參數(shù)化技術(shù)下室內(nèi)空間設(shè)計(jì)的算法應(yīng)用研究

當(dāng)下參數(shù)化技術(shù)的發(fā)展不再僅僅局限于建筑設(shè)計(jì)行業(yè)，它的出現(xiàn)推動(dòng)了設(shè)計(jì)行業(yè)設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)思維的再創(chuàng)新[1]。文章立足參數(shù)化發(fā)展的趨勢(shì)探究參數(shù)化設(shè)計(jì)在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，從算法生形的角度研究算法邏輯在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，探究參數(shù)與算法的關(guān)系分析參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以算法設(shè)計(jì)的思維來引導(dǎo)室內(nèi)空間設(shè)計(jì)。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概況

參數(shù)化設(shè)計(jì)是將影響設(shè)計(jì)的部分要素看成參變量即參數(shù)寫入到對(duì)應(yīng)的函數(shù)中，建立一個(gè)參數(shù)化設(shè)計(jì)過程，通過對(duì)參數(shù)的運(yùn)算改變?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)果，其本質(zhì)是參數(shù)與算法構(gòu)建參數(shù)控制形態(tài)形成相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)體的過程。

徐衛(wèi)國認(rèn)為這一過程為：設(shè)計(jì)要求對(duì)信息的數(shù)據(jù)化處理、建立參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)系、計(jì)算機(jī)軟件模型創(chuàng)建等[2]。當(dāng)下參數(shù)化設(shè)計(jì)主要在建筑表皮、建筑單體造型的應(yīng)用上，同時(shí)在景觀地形、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等相關(guān)領(lǐng)域也有所應(yīng)用，參數(shù)化設(shè)計(jì)是當(dāng)代設(shè)計(jì)界的熱點(diǎn)，也是國際和國內(nèi)的新趨勢(shì)，西方學(xué)術(shù)界認(rèn)為我們正處于一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化的多元化時(shí)代，是個(gè)性化展現(xiàn)的時(shí)代。參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅是設(shè)計(jì)工具的進(jìn)步，更是一種全新設(shè)計(jì)方法的發(fā)展[3]。但是目前國內(nèi)對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)理解較為片面，大多數(shù)的設(shè)計(jì)只在形式上進(jìn)行模仿，沒有研究相關(guān)的數(shù)字技術(shù)和邏輯過程以及運(yùn)算法則，因而設(shè)計(jì)項(xiàng)目落地后的效果也不盡如人意。

1.1 參數(shù)與算法

而通過輸入不同的條件的變化量來控制設(shè)計(jì)的不同結(jié)果[4]。如反比例函數(shù)x≠0)，f(x)為因變量，x為自變量，x值的改變則會(huì)改變f(x)輸出結(jié)果。自變量的形式可以為與設(shè)計(jì)相關(guān)的各種信息，比如光照、人流量、障礙物定位等，通過編碼轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的信息語言。編碼過程則是把非形式的信息轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)據(jù)。

“算法”即規(guī)則運(yùn)算系統(tǒng)是一系列按順序組織在一起的邏輯判斷和運(yùn)算法則。它們的目的是共同完成某個(gè)特定的任務(wù)，在這里特定的任務(wù)就是構(gòu)筑參數(shù)邏輯運(yùn)算[5]。如反比例函數(shù)其中的運(yùn)算，程序便是常數(shù)K與自變量x相除。算法在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以根據(jù)已有的編寫程序進(jìn)行運(yùn)算，如Rhino軟件下的編程插件Grasshopper直接將設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系在這些軟件里建立參數(shù)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)生形，其設(shè)計(jì)的過程中就是算法的運(yùn)算過程，同時(shí)也可以自行編寫運(yùn)算方法創(chuàng)造算法指定給計(jì)算機(jī)，借助計(jì)算機(jī)對(duì)編寫的算法進(jìn)行計(jì)算，最終生成設(shè)計(jì)結(jié)果。在室內(nèi)設(shè)計(jì)的過程中對(duì)于形的生成把握需要引入相關(guān)要素進(jìn)行限定，如何讓參數(shù)改變?cè)O(shè)計(jì)的形態(tài)這就需要借助參數(shù)化平臺(tái)提供的相關(guān)算法，用以解決生形問題。

