基于節(jié)點(diǎn)可視化編程的參數(shù)化設(shè)計(jì)在城市微建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以山東省大學(xué)生建造節(jié)一等獎(jiǎng)作品《溯》為例

張雄偉,劉衍彬,于小桐,趙武

基于節(jié)點(diǎn)可視化編程的參數(shù)化設(shè)計(jì)在城市微建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以山東省大學(xué)生建造節(jié)一等獎(jiǎng)作品《溯》為例

張雄偉,劉衍彬,于小桐,趙武*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018

本文以山東省大學(xué)生建造節(jié)一等獎(jiǎng)作品《溯》為例，采用基于Grasshopper節(jié)點(diǎn)可視化編程的參數(shù)化設(shè)計(jì)，探究在城市微建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。Grasshopper基于Rhino平臺(tái)，是數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)中的主流工具之一。作品“溯”以泉城水文化為主題，采用了曲線升騰而上的造型，因而在設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)方案不斷優(yōu)化，并反映到構(gòu)建技術(shù)手段上。運(yùn)用Grasshopper解決參數(shù)化建模，提升模型精度、完善模型結(jié)構(gòu)、豐富模型細(xì)節(jié)。參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于微建筑深化設(shè)計(jì)中，采用編程思維方式塑造精準(zhǔn)的形態(tài)，從而解決設(shè)計(jì)過程中的難題，實(shí)現(xiàn)節(jié)省人力和時(shí)間，優(yōu)化模型、提高模型精度、提升建構(gòu)效率，為后期的微建筑搭建、組裝提供了技術(shù)保障。

節(jié)點(diǎn)可視化編程; 參數(shù)化設(shè)計(jì); 城市微建筑

城市微建筑作為城市中的小型建筑，其功能多樣、造型多變，對(duì)設(shè)計(jì)師提出的要求較高。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)表達(dá)難以滿足城市微建筑的需要，而參數(shù)化設(shè)計(jì)作為一種新型的設(shè)計(jì)表達(dá)方式，可以提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)成本，為城市微建筑的設(shè)計(jì)提供新的解決方案。以作品《溯》作為案例研究基于節(jié)點(diǎn)可視化編程（Grasshopper）參數(shù)化設(shè)計(jì)在城市微建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為城市微建筑的設(shè)計(jì)提供新思路和技術(shù)支持，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，推動(dòng)城市微建筑的發(fā)展與創(chuàng)新。

1 城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)

1.1 Grasshopper概述

Grasshopper是Rhino平臺(tái)上的一款參數(shù)化插件，是參數(shù)化設(shè)計(jì)中非常具有代表性的工具[1]。它是一種可視化編程語言，允許用戶使用簡(jiǎn)單的基于節(jié)點(diǎn)的界面構(gòu)建參數(shù)化模型。Grasshopper允許用戶使用參數(shù)來定義模型的形狀、大小和方向，并快速調(diào)整模型以適應(yīng)不斷變化的設(shè)計(jì)要求。另外Grasshopper還提供了廣泛的工具和功能，使設(shè)計(jì)師能夠快速創(chuàng)建具有精度和靈活性的復(fù)雜3D模型。

1.2 城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是集哲學(xué)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)、社會(huì)學(xué)等于一體的一種設(shè)計(jì)方法[2]。由于采用基于數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)算法的方法，能夠更加精確地控制建筑模型的形態(tài)、尺寸和結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計(jì)精度和準(zhǔn)確性。其次，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以擁有更快的設(shè)計(jì)速度，快速創(chuàng)建和修改建筑模型，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。第三，更容易進(jìn)行優(yōu)化和修改：參數(shù)化設(shè)計(jì)使得設(shè)計(jì)師可以輕松地對(duì)建筑模型進(jìn)行優(yōu)化和修改，通過修改參數(shù)，設(shè)計(jì)師可以快速地嘗試出各種設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。第四，更好的交互性：參數(shù)化設(shè)計(jì)工具可以提供實(shí)時(shí)的交互性反饋，使得設(shè)計(jì)師能夠在設(shè)計(jì)過程中快速地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。第五，更高的靈活性和可擴(kuò)展性：參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可以靈活地應(yīng)對(duì)各種設(shè)計(jì)要求和變化，同時(shí)也具有較高的可擴(kuò)展性，可以應(yīng)用于各種建筑類型和設(shè)計(jì)風(fēng)格。

