探析建筑設(shè)計(jì)下的參數(shù)化和數(shù)字化

董昌恒

摘 要：參數(shù)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中逐漸顯露出來，以扎哈為代表的一系列曲面建造開始出現(xiàn)在大眾視野里。參數(shù)化設(shè)計(jì)指作為主體的設(shè)計(jì)師或建筑師使用參數(shù)去設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)心里所想的設(shè)計(jì)，只需要輸入所設(shè)置的參數(shù)就可以得到復(fù)雜或者簡單重復(fù)出現(xiàn)的模型，僅僅修改參數(shù)則可以生成和改變模型的基本形態(tài)。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化；數(shù)字化建筑；多邊形建模；曲線建模；參數(shù)化建模

參數(shù)設(shè)計(jì)并不是偶然出現(xiàn)的，它是前人在不斷積累和實(shí)驗(yàn)后對設(shè)計(jì)方法進(jìn)行歸納和總結(jié)的前提下逐漸被發(fā)現(xiàn)和發(fā)展起來的。而歸納設(shè)計(jì)法對于廣大設(shè)計(jì)師則是一個(gè)重要的學(xué)習(xí)方法。

19世紀(jì)晚期的加泰羅尼亞建筑師安東尼·高迪在設(shè)計(jì)天主教堂圣家族大教堂時(shí)就結(jié)合歸納設(shè)計(jì)使用到類似于參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法。圣教堂內(nèi)部和外部表皮上有很多尖尖的高塔，各高塔之間又相互連接相互交叉，外部造型奇特富有張力，而建筑內(nèi)部的穹頂和天花結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互之間的支撐涉及力學(xué)知識(shí)，多個(gè)拱劵之間連接又各有分工，所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。在當(dāng)時(shí)的19世紀(jì)，沒有電腦的輔助設(shè)計(jì)，想貼近真實(shí)去模擬建筑物的受力情況相對比較困難，更何況還要根據(jù)各個(gè)受力點(diǎn)進(jìn)行相對應(yīng)的調(diào)整，之間涉及的參數(shù)變化的計(jì)算量頗大。而建筑師安東尼·高迪則使用線條和線條之間相互聯(lián)接模擬拱劵和穹頂之間的聯(lián)系長度，用木條和鉛塊模擬重力和受力點(diǎn)，這樣修改一個(gè)變量，其相互連接的地方也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，借以實(shí)現(xiàn)整個(gè)天主教堂圣家族教堂的前期設(shè)計(jì)和圖紙的繪制。這種修改變量的方法就類似于現(xiàn)在電腦Grasshopper里的參數(shù)設(shè)置和Kangaroo的拉力成型，只不過建筑師安東尼·高迪所用的是現(xiàn)實(shí)手動(dòng)參數(shù)導(dǎo)致變量，而現(xiàn)今有了電腦的我們則可以在軟件中輸入需要變化的量讓電腦自動(dòng)計(jì)算生成數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的建模和修改。

參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用非常廣泛，建筑、室內(nèi)、景觀、首飾、樂器、舞蹈、書法等都有涉及。參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種概念，是一種設(shè)計(jì)思維，參數(shù)化設(shè)計(jì)之后涉及實(shí)際建造，而數(shù)字化建造則是一種建造方法，與參數(shù)化設(shè)計(jì)之間相互銜接相互配合。參數(shù)化設(shè)計(jì)給出實(shí)際數(shù)據(jù)，再結(jié)合數(shù)字化建造中的一些機(jī)械實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)物品的現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)。

一、數(shù)字化建造方法

（一）數(shù)字化建造概念

數(shù)字化建造，在當(dāng)今廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，2017年夏季同濟(jì)“機(jī)器人裁縫”工作坊則使用機(jī)械臂的建造方法，采用低廉的紙片建造出結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的拱形地景裝置和3D打印橋。同年9月在南京大學(xué)的DADA數(shù)字建造國際工作坊則有來自東京大學(xué)的機(jī)器人抒情（通過人、機(jī)、建造工具三者之間的互相聯(lián)系和刺激，探索人機(jī)人互動(dòng)對于的數(shù)字化繪制的更多可能），東南大學(xué)的神經(jīng)元（模擬動(dòng)物神經(jīng)元之間的鏈接使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固），同濟(jì)大學(xué)的超薄板材空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（挑戰(zhàn)超薄鋼材的承壓能力），清華大學(xué)的互動(dòng)巢群（金屬片模擬蟋蟀籠子，安裝感應(yīng)裝置，當(dāng)人靠近裝置，裝置對應(yīng)會(huì)觸發(fā)燈光和聲音），南京大學(xué)的彈性彎曲（研究木板材料的彈性張力），南京藝術(shù)學(xué)院花之亭2.0（采用3d打印節(jié)點(diǎn)，特點(diǎn)簡單結(jié)構(gòu)，主要突出裝置藝術(shù)性）都是采用數(shù)字化建造的方法，在電腦中利用參數(shù)化成型的方法把模型實(shí)時(shí)模擬出來，實(shí)現(xiàn)電腦和現(xiàn)實(shí)真實(shí)情況的真實(shí)模擬，之后再輸出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，利用數(shù)字軟件和機(jī)械進(jìn)行實(shí)物搭建。

