1、数字建构与建筑参数化设计摘要： 本文通过对比常见的诸如数字建筑、非线性、BIM 系统等概念和参数化设计之间的关系，阐述了建筑建筑参数化设计组成和意义。 关键字：建筑参数化设计，函数，变量，数字建构，数字建筑，非线性，BIM 系统 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 随着当代学科之间的互相穿插交叠，计算机程序和传统的建筑设计领域结合诞生了建筑的参数化设计。自此，参数化作为当今建筑设计界炙手可热的一个名词闪入了建筑师的眼帘。在其出现伊始，国内建筑师发现这些利用参数化生成的作品完全颠覆了传统建筑的“韵律感” ，奉献给世人极富吸引眼球的“绚丽感” ，从而不少建筑师对其趋之若鹜，生硬的把它
2、理解成对建筑穿上一层绚丽的表皮，借以让作品能脱颖而出。参数化也就和数字建筑，非线性，BIM 系统等词汇混淆在一起，成为很多建筑师挥洒个性的手法，甚至是体现自己作品是否时尚的一种标签。然而非理性的参数化生成形式又很快伴随着诸如项目难以施工，造价高昂而又浪费等实践问题被市场抵触和排斥。一热一冷，让建筑师们开始反思究竟什么是参数化设计，该如何使用参数化设计。 1建筑参数化的本意： 参数化设计的英文是 Parameter Design，而 parameter 的意思是“参量，系数，变量” ，也即是说，参数化设计就是将设计要点提炼成不同的变量，这种过程类似数学中的函数关系式，一系列的变量经由函数运算之后
3、会产生一系列的结果，这些结果虽然不同，但运算过程是相同的。那么对应到建筑设计中，变量是一个合理范围内的很多数值，有可能是面积，有可能是百分率，也有可能是完全随机的一组数值，函数关系就是一套生成或者组合的逻辑。和数学函数一样，既然变量是很多的，那么结果也是很多的，建筑师要最后挑选出合理的一个或者一组结果。可以简单地想象一个楼梯的构建过程：楼梯的构建逻辑就是一个一个的台阶，依次往上同时往前叠加，最终能到达上一层标高的楼板。这个构建逻辑就是对构建楼梯的函数描述。那么楼梯设计的变量自然是由单个台阶的高度和踏面宽度以及楼梯间的大小还有楼层的高度这些数值组成。这个过程，类似于使用 autocad 中的建筑
4、工具来画楼梯，选项中需要建筑师填写的各个数值就是变量。相应的空间适用双跑梯、直跑梯、旋转梯或者异形梯就是构建逻辑。当然，作为一个有工作经验的建筑师，设计出一把经济实用的楼梯，也许根本不用思考变量和函数的关系，甚至不需要电脑和计算。然而将这个例子举一反三，如果加入日照节能计算，要求构件更符合模数，模拟人员逃生的效率等控制因素，电脑无疑将比建筑师的大脑更加胜任，因为统计的工作是电脑的强项。 2非线性 非线性原本也是数学哲学的概念，指的是变量和结果之间不成比例的一种自然关系。而自然界很多现象包括人的主管感受多是呈现出非线性关系。延伸到建筑中的例子也有很多，比如想让房间感觉大一倍，有时只用改一改房间的
5、长宽比，在面积增加不多的情况下就已经可以达到房间变大一倍的感觉，更不用说还可以改变一下房间的高度，开窗的比例，房间墙面的颜色等更多的感受手段，这是个心理感受呈现非线性的例子。实际使用的例子也很多，比如相同的总疏散宽度，同样多的人数，两个门的疏散效果往往会比一个门好，但是也不能说三个，四个或者更多就一定会更好。建筑设计中的体现非线性关系的例子比比皆是，维特鲁威在前年前的建筑十书中就曾说过建筑作品需要经济美观实用，用现今的观点，也即是使用者对空间，功能，造价，美观的要求。其实对于任何建筑设计，这几点都可以转换成变量，加上不同项目所对应的不同的任务书和场地条件等组成的其它变量，经过建筑师理解和重新组
6、织之后呈现的一定是个非线性结果。所以说，参数化是迎合建筑设计的一种设计方式和过程。 3.数字建筑 数字建筑是参数化设计的前提。数字建筑是上世纪末电脑辅助设计即 CAD 绘图方式的流行而诞生的一个概念。CAD 将建筑设计从难以修改的图纸转换到方便修改的数字模型中，设计师可以直接读取和控制长度、面积方便的布图和设置比例尺，从而提高了设计和表达效率。参数化设计也是建立在电脑运算上的，所以说参数化是基于数字建筑的前提上的。4数字建构： 肯尼思弗兰普顿提出“建构是诗意的建造” ，其表达的意思是一整套建筑设计、构建、施工的合理逻辑。这套逻辑要利用材料的合理的受力形式来砌筑成形，同时又要将这种砌筑方式的美学
