景观建筑形态的数字化设计方法应用探究

陈阵　邢龙　姚松　苏乐

摘要：数字化设计在景观建筑中的應用已形成新兴趋势，针对景观建筑方向的特殊性将数字化设计方法进行分解，从参数化设计与数字化表达两个方面对景观建筑设计的数字化设计方法进行解构与阐述。本文将参数化设计的方法与景观建筑设计工作流程进行结合，以景观建筑形态设计为切入点，详细阐述形态设计与其相关影响条件的参数化设计方法以及与数字化设计表达方式的融合应用之道，再将总结后的数字化设计方法运用于实际项目之中，并且得到相应的概念性方案成果。

关键词：数字化设计；建筑形态；景观建筑；参数化设计

中图分类号：TU-8文献标志码：A文章编号： 1001-2443（2023）06-0608-05

引言

近年来景观建筑中的数字化设计被广泛应用，数字技术的迭代也在不断推动着数字化设计方法向前发展。探讨景观建筑设计中的数字化、参数化、信息化、智能化设计需要从景观建筑设计过程中的具体需求与客观条件出发，以景观建筑所涉及到的领域和范围来进行研究。因为景观建筑相较于其他民用建筑具有明显特殊性，所以其建造目的、环境、功能等方面与普通民用建筑相比有着诸多不同。

首先，是其使用功能的特殊性。景观建筑设计是以创造建筑、人、环境之间的和谐关系为目标，强调景观与建筑之间的呼应关系，体现以建筑作为“景观”或为“观景”的双向功能价值属性。其次，更强调审美功能属性。建筑的功能是与人的行为活动相关联的，而景观建筑的审美功能与人类不断变化的审美追求密不可分。因此，景观建筑的类型相较于常见的居住类或公共类建筑具有更加灵活多变的形态和寓意，有时景观建筑自身的审美价值往往超过其功能价值。最后，就是空间耦合特性。景观建筑顾名思义将“景观”前置于“建筑”，足可见环境对于建筑设计的重要程度，建筑与环境空间的“耦合关系”是最能体现“因地制宜”理念的途径，也是景观与建筑相互成就的最优方案［1］。因此，当代景观建筑设计中需要通过严谨的数据信息与客观条件梳理将设计环节中的各种情况进行量化分析并且形成阈值以加强景观建筑设计的过程性控制，这样不仅可以提高设计项目的耦合率与项目可行性，还可以通过数字化技术实现更丰富的景观建筑形态设计方案，以满足人们日益增长的审美需求。笔者认为，数字化设计的内容包含了参数化设计方法，而参数化的设计需要通过数字信息参数的控制生成结果，再由数字媒体技术进行表达，所以数字化设计从总体来看即是数字信息的参数化设计及数字化表达方法的综合性运用。

1 景观建筑形态数字化设计的意义

景观建筑形态的基本样式在数字化设计发展早期还是不能脱离以设计师经验主导的单向指令的控制模式。例如，早在1980年代进入建筑设计领域的数字化设计是基于二维平面的计算机辅助设计工具CAD来进行工程绘图的，虽然其运用的信息参数也会影响设计形态的改变，但从根本理解还是以单项指令输出来完成特定的绘图，所更改的信息参数也只是手工绘图到计算机辅助绘图的转译而已。

三维数字化设计技术的发展使这种单向性的数字参数化设计与空间表达相结合，较早出现在3DMax、Rhino、Maya、Sketch Up等以CG（Computer Graphics）平台为主的应用框架内，这些软件以数字信息的参数化控制，编辑三维空间形体来实现虚拟模型的制作和拟真效果的实现。在这个阶段景观建筑设计的形态变得具象化，尤其是20世纪70、80年代我国城市建设的高峰时期，以二维工程制图加三维虚拟表达为主的行业工作流的广泛应用，与当时快速增长的房地产行业结合实况，来推动大规模建设工程设计项目。以地产为主的项目类型比较单一，而形态多变的项目又只集中于少数公共市政项目，虽然产生一片欣欣向荣的市场景象，但却并未实现更多元化的景观建筑形态设计的发展，更多的则是设计流水线化的生产方式。随着我国城市化率达到55.22%以上，城市扩张与建设速度逐渐趋缓，越来越多的工程设计项目从一味的追求高周转、高产量的粗野式发展模式转为追求设计美感与精神享受的精品化路线，工程设计类型的重点也由以往地产为主导逐渐转变为多元化的项目需求，设计的类型与条件也随着城市化发展的产业转移而发生着改变。越来越多元化的项目已经使得传统的批量化设计模式感到乏力，尤其是面对景观建筑类设计项目的工作增量和设计要求不断提高的行业现状。