（二）數(shù)字化建造在建筑的應(yīng)用

在建筑設(shè)計(jì)方向中，參數(shù)化的數(shù)字化建造也逐漸開始多了起來。國內(nèi)最早的廣州大劇院，根據(jù)江中的2塊石頭與水相產(chǎn)生的流線波紋設(shè)計(jì)出實(shí)際模型，再根據(jù)輸出數(shù)據(jù)建造出內(nèi)部構(gòu)建和外部幕墻。哈爾濱大劇院，流動(dòng)的外部造型也是依照參數(shù)化和數(shù)字化的設(shè)計(jì)、建造方式得以成型。而現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的直來直去設(shè)計(jì)方式進(jìn)入到曲面、異面的時(shí)代，按照以往的建造工藝方式已經(jīng)難以進(jìn)行這些曲面、異面的外表皮結(jié)構(gòu)的搭建，所以數(shù)字化建造逐漸開始出現(xiàn)在大家的視野里。因?yàn)榭萍己褪┕げ牧霞醇夹g(shù)的原因，民用家裝室內(nèi)設(shè)計(jì)也逐漸有開始轉(zhuǎn)變的勢頭，北京大柵欄地區(qū)的排子胡同的扭院兒的四合院舊建筑改造中，其室內(nèi)設(shè)計(jì)和建筑外表皮建筑都使用了曲面建造的方法。四合院給人的感覺就是莊嚴(yán)、刻板、古老和破舊，而這次的建筑改造則完全顛覆了人們傳統(tǒng)思想中的四合院的想法，在基于傳統(tǒng)四合院的布局之中，采用起伏彎曲的地形連接室內(nèi)和室外，而人們行走的地面則創(chuàng)造性地扭曲連接到房屋屋頂之上，傳統(tǒng)的歇山頂屋頂也采取了曲面的辦法進(jìn)行搭建。傳統(tǒng)院墻的直來直去在向前延伸之際突然出現(xiàn)圓滑的曲面，仿佛一片安靜的湖面上突然出現(xiàn)漣漪一般，其感覺妙不可言。但是這次的舊建筑改造并不是真正意義上的數(shù)字化建造，其不比高校之中的數(shù)字化工作坊那種高技派的建造方式，有的只是把曲面納入到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以看做是在室內(nèi)設(shè)計(jì)平民化方向參數(shù)化概念的一種前期萌芽狀態(tài)。

（三）數(shù)字化建造在其它藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

數(shù)字化建造的實(shí)現(xiàn)方向有很多例如：3D打印、激光切割、3D打印筆等等，但這都是屬于搭建方面的地方，也就是屬于后期實(shí)現(xiàn)方部分?！皵?shù)字化建造”可分為“數(shù)字化”和“搭建”二部分。

數(shù)字化在其他藝術(shù)領(lǐng)域也有很多可以廣泛運(yùn)用的地方，比如樂器的建造。傳統(tǒng)的樂器形態(tài)在歲月的流逝中已經(jīng)發(fā)揮到最優(yōu)的造型，所以在于形態(tài)的發(fā)展上，數(shù)字化建造并不能對其形態(tài)產(chǎn)生什么過多的優(yōu)化之處，但并不能排除在以后的設(shè)計(jì)中能否產(chǎn)生革命性的變化，現(xiàn)在所能實(shí)現(xiàn)的則是對其外表皮做一些參數(shù)化的設(shè)計(jì)，借用電腦對其進(jìn)行數(shù)字化建造比如3D打印等。其中可圈可點(diǎn)的可數(shù)位于上海的極致盛放3D打印公司，推出的一系列小提琴、鋼琴的復(fù)雜化外表皮讓人們嘆為觀止。

二、數(shù)字化建模

“數(shù)字化”的前期實(shí)現(xiàn)則為模型的制作。現(xiàn)在藝術(shù)領(lǐng)域的建模方向可分為產(chǎn)品建模，室內(nèi)建模，景觀建模，建筑建模，以及可視化平面建模。而各種軟件軟件有著不同建模底層邏輯，所以操作方式和建模思維則又大為不同。

