grasshopper 参数化在建筑设计方面的应用研究——以长江大学东校区南大门设计为例

易 龙，魏清松，徐齐帆*

（长江大学 城市建设学院，湖北 荆州）

引言

大学校门作为大学的门面建筑, 起着表现大学特点和精神的作用。随着时代的转变，各所高校对于校门的设计越来越重视，他们希望设计的校门在继承传统的文化和满足基本功能的同时，还能用独特的造型语言来表达。因此引入参数化设计的手段对于解决独特的造型方式无疑是一种高效的方式。

参数化设计是一种全新的“设计思维”模式，借助数学算法思维，通过调整初始条件数值并经过计算机算法得到结果的操作，使设计师能够更加灵活地探索和优化设计方案[1]。参数化设计将设计过程中的形状、结构、功能等要素转化为参数，并通过调整参数值来生成不同的设计变体[2]。这种方法可以极大地提高设计效率，加快设计迭代的速度，并且能够进行更全面和准确的设计分析和评估。此外，参数化设计还能够实现与其他数字化工具和系统的集成，如可视化分析、模拟仿真、数据管理等，进一步扩展了设计的能力和应用范围。

1 项目概况

近年来，为了改善提高校园环境品质，同时为长江大学建设湖北“双一流”高校奠定坚实基础，长江大学不断向南发展，需要在原有的北门，西一门、西二门、东一门、东二门的基础上在新建一个长江大学南门作为主大门。长江大学东校区南校门位于湖北荆州市荆州区荆江大道旁，项目用地面积约14 500 m2。大门主体建筑建设地位于综合体育馆和长江演艺中心之间，用地长度为69 m，用地总平面如图1 所示。

图1 用地总平面

2 设计构思与分析

建筑设计是一个复杂的过程,影响因素众多，考虑到篇幅问题，本文设计构思主要围绕大学校门设计基本要素:功能、形式、交通三个方面内容展开。

2.1 功能分析

南校门为长江大学东校区校园未来主出入口，将是长江大学正门，要体现一定的礼仪功能，将要打造建设成长江大学标志性入口，因此该校门除了设计满足人行和车行的通行功能外，还应设计针对值班人员的服务功能和针对师生以及社会人员的服务功能。

设计时有必要给与人性关怀，为值班人员提供一个舒适方便的值班场所和坏境。对此我们需要设计值班室、洗卫室、居住空间以及用来存放值班人员经常用到的工作服装、对讲机、防卫用品等的存储室。同时为解决校外人员来访或者咨询，我们应设计传达咨询室和接待室。除此之外，南校门还应设计建设开放式入口广场、文化墙、长江大学文字标识等配套功能内容。

2.2 形式分析

校门的形式多种多样，从形态角度可分为对称型校门和非对称型校门，从风格角度可分为古典型校门和现代型校门，而长江大学东校区南门两侧的建筑分别为体育中心和艺术中心，目前两个中心正处于规划设计阶段，校门设计需协调考虑两侧的建筑。对称型正好可以实现校门与两侧的建筑物自然地融为一体，同时在立面上形成对称布局，有利于行人、车辆的顺畅穿行。另外，对称式的校门，也比较容易和校园内的建筑形成均衡稳定的对景效果[3]。

2.3 交通分析

据长江大学官方数据公布：长江大学现有教职工3 196 人，全日制普通本专科生32 777 人，全日制博士、硕士研究生5 325 人，来华留学生800 余人。可见长江大学日常人流与车流量非常大，尤其在开学季人流和车流处于高峰期。同时长江大学南大门将打造成学校主门，其尺度设计时应该彰显其主门地位。当然还需要考虑对城市开放和校园封闭管理的多重需求，合理组织人行流线、礼仪车流的管理。综上长江大学南大门宜设计成最大尺度即四车道人车分行。其具体尺寸可以参照图2 所示参数，其实际尺度还需综合考虑现实当中人流和车流的通行方式。

图2 校门尺度参考数值

3 grasshopper 参数化设计应用

长江大学东校区南大门设计是基于grasshopper参数化设计技术手段实现的成果，通过设计分析，大门主体（不含门房，文化墙等）长30.3 m，宽6.3 m，高8.85 m，如图3 所示。其形状“一波三折”如水波涛涛,隔岸与长江之水相望呈融合之势，同时融合荆楚文化凤凰流线，校门呈对称协调，是谦和包容的姿态，其雕刻融入了泰森多边形既可以使整体形象和谐统一，与周边建筑融为一体，又体现严谨理性。整体结构上下形成落差，视觉上给人恢弘大气，也增强了校门的辨识度。大门设计效果如图4 所示。其旁设文化墙，作展示校史荣誉，学校理念的文化阵地，使学生体验一步一篇章，一目一境界。

