董新怡

(福州市建筑設計院　福建福州　350011)

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淺談建筑設計的參數化與信息化
——以閩清縣游泳館建設項目為例

董新怡

(福州市建筑設計院福建福州350011)

隨著數字化技術不斷成熟，參數化技術與信息化技術在建筑設計中起了重要作用，彌補了傳統(tǒng)二維設計模式的不足。文章以閩清縣游泳館建設項目為例，介紹Rhino及Grasshopper在實際項目中從方案到施工圖階段的運用，分析Rhino參數化與Revit信息化結合運用的可行性，并結合VR技術及3D打印技術對未來科技的發(fā)展方向進行展望。

參數化設計；Rhino；Grasshopper；信息化；BIM

0　引言

21世紀，參數化與信息化技術在各領域產業(yè)升級中都發(fā)揮了重要作用，建筑領域亦然。參數化技術與信息化技術在國外都已發(fā)展多年，能夠較成熟地投入建筑全生命周期使用。在我國建筑業(yè)，數字技術應用仍多數停留在效果表達演示及制圖層面，缺乏設計思維和手法的創(chuàng)新。加之外國建筑機構強勢駐入，市場競爭激烈，如何利用參數化與信息化技術提升自身競爭力，加速我國建筑產業(yè)現代化，已成為時下熱點。

1　參數化技術及信息化技術概述

1.1參數化技術與Rhino

參數化技術能將圖形數據與設計參數相結合，有效提高圖形設計智能化，將其應用于建筑設計，在解決復雜建筑形態(tài)等問題上有突出成就。參數化的動態(tài)設計方式能夠突破傳統(tǒng)設計手法的局限，靈活應用非線性建筑形式。其主要方法即：根據設計意圖編程構建幾何模型，修改其中參數，模型也相應發(fā)生變化。目前常用的參數化平臺有：Rhino、Catia、Maya、Houdini等。

Rhino，全名Rhinoceros，是美國Robert McNeel & Associates于1998年推出的專業(yè)3D造型軟件。其率先引入了區(qū)別于Polygon建模①的NURBS建模②方式，以精確的空間曲線及曲面描述能力，迅速獲得用戶認可[1]。此外Rhino與CAD類軟件的良好銜接使其特別適應于工業(yè)產品的造型與生產。隨著建筑設計數字化的發(fā)展，三維復雜形體的建筑外觀被大量使用，Rhino開始廣泛應用于建筑領域。Grasshopper是一款基于Rhino的編程插件。因其功能全面的運算器所提供的節(jié)點式可視化編程操作與動態(tài)實時成果展示，缺乏編程基礎的用戶也能迅速掌握，極大地推動了參數化設計技術及理論的普及。

1.2信息化技術與BIM軟件

信息化技術在建筑領域的應用即BIM，Building Information Modeling，普遍譯為建筑信息模型，可簡單地理解為建筑模型加信息，即除建筑構件的幾何形式外，還包含結構及物理性能等多重信息。美國國家BIM 標準(NBIMS: National Building Information Modeling Standard)將BIM定義為利用數字技術進行建設項目設計、施工、運營的過程，成果是一個信息豐富的多維項目模型，即BIM模型。由此可見BIM涉及設計、建造施工、運營等全生命周期過程[2]，具有可視化、模擬性、協調性、優(yōu)化性等特點。目前市場上常見的BIM建模軟件有：Autodesk Revit、ArchiCAD、Bentley等。

Revit作為一款BIM核心建模軟件，具有建筑、結構、設備等全專業(yè)內容，依托AutoCAD的天然優(yōu)勢，有著不錯的市場表現。

1.3參數化技術與BIM技術結合的趨勢

由于參數化設計的高效便捷性，使其在建筑的設計創(chuàng)意構思階段有很大優(yōu)勢。而BIM技術的優(yōu)勢在于高度整合全專業(yè)多重信息，便于后期管線、日照、物理聲光熱、費用評估等方面的綜合性專業(yè)分析，二者各有優(yōu)劣。近年來，相關軟件紛紛擴充插件，完善自身功能。例如，參數化平臺Rhino有RhinoBIM插件補充自身BIM功能，BIM軟件Revit也開發(fā)了Dynamo平臺以完善參數化功能?？梢妳祷cBIM技術結合也是建筑設計行業(yè)發(fā)展的一種趨勢[3]。