1.3 城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

參數(shù)化設(shè)計(jì)的最初理念大約是在20世紀(jì)70年代末期誕生的, 這種方式主要依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，是借助計(jì)算機(jī)輔助作用的新型設(shè)計(jì)方式。最初這種方式的產(chǎn)生主要是設(shè)計(jì)者為了對(duì)外觀尺寸等方面的設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足審美上的需求[3]。通過使用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，可以快速地生成大量的設(shè)計(jì)方案，并在設(shè)計(jì)過程中對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制和優(yōu)化，以滿足城市微型建筑的各種需求，如節(jié)能環(huán)保、美觀實(shí)用、安全舒適等。此外，參數(shù)化設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)的多樣化和個(gè)性化，提高建筑的適應(yīng)性和靈活性。因此，城市微型建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

1.3.1 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于各種微型建筑，如小型商業(yè)建筑、公共設(shè)施、臨時(shí)建筑等。美化城市的同時(shí)又兼具一定的實(shí)用性。

1.3.2 基于多種參數(shù)化工具如 Grasshopper、Dynamo、Rhino等，這些工具為設(shè)計(jì)師提供了多種設(shè)計(jì)手段和工具，豐富了設(shè)計(jì)思路和表現(xiàn)形式。Grasshopper 作為新一代參數(shù)化設(shè)計(jì)工具的典型代表,其智能性體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制和交互能力中[4]。本文主要以 Grasshopper 在微建筑設(shè)計(jì)實(shí)例為例探討參數(shù)化在設(shè)計(jì)以及后期加工過程中的優(yōu)勢(shì)。

1.3.3 實(shí)踐案例豐富目前已經(jīng)有很多城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐案例，如國(guó)內(nèi)的山東省大學(xué)生建造節(jié)、成都公園城市花園建造節(jié)、同濟(jì)大學(xué)大學(xué)生建造節(jié)等，這些案例為城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用提供了參考和借鑒。

1.3.4 存在挑戰(zhàn)和問題雖然城市微建筑參數(shù)化設(shè)計(jì)有著很多優(yōu)勢(shì)和潛力，但也存在一些挑戰(zhàn)和問題，如參數(shù)化工具的學(xué)習(xí)難度較高、設(shè)計(jì)人員對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的理解和掌握程度不同、建筑結(jié)構(gòu)和建造技術(shù)的限制等。這些問題需要進(jìn)一步研究和解決。

2 作品《溯》中的參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)述

作品“溯”是2022山東省大學(xué)生科技建造節(jié)“省院杯”一等獎(jiǎng)作品（如圖1），此次設(shè)計(jì)競(jìng)賽以“城市微建筑”為競(jìng)賽主題，期待用新建微建筑融入所在環(huán)境，貼近人們生活，體現(xiàn)公共利益與人文關(guān)懷，表現(xiàn)高質(zhì)量的建筑文化，以滿足公眾的精神需求。原定搭建場(chǎng)所為濟(jì)南某公園廣場(chǎng)，濟(jì)南作為中國(guó)泉城，以其泉文化聞名于全國(guó)，此微建筑將泉文化融入其中，打造具有地域特色的公共空間，造型美觀大方，集張力與柔美于一體，充分體現(xiàn)泉城的場(chǎng)所精神。

圖 1 搭建成果

2.2 生成邏輯

該微建筑的設(shè)計(jì)形態(tài)暗含泉水升騰的意向，在設(shè)計(jì)上由平面進(jìn)行幾何劃分，確定中部所需的穿行尺度，將旋轉(zhuǎn)區(qū)分為內(nèi)外兩個(gè)旋轉(zhuǎn)層次，內(nèi)圈隔15°等段劃分，外圈隔7.5°分割設(shè)置（如圖2）。通過對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的控制來改變整體造型的疏密程度，有利于直觀的對(duì)美觀度以及成本進(jìn)行控制。

圖 2 設(shè)計(jì)基本邏輯

通過控制豎向板材的高度來控制《溯》造型的舒展程度，利用插接的手段用橫向連接件將豎向板材進(jìn)行相連。微建筑由于體量微小，故在設(shè)計(jì)中與人體尺度也密切相關(guān)[5]。為了使微建筑具有一定的空間性，通過控制豎向板材的弧度以此調(diào)整建筑門洞的尺度，達(dá)到滿足人的穿，轉(zhuǎn)，立等行為。