图3 大门主体设计

图4 大门效果

3.1 大门立面设计

在学校南大门的设计中，大门立面就采用参数化软件Grasshopper 的介入，在仔细研读了任务书之后，了解到长江大学南大门将被打造成为一个具有标志性的正门，基于这个定位我就考虑用泰森多边形的不规则形态来提高大门的辨识度。根据设计立面曲面确定范围，利用grasshopper 在这个曲面上创建一组点集，将这些点用作泰森多边形的中心点，使用surface voronoi 电池将点集输入生成泰森多边形曲面[4]，如图5 所示。通过点的数值参数来控制泰森多边形的数量以及seed 参数来改变泰森的形状。为了得到我需要的形状和大小，通过调整参数的方式，不断地进行细节修改，从而发挥计算机的高效计算能力，多种限制合并使用，在很短的时间内提供了十几个参数化泰森曲面。经过反复对比最终确认了自己想要的泰森立面形式。这种方式大幅提升了立面设计的效率。

图5 泰森多边形构建

3.2 屋顶造型设计

校门屋顶作为大门的第五立面是校门设计的重要组成部分。不仅要展现荆州特有的楚文化和与长江相对的呼应，还要保证屋顶形式与周边环境和谐、统一、有序，符合普遍的审美感受。本次设计突出长江的水文化和荆楚凤凰文化，采用连续起伏波浪的造型，整个屋顶由三片波浪形体块组成，左右两边是两个对称起伏的s 型，中间是一个向上凸起的波浪形。中间形体与两端接洽处重叠部分且这部分曲面互相平行。通过构建sin 函数和cos 函数曲线生成曲面，不断调整中间凸起面的曲率和两端s 形的曲面曲率来选择其中一种我们想要的起伏形状，同时设置约束条件使用遗传算法来优化屋顶曲面的形态，在给予曲面一定厚度就可以得到我们想要的屋顶造型，如图6 所示。看似简单微变的形体，用数学关系描述起来也很清晰明了，运用传统的设计手法则很难实现，正因为参数化数学函数的概念关系才方便快捷地调出我们想要的建筑形式[5]。这种参数化的新形式给人以耳目一新的感觉，起到新颖醒目的作用。同时这种柔和的曲线给人以温柔的感觉，使人身心愉悦，从而提升大门的辨识度。

图6 屋顶造型

3.3 文化墙设计

校门是大学的主要入口，它扮演着迎接来访者和校园成员的角色。文化墙作为校门旁的装饰元素，不仅为校门提供了独特的外观和特色，帮助校门在视觉上脱颖而出。还可以传达学校文化和赋予校门和整个校园一个艺术氛围。设计师在设计时，应注意校门周围的空间和环境条件，让文化墙与校门相协调。多思考如何展示长江大学校训“长大长新”以及荆楚文化，比如：材料、空间、非线性等。与此同时，文化墙的设计应考虑到安全性和可访问性，确保整个文化墙墙面无锋利的棱角出现。在本次设计中，采用砖块作为文化墙的材料，砖石材料不仅可以体现荆州这座古城的底蕴，还可以体现长江大学校训长久之意。为了展现文化墙艺术氛围和趣味性，整个文化墙设计成疏密变化的砖墙形式来增强光影美感以及吸引人群的停留。同时整个墙面成连续非线性的曲面，如图7 所示，可有效减少学生在与之接触的危险性。

图7 文化砖墙

数字建筑包含了建筑全过程数字化并通过新设计、新建造，形成数字建筑平台生态新体系，重新构建建筑业的生产体系[6]。参数化设计充分体现了数字建筑的特点，设计非线性连续文化砖墙时采用了异于常规的设计手法，首先画一条非线性的基准曲线，将这条线延z 轴偏移距离，接着通过曲线放样成面，然后确定砖块的高度，通过高度尺寸来提取曲面u 方向的结构线数量。在根据砖块的长度将结构线进行划分，需要注意的是奇数行的砖与偶数行是错开搭接的。这个时候通过分段曲线放样就可以得到无缝的砖墙。接着用动力学插件kangaroo 来实现通过不同力的大小来控制间隔的距离，最后不断调整参数就可以得到我们想要的效果。

4 结论

本文以长江大学南大门设计为例，研究了参数化设计手段对于大门立面、屋顶以及文化墙设计的作用，结果表明基于grasshopper 的参数化设计确实是一种灵活、高效和创新的设计方式，相较于传统的设计手段它可以大大提升建筑设计的效率和创新能力。但它对于设计师只是一个工具，核心的设计思维方式还是由设计师主导[7]。随着建筑技术的高速发展，建筑参数化设计必将是大的趋势。期望本文以长江大学南大门设计为例对于参数化在建筑设计方面的应用研究能为日后的研究者提供一定的参考。