參數(shù)化在建筑方案和施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

崔乃夫，桑映輝

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100000）

1 引言

在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，以參數(shù)化為代表的數(shù)字化設(shè)計(jì)理念及相關(guān)技術(shù)已經(jīng)融入建筑工程領(lǐng)域。在以往的建筑設(shè)計(jì)中，以CAD為代表的技術(shù)及應(yīng)用軟件僅能為設(shè)計(jì)人員提供工具性價(jià)值，無(wú)法為建筑人員提供更進(jìn)一步的啟發(fā)和決策幫助，應(yīng)將參數(shù)化積極引入建筑工程設(shè)計(jì)的全生命周期，打造更智能化的建筑空間。

2 建筑設(shè)計(jì)參數(shù)化概述及其優(yōu)勢(shì)分析

當(dāng)前，參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑方案及施工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用頻繁，作為重要的輔助設(shè)計(jì)方式可以將建筑工程設(shè)計(jì)中的某些要素轉(zhuǎn)化為函數(shù)變量，隨后得到相應(yīng)的函數(shù)結(jié)果，進(jìn)而幫助建筑工程設(shè)計(jì)人員提供多種可參考的設(shè)計(jì)方案與結(jié)果。在建筑工程信息化水平不斷提高的背景下，參數(shù)化設(shè)計(jì)是建筑方案與施工設(shè)計(jì)的主要方式之一，現(xiàn)階段的參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)可以依托計(jì)算機(jī)技術(shù)以及軟件系統(tǒng)生成符合建筑工程實(shí)踐需要的特殊函數(shù)關(guān)系，建筑工程設(shè)計(jì)人員能夠在改變參數(shù)條件的過(guò)程中形成更科學(xué)的建筑方案和施工設(shè)計(jì)。在建筑工程中應(yīng)用參數(shù)化方案可以有效擺脫因傳統(tǒng)技術(shù)而造成的限制，全面優(yōu)化建筑空間。通過(guò)參數(shù)化工具展現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖并進(jìn)行輔助施工，有以下幾點(diǎn)突出優(yōu)勢(shì)：

首先，保持理性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行。將參數(shù)化應(yīng)用于建筑工程方案及施工設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)程序設(shè)定輸入值與輸出值模擬復(fù)雜建筑工程中的參數(shù)化關(guān)系，并形成精確度極高的模型控制平臺(tái)，以確保建筑設(shè)計(jì)施工方案向量化發(fā)展。同時(shí)，在參數(shù)控制過(guò)程中，能夠有效約束建筑的造型、形態(tài)和尺寸，實(shí)現(xiàn)建筑工程施工資源的最優(yōu)排列與有機(jī)組合，確保建筑工程項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與生產(chǎn)管理。

其次，為設(shè)計(jì)人員提供可靠的設(shè)計(jì)與施工方案。在建立參數(shù)化模型的過(guò)程中，相關(guān)參數(shù)具有一定的可調(diào)性，能夠在固定時(shí)間內(nèi)生成多種合理方案，供建筑工程負(fù)責(zé)人選擇，減少在工程決策階段的時(shí)間成本。

最后，快速響應(yīng)施工項(xiàng)目條件的改變，保證多專業(yè)協(xié)同應(yīng)用的順暢性和便捷性，避免專業(yè)沖突。設(shè)計(jì)人員在梳理參數(shù)化方案和施工設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以及時(shí)更新平面信息和技術(shù)指標(biāo)，更快速地響應(yīng)項(xiàng)目變化。另外，參數(shù)化調(diào)控模型可以生成滿足建筑工程各專業(yè)需求的技術(shù)圖紙，以確保從概念設(shè)計(jì)到運(yùn)維階段的信息流暢、真實(shí)與準(zhǔn)確[1]。

3 參數(shù)化在建筑方案和施工設(shè)計(jì)中應(yīng)用要點(diǎn)分析

3.1 滿足不同設(shè)計(jì)階段的復(fù)雜性需求

建筑工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的思維性活動(dòng)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)用線條與圖形展示個(gè)人的人文與社會(huì)理念。然而建筑方案形成過(guò)程中，普遍難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與對(duì)外部影響因素的處理，尤其將平面化、概念化的方案用于具體建筑施工時(shí)，需要對(duì)建筑工程本身與施工環(huán)境進(jìn)行全面、細(xì)致的勘察與考量。在參數(shù)化應(yīng)用中，應(yīng)進(jìn)一步把握施工設(shè)計(jì)圖中的難點(diǎn)，例如，不同建筑物的普遍性和特殊性，把握個(gè)體與整體之間的聯(lián)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑工程不同專業(yè)和施工工種的合理安排。

