浅谈参数化设计在建筑设计中的应用

浅谈参数化设计在建筑设计中的应用

摘要：本文试图探讨以数学为媒介，通过研究几何关系、逻辑、软件实现新的建筑设计手法。介绍了参数化设计的价值、前世今生，并以计算机为媒介的参数化设计的新理念。

关键词：参数化设计数学逻辑表皮

一、参数化设计的价值前景

参数化设计如今是如日中天，它的产生打破了一直以来建筑界的沉寂，给建筑界带来了无限的前景。然而，在这个追逐时尚的中国建筑市场里面，又有多少人真正的了解参数化设计呢？

也许有很多人认为参数化设计是最近几年才开始产生的，其实不是，参数化设计早已有之，它早就被利用于建筑设计之中，只不过他们并没有利用计算机的辅助。参数化设计的核心其实是数学，而并非计算机，计算机的运用其实是让参数化设计变得更加可行、更加方便、更加精确。

二、参数化设计的前世今生

参数化设计其实是来源于数学对自然界形态美学的解析。人们希望运用数学去掌握美的形式。最典型的是人们利用比例去寻找美的内在联系。古代的建筑师也是这样运用“比例”来进行建造的。罗马柱是依照柱子的直径来设计其他部件的，中国古建筑的斗拱也是作为一个参照模数进行组装的。而之所以用这一标准来衡量美以及自然，是因为当时还没发明小数点，而且也无法进行标准化生产，所以无法精确的去控制每个元件的尺寸。

建筑师对自然界形态的探讨和解读，并利用不同的方式把自然形态移植到建筑结构上，而这些探索慢慢的开始利用几何学原理和微积分来解析建筑和自然界。而他们主要是依照以下几个方面进行研究的：高迪设计的圣家族教堂所采用的重力悬垂绳索模型；弗赖•奥托设计的曼海姆联邦园林展的大顶棚，所采取的气泡力学原型；富勒的密苏里州植物园采用分子/晶体结构的空间网架机构等。

从根本上讲，参数化设计是把事物量化，揭示的是其最本质的东西，反而是最能体现形体美学、功能的形式的设计方式。而在21世纪的今天，计算机的引入，让参数化的作用日益强大。

三、计算机时代的参数化逻辑设计系统

1、L-SYSTEM

MHCA组织就试图利用L-SYSTEM系统的逻辑思路，运用到建筑上面。他

的设计方式是利用L-system生成一组树形结构的代码，然后再通过这些代码赋予其意义。这种方式被称为Turtle，譬如赋予a向前走，b向右拐，c向左拐。而设计师则在这个基础上添加了两个因素：道路和箱子。让形体与空间的环境作出回应。譬如如果旁边是洼地，就向下转，向下转动必须要求是一条倾斜10度的斜线，以适于人通行，而大概3米必须变回水平方向，而这条路的方向受到中心点的限制。每隔10米或者每10平方米空间建立一个箱子，箱子尽量靠在一起……在这些简单的规则下，我们会发现，最终生成的形态是复杂的、符合现实的。

2、VORONOI系统

VORONOI又叫泰森多边形或Dirichlet图，也有通俗的叫做泡沫逻辑系统。它是由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面；每个点与它的最近邻区域相关联。VORONOI系统又分为2D VORONOI系统和3D VORONOI系统。

2D VORONOI系统，当图面上有了两个点后，图面会出现一条黑线。这条黑线实际上是两个黑点之间的连线的垂直平分线。如果我们再加上一点，我们会发现多了两条黑线，着两条黑线是新的点与原来的两个点的连线的垂直平分线。这时候平面被分为三份。依次类推，随着点的增加，形态就变得越来越复杂。

3D VORONOI系统也同样的道理，不过它的垂直平分线换成了面，两点的交线穿过一个垂直平分线于它的面。而2008年奥运会场馆----北京国家游泳中心“水立方”则是巧妙的借用这种算法实现的。

2、Info on surface系统

Info on surface系统是指表皮的处理数据化系统。这关系到表皮的设计、搭建、是否标准化生产、成本控制……于非线性建筑的形态相对于传统的欧几里得的建筑几何更为复杂，特别是不规则的曲面，利用传统的施工图设计处理手段显然比较的吃力。在解决建筑复杂的曲面表皮的时候，我们会想到如何去控制建筑的形态，这体现在审美的标准，建筑的经济性和技术性，如建筑表皮的分割、拼接问题。如果建筑的表皮是个单曲面，那就很好解决，如果建筑是双曲面结构，那么就涉及到十分多的施工技术问题。

另外通过对表皮的信息化，还能够作出其他十分有趣的设计，Rob Ley运用一种叫SMA特殊金属，是一种记忆金属，会随着温度的变化，而产生不同的形变。他通过对金属通电，控制金属的温度，让金属产生形变，从而改变附着在金属上的塑料板的角度。让这个装置变得像是柔软的生物皮肤，这种设计无疑是建筑的表皮软化和建筑智能化的一个很好的启发和实验。

3、Attractors & Field系统

Attractors & Field系统是利用一个或多个Attractors与Field发生关系，并造成相互的影响。而Attractors会作为一个干扰源，而Field则作为一个影响的对象，

这就如同太阳和向日葵园的关系。太阳作为一个Attractors，它影响向日葵的因素是太阳的光照，因此光照成为这个Attractors的变量，而这个变量有方位的变化，有光线强弱的变化，甚至有周期运行的规则变化。这都是对向日葵的朝向、生长形态和整个向日葵园的整体形态造成影响的。而Field就是整个向日葵园了。

而Field可以理解为一个摆着许多探测器的空间，它会对Attractors发出的“力场”而得到相应的数据。这些数据可以转化来控制这个空间的形态，从而产生Attractors与Field的互动关系。

林恩作品三门之桥就是利用了粒子流的设计方式。他对曼哈顿林肯隧道至港务巴士终点站之间的人流、车流的速度、流量、行走路径等参数作归纳，通过粒子喷射器的模型进行模拟。他在巴士终点站入口处设置了一个粒子喷射器，粒子喷射器以一定的速度和密度喷射粒子，每个粒子分别收到虚拟场地中的各种分析参数转化的力的影响而改变自己的位置，当粒子连为一体的时候，林恩认为它能够真实反应空间场中的力和矢量，从而得到了大跨度结构的形式。

4、Cellular Automata系统

如果把一大群Attractors都作出变量的相互影响，把Attractors的整体作为一个field，也就是Attractors成为干扰源和受影响对象，那么，这个影响就会变得更加的复杂，这种模型也同样能够模拟人的活动。而这种系统就是Cellular Automata系统，称为元胞自动机系统。

“东南大学的‘Cube 1001’就是利用细胞自动机在建筑设计方面的研究，将细胞定义为建筑体块，设定恒定的体块单元，邻居半径设为4，就是体块的上下左右四个相邻单元作为整个进行计算。简单说规则是，每个单元至少有一个采光面，并设定详细的建筑一层规则，二层规则和三层规则。通过计算机的自动生成，得到一系列的具有自然采光合理性的建筑聚落。”