当数字化设计发展趋势来到，景观建筑设计则成为最能体现数字化设计、参数化设计、信息智能化设计的重要应用领域之一，数字化设计的发展是一系列新兴技术所带来的工作流程与方法的变革。从项目全生命周期来看，数字化设计也应该是一个完整的设计环节，其工作流程框架体系应是对于传统设计环节的升级，数字化设计工作升级的主体应包含参数化设计与数字化表达两个主要部分，这也是项目实施前最为重要的工作阶段之一［2］。

2 景观建筑形态数字化设计方法

2.1 形态设计前期信息数据耦合阶段

传统的景观建筑设计方法主要体现在以经验为主导的单向设计过程中，设计者的个人修养与技术经验对于景观建筑设计项目的主观影响较强，虽然设计者可以考虑到设计项目的客观条件，但将其进行量化分析和判断，过于主观的设计意见也并不利于项目前期工作的展开。因此，本节所阐述的前期设计方法主要是以景观建筑选址工作中复杂多变的基地环境所带来的相关分析工作为例的。

项目选址中对于复杂地理数据的筛选和阈值的控制就可以通过Arcgis软件对3S系统中的相关参数化信息进行处理。参数化设计对于此类数据的处理具有关联性的优势，数据并不是一成不变的，而是取决于参数信息输入与控制时候阈值的设定，以参数化设定的方式控制复杂自然环境中的各项指标的具体量化，如日照、风向、水文、坡向、坡度、高程点、等高值、高差、径流、地被等指标如（图1）。环境参数的改变对于实际建设项目的影响是多方面的［3-8］，从项目深度来看基于地表的参数信息的改变会产生多个不同的参数变量，变量的的控制范围既是设计者所设定的阈值范围，而其中的若干控制点则是相关数据的阀值界限。例如，当我们以参数化设计方法来限定坡度、坡向、等高值等基础参数来给景观建筑项目选址时，此限定的三个空间阈值会基于3S系统中的相关数据进行分析和比对，基于组合算法对于适合项目的选址进行数据定位，这种数据有可能是坐标或者其他地理信息位置参数，再通过数字化表现将抽象数据进行图形化表达，此时就会出现一个或者多个的可选区域范围（图1）。设计者限定的参数越是详细，对于场地客观条件的考虑也就更加具有价值，此时变更或者修改相关参数对于设计前期的影响也是关联性的，数字信息在各个相关专业间进行互通，各个专业对于参数的阈值都可以在已有基础上进行碰撞和讨论。

这种必要的前期分析对于不同项目而言其重要程度也不相同，对于以依山傍水为主要特色的景观建筑设计项目而言则更加重要，甚至决定了此类景观建筑存在的价值。项目的前期设计内容不仅限于此，其他数字化设计的前期工作需要根据不同项目的各自特点开展。景观建筑设计是一个多专业配合的综合系统，不同的设计项目所面对的客观条件和环境都不尽相同，所以前期设计过程中应当从项目实际出发灵活运用数字化设计技术对项目进行前期的综合性设计，并且需要对重点的分析内容进行扩展，以增加项目实施的可行性。前期设计的工作成果也决定了后续具体设计中各个组件或者模块的基本形态框架，具体设计形态若与限定的参数框架不可耦合则设计可行性存疑。超出或者不满都会对空间形态效果产生诸多不同结果，就数字化设计而言都并非最接近其算法的最优解，除非限定的数字信息根据主观需要发生关联性修改才能逐步接近最后的“结果”。由此可见，景观建筑空间形态与环境参数设定的耦合是前期设计工作的关键。