7、特点展现出来。比如砖是稳重的材料，那么选它造楼时适合堆砌，可以用拱结构，但不宜用它来表现大跨度，这是和砖的受力不符的形式，虽然可以通过技术手段做到看上去像用砖砌出的悬挑，但这时候砖就只是一种装饰的材料，体现不出稳重的堆砌美感。 数字建构则可以说是利用严谨的数学模型构建成的建筑形式。这些数学模型一般说来都可以表现成无限复制的几何形状，同时又是美观和结构逻辑的。比如斐波那契数列，又称黄金分割数列，它的组成方式为后面的数字是有前两个数字相加的和，依次类推产生出来的一种数列。它的美学形式上接近黄金分割的比例，自然界有很多美好的实例也验证了这个数列的合理性。 斐波那契数列在自然的实例 数字建构的出现，让
8、电脑在建筑师合理组织功能和空间之后，还可以对设计用数字逻辑进行一轮优化。 5BIM 系统 BIM（ Building Information Modeling）也即是建筑信息模型，是实现参数化设计的应用工具，它不仅将建筑师的想法转换成方案，还可以为施工建造提供优化和建议。传统的 CAD 设计里，行业规范规定了建筑师如何用点、填充等手段去绘制墙、楼梯、门窗等建筑构件，而传统的建筑电脑模型则是用附有不同材质参数的体块或者面来表现建筑形体，电脑只是用来记录和传递建筑师的想法。但在以 REVIT 为代表的 BIM 系统里不再是单纯的点线面元素。设计师在绘制平面图的时候就已经要输入相关的参数来告知电脑墙
9、的做法，楼梯的做法，玻璃的设置，梁柱的位置。这样电脑才真正的读懂了建筑师的设计，从而能为建筑师绘制图纸。这不仅仅只是简单地理解为为节省建筑师的绘图劳动，生成最终的建筑模型或者是立剖面大样。而是在电脑理解图纸的同时，还能为建筑师计算日照节能，逃生模拟，模拟建筑室内的空气流动；方便结构师将建筑模型导入到专业计算软件中验算出合理梁柱的尺寸和结构布置，并反提回 BIM 系统中；为设备工种验算管线之间是否有冲突，或者管线与结构之间会不会有冲突，提醒建筑师再合适的位置预留管线的穿孔。如果存在不合理的地方，建筑师可以方便的调整方案。而 BIM 对于类似的有可能牵一发动全身的调整可以迅速作出反馈，让建筑师看到
10、问题是否得以解决又或者是会牵涉到其它那些修改。换言之就是 BIM 系统利用电脑的强大运算机能，将每次修改后整个建筑的建造过程在电脑里实施了一次，将来真正施工的时候必然减少了各工种对图纸时失误的可能性，减少了图纸的变更，减少了人力物力和时间的浪费，数十倍的提高了建筑师团队的劳动效率。 有丰富实践经验的建筑师团队也许也可以做到以上的要求。但对于非笛卡尔坐标系能描述的双曲面外形的建筑设计，BIM 系统的高效性尤为凸显。电脑的穷举精确分析方式此时会比人脑的定性辅助经验的分析方式更加可靠。以 CATIA 软件为代表的工业设计软件，可以为双曲面外形的建筑构件进行优化设计。基于 CATIA 平台的建筑软件
11、DP（Digital Project）可以让建筑师以更符合模数的单元形体去重构所需要的曲面效果，从而达到可以使用更符合模数的材料，布置出更少种类的结构节点，甚至直接导出钢结构的曲线方程和编号，直接去钢构工厂生产出相应的尺寸的钢件就可以去现场按照编号进行安装施工。这些曾是传统建筑师不能单靠想象就能完成的复杂工作，如今 BIM 系统已经可以完成，让建筑师解放出更多的精力投入到营造空间等设计的核心问题上。 基于 DP-CATIA 设计的西班牙毕尔巴鄂古根海姆博物馆（图片来源自因特网） 基于 DP-CATIA 设计的日本横滨国际客轮航站楼（图片来源自因特网）建筑师的主观能动性： 尽管现在的建筑设计依赖于设计软件，但建筑师的主导地位却不会因此而被设计软件所动摇。虽然电脑能够理解变量和函数的关系，最后优化出建筑作品。但是函数规则是建筑师设定的，变量的筛选也是有建筑师决定的，在众多的演算结果中权衡出最优化的一个方向，同样是由建筑师斟酌的。主动思维的主体任然是建筑师，参数化设计无非是通过电脑的运算让建筑师更全面的预览自己想法的一个得力工具。
