吳佳倩，李 飚，莫怡晨

引言

第四次工業(yè)革命的背景下，信息技術(shù)驅(qū)動著社會生產(chǎn)方式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建筑業(yè)也面臨著行業(yè)整合與產(chǎn)業(yè)升級的重大變革。尤其是進入21世紀后，建筑師所面對的信息數(shù)量翻倍，所要處理的問題復雜程度激增[1]。2020年9月，住房和城鄉(xiāng)建設部等九部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》指出，行業(yè)應重點推進系統(tǒng)化集成設計與精益化生產(chǎn)施工，實現(xiàn)建筑工業(yè)化[2]。下游生產(chǎn)建造環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)型升級，要求建筑設計階段進一步優(yōu)化數(shù)據(jù)集成模式，更好地實現(xiàn)信息整合與共享，形成從智能設計到先進建造的完整“數(shù)字鏈”系統(tǒng)[3]。當前，設計方面仍以單項技術(shù)推廣為主，缺乏有效整合[4]。而生成設計方法具備數(shù)字化、信息化、智能化的特征，這種依托于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的設計模式有利于提高設計與生產(chǎn)及建造環(huán)節(jié)的對接效率，從而推動建筑全產(chǎn)業(yè)鏈的工業(yè)化進程。

在建造層面，以裝配式住宅為代表的精益化施工則是促進工業(yè)化的關(guān)鍵路徑。近年來，我國開展了一系列住宅產(chǎn)業(yè)化試點工作，市場上涌現(xiàn)了一批裝配化建造住宅項目。其中，高層住宅具有市場需求大、實踐項目多、標準化程度高的特征，因此，高層裝配式混凝土建筑發(fā)展較快。這一建造方式需要對建筑進行系統(tǒng)性拆分，涉及建造材料、部品部件等方面的海量數(shù)據(jù)。目前，裝配式住宅的建設過程仍存在設計、生產(chǎn)、建造相分離的情況。改變這一現(xiàn)狀有賴于從設計端建立高度集成的一體化信息管理體系。

立面造型作為高層住宅建設的一個子問題，信息整合可為其提供更高效的系統(tǒng)化解決方案，綜合提升設計深度與建造完成度。建筑生成設計方法通過剖析住宅立面構(gòu)成要素，提取組合邏輯并轉(zhuǎn)化為編碼信息，應用基于規(guī)則的過程建模方法[5]生成具備可信細節(jié)的立面模型，由此產(chǎn)生一系列的語義化、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。相關(guān)程序工具實時反饋當前方案的量化指標及建造數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)化集成設計提供數(shù)據(jù)支撐和理性參考。這一信息組織模式一方面可以輔助建筑師進行方案的評估和調(diào)整；另一方面，有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及后續(xù)對接精益化生產(chǎn)施工。

當前國內(nèi)外有關(guān)立面生成方法的研究主要圍繞兩個方面：基于建筑要素的立面生成與性能驅(qū)動的立面表皮生成。前者依托現(xiàn)有案例，進行規(guī)則提取，從而生成立面圖或三維模型。如Wonka等[6]利用拆分語法自動構(gòu)建立面并實現(xiàn)參數(shù)化控制；針對傳統(tǒng)街區(qū)建筑立面更新問題，Tang等[7]基于粗糙集理論制定要素的組合規(guī)則，實現(xiàn)立面生成。后者則關(guān)注在前期設計階段整合能耗、建造等約束。如Gagne等[8]運用遺傳算法探索了采光設計主導的立面生成。綜上所述，既有研究少有從信息整合的視角出發(fā)，利用住宅平、立面的內(nèi)在耦合關(guān)系生成立面模型，并集成相關(guān)的指標運算。此外，既往研究多采取底層開發(fā)獨立工具的方式進行程序探索，靈活性強，自由度高，但其輸入輸出往往需要遵循一定的協(xié)議，以對接通用文件格式，互操作性較弱，導致這類工具與主流建筑設計軟件之間存在較高的轉(zhuǎn)換成本，因而限制了其應用及推廣。