2　 Rhino及Grasshopper在項目中的運用

2.1項目概況

閩清縣游泳館建設項目位于閩清縣梅溪新城東南隅，基地南側為橫五路，西側為主干三路，北面及東面為景觀河道，用地面積7 931m2，總建筑面積5 195.99m2。館內設有25m×50m，10道標準泳池，觀眾席197座，可承擔縣級游泳比賽，平時滿足訓練及市民日常健身要求。

場館整體規(guī)劃聯合體育館科技館，吸收閩清縣梅城文化，取意“飄落在三山四水間的梅花瓣”，與閩清山水城市格局相呼應。造型吸納梅花飄落的輕盈與寫意，以金屬板的靈動配合玻璃的晶瑩，整體圓潤通透，猶如一朵含苞待放的梅花(圖1)。靈動的外觀造型，類橢圓形的平面布局，加大了整體設計難度，故需引入Rhino全程輔助設計。

2.2方案階段的運用

在方案設計階段，主要運用Grasshopper編程生成主要形體(圖2)，后于Rhino中手動修改部分細節(jié)，靈活利用軟件如下特性，完善設計。

(1)可調整性

方案階段需要大量反復調整，利用Grasshopper參數化技術，僅需修改相應參數即可完成調整，節(jié)約建模時間。

(2)可視化

在調整參數的同時，可實時觀察建筑變化，并進行多方案對比。

(3)可控性

建筑體量基于參數生成，可利用編程控制建筑高度，幕墻出挑尺度，屋面坡度，立面虛實比例等限制因素，提高方案可實施性。

(4)圖紙兼容性

Rhino與CAD具有良好銜接，二者圖紙信息相互導入，保證造型與功能協調聯動配合。

2.3施工圖階段的運用

由于非線性建筑造型對內部空間的影響，各專業(yè)在依照傳統(tǒng)二維設計經驗工作時，均會遇到一定困難。故利用Rhino建模的精準性，配合Grasshopper參數化功能，深化設計，對部分內容進行三維建模(圖3)，并導出數據及圖紙，配合施工圖設計。

2.3.1幕墻設計

傳統(tǒng)二維設計方式在異形曲面幕墻的表達以及設計精確性上均有欠缺，故需采用三維設計與二維設計結合的方式深化。利用Rhino進行幕墻嵌板分割形式的確定與定位，再生成各平面定位點對應剖面，交由幕墻專業(yè)在二維圖形中深化設計(圖4～圖6)。

2.3.2構件定位

為使結構構件與建筑造型相適應，圈梁布置需順應幕墻走勢。此外，坡屋面為不規(guī)則形，在二維圖形上難以計算標高。二者皆需進行三維建模并提取標高信息(圖7)，供給結構進行梁、柱、網架設計。除結構構件外，屋面及排水檐溝坡度與標高、屋面格柵三維定位、馬道標高等部分，同樣需要利用三維模型提供基礎參數數據。

2.3.3管線碰撞

同時，三維模型的建立還提供了碰撞檢查功能，如上部空間網架與風管(圖8)、網架與馬道，幕墻立桿與結構梁柱等，可以達到一定BIM軟件的作用。

3　Rhino與Revit結合運用的探究

3.1Rhino與Revit各自的優(yōu)劣

Rhino在建筑造型及初步方案設計方面有明顯優(yōu)勢。其NURBS建模方式解決了復雜曲面及非線性造型建模問題。同時，在眾多二次開發(fā)者的努力下，各類專業(yè)建筑設計擴展插件層出不窮，如Visual-ARQ、PaneingTools、Grasshopper、RhinoBIM等，完善其建筑建模及分析能力。此外，隨著Grasshopper的出現，Rhino逐漸成為建筑參數化設計的主要平臺。