在實(shí)際搭建中，需要將實(shí)用性，美觀性，安全性結(jié)合。切割后的陽光板，邊緣較為鋒利，不利于形成微建筑中親近，宜人的效果，根據(jù)需要，可選擇柔軟的透明防水收邊條進(jìn)行收邊。此外由于陽光板因其自重輕，怕風(fēng)等材料特性，需要做好與地面基礎(chǔ)的固定，在連接方式上速干膠固然可以起到固定的作用，但是因其材料中空，膠接觸面較少并不能充分發(fā)揮膠的特性，故在連接上捆扎效果明顯優(yōu)于膠粘。

2.3 主要難點(diǎn)

作品《溯》的結(jié)構(gòu)為雙螺旋結(jié)構(gòu)，整體建筑在3 m×3 m×3 m的限定尺寸內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)生成，整體建筑呈現(xiàn)舒展的視覺效果，頂部最寬僅為1.1 m，中部最寬為3 m，底部最寬為1.8 m。

通過橫向連接件將豎向板材進(jìn)行橫向連接，以平面上雙螺旋的一半為例，橫向板材共有自外圈開始計(jì)算，1～9片豎向板材之間每?jī)善Q向板材通過兩片橫向板材相連，9～13片豎向板材之間每?jī)善Q向板材間通過三片橫向板材相連，13～25片豎向板材之間每?jī)善Q向板材之間通過四片橫向板材相連，每片板材尺寸角度各不相同。

考慮到比較對(duì)象的典型性和代表性，大陸教材選用的是2013年教育部審定的鳳凰教育出版社的小學(xué)數(shù)學(xué)教材（簡(jiǎn)稱“蘇教版”），臺(tái)灣教材選用的是康軒文教事業(yè)出版的小學(xué)數(shù)學(xué)教材（簡(jiǎn)稱“康軒版”）．選用這兩個(gè)版本的原因在于二者的使用情況．其中，康軒版教材在臺(tái)灣具有一定的影響力，被很多小學(xué)選定為教科書；蘇教版也同樣如此，在大陸有較為廣泛的使用范圍和近二百萬的學(xué)生使用量．基于此，研究的問題和比較框架如下．

豎向板材由單片最高為3 m，需要通過控制弧度來對(duì)建筑中部的穿行空間進(jìn)行限定，也是控制整體造型的決定性因素，單片豎向板材由外圈到內(nèi)圈逐漸升高，并于最高處匯聚，各片板材弧度各不相同。

該微型建筑的外形由三個(gè)方面共同控制，包括底部平面雙螺旋的角度、單片豎向板材的曲線弧度以及橫向板材的疏密程度。在前期設(shè)計(jì)階段，需要及時(shí)改變建筑形態(tài)以達(dá)到所需效果。然而，若改變其中一個(gè)方面，則其余兩個(gè)方面也需要進(jìn)行大量返工，此外，在后期搭建過程中，存在構(gòu)件尺寸無法模數(shù)化、構(gòu)件數(shù)量過多難以實(shí)現(xiàn)工廠切割以及人工排序標(biāo)號(hào)過于耗時(shí)等問題。因此，我們可以采用Grasshopper進(jìn)行參數(shù)化建模，有效地解決以上問題。

3 Grasshopper的應(yīng)用

Grasshopper將編程語言變成可見的集成塊，讓用戶自己拼裝并將這一過程鏈接起來使其成為一個(gè)整體[6]。形態(tài)與結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)邏輯的物理表達(dá)，數(shù)據(jù)邏輯是形態(tài)與結(jié)構(gòu)的數(shù)字依據(jù)，不同的數(shù)據(jù)邏輯來源和背景適用于不同的設(shè)計(jì)前提之下[7]?！端荨分械脑O(shè)計(jì)邏輯來源正是來自其本身的材料性質(zhì)，以及造型文化內(nèi)涵而生成的。

3.1 Grasshopper建模

數(shù)據(jù)是參數(shù)化編程需要處理的核心問題，熟練地掌握各種數(shù)據(jù)的組織方式和管理方法有助于設(shè)計(jì)者更加智能化地借助參數(shù)化設(shè)計(jì)方法輔助甚至主導(dǎo)設(shè)計(jì)[8]。利用相關(guān)數(shù)據(jù)的組織方式將設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行梳理，形成運(yùn)算器邏輯思路表（表1）開始進(jìn)行建模。