本研究著眼于高層住宅立面這一具體問題，期望從信息整合、生成方法和工具實現(xiàn)三個維度（圖1），討論高層住宅建筑信息的數(shù)字化描述及編碼方式，探索規(guī)則導向的建筑立面生成方法，同時，提出基于Revit平臺和Java程序設計進行面向建筑師的工具開發(fā)的架構(gòu)思路，使得生成工具可以相對順暢地嵌入到建筑師的工作流當中，從而優(yōu)化建筑信息管理方式，促進數(shù)據(jù)整合與系統(tǒng)化集成設計的應用。

圖1 研究思路

1 高層住宅立面設計的信息整合

在問題層面，建筑工業(yè)化意味著設計、生產(chǎn)、建造各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享和專業(yè)協(xié)作。而在方法層面，生成設計是“對建筑的一種理性回歸”[9]，其基本的應用思路是從建筑學語境中，提取定義相對明確、可編碼的問題，轉(zhuǎn)化為合適的計算模型進行求解。不管是問題還是方法，兩者的基礎(chǔ)都是確定簡潔、有效、全面的信息協(xié)議。高層住宅立面設計問題，不僅涵蓋三維空間點、線、面等基本的幾何圖元數(shù)據(jù)，更需要建立對高層次建筑學語義的數(shù)字化描述體系，其中涉及從抽象到具體、從宏觀到微觀等一系列不同層面的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的信息整合與集成。本研究引入層級式的描述方法對其進行編碼。

1.1 建筑信息的數(shù)據(jù)表示

計算機中常見的三維數(shù)據(jù)表示方法（如Mesh網(wǎng)、體素、點云等）描述的主要是坐標、幾何圖元一類低語義層次的信息。許多主流的建模和繪圖軟件均采用此類存儲方式，導致了數(shù)據(jù)組織效率及信息整合度低的問題，難以應對建筑學這一復雜系統(tǒng)中的學科問題。建筑模型除了基本的幾何信息外，通常還涉及大量多維度、多層級的信息，如門窗、材料等具象要素，平面功能的拓撲關(guān)系等抽象信息，樓板厚度、欄桿間距等微觀數(shù)據(jù)，以及體形系數(shù)、窗墻比等宏觀數(shù)據(jù)。因此，以上表示方法并不能妥善解決高層次的建筑學語義描述問題，遑論在設計階段實現(xiàn)生產(chǎn)、建造信息的一體化管理。如今受到廣泛關(guān)注的BIM技術(shù)，則以IFC1）作為數(shù)據(jù)標準，通過定義實體（Entities）、類型（Types）以及屬性集（Property sets）實現(xiàn)對建筑工程的完整數(shù)字化表達，來促進項目全生命周期中各方數(shù)據(jù)的共享與交換[10]。IFC標準語義豐富，但模型數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，在現(xiàn)階段仍存在各軟件與IFC數(shù)據(jù)交互不一致的問題。

1.2 立面的層級式描述方法

本研究提取出立面生成涉及到的主要建筑信息，采用層級式的系統(tǒng)化描述方法，包含空間對象與對象布局[11]1968，覆蓋點、線、面等抽象幾何基類，門、窗、欄桿等建筑構(gòu)件，以及要素組合規(guī)則等層面。高層住宅的一種常見設計范式是基于三段式劃分，推敲確定標準層平面后展開立面的深化設計。在此，參考Lee等人[12]提出的基因型表示方式，從“體量-標準層-開間-構(gòu)件”四個遞進層級（圖2），自上而下地對建筑立面進行描述。