Rhino的不足之處也顯而易見。首先，通過封閉曲面拼合實體的建模方式與建筑的建造邏輯不同；其次，現階段BIM插件信息化程度不足；第三，軟件自帶出圖功能與我國出圖標準不同，圖紙仍需輸出CAD二次編輯修改，便利性不佳。

Revit的建模方式區(qū)別于傳統(tǒng)CG表現類軟件，不以點線面，而是以建筑構件為建模單元，更符合建筑的建造邏輯。其建模方式類似于天正Tarch繪圖，對已熟練掌握CAD及天正的設計人員而言相對容易。Revit的信息化功能已較為完善，不但兼具部分參數化能力，而且在圖紙表達方面基本滿足出圖要求，設計建模出圖一體化，簡化工作流程。

當然，Revit也有自身的不足之處。Revit體量建模工具也有一定的曲面造型能力，但較之專業(yè)CG建模軟件仍有較大差距。并且，建模過程中需設置大量信息，方案修改操作較繁復，時間成本較高。

3.2Rhino與Revit結合的優(yōu)勢

綜合來看，兩款建模軟件優(yōu)勢互補。結合雙方優(yōu)勢加以運用，可以規(guī)避Revit自身在曲面造型及細分處理中的弱勢及Rhino信息化程度不足的問題。為復雜形體BIM化提供一條較為便捷的道路，在參數化與信息化方面獲得更大的突破。

3.3結合運用的方法探究

借由閩清縣游泳館建設項目，筆者就參數化與信息化結合的實施方法進行實驗：利用Rhino完成造型等內容的參數化設計，再導入Revit，參照前期設計成果，完成全面信息化。目前Rhino導入Revit主要有以下兩種方式：

(1)Rhino轉存SAT文件，模型直接導入Revit

利用施工圖設計階段已經完成細分的Rhino幕墻嵌板模型，直接導入(圖9)，后在Revit中進行拾取并賦予參數。此法雖較為方便快捷，但導入后的模型可修改性差，信息參數需逐個賦予。且只能識別曲面，無法導入曲線信息。鑒于Revit曲面造型設計能力較弱，適合在造型已敲定的情況下使用。

(2)借由Grasshopper插件導入

為提高Rhino與Revit的協調性，開發(fā)者編寫了Hummingbird、Grevit等 Grasshopper插件，提供數據模型互導功能。筆者嘗試了點陣導入、線陣導入、體量曲面導入、構件導入等多種方式(圖10)。這種模式需借由Grasshopper簡單編程設置，導入Revit后自帶參數。并且導入的物件帶有Revit物件屬性，便于二次修改編輯。

4　關于設計階段引入BIM運用的思考

4.1目前BIM技術在國內的應用

BIM技術雖已在美國、日本、新加坡等地發(fā)展多年，且相對成熟，但在國內還屬于新興領域。據悉，目前我國建筑業(yè)信息化率僅為0.03%，與國際水平相差10倍?，F如今，工程項目施工難度加大，技術上的迫切需求與直接可見的效益回報，使得施工領域BIM應用熱情高漲。但在設計領域，目前BIM應用尚缺乏過程連續(xù)性及各專業(yè)關聯性(圖11)。BIM技術淪為“建模、翻?！惫┙o施工使用，BIM創(chuàng)新發(fā)展緩慢。

4.2設計階段引入BIM的益處與困難

BIM是一種貫穿建筑全生命周期的三維設計。設計階段作為建設工程的初始，建筑功能、造型、性能等一系列信息參數均在此階段創(chuàng)建[4]。故在設計階段引入BIM技術對建筑產業(yè)信息化尤為重要?；贐IM技術特性，在設計階段引入BIM有如下3點益處：