從建模思維分則又可分為：多邊形建模、曲線建模、參數(shù)化建模；每種建模方式思維不同所對應(yīng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域也不同，但并不是建模思維不同各個(gè)軟件之間就不能相互使用，故步自封。要強(qiáng)調(diào)的是軟件只是設(shè)計(jì)工具，而思維才是最重要的，更何況在數(shù)字化這種更加前沿和開放的設(shè)計(jì)方法之中，只要能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者心中所想，大可不必為采用什么軟件糾結(jié)。

首先說一下多邊形建模，多邊形建模軟件可分為：3Dmax、Maya、草圖大師等。以Maya為代表的多邊形建模，其特點(diǎn)是建模簡單，抽象性要求沒有其他建模軟件要求的高，如同捏泥巴一樣，只要建模者有確切的模型外觀，就可逐漸捏造出所需模型，唯一要注意的就是在建造模型過程中的布線合理。缺點(diǎn)是如果想實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化建造，對于模型中的參數(shù)化控制則比較繁瑣，只有依靠其新的參數(shù)化插件或者底層語言腳本才能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化數(shù)據(jù)修改，實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩，也存在精確問題。

其次是曲線建模，代表軟件軟件：Rhino。Rhino在曲面建模中有著不可撼動(dòng)的地位，最初的Rhino實(shí)際是為工業(yè)設(shè)計(jì)所服務(wù)的，隨著時(shí)間和使用者逐漸多起來，其他領(lǐng)域的設(shè)計(jì)者開始接觸Rhino，建筑領(lǐng)域首先開始使用Rhino制作建筑外立面，建筑外立面可以由傳統(tǒng)的BOX模型轉(zhuǎn)型到Curve模式；緊接著藝術(shù)設(shè)計(jì)方面也開始了曲面設(shè)計(jì)的發(fā)展，各藝術(shù)領(lǐng)域逐漸開始使用Rhino。Rhino中的曲面建造比多邊形建模簡單和多樣，曲面的生成方式可分為放樣、單軌放樣、雙軌放樣、234放樣、曲面銜接等多種方式，原理簡單使用便捷，而且軟件對于硬件的要求也沒有多邊形建模軟件要求的那么苛刻。但是其缺點(diǎn)就是按鈕過多，比較繁瑣，一開始為理工科設(shè)計(jì)的軟件其他科剛開始接觸起來較為吃力，渲染效果也沒有多邊形建模模型中的Vary好。但其曲面建模的能力之強(qiáng)也在逐漸被廣大使用者喜愛。

參數(shù)化建模軟件：Grasshopper、程序代碼。參數(shù)化建模主要是程序代碼，在同濟(jì)和DADA國際工作坊之中，同濟(jì)、南大、東大所用的數(shù)字化建模就是用純粹的底層代碼進(jìn)行程序編程，這種底層代碼的編寫要求使用者有很深厚的理工科知識(shí)基礎(chǔ)和電子計(jì)算機(jī)C語言的熟練度，所以這一塊建模方法難度和局限性比較大。而另一種參數(shù)化建模則是以Grasshopper為代表的蚱蜢軟件插件，它是基于Rhino為基礎(chǔ)的一種參數(shù)化建模方式，把計(jì)算機(jī)底層語言優(yōu)化成一個(gè)個(gè)電池組，各電池組之間相互輸入輸出連接，進(jìn)行腳本的編寫，不需要使用者去書寫代碼，相比較簡單些，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的實(shí)時(shí)修改。是現(xiàn)代設(shè)計(jì)參數(shù)化的必備軟件和Rhino配合使用起來也較為便捷。

多邊形建模和曲線建模中間軟件：T-S。T-S是介于多邊形建模和曲面建模之間的軟件，原屬于Autodesk公司，后被Robert McNee收購，成為Rhino中的一個(gè)多邊形建模插件，T-S能實(shí)現(xiàn)NURBS面和T-Spline面的相互轉(zhuǎn)換。其使用起來和多邊形建模相似，可以說是兩者之間相互轉(zhuǎn)換的橋梁。

三、結(jié)語

參數(shù)化和數(shù)字化有著很大的開發(fā)空間，可以開闊使用者的思維空間，打破設(shè)計(jì)者的思維定式，是一種新的設(shè)計(jì)方式。但也不能過于神話這些設(shè)計(jì)概念，只有設(shè)計(jì)者充分理解和掌握了設(shè)計(jì)思維才能更好地實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)理念，而其軟件和建模方式只是設(shè)計(jì)者的輔助方式。

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作者單位：

南京藝術(shù)學(xué)院