圖2 層級式描述方法

體量層級記錄了建筑的立面風格等宏觀控制參數(shù)、平面圖序列及對應標高等數(shù)據(jù)。標準層層級保留了建筑平面圖中影響外立面生成的信息，通過半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2）刻畫抽象的拓撲關(guān)系（圖3）。而在開間層面，存儲了其對應的內(nèi)部功能以及拓撲上的相鄰關(guān)系，進一步地，通過參數(shù)化描述方式記錄門、窗、欄桿等構(gòu)件信息，建立數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)和依賴，以達到完善語義豐富度、整合建筑信息、高效訪問及查詢數(shù)據(jù)的目的。

圖3 半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)刻畫的平面拓撲關(guān)系

2 高層住宅立面生成方法

就高層住宅這一特定的建筑類型而言，內(nèi)部功能與使用需求相對固定，立面往往遵循特定的設計范式。其形式與平面功能存在一定的映射關(guān)系。因此可將平面和建筑風格作為影響立面的主要因素，繼而對立面幾何特征與組合規(guī)則進行抽取歸納。程序工具解析輸入的建筑平面，獲取功能拓撲關(guān)系與幾何圖元信息，然后遵循一定的建模邏輯生成立面。這種過程建模3）方法依賴預定義的一系列規(guī)則集，用以描述構(gòu)件組合的幾何或語義信息[11]1969。基于1.2中的表示方式，每個層級預定義了平行的多條規(guī)則并統(tǒng)一轉(zhuǎn)譯、編碼，依靠各層級的規(guī)則重組來表示不同的立面結(jié)果。

2.1 高層住宅的典型立面模式

高層住宅設計問題有其功能限定的約束，其立面設計也逐漸發(fā)展出了一些策略與模式，包括三段式構(gòu)成、風格化裝飾等。現(xiàn)階段，針對國內(nèi)高層住宅的立面造型問題，已有較為系統(tǒng)的研究，涉及到風格類型、組織構(gòu)圖方式、構(gòu)成要素等方面的總結(jié)。如李穗[13]對當前國內(nèi)城市高層住宅的立面形式進行了分類，包括Art Deco風格、現(xiàn)代風格等。張維昭[14]從立面元素構(gòu)成關(guān)系的視角，分析了高層住宅的立面表達。筆者[15]基于構(gòu)圖規(guī)則選取了三種典型的立面組織模式：垂直型、水平型、網(wǎng)格型（圖4），總結(jié)了體量關(guān)系、虛實比例、裝飾處理等維度的特征，通過墻、板、構(gòu)件的不同組合方式，塑造風格各異的立面形象。

圖4 垂直型、水平型、網(wǎng)格型構(gòu)圖規(guī)則

2.2 基于規(guī)則的三段式立面生成

程序?qū)⒘⒚婺Ｐ筒鸱譃轫敳?、主體和近地部，適用不同的形式規(guī)則進行生成。就主體標準層而言，針對輸入的平面信息，計算機獲取每個開間對應的內(nèi)部功能，由此可以定義不同功能的界面虛實關(guān)系，選擇合適的門洞或窗洞大小。進一步地，構(gòu)件樣式的選取則主要取決于風格、房間功能以及開間的面寬尺寸。根據(jù)輸入端的風格類型，程序還將采取不同的元素和裝飾處理手法，比如垂直型構(gòu)圖突出縱向裝飾柱，水平型構(gòu)圖采用出挑樓板，以及一些細部的腰線和欄桿樣式的變化等等。圖5為同一套輸入平面生成的不同立面模型，分別對應垂直型、水平型和網(wǎng)格型的構(gòu)圖規(guī)則。輸出結(jié)果不僅包含具備可信細節(jié)的立面模型，更重要的在于，通過生成設計保留了大量的語義信息，使得設計數(shù)據(jù)脫離信息孤島的狀態(tài)，被有效組織和關(guān)聯(lián)起來，成為可追溯、可索引的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，一方面使得方案設計的修改成本大大降低，另一方面也為建筑全生命周期的信息整合提供了可能性。