1.2 借助算法的參數(shù)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.2.1 通過算法生出隨機(jī)造型

在室內(nèi)空間設(shè)計(jì)的過程中受到的約束條件少則幾種多則數(shù)十種通過算法的數(shù)學(xué)運(yùn)算生成不同的造型結(jié)果。

1.2.2 算法生形的不可預(yù)見性

對(duì)于一個(gè)特定室內(nèi)空間造型，即使再多約束條件、受制因素，在沒有進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助建模運(yùn)算之前，設(shè)計(jì)師是不可能預(yù)見到最后的模型效果的。而且每一次新的設(shè)計(jì)方案都會(huì)給設(shè)計(jì)師帶來意想不到的創(chuàng)作靈感，都會(huì)帶來一種全新的造型風(fēng)格。這是參數(shù)化室內(nèi)空間設(shè)計(jì)師創(chuàng)作靈感不竭的源泉，也是參數(shù)化室內(nèi)空間設(shè)計(jì)最大的魅力所在[6]。

1.2.3 相互聯(lián)系并且富有變化

在運(yùn)用算法生形的過程中圖形符號(hào)是相互聯(lián)系并且富有變化。所有符號(hào)元素都將和其它元素產(chǎn)生聯(lián)系，不斷地變化，形成連續(xù)的差異性。

2 室內(nèi)設(shè)計(jì)中兩種算法生形設(shè)計(jì)思路

“參數(shù)”可以定義為影響設(shè)計(jì)結(jié)果的變化量，其量值的變化會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果發(fā)生變化。參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)則是制定出一個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，從

在室內(nèi)空間中存在著彼此之間相互聯(lián)系相互影響的一種關(guān)系，在對(duì)其設(shè)計(jì)的過程中利用其中的影響因素作為設(shè)計(jì)參數(shù)同時(shí)構(gòu)建相關(guān)算法程序?qū)?shù)進(jìn)行運(yùn)算得出相應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果，根據(jù)不同結(jié)果篩選出最優(yōu)方案對(duì)參數(shù)不斷地調(diào)整并完善方案。算法種類很多，如有可生成曲面所用的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，也有可生成一系列幾何圖形的算法等[7]。文章主要介紹吸引子算法及Voronoi算法。

2.1 吸引子算法

在物理學(xué)研究中，場(chǎng)是以時(shí)間和空間為變化量的物理量。我們生活在一個(gè)相互關(guān)聯(lián)相互影響的世界。“蝴蝶效應(yīng)”理論提出同一時(shí)空下細(xì)微的變化將能影響整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)較大的關(guān)聯(lián)反應(yīng)。如圖1所示模擬場(chǎng)空間內(nèi)對(duì)象之間的相互作用，進(jìn)而影響對(duì)象的形態(tài)生成。吸引子能夠根據(jù)參數(shù)的不同使空間構(gòu)成要素產(chǎn)生不同的變化，影響空間中其他對(duì)象的特性。吸引子的種類較多，比較常見的有點(diǎn)、曲線、位圖干擾（圖2-圖3），以及與設(shè)計(jì)相關(guān)的各類信息，比如日照、濕度、風(fēng)壓等，都可以反饋到設(shè)計(jì)要素上[8]。吸引子可以進(jìn)行多個(gè)場(chǎng)的疊加，在多重的作用中影響其他的相關(guān)要素。甚至可以調(diào)整影響吸引子的形式和吸引力的大小，通過干擾要素的調(diào)節(jié)，可以不斷地調(diào)整方案的生成，以獲得更好的設(shè)計(jì)效果。

