成参变量即参数写入到对应的函数中，建立一个参数化设计过程，通过对参数的运算改变设计的结果，其本质是参数与算法构建参数控制形态形成相互关联的有机体的过程。

徐卫国认为这一过程为：设计要求对信息的数据化处理、建立参数设计关系、计算机软件模型创建等[2]。当下参数化设计主要在建筑表皮、建筑单体造型的应用上，同时在景观地形、产品设计等相关领域也有所应用，参数化设计是当代设计界的热点，也是国际和国内的新趋势，西方学术界认为我们正处于一个非标准化的多元化时代，是个性化展现的时代。参数化设计不仅是设计工具的进步，更是一种全新设计方法的发展[3]。但是目前国内对参数化设计理解较为片面，大多数的设计只在形式上进行模仿，没有研究相关的数字技术和逻辑过程以及运算法则，因而设计项目落地后的效果也不尽如人意。

1.1 参数与算法

而通过输入不同的条件的变化量来控制设计的不同结果[4]。如反比例函数x≠0)，f(x)为因变量，x为自变量，x值的改变则会改变f(x)输出结果。自变量的形式可以为与设计相关的各种信息，比如光照、人流量、障碍物定位等，通过编码转换成计算机能够识别的信息语言。编码过程则是把非形式的信息转化成计算机可读的数据。

“算法”即规则运算系统是一系列按顺序组织在一起的逻辑判断和运算法则。它们的目的是共同完成某个特定的任务，在这里特定的任务就是构筑参数逻辑运算[5]。如反比例函数其中的运算，程序便是常数K与自变量x相除。算法在设计中的应用可以根据已有的编写程序进行运算，如Rhino软件下的编程插件Grasshopper直接将设计参数关系在这些软件里建立参数模型进行设计生形，其设计的过程中就是算法的运算过程，同时也可以自行编写运算方法创造算法指定给计算机，借助计算机对编写的算法进行计算，最终生成设计结果。在室内设计的过程中对于形的生成把握需要引入相关要素进行限定，如何让参数改变设计的形态这就需要借助参数化平台提供的相关算法，用以解决生形问题。

1.2 借助算法的参数化设计特点

1.2.1 通过算法生出随机造型

在室内空间设计的过程中受到的约束条件少则几种多则数十种通过算法的数学运算生成不同的造型结果。

1.2.2 算法生形的不可预见性

对于一个特定室内空间造型，即使再多约束条件、受制因素，在没有进行计算机辅助建模运算之前，设计师是不可能预见到最后的模型效果的。而且每一次新的设计方案都会给设计师带来意想不到的创作灵感，都会带来一种全新的造型风格。这是参数化室内空间设计师创作灵感不竭的源泉，也是参数化室内空间设计最大的魅力所在[6]。

1.2.3 相互联系并且富有变化

在运用算法生形的过程中图形符号是相互联系并且富有变化。所有符号元素都将和其它元素产生联系，不断地变化，形成连续的差异性。

2 室内设计中两种算法生形设计思路

“参数”可以定义为影响设计结果的变化量，其量值的变化会导致计算结果发生变化。参数化设计平台则是制定出一个关联系统，从

在室内空间中存在着彼此之间相互联系相互影响的一种关系，在对其设计的过程中利用其中的影响因素作为设计参数同时构建相关算法程序对参数进行运算得出相应的设计结果，根据不同结果筛选出最优方案对参数不断地调整并完善方案。算法种类很多，如有可生成曲面所用的数学函数表达式，也有可生成一系列几何图形的算法等[7]。文章主要介绍吸引子算法及Voronoi算法。

2.1 吸引子算法

在物理学研究中，场是以时间和空间为变化量的物理量。我们生活在一个相互关联相互影响的世界。“蝴蝶效应”理论提出同一时空下细微的变化将能影响整个系统内较大的关联反应。如图1所示模拟场空间内对象之间的相互作用，进而影响对象的形态生成。吸引子能够根据参数的不同使空间构成要素产生不同的变化，影响空间中其他对象的特性。吸引子的种类较多，比较常见的有点、曲线、位图干扰（图2-图3），以及与设计相关的各类信息，比如日照、湿度、风压等，都可以反馈到设计要素上[8]。吸引子可以进行多个场的叠加，在多重的作用中影响其他的相关要素。甚至可以调整影响吸引子的形式和吸引力的大小，通过干扰要素的调节，可以不断地调整方案的生成，以获得更好的设计效果。