2.3 立面相關(guān)指標數(shù)據(jù)運算

生成立面模型的同時，程序工具可實時輸出當前方案的相關(guān)指標數(shù)據(jù)，輔助建筑師進行統(tǒng)籌規(guī)劃設計。由于建立了信息編碼和規(guī)則系統(tǒng)，從生成模型中可以挖掘出許多有效信息，在此歸納為三類：模型信息（長度、面積等）、性能指標（體形系數(shù)、窗墻比等）和建造數(shù)據(jù)（部品規(guī)格及數(shù)量、耗材等）。表1的輸出數(shù)據(jù)來源于圖5的立面生成結(jié)果。此外，為了更好地把控立面建造細節(jié)，相關(guān)的深化工作如排磚分縫也可進行自動化生成。如圖6所示，程序可生成面磚鋪貼方案，立面多采用橫磚，在樓板及洞口上下邊沿設置1～2匹豎磚對立面進行進一步劃分，并確保磚縫與洞口對齊。同時，程序可識別角部磚、整磚、碎磚等類型，輸出相應的規(guī)格及用量（表2）。在這套工作流程中，方案的指標數(shù)據(jù)運算被前置到設計初期，建筑師通過對經(jīng)濟技術(shù)指標等量化因素進行監(jiān)測，推動方案的優(yōu)化調(diào)整。從業(yè)者可通過進一步整合成本、造價等信息，深化各個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)、不同信息粒度的數(shù)據(jù)集成工作。

圖5 不同規(guī)則下生成的立面

圖6 排磚分縫的自動化生成

表1 立面相關(guān)的部分指標數(shù)據(jù)輸出

表2 面磚規(guī)格及用量

3 面向建筑師的信息集成與生成設計工具實現(xiàn)

面向建筑師的工具開發(fā)涉及到的一個關(guān)鍵問題是，該工具在設計工作流中如何與上下游的數(shù)據(jù)形態(tài)進行對接和信息交換。前后環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)匹配也是眾多底層開發(fā)的獨立工具的痛點所在，這導致獨立程序往往需要實現(xiàn)對常見通用格式的解析與輸出功能，或者要求輸入端遵循一定的文件協(xié)議，如此，用戶不得不付出額外的平臺轉(zhuǎn)換成本。

本研究選擇依托Revit生態(tài)作為前端，結(jié)合Java程序設計進行生成工具的開發(fā)。其主要原因如下：（1）Revit是目前主流的BIM軟件之一，通用性較強，互操作性佳，便于不同維度不同階段的信息整合，生成工具集成到這一平臺后也將具備更好的傳播性與便利性；（2）Revit建筑模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基于IFC標準，具備非常詳細的建筑學語義信息，這對于建筑的數(shù)字化描述和抽象表示有著重要意義；（3）Revit提供了完整的API，有著較完備的開發(fā)文檔與編程接口，其開發(fā)環(huán)境允許使用者通過任何與.NET框架兼容的語言進行二次開發(fā)，保留了一定的靈活度，可開發(fā)性較強；（4）Revit的“族”概念架構(gòu)提升了構(gòu)件的可重用性，有利于構(gòu)件庫的適配與擴展。

3.1 基于Revit API二次開發(fā)的前端交互插件

本生成工具將Revit插件作為前端，承擔用戶交互、輸入數(shù)據(jù)、顯示渲染等功能。藉由Revit平臺完善的信息集成機制和成熟的交互設計，建筑師的輸入操作得到了極大的簡化。用戶在不同標高中繪制相應的平面拓撲關(guān)系，并在圍合區(qū)域內(nèi)標記房間，房間名稱為功能（圖7）。插件自動獲取與外立面生成相關(guān)的房間數(shù)據(jù)，如立面開間對應的內(nèi)部功能、房間鄰接關(guān)系等等，提取出如圖3所示的抽象信息。在交互界面（圖7），輸入端需提供三個部分的參數(shù)：（1）風格參數(shù)，即預定義的不同建模規(guī)則；（2）幾何參數(shù)，平面對稱性、墻厚、樓板厚度及層高；（3）平面參數(shù)，將不同樓層與文檔中的標高平面對應起來，指定每個平面適用的樓層。完成后即可向服務器發(fā)送運算請求。