2.2 形态设计中期数字模型生成阶段

随着项目进行到中期阶段，在解决前期总体规划分析的基础上将项目从总体设计向单体或者局部设计转变。此时阶段性的设计进入到相对深化设计阶段，数字化设计需要将参数化设计方法运用到深化设计与工程图设计过程之中。前文中已经阐述了景观建筑形态设计独特性的来源，在此就不再赘述，可见景观建筑单体或建筑群的形态多变是目前行业不可逆的发展方向。景观建筑形态的设计并不仅仅只是服务于效果图的表达，而是需要完善的考虑到设计工作的便捷性与可建性，毕竟景观建筑项目是需要落地实现的，而运用参数化设计不仅可以实现更多样化的形态塑造，也因其具有完善的逻辑数据框架而提供了“可建性”。例如，运用基于Rhino平台的参数化工具Grasshopper可以融入参数化设计的各个环节，Grasshopper原先是作为Rhino平台的参数化插件而存在的，随着软件的发展逐渐内化在Rhino的内部工作流之中。

参数化的设计工具Grasshopper首先是将计算机编程语言进行模块化处理，以便于设计师对各种复杂的计算机语言所构建的功能模块进行理解和运用，语言模块需要进行逻辑线连接，而逻辑线的连接其实就是数据匹配和处理的过程，计算机通过模块工具的连接来判断步骤施行情况并得出相应结果，逻辑可行的指令会产生相应的数据结构，也就会表现在数字图形中，但若程序语言逻辑不通则不会产生结果，并显示逻辑连接错误。连接过程由各类数字信息参数和算法模块控制，算法是作用在参数信息数据结构上的，使得Rhino空间中的数字模型的编写通过不同算法得出相应的结果，从简单的数字加减运算到相对复杂的积分概念，设计者需要将基本数学算法与计算机编程语言逻辑对应起来以满足的不同项目需求，最终将完整无误的计算机语言转化为数字图示或形态，逐步实现数字模型的生成。当然，参数化的建模可以在Rhnio三维空间中通过Grasshopper的各类工具模块的逻辑串联直接生成，也可以配合其他三维建模软件空间的手工建模方式综合运用，例如运用Rhino中的Nurbs曲线的参数化编辑对各类空间造型进行绘制，利用NURBS曲线函数原理（如图2），可以根据控制点、权重和结点向量来生成各种形状的曲线。同时，还可以对控制点、权重和结点向量进行调整来改变和丰富曲线界面的空间三维形态，以此创造更多空间艺术造型的可能性，并且相关函数所关联的数字算法所生成的设计结果也可通过Grasshopper参数化模块进行联动修整与重构。

以应用型编程语言为基础的数字模型生成是有逻辑的，每一个完善的参数设计步骤都会得到一个相应的成果，可以将步骤成果分阶段提取并以数字化方式进行预览效果的检查，数字化表达在此步骤中不仅是向甲方汇报的最终成果，还是计算机设计语言逻辑的即时反馈。由此可见，数字设计中所包含的参数化设计方法与数字化表达的界限也将越来越模糊，计算机相关技术的发展使得传统设计工作中各环节的割裂情况发生改变，正不断地相互融合成为更加一体化的设计方法。

2.3 形态设计后期数字成果表达阶段

以往设计流程中，阶段性结束的环节即是以数字化方式进行阶段性成果的表达为标志。在此部分，数字表达只是将软件中的构建好的空间以设计者的主观视角进行表达和展现，数字化的成果以图形的方式进行保存、传输、打印后形成纸质工程文件，另外还可以通过数字媒体进行各类动画制作与播放。正如前文所述，设计的智能化和数字化体现是需要将数字表达以交互的方式嵌入到整个工作流程之中的。参数化设计的结果是逻辑性的，参数信息的变化直接影响其数字表达的图形语言，这也是关联性设计的一个体现。目前，虚拟现实技术（Virtual Reality）与交互设计（Interaction Design）共同应用于数字表达阶段是应用的方向之一，不论是最终的方案汇报还是设计环节中的专业交流都可以在同一个数字化的虚拟空间中完成。设计师在面对不同对象时，在数字空间中需要解决的问题也不尽相同。例如，面对甲方时需要展现的大多是以甲方目标效果意见为反馈的技术解答，而面对相关设计单位时则侧重于专业配合等情况，诸如此类问题都將基于统一的数字化设计模型成果的表达而解决，就如同BIM（Building Information Modeling）系统所起到的作用那样。