3.2 建筑建模

對(duì)建筑設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，快速且高效地設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)是極為重要的環(huán)節(jié)。在建筑工程未應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件前，傳統(tǒng)的以網(wǎng)格面為建筑工程建模載體的工具有很大的局限性，如sketchup。尤其是在面對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)以及不規(guī)則建筑曲面建模時(shí)，難以滿足建筑工程設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)性與周密性的需求。而通過(guò)在建筑方案與施工設(shè)計(jì)中應(yīng)用參數(shù)化，可以滿足快速建模與精準(zhǔn)建模的需要。

當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度越來(lái)越快，數(shù)據(jù)處理效率高的計(jì)算機(jī)可以生成更復(fù)雜的參數(shù)化建筑模型，使施工操作更經(jīng)濟(jì)、便利。以其在大型交通運(yùn)輸建筑設(shè)施為例，通過(guò)應(yīng)用參數(shù)化模型能夠提高建筑流線設(shè)計(jì)的流暢性，保證內(nèi)外部結(jié)構(gòu)銜接的順暢度，能夠很好地完成流線組織的各個(gè)功能，保證滿足屋面結(jié)構(gòu)的受力特征，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

3.3 多種對(duì)比方案的生成

設(shè)計(jì)方案的生成，一方面是通過(guò)改變參數(shù)生成多方案，可以在改變參數(shù)的過(guò)程中，生產(chǎn)多個(gè)不同方案，供建筑工程設(shè)計(jì)人員自行選擇。被改變的參數(shù)通常代表建筑的某一特性，如建筑的長(zhǎng)度、寬度、層高、外立面模數(shù)等。另一方面，改變邏輯生成方案。除了改變個(gè)別參數(shù)生成多個(gè)對(duì)比方案，通過(guò)改變部分參數(shù)化邏輯也是有效方案。

3.4 建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

多次調(diào)整設(shè)計(jì)方案是建筑施工階段的一個(gè)特點(diǎn)，造成建筑方案不斷調(diào)整的原因多種多樣，例如，客觀施工條件的影響、建筑施工技術(shù)及工藝的限制、資金投入、投資方主觀想法的改變等。為了便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)調(diào)整建筑方案，需要適時(shí)引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化建筑工程設(shè)計(jì)施工方案。通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的設(shè)計(jì)模型，不僅能參考設(shè)計(jì)人員的主觀想法，還能根據(jù)精確性更高的算法進(jìn)一步滿足在不同限制條件下的方案模型量化需要，通過(guò)人為輸入限制條件，保證設(shè)計(jì)方案的合理性，減少試錯(cuò)及后續(xù)工程變更的時(shí)間和資金成本。

3.5 實(shí)現(xiàn)信息的快速交換

在建筑工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型中，可以快速、方便地實(shí)現(xiàn)在各個(gè)專業(yè)及工種之間進(jìn)行信息交換。當(dāng)前，建筑工程從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)到施工環(huán)節(jié)，不僅已經(jīng)細(xì)分出了許多獨(dú)立的專業(yè)，而且對(duì)不同環(huán)節(jié)的圖紙要求也各不相同。一旦涉及比較復(fù)雜的建筑，很難滿足建筑整體方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性，而采用參數(shù)化設(shè)計(jì)則可以通過(guò)改變和控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑信息化模型的調(diào)整，進(jìn)而滿足復(fù)雜形態(tài)建筑對(duì)流動(dòng)分布空間與結(jié)構(gòu)尺寸的需求[2]。

4 參數(shù)化應(yīng)用實(shí)例分析

深圳某軌道交通樞紐站位于中央商務(wù)區(qū)，且擁有高密度的辦公人群，分布著大部分的都市公共空間以及文化藝術(shù)設(shè)施，還包括4條地鐵換乘節(jié)點(diǎn)。作為大型交通建筑工程，通過(guò)在工程設(shè)計(jì)階段引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)，一方面實(shí)現(xiàn)了功能性與藝術(shù)性的結(jié)合，另一方面提高了項(xiàng)目動(dòng)靜數(shù)據(jù)分析的綜合水平。