吸引子算法在建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用較多，在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可根據(jù)室內(nèi)影響要素設(shè)置干擾點(diǎn)或者干擾曲線，例如對(duì)大型建筑內(nèi)的燈具安裝，可以根據(jù)場(chǎng)內(nèi)布置進(jìn)行位置的計(jì)算，在重要節(jié)點(diǎn)設(shè)置為吸引子的干擾點(diǎn)，距離干擾點(diǎn)較遠(yuǎn)的燈光可適當(dāng)加大距離反之則縮小間距。同時(shí)在頂面造型設(shè)計(jì)上也可利用吸引子算法，造型的生成不僅僅局限于美觀的角度，更多的是綜合相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以上吸引子算法是基于Grasshopper的參數(shù)化平臺(tái)來探討了其中的干擾邏輯原理。

2.2 voronoi算法

Voronoi算法生成的圖形是由俄國數(shù)學(xué)家沃羅諾伊提出的，是針對(duì)空間分割的一種算法[9]。Voronoi算法在眾多學(xué)科都有所涉及，如幾何學(xué)，氣象學(xué)等。Voronoi圖形（即泰森多邊形），在二維空間情況下，是分布在平面空間內(nèi)的隨機(jī)多個(gè)點(diǎn)由彼此相鄰兩點(diǎn)構(gòu)成的直線垂直平分線組成的連續(xù)多邊形（圖4）。在立體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行拓展的泰森多邊形與二維空間形成的圖形有所不同，圖形的組成會(huì)從平面上的多邊形轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔S的立體結(jié)構(gòu)（圖5-圖6）。Voronoi算法從本質(zhì)上來說是空間分割后由多邊形組合而成，每一多邊形區(qū)域與之相對(duì)應(yīng)一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，多邊形區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)到中心點(diǎn)目標(biāo)的距離比到任何其他區(qū)域點(diǎn)目標(biāo)都要近，它主要刻畫了空間點(diǎn)的鄰近區(qū)的邊界關(guān)系[10]。

Voronoi算法是空間幾何形態(tài)與對(duì)應(yīng)空間所產(chǎn)生的相關(guān)聯(lián)系，利用自身的性質(zhì)所創(chuàng)建的空間結(jié)構(gòu)體系，使得其自然屬性與建造表達(dá)之間產(chǎn)生了直接的聯(lián)系，同時(shí)也是語言探索和實(shí)踐創(chuàng)新的過程，也推動(dòng)了的數(shù)字化設(shè)計(jì)的流程和制造技術(shù)[11]。泰森多邊形在室內(nèi)空間應(yīng)用上，多數(shù)在室內(nèi)的陳設(shè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中有所涉及，對(duì)于空間的整體設(shè)計(jì)研究應(yīng)用還很少。在室內(nèi)空間的地面造型設(shè)計(jì)上、頂面造型設(shè)計(jì)上對(duì)于泰森多邊形的應(yīng)用能夠?qū)ζ鋼碛姓w的把控和調(diào)整。在未來的室內(nèi)空間設(shè)計(jì)中合理利用泰森多邊形的設(shè)計(jì)原理不僅在形式上有所創(chuàng)新，在功能上也將會(huì)更加的合理。

■圖1 場(chǎng)內(nèi)干擾

■圖2 點(diǎn)的干擾

■圖3 線的干擾

■圖4 二維voronoi算法圖形

■圖5 三維voronoi算法圖形

■圖6 三維voronoi算法圖形

3 算法設(shè)計(jì)應(yīng)用于室內(nèi)空間的優(yōu)勢(shì)及前景

3.1 室內(nèi)算法設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

算法是在編程的基礎(chǔ)上形成的計(jì)算機(jī)語言模式，傳統(tǒng)的算法語言是對(duì)代碼的編程輸入，而編程的學(xué)習(xí)又較為復(fù)雜，Grasshopper的出現(xiàn)繞開了這一難題，通過使用自動(dòng)象形圖標(biāo)規(guī)避了代碼的編寫把代碼程序嵌入到象形圖標(biāo)中形成圖形腳本，這種圖形腳本形式相比較之下操作起來更加便捷，省去了繁瑣的編碼過程，因此也逐漸受到設(shè)計(jì)師的關(guān)注[12-13]。