所以笔者认为景观建筑设计的过程中数字技术表达的内涵已经被扩展，参数化设计与数字化表达应该是一个相互嵌入的应用方法。结合景观建筑设计的特殊性来看数字化设计部分需要在设计的调研分析、设计交流、专业配合等方面进行或主或辅的相关工作内容。而设计表达在如今数字化设计框架下的意义也不仅仅是效果表达那么简单，由于数字表达与即时渲染技术的普及推广，相关技术的更新迭代也将其应用领域与设计过程联系的更加紧密。数字化设计表达与设计过程的融合将原本分离的两个设计阶段相互嵌入，以设计目标达成为方向，在设计的各个领域都可以进行意见的碰撞或者设计程序文件的互通，即数字表达作为设计交互媒介而不仅仅是最终成果的展示媒介，以一个更加全面的“角色”作用于整个设计流程之中。

2.4 形态数字化设计方法在实际项目中的应用

笔者将以上方法试用于实际项目之中，在此以安徽省芜湖市南陵县大工山景观建筑项目为例。依据前文所阐述的数字化设计方法对该项目地块进行前期概念性设计，在有项目实地勘察基础后与当地项目策划负责部门进行交流并拟定概念设计任务书，明确用地范围内的相关数据条件和设计效果需求。

从数据上看建设方要求在丘陵地形与山地高差之间建设以旅游康养为主题的综合性产业园区，项目分为若干分期进行。从工山镇到山峰水库规划出一条游览路线，并且在主干游览线路中的多个适宜改造的区域进行建设，建设项目例如乘客运转中心、养老公寓、山景步道、山峰水库等景观节点。基于当地的山区地形，需要通过数字化设计对相关自然条件进行分析和量化，尤其是拟定的规划区域内景观建筑选址的量化数据，基于对DEM（Digital Elevation Model）数字高程模型数据信息参数控制得到规划区内三处符合景观建筑设计环境指标的选址（如图1），并在此基础上进行下一步的具体设计。景观建筑需要结合参数化限定的选址设计，场地内的大工山游客中心的功能实现与形态设计需要根据场地空间的限定条件进行修正。在选定场地内需要解决大约12°至20°的坡度建造问题，保留功能区划中限定的流线范围，使得景观建筑的可设计面积进一步被场地空间参数所限定。

重点景观的设计概念是以场地再生为主题的轻质钢木结构仿生建筑，其形态需要在传统徽派建筑的基础上添加新颖的创意，用参数化设计方法进行仿生造型的构建，在限定的物理空间中运用Rhino与Grasshopper的进行参数化设计来塑造多变的有机仿生形态（如图3）［9-10］。以树状有机体的轻质钢结构景观构筑形态与传统徽派坡屋顶造型进行戏剧化的冲突与融合，不仅解决建筑中庭采光的问题，也为景观建筑形态增添自由灵动之感。目前本项目的概念性设计工作已经基本结束，项目的汇报方式用数字技术进行展示，以数字文本与数字动画的形式将项目的概念性设计流程至结果进行全方位展示并获得甲方认可，后续项目推进工作目前也已进入评估阶段。

3 结语

景观建筑的形态设计是数字化设计应用的众多领域之一，数字化设计方法为景观建筑空间形态的创新提供了更多可能。数字化设计方法将景观建筑项目的“可建性”在方案阶段进行剖析，有利于在方案阶段更加准确的推断方案可行性。基于其设计方法的运算逻辑可以更好地将设计与建造相联系，促进设计施工一体化的发展。最近，新兴的人工智能技术在设计领域的渗入，以编程语言脚本乃至计算机算法为核心的生成型设计也悄然兴起，笔者认为这种非线性的智能化设计的产生也是源于数字化设计的基本概念之中，数字化设计不仅是现阶段较为前沿的设计方法，也是未来向建筑智能化设计与制造发展的方向。

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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

（責任编辑：叶松庆）

收稿日期：2023-07-18

基金项目：2022年度安徽信息工程学院青年科研基金项目（22QNJJSK007）.

作者简介：陈阵（1988—），男，安徽芜湖市人，硕士，讲师，研究方向为景观建筑设计、环境设计.

引用格式：陈阵，邢龙，姚松，等.景观建筑形态的数字化设计方法应用探究［J］.安徽师范大学学报（自然科学版），2023，46（6）：608-612.