数字技术在建筑设计中的发展与应用

庄丽宏

（山东建筑大学建筑城规学院，山东 济南 250101）

0 引言

工业革命后，人类社会的工作方式从大机器生产转向计算机控制，社会文化也从传统文化转向数字化，数字技术正在以其自身无所不在的渗透性与适应性延伸至我们工作和生活的各个领域。随着数字技术的飞速发展，当前社会中建筑功能、形态及空间维度等都发生巨大改变，数字技术已成为建筑领域中不可漠视的手段与媒介。与此同时，清华大学、东南大学、华南理工大学等高校的建筑学院设置面向信息时代的数字技术应用和研究的建筑学培养计划和教学体系[1]。本文从数字技术的起源、发展与应用等方面，对已有研究成果进行总结，探讨当前研究的不足，以期为今后数字技术在建筑设计中新的探索与实践研究提供参考。

1 数字技术在建筑中的发展与应用历程

数字技术，也称数字控制技术，是与电子计算机相伴相生的科学技术。第一台真正的电子计算机源自美国宾夕法尼亚大学，因此对数字技术的相关研究国外要早于国内。20世纪40年代，计算机出现催生数据可视化的现代发展，人们开始采用计算机编程生成可视化，同时结合图形符号，为数字技术在建筑领域的应用奠定基础。不同技术背景下，数字技术在建筑设计中的应用经历了由计算机辅助设计到参数化设计再到人工智能设计的历史演化脉络（见图1）。Sketchpad的出现是计算机辅助建筑设计的开端，掀开图形信息建模研究序幕。20世纪80年代，AutoCAD的推出与PC机的普遍应用，建筑师开始全面应用计算机绘制建筑设计的图纸，但未能使用CAAD技术进行建筑方案的推演，此阶段数字技术的运用只是起到“辅助”设计的作用。1990年以后，Digital Project、Maya、Rhinoceros等数字工具相继涌现，建筑设计进入参数化设计阶段。建筑师依托新技术，突破传统几何形体的限制，探索运用计算机算法进行形态生成的过程，促发建筑设计从“自上而下”向“自下而上”的演化。进入21世纪，多层神经网络模型的提出及大数据与算法的结合，推动了人工智能的新热潮，在设计领域也出现“小库”等人工智能系统，这些系统通过算法处理海量数据，加之计算机本身的模式语言与数学逻辑等，分析、理解、推理后自主生成设计。在数字化驱动下，建筑设计越来越朝集成化设计方向发展，通过多专家研讨与模拟软件实现量化目标与控制建筑成本，将成为数字技术在建筑领域应用中新的发展趋势。

图1 数字技术在建筑中的发展与应用历程

2 数字技术在建筑设计中的应用

数字技术的应用经历前期对数据逻辑的整理、规划和设计，后期提供技术支持的过程，其中包括最初应用于建筑领域的设计表达及数字技术成熟后的设计方法与设计评价等（见图 2）。

图2 数字技术在建筑设计中的应用

2.1 数字技术在设计表达中的应用

设计表达是数字技术在建筑设计领域的最初功能之一，是基于“绘图工具”和“提高绘图效率”单一定位原始动机的必然产物。通常的设计表达除涵盖不同角度、不同表达方式的三维效果图和二维图纸外，还包括最终的实物表现模型，以表达设计特点和实际效果。这种直观的建筑师与设计的交流互动主要依靠 3DMAX、SketchUp、Rhino等 3D 模型软件，PS、AI等图像处理软件，PS、ID、PPT等排版软件及PPT、动画软件等演示软件等各种数字技术的协同操作。张蕾等[2]在《数字技术在现代建筑设计中的应用》一文中，论述Photoshop图形图像处理技术、Rhino-Grasshopper的参数化技术及CAAD三种较常应用于设计表达中的数字技术。在读完《当代建筑与数字化设计过程》一书后，吴晓等[3]针对项目设计整个过程的数字技术的应用进行分析和总结，其中就包括设计表达层面。

2.2 数字技术在设计方法中的应用

随着数字技术的普及，建筑师在掌握数理逻辑、形式探索、虚拟模型的基础上，开始探索数字化的设计方法。较为常用的数字化设计方法有参数化设计、算法生成设计、非线性设计等。在《建筑数字化设计与建造研究》中，赵明成[4]对参数化设计、算法生成设计以及模型优化设计等数字化设计理论方法进行了详细的论述，并阐述了各设计方法所应用的相关软件。在《数字技术在建筑设计中的应用》一文中，刘滢等[5]从建筑方案设计层面对非线性设计法、参数化设计及生成设计等新的设计方法进行论述，介绍数字技术在各设计方法中的应用。扈晓静[6]在《数字技术在建筑设计中的应用研究》中，论述了百叶式建筑表皮设计中数字化的设计方法。

2.3 数字技术在设计评价中的应用

建筑设计评价是我们对建筑物的功能以及物理性能的一种检测方式，通过指标的对比，检测是否满足各种光、声、节能、环保等物理要求。目前，建筑设计评价已成为建筑设计中不可或缺的一步，是寻找空间形态与各类性能合理关系的主要手段，建筑师不再依靠专业的技术顾问可对建筑方案进行评价，主要用于建筑设计评价的数字技术，包括EnergyPlus、Radiance、Fluent Airpak、Cadna/A、Ecotect、ANSYS 等。《关于数字技术在当代建筑设计中应用》中，以埃登项目为例，以数字技术对其能源、采光、通风、噪声等物理环境进行模拟检测。《建筑数字化设计与建造研究》中，对设计评价中的相关通风、遮阳、日照以及能耗模拟等软件进行了介绍。郑宋玲[7]在《当代建筑设计数字技术应用与前景》中，对设计评价阶段的Ecotect进行详细介绍。

3 结语

3.1 对相关研究进展的评述

目前有关数字技术在建筑设计中的应用问题的研究依然广受关注，国内学者意识到数字技术在建筑领域中的重要性，从最初的建筑设计领域逐渐推广到建造领域，深度和广度不断提高，但国内数字技术研发与应用仍滞后于国外，由于在建筑设计领域的技术推广与研究快于建造领域，使数字化的设计无法完全实现。国内高校的建筑教育中缺乏对数字技术的倡导，仅有清华大学、东南大学、同济大学等院校倡导数字化设计与教学，并处于起步阶段，对于数字技术在建筑设计中的应用推广任重道远。

3.2 对相关研究进展的展望

虽然目前国内对于数字技术的应用推广存在不足，但是数字技术未来的发展仍具有很大潜力。以数字技术为媒介促进设计信息交流的通畅，从初始设计到表现再到最终建造，设计流程的一体化将成为行业发展趋势。同时建筑专业的设计人员也将多样化，具有数理逻辑与编程基础的数字技术应用人才将成为建筑行业的亟需人才。