吸引子算法在建筑设计应用较多，在室内设计中的应用可根据室内影响要素设置干扰点或者干扰曲线，例如对大型建筑内的灯具安装，可以根据场内布置进行位置的计算，在重要节点设置为吸引子的干扰点，距离干扰点较远的灯光可适当加大距离反之则缩小间距。同时在顶面造型设计上也可利用吸引子算法，造型的生成不仅仅局限于美观的角度，更多的是综合相关影响参数进行设计。以上吸引子算法是基于Grasshopper的参数化平台来探讨了其中的干扰逻辑原理。

2.2 voronoi算法

Voronoi算法生成的图形是由俄国数学家沃罗诺伊提出的，是针对空间分割的一种算法[9]。Voronoi算法在众多学科都有所涉及，如几何学，气象学等。Voronoi图形（即泰森多边形），在二维空间情况下，是分布在平面空间内的随机多个点由彼此相邻两点构成的直线垂直平分线组成的连续多边形（图4）。在立体结构中进行拓展的泰森多边形与二维空间形成的图形有所不同，图形的组成会从平面上的多边形转变为高维的立体结构（图5-图6）。Voronoi算法从本质上来说是空间分割后由多边形组合而成，每一多边形区域与之相对应一个点目标，多边形区域内的每一点到中心点目标的距离比到任何其他区域点目标都要近，它主要刻画了空间点的邻近区的边界关系[10]。

Voronoi算法是空间几何形态与对应空间所产生的相关联系，利用自身的性质所创建的空间结构体系，使得其自然属性与建造表达之间产生了直接的联系，同时也是语言探索和实践创新的过程，也推动了的数字化设计的流程和制造技术[11]。泰森多边形在室内空间应用上，多数在室内的陈设产品设计之中有所涉及，对于空间的整体设计研究应用还很少。在室内空间的地面造型设计上、顶面造型设计上对于泰森多边形的应用能够对其拥有整体的把控和调整。在未来的室内空间设计中合理利用泰森多边形的设计原理不仅在形式上有所创新，在功能上也将会更加的合理。

■图1 场内干扰

■图2 点的干扰

■图3 线的干扰

■图4 二维voronoi算法图形

■图5 三维voronoi算法图形

■图6 三维voronoi算法图形

3 算法设计应用于室内空间的优势及前景

3.1 室内算法设计应用优势

算法是在编程的基础上形成的计算机语言模式，传统的算法语言是对代码的编程输入，而编程的学习又较为复杂，Grasshopper的出现绕开了这一难题，通过使用自动象形图标规避了代码的编写把代码程序嵌入到象形图标中形成图形脚本，这种图形脚本形式相比较之下操作起来更加便捷，省去了繁琐的编码过程，因此也逐渐受到设计师的关注[12-13]。

在室内空间设计中借助于参数化平台综合考虑，相关影响因素用于参数平台的可变参数利用算法生出室内造型特征，对室内空间进行多方面综合考虑最终形成的最优室内空间造型方案，参数化平台下的算法设计能够使室内空间设计更加的合理化，对于空间的功能需求、能源耗损、功能定位更加的有理有据[14]。进一步完善传统设计中的不足之处。

3.2 参数化平台下算法生形应用前景

相较于传统设计，基于参数化软件平台下的算法应用构建出来的空间方案更加的新颖、更加的多样化。其构建出来的造型并不是只追求造型的标新立异，更多的是以参数为根据，把影响的相关要素植入算法之中。它的不确定性致使造型的丰富多样性，同时计算机衍生出的造型结果是双向的引导，一则让计算机的思维与设计师的灵感相碰撞，二则设计师根据结果继续添加相应的影响参数，这样就形成了一种相互影响的关系[15-17]。伴随着数字化时代的快速发展，设计方式也会与之转变。参数化设计发展的大潮已经向我们涌来，站在时代的浪尖上抓住设计方式的变革是每位设计师必须要完成的[18]。

4 结语

参数化设计渐渐成为一种新的设计理念,不仅带来了风格上的变化同时也将成为未来发展的一个重要方向。参数化设计的影响面已经不仅仅局限在建筑设计的领域中，作为建筑的内在空间需要与建筑形式同步发展，因此数字化时代驱使下的参数化室内空间设计变革正在悄然发生。设计师不再是负重前行的绘图员，掌握数字化技术并利用各种分析软件来提高设计的效率和质量才是未来设计师需要关注的方向。

参数化平台下的算法生形则是一种新的设计思路，转变传统自上而下的设计思维，并且对于参数化室内空间的设计研究能够让设计师不仅仅局限于主观臆想上，更多的是理性的思考，充分发挥电脑的运算功能为设计师提供源源不断的设计想法，同时对于设计的修改也提供了极大的方便，但是在室内设计中还有部分算法是如何运算又是以何种手段进行分析的还需要进一步研究，只有这样才能为后来的室内空间设计提供强有力的帮助。