在室內(nèi)空間設(shè)計(jì)中借助于參數(shù)化平臺(tái)綜合考慮，相關(guān)影響因素用于參數(shù)平臺(tái)的可變參數(shù)利用算法生出室內(nèi)造型特征，對(duì)室內(nèi)空間進(jìn)行多方面綜合考慮最終形成的最優(yōu)室內(nèi)空間造型方案，參數(shù)化平臺(tái)下的算法設(shè)計(jì)能夠使室內(nèi)空間設(shè)計(jì)更加的合理化，對(duì)于空間的功能需求、能源耗損、功能定位更加的有理有據(jù)[14]。進(jìn)一步完善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的不足之處。

3.2 參數(shù)化平臺(tái)下算法生形應(yīng)用前景

相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于參數(shù)化軟件平臺(tái)下的算法應(yīng)用構(gòu)建出來的空間方案更加的新穎、更加的多樣化。其構(gòu)建出來的造型并不是只追求造型的標(biāo)新立異，更多的是以參數(shù)為根據(jù)，把影響的相關(guān)要素植入算法之中。它的不確定性致使造型的豐富多樣性，同時(shí)計(jì)算機(jī)衍生出的造型結(jié)果是雙向的引導(dǎo)，一則讓計(jì)算機(jī)的思維與設(shè)計(jì)師的靈感相碰撞，二則設(shè)計(jì)師根據(jù)結(jié)果繼續(xù)添加相應(yīng)的影響參數(shù)，這樣就形成了一種相互影響的關(guān)系[15-17]。伴隨著數(shù)字化時(shí)代的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)方式也會(huì)與之轉(zhuǎn)變。參數(shù)化設(shè)計(jì)發(fā)展的大潮已經(jīng)向我們涌來，站在時(shí)代的浪尖上抓住設(shè)計(jì)方式的變革是每位設(shè)計(jì)師必須要完成的[18]。

4 結(jié)語

參數(shù)化設(shè)計(jì)漸漸成為一種新的設(shè)計(jì)理念,不僅帶來了風(fēng)格上的變化同時(shí)也將成為未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。參數(shù)化設(shè)計(jì)的影響面已經(jīng)不僅僅局限在建筑設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，作為建筑的內(nèi)在空間需要與建筑形式同步發(fā)展，因此數(shù)字化時(shí)代驅(qū)使下的參數(shù)化室內(nèi)空間設(shè)計(jì)變革正在悄然發(fā)生。設(shè)計(jì)師不再是負(fù)重前行的繪圖員，掌握數(shù)字化技術(shù)并利用各種分析軟件來提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量才是未來設(shè)計(jì)師需要關(guān)注的方向。

參數(shù)化平臺(tái)下的算法生形則是一種新的設(shè)計(jì)思路，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)自上而下的設(shè)計(jì)思維，并且對(duì)于參數(shù)化室內(nèi)空間的設(shè)計(jì)研究能夠讓設(shè)計(jì)師不僅僅局限于主觀臆想上，更多的是理性的思考，充分發(fā)揮電腦的運(yùn)算功能為設(shè)計(jì)師提供源源不斷的設(shè)計(jì)想法，同時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)的修改也提供了極大的方便，但是在室內(nèi)設(shè)計(jì)中還有部分算法是如何運(yùn)算又是以何種手段進(jìn)行分析的還需要進(jìn)一步研究，只有這樣才能為后來的室內(nèi)空間設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的幫助。