表 1 運(yùn)算器邏輯思路表

第一，在“top視圖”繪制雙螺旋平面圖，并將雙螺旋的一半拆解為半圓弧a、外側(cè)四分之一圓弧b、內(nèi)側(cè)四分之一圓弧c和曲線c的端點(diǎn)P。

第二，將拆解后的曲線和點(diǎn)分別通過對(duì)應(yīng)的電池置入到Grasshopper中。

第四，將曲線a的分割點(diǎn)分別與P點(diǎn)相連，曲線b和c上對(duì)應(yīng)的分割點(diǎn)分別連接，將兩組連接而成的線段共同接入“Merge”統(tǒng)一排序，由此產(chǎn)生的若干條線段構(gòu)成《溯》的1/2平面的基本形式（如圖3）。

圖 3 運(yùn)算器設(shè)置

第五，將生成的線段接入“Move”的“Geometry”端。創(chuàng)建與線段個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)的0～1的等差數(shù)列，接入“Graph Mapper”并依據(jù)其中的函數(shù)關(guān)系產(chǎn)生(0,1］的數(shù)值作為高度系數(shù)，將其乘以構(gòu)件最高值接入“Unit Z”并接入“Move”的“Motion”端，由此產(chǎn)生“溯”的1/2部分的各片頂端線段。（如圖4）

圖 4 運(yùn)算器設(shè)置

第六，在各單片頂端線段與底端線段間分別生成若干線段，將其接入“Scale”并將靠近內(nèi)側(cè)一段作為縮放的基點(diǎn)。生成與線段數(shù)量相對(duì)應(yīng)的0～1的等差數(shù)列，接入“Graph Mapper”，將函數(shù)類型設(shè)置為“Parabola”，將生成的值作為縮放系數(shù)，由此獲得若干組長(zhǎng)度呈函數(shù)關(guān)系的線段，將其接入“End Points”提取出各線段外部端點(diǎn)（如圖5）。

圖 5 運(yùn)算器設(shè)置

第七，分別將每片構(gòu)件外側(cè)點(diǎn)接入“Merge”并將集合后的點(diǎn)接入“Interpolate”作為每片構(gòu)件最外側(cè)曲線。同時(shí)分別連接各組內(nèi)側(cè)的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)，作為每片構(gòu)件最內(nèi)側(cè)曲線。將兩類曲線進(jìn)行“Rebuild”確保每條線有相同的點(diǎn)數(shù)和階數(shù)，內(nèi)側(cè)線段與外側(cè)曲線兩兩組合，分別將每組線進(jìn)行“Loft”產(chǎn)生若干“Surface”并偏移出陽光板的厚度。至此，《溯》的1/2部分的參數(shù)化捏型完成。

第八，將之前的產(chǎn)生的結(jié)果依次沿x方向和y方向進(jìn)行鏡像，得到中心對(duì)稱的另一半（如圖6）。至此，得到最終的“溯”的模型。

圖 6 運(yùn)算器設(shè)置

3.2 Grasshopper施工

在材料的選擇上，主辦方選用以基本板材的規(guī)格：6 mm×2.1 m×3 m雙層口字型乳白色陽光板（聚碳酸酯中空板）為主材。對(duì)于板材的加工主要以激光切割或是水刀切割為主，運(yùn)用Grasshopper可以將提前對(duì)搭建材料進(jìn)行前期編號(hào)處理（如圖7），生成CAD并通過手動(dòng)排列以實(shí)現(xiàn)節(jié)約切割成本的作用。由于造型是由兩組一模一樣的單體組合而成，只需將板材相疊進(jìn)行切割，節(jié)約材料施工成本的同時(shí)也利于微建筑快速施工的建造需求。

圖 7 運(yùn)算器設(shè)置及輸出

恰當(dāng)?shù)慕ㄔ旒夹g(shù)也成為設(shè)計(jì)思維的理性延伸[9]?！端荨返慕ㄔ旒夹g(shù)主要是利用材料本身的特性來進(jìn)行建造。完成底板搭建后，將豎向構(gòu)件插入其中，通過角鐵與底部進(jìn)行連接。豎向構(gòu)件與橫向構(gòu)件之間則是通過收扎繩收扎，逐級(jí)而上完成外圈的搭建。內(nèi)圈由于高度因素，可先在地面進(jìn)行簡(jiǎn)要的拼裝，然后將其整體插入底座中去，加以固定。而對(duì)于建筑夜景的營(yíng)造則注意突出該建筑的“柔美”的“腰身”以及“流轉(zhuǎn)”的輪廓線，根據(jù)燈光的變化可以展示出如同泉水流動(dòng)的效果。