圖7 平面信息輸入形式

3.2 基于Java底層實現(xiàn)的后端運算程序

通過Java語言實現(xiàn)第2節(jié)所述的生成設計程序，并打包為可執(zhí)行JAR文件在后端服務器上持續(xù)運行，承擔處理不同的輸入數(shù)據(jù)、運算和輸出結(jié)果的作用。同時，服務器中存儲了預定義的構(gòu)件庫（門、窗、欄桿、輪廓等Revit族文件）以及相關(guān)編碼信息，可用于網(wǎng)絡通信傳輸，提供給客戶端進行下載。

3.3 生成工具的主從式架構(gòu)設計

生成工具的開發(fā)采用了主從式架構(gòu)4），即客戶端和服務器通過網(wǎng)絡進行通信（圖8）。本地客戶端主要完成交互、建模以及顯示的工作，服務器進行過程建模運算以及構(gòu)件庫的存儲。這一架構(gòu)的優(yōu)勢在于，其一，輕量級的客戶端對本地資源占用極小，大量運算由服務器完成，運行效率更高；其二，工具的維護更為便利，對于構(gòu)件庫和規(guī)則系統(tǒng)的更新，開發(fā)者通過完善服務器的后端運算程序即可，通常不需要頻繁對客戶端進行維護。

圖8 主從式架構(gòu)示意圖

插件的工作流程（圖9）為： Revit端插件程序提取和處理建筑平面信息，收集用戶輸入?yún)?shù)，向服務器發(fā)送請求；服務器響應，完成運算后返回結(jié)果；客戶端解析數(shù)據(jù)流并從文件服務器構(gòu)件庫中下載對應的門窗、輪廓等Revit族文件，最終在本地文檔中進行建模（圖10）以及相關(guān)指標數(shù)據(jù)的運算。工具可實現(xiàn)2.3節(jié)所述三種構(gòu)圖規(guī)則下的立面模型生成及指標輸出，并在服務器端搭建了相應風格樣式的Revit族數(shù)據(jù)庫，包含欄桿、門、窗、腰線等細部構(gòu)件。隨著項目的積累，可進一步整合不同規(guī)格的部品信息，擴大數(shù)據(jù)庫規(guī)模。全流程的數(shù)據(jù)交互較為平滑，用戶獲得的輸出結(jié)果是一個符合IFC規(guī)范的Revit模型（圖11），可進行平臺上的其他后續(xù)操作，具備較好的可編輯性和結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)組織模式。

圖9 程序流程泳道圖

圖10 運算完成界面

圖11 生成結(jié)果

在實際生產(chǎn)中，面向工業(yè)化的生成工具的實現(xiàn)需要產(chǎn)業(yè)上下游的協(xié)同配合，構(gòu)建與物質(zhì)化實現(xiàn)過程對應的完整數(shù)字鏈（圖12），推動標準化設計—自動化生產(chǎn)—裝配化施工的一體化建造體系。一方面，設計師需要基于經(jīng)驗與直覺提取設計范式，歸納相關(guān)的生成規(guī)則，以便將更多的項目經(jīng)驗編碼為程序標準化流程；另一方面，制造者與供應商應參與到數(shù)據(jù)平臺的完善工作中來。除門窗等基本部品外，還應將預制混凝土構(gòu)件（如預制樓梯、預制保溫墻板）等高度集成化的產(chǎn)品納入數(shù)據(jù)庫中，將規(guī)格化的構(gòu)件生產(chǎn)體系轉(zhuǎn)化為共享數(shù)字資產(chǎn)，以便建筑師統(tǒng)籌全流程，從而實現(xiàn)生產(chǎn)可控、施工可控的系統(tǒng)化集成設計。