該軌道交通樞紐站作為優(yōu)秀的交通建筑設(shè)計(jì)，與其具備科學(xué)性和美學(xué)性的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系。作為開(kāi)放包容式的建筑工程，采用了“浪潮涌動(dòng)”的理念，在借助無(wú)數(shù)圓盤造型吊件構(gòu)成廣闊展廳穹頂天花燈同時(shí)，采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，更好地發(fā)揮了建筑綜合空間以及動(dòng)線材料的優(yōu)勢(shì)，平衡了在大體量空間下結(jié)構(gòu)與藝術(shù)感之間的關(guān)系。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，還最大限度地考慮了乘客出行體驗(yàn)的便捷性與安全性需要，在功能區(qū)的合理布局下，保證了各個(gè)空間尺度與功能的適應(yīng)性。例如，通過(guò)將天花板吊件作為參數(shù)基準(zhǔn)面，根據(jù)不同空間的樓板高度形成波浪形曲面，實(shí)現(xiàn)“浪潮涌動(dòng)”的設(shè)計(jì)。不僅如此，站廳環(huán)廊與地面站臺(tái)之間形成的高差滿足了天花造型的需要，為了更好地滿足人體視覺(jué)對(duì)高度及空間的造型感受，實(shí)現(xiàn)整體平衡，將環(huán)廊區(qū)域的天花圓盤密度控制在其他區(qū)域的1倍以上，并向邊緣逐漸過(guò)渡（見(jiàn)圖1）。

圖1 站廳天花圓盤空間視覺(jué)效果

在參數(shù)化模型的支持下，圓盤設(shè)計(jì)根據(jù)新輸入條件自動(dòng)計(jì)算出了相應(yīng)結(jié)果，獲得了不同圓盤密度方案和波浪效果應(yīng)用方案，有效控制了洞口和波浪在不同區(qū)域的起伏變化，最終通過(guò)參數(shù)化實(shí)現(xiàn)了建筑工程的造型需求。

在以往的軌道交通建筑設(shè)計(jì)中，往往會(huì)考慮無(wú)自然光線的地下空間，本建筑工程改變了以往的設(shè)計(jì)傾向，在道路中央隔離帶上進(jìn)行了自然采光的天窗設(shè)計(jì)，不僅為地下交通空間營(yíng)造了開(kāi)放輕快的舒適氛圍，還有效降低了傳統(tǒng)地下交通空間對(duì)人工照明光源的需求，實(shí)現(xiàn)了城市地面空間與地下空間的有機(jī)交互（見(jiàn)圖2）。

圖2 天窗示意圖1

其中，在天窗部分的設(shè)計(jì)中，為了保證整個(gè)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更好地與天花造型結(jié)構(gòu)形成呼應(yīng)，以及滿足光線強(qiáng)弱的需求，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)天窗的比例進(jìn)行了深入分析，在合理優(yōu)化和篩選過(guò)程中，提高了整個(gè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度與科學(xué)性（見(jiàn)圖3）。

圖3 天窗示意圖2

不僅如此，在形成參數(shù)化模型的過(guò)程中，還對(duì)綠色能源（風(fēng)能、光能等）的利用進(jìn)行了分析，保證了天花弧度和造型起伏趨勢(shì)的合理性，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)模型和最大采光放射參數(shù)，優(yōu)化了各個(gè)天窗之間的距離、尺寸等其他建筑部件之間的關(guān)系，最終，使自然光線被合理地應(yīng)用在各個(gè)時(shí)段的交通空間中。此外，借助新風(fēng)系統(tǒng)以及地?zé)嵯到y(tǒng)，還營(yíng)造了溫度適應(yīng)、氣體流通的室內(nèi)空間微生態(tài)氣候，在自然光和建筑形態(tài)的指引下，有效發(fā)揮了交通空間的引導(dǎo)與輔助功能。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，參數(shù)化設(shè)計(jì)是滿足我國(guó)建筑工程精細(xì)化發(fā)展需要，也是實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)與功能一體化的重要路徑。為了更好地將參數(shù)化理念、技術(shù)以軟件應(yīng)用與建筑工程設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)進(jìn)一步完善其實(shí)踐應(yīng)用和軟硬件基礎(chǔ)，通過(guò)資源整合以及按需開(kāi)發(fā)，促進(jìn)參數(shù)化技術(shù)的完善和普及。