3.3 Grasshopper展示

通過在犀牛中對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化處理后生成模型，使用vray渲染器進(jìn)行渲染，另外進(jìn)行實(shí)體搭建后，利用Grasshopper建立的模型可以根據(jù)后期方案的修改階段直接修改參數(shù)，改變其形體，且在輸出的模型中將其直接拆解成片進(jìn)行編號(hào)，并在CAD中輸出切割圖紙進(jìn)而進(jìn)行下一步的切割。參數(shù)化的設(shè)計(jì)流程為最終搭建成品提供了極大的便捷。

3.4 《溯》中所體現(xiàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法帶來設(shè)計(jì)的多解性，對(duì)個(gè)性化需求的解決，產(chǎn)品族的設(shè)計(jì)都具有重要的意義[10]。尤其是對(duì)當(dāng)?shù)靥赜械奈幕瘍?nèi)涵抽象化體現(xiàn)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)主要有在設(shè)計(jì)階段為造型的設(shè)計(jì)提供了大量的參考，以達(dá)到曲線升騰而上的造型，利用Grasshopper還可以直接對(duì)于落地過程中直接對(duì)單片板材數(shù)量進(jìn)行核算，且可以直接導(dǎo)出每塊板材的面積（如表2）。

表 2 豎向板材面積數(shù)據(jù)表

在設(shè)計(jì)階段，通過基本的設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行參數(shù)化處理調(diào)整不同的參數(shù)曲線，直接輸出不同的造型，為方案的進(jìn)一步深化提供了更為直觀的模型展示（如圖8）。在方案設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)涉及到參數(shù)調(diào)整，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案將耗費(fèi)巨大精力對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行修改，而Grasshopper的參數(shù)化設(shè)計(jì)理念可極大減少改動(dòng)的工作量，提高工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期，其經(jīng)濟(jì)效益極其顯著[11]。

圖 8 三種不同的效果

4 結(jié) 論

相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段，在城市微建筑設(shè)計(jì)中利用Grasshopper節(jié)點(diǎn)可視化編程的參數(shù)化設(shè)計(jì)工具對(duì)于建筑的形態(tài)、空間和功能的塑造都有著極大的幫助。對(duì)于建筑師而言，參數(shù)化工具的使用可以將復(fù)雜多變的設(shè)計(jì)造型進(jìn)行數(shù)字化建模并展示于圖紙之上。通過利用參數(shù)化工具，設(shè)計(jì)師實(shí)際上是利用編程的設(shè)計(jì)思維將設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行具象化的表現(xiàn)。而不同的方案存在不同的設(shè)計(jì)邏輯，利用參數(shù)化的手段可以減少在設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)工作，節(jié)省大量的人力與時(shí)間。此外，參數(shù)化設(shè)計(jì)還能提供模型后續(xù)深化所需的技術(shù)保障，提高模型精度以及施工搭建的效率。

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Parametric Design Research of Urban Micro-Buildings Based on Grasshopper——Taking the First Prize Work "Su" in the Shandong Province College Student Construction Festival ascase

ZHANG Xiong-wei, LIU Yan-bing, YU Xiao-tong, ZHAO Wu*

271018,

This paper takes the first prize-winning work "Su" of the Shandong University Construction Festival as an example and explores the application of parameterized design in urban micro-architecture design using Grasshopper node-based visual programming. Grasshopper, based on the Rhino platform, is one of the mainstream tools in data-driven design. The work "Su" is themed on the hydraulic culture of the Spring City and adopts a rising curve shape, which requires continuous optimization of the design and reflection on construction techniques. By using Grasshopper to solve parameterized modeling, the model's accuracy, structure, and details are improved. Parameterized design is applied to the deepening design of micro-architecture, using programming thinking to shape accurate forms, solve design problems, save manpower and time, optimize models, improve model accuracy, enhance construction efficiency, and provide technical support for the later construction and assembly of micro-architecture.

Grasshopper; parametric design; urban micro-architecture

TU17

A

1000-2324(2023)02-0292-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.019

2022-12-28

2023-01-12

張雄偉(2002-),男,本科生,主要研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論. E-mail:1243284333@qq.com

Author for correspondence.E-mail:16138578@qq.com