圖12 建筑工業(yè)化的物質(zhì)化實現(xiàn)及數(shù)字鏈

結(jié)語

本研究著眼于高層住宅立面問題，在新型建筑工業(yè)化與系統(tǒng)化集成設計的背景下，從信息整合、生成方法和工具架構(gòu)三個方面展開理論研究與編程實踐。在語義豐富度和簡潔性的權(quán)衡中，通過定義層級化描述方法，編碼特定問題中的建筑信息；探討了基于規(guī)則系統(tǒng)的立面生成方法，實現(xiàn)了特定的立面模式在不同方案中的快速重用；并且，搭建了構(gòu)件族數(shù)據(jù)庫，在方案前期階段整合部分指標和建造相關(guān)數(shù)據(jù)，輔助設計師進行立面造型設計，同時也為產(chǎn)業(yè)信息集成提供了一種技術(shù)路徑。研究采用主從式架構(gòu)設計的策略，依托主流BIM軟件Revit平臺進行二次開發(fā)，初步實現(xiàn)了面向建筑師的信息整合與生成設計插件，探索了底層開發(fā)的程序工具在BIM生態(tài)中的介入形式以及提升用戶化程度的推廣方法。目前來看，本研究尚存在以下問題值得探討：1）建筑業(yè)的信息化和自動化程度尚低，行業(yè)的信息整合需要上下游從業(yè)者的通力合作。建立各個環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)的數(shù)字化描述、深化推廣統(tǒng)一的信息協(xié)議與數(shù)據(jù)標準仍有諸多挑戰(zhàn)，例如裝配式建筑從設計到拆板的整合問題等；2）基于規(guī)則系統(tǒng)的生成方法往往是自上而下的，程序執(zhí)行一套確定的邏輯判斷處理不同的輸入情形。本研究中的算法模型簡化了生成規(guī)則，主要圍繞平面功能信息進行編寫，許多立面設計影響要素如場地、文脈、氣候等未能納入考慮。該方法依賴于規(guī)則的提煉和制定，在發(fā)展和更新方面存在一定的局限性。在進一步的研究中，一個可探索的方向是，用戶通過客戶端上傳建筑樣例，后端程序運用概率方法進行推斷和學習的生成機制[16]。

總體而言，新型建筑工業(yè)化發(fā)展與聯(lián)合國提出的“住宅產(chǎn)業(yè)化”的6條標準相一致。依托數(shù)字技術(shù)和生成設計方法，行業(yè)上下游應協(xié)同整合建筑全生命周期信息，包括設計范式、構(gòu)件體系、建造標準等等，積累行業(yè)數(shù)字化資產(chǎn)，打通各環(huán)節(jié)的信息對接工作，實現(xiàn)建筑項目的信息共享以及設計—建造一體化流程中的數(shù)據(jù)連續(xù)性。建筑師在工業(yè)化思維的指導下，通過前期的信息集成設計，強化對生產(chǎn)和建造階段的把控，為產(chǎn)業(yè)鏈下游提供良好的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，由此降低方案修改及交接成本，提升建設質(zhì)量和效率，從而推動建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級。

圖、表來源

圖1～3、8、9、12：作者繪制；

圖5～7、10、11：作者編寫程序生成；

圖4：參考文獻[14]；

表1、2：作者編寫程序生成。

注釋

1）IFC（Industry Foundation Class）數(shù)據(jù)模型旨在描述建筑行業(yè)數(shù)據(jù)，是由buildingSMART International發(fā)布的一種開放文件格式規(guī)范。

2）半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Half-Edge Data Structure）是一個以網(wǎng)格有向邊為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含的主要元素為頂點、半邊和面片，多用來處理鄰近查詢等問題。

3）過程建模（Procedural Modeling）是指通過過程設計和過程定義來建立模型。

4）主從式架構(gòu)（Client-server model），也稱C/S架構(gòu)、客戶端/服務器架構(gòu)。每一個客戶端實例均可向服務器發(fā)出請求，服務器處理請求并傳回結(jié)果。