(1)設計圖紙與模型空間動態(tài)關聯，節(jié)省多視圖修改的時間成本；

(2)模型兼具設計與節(jié)能、通風、采光等多種模擬分析功能，避免重復建模并盡早做出針對性修改；

(3)各專業(yè)整合協同設計，提早介入配合，提高整體協調性，實現精細設計，減少施工階段設計修改成本。

雖然BIM技術優(yōu)勢明顯，但在實際應用中推廣仍十分緩慢。一是因缺乏熟練使用BIM軟件的人才；二是沒有BIM技術應用的專項費用，投入缺乏直接收益，設計人員積極性不高；三是受二維設計經驗影響，BIM技術的必要性被忽視；四是應用BIM技術后，設計更加精細化，工作量增加，加之軟件掌握不足，時間成本加大，促使設計人員退回二維設計模式。此外，還有行業(yè)標準不明、上層發(fā)展方向決策不清等諸多因素。

5　未來技術發(fā)展同參數化與信息化技術的聯系

近年，3D打印技術與VR技術等陸續(xù)崛起，引發(fā)了各個領域的變革。早在20世紀90年代中期，3D打印技術就已出現。隨著技術的不斷完善，3D打印不僅應用于小件物品，更顛覆了傳統(tǒng)建筑行業(yè)。如今，已有許多3D打印建筑的實例存在。而VR技術也早已發(fā)展了半個世紀，隨著近年其在游戲領域的應用，成為時下熱點，科技為建筑提供了更自由的建造方式，更靈活的設計、展示、檢測模式，而參數化與信息化正是順應這些變革的基礎。3D打印需要更全面的建筑信息模型，VR技術對建模的便捷性提出了要求。新技術不僅服務于建筑設計，也對建筑領域提出了更大的挑戰(zhàn)。

6　結語

參數化與信息化已是如今的行業(yè)熱點，也是未來的行業(yè)發(fā)展方向。在實際項目運用中，特別是復雜造型建筑的深化設計，不難發(fā)現三維設計較之傳統(tǒng)二維設計方式的諸多優(yōu)勢，如：設計精細化、直觀化、后期問題的可預見性等?？萍紟淼牟粌H是設計工具的轉變，更是工作方式和思維方式的轉變。引入參數化與信息化技術旨在通過這一平臺的構建，提升精細化設計概念，加速建筑產業(yè)現代化。

由于參數化設計與信息化技術涉及龐大的知識體系及多專業(yè)技術和學科知識，本文所言內容尚十分有限。對于如何順應科技發(fā)展，在設計領域進一步提高參數化與信息化程度，還有待更多思考。

[1]曾旭東，王大川，陳輝.Rhinoceros & Grasshopper參數化建模[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[2]岳杰.BIM技術及其在建筑設計中的應用[J].四川建材，2011(5)：270-271.

[3]張龍.參數化建筑設計的本土化應用[D].山西：太原理工大學，2015.

[4]周佳悅.BIM技術應用模式分析與適應性設計探索[D].遼寧：大連理工大學，2014.

注釋

①Polygon建模即通過許多三角和四角平面的組合模擬復雜曲面造型。

②NURBS全稱為“非均勻有理B樣條曲線”，NURBS建模即通過U、V兩個方向的曲線集合得到曲面。

圖 片 來 源

文中插圖均為作者自繪

Discussion on the parameterization and informationization of architectural design——Take the natatorium construction project in Minqing County for example

DONG Xinyi

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

Parametric technology and information technology meet the requirements of the digitized era, and also make up for the shortcomings of traditional two-dimensional design patterns. Taking Minqing swimming pool construction project as an example, This article introduces the use of Rhino and Grasshopper from schematic design to construction design. It also analysis the feasibility of the combination on Revit and Rhino. Combined with VR technology 3D printing technology，it discusses the direction of future technology in architecture.

Parametric design; Rhino; Grasshopper; Informationization; BIM

董新怡(1992.6-)，女，助理建筑師。E-mail:dongxyi@qq.com

2016-08-05

TU2

A

1004-6135(2016)09-0033-05