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参数化设计中的生成逻辑研究.rar

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    编号:20181101170524797    类型:共享资源    大小:7.60MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    参数 设计 中的 生成 逻辑 研究
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    参数化设计中的生成逻辑研究刘 璟北京建筑大学,建筑与城市规划学院ljing0107@163.com摘要:在信息化时代,数字技术渗透到了人们的日常生活当中,为人们提供便利的同时,也在影响着人们的生活方式。之前科技的发展使建筑师摆脱了手工制图,进入到电脑制图阶段。现今,数字技术在建筑界的应用使建筑师从计算机辅助制图进入计算机辅助设计阶段,并通过算法进行参数化建筑设计,这次技术的进步将为建筑设计带来革命性的变化。本论文将从生成逻辑的角度去探讨参数化设计的本质。关键词:参数化设计;褶子理论;生成逻辑;算法Abstract: In the information era, digital technology has penetrated into people's daily life, providing convenience for people, also influence people's way of life. Before the development of science and technology, the architects designed buildings from the manual drawing into computer drawing stage. Today, the application of digital technology in the construction industry let the architect from computer aided drawing to computer aided design, and parametric design by this algorithm, the progress of technology will bring revolutionary change for architectural design. This paper will be generated from the logical perspective to explore the essence of parametric design.Keywords: Parametric Design; Fold Theory; Generative Logic; Algorithm1序言随着科学技术的发展与成熟,计算机技术正在逐渐向建筑学领域渗透,为满足日趋复杂的设计任务和生成多样的建筑形态提供了可能。二十世纪七十年代西方工业化生产影响到建筑学,建筑业开始遵循大工业的生产方式进行建造,此种生产方式逐渐取代了手工业生产。建筑工业化使得构件标准化、施工机械化,这大大提高了生产效率和工程质量。但当今时代,建筑师的思想越来越活跃、创意日益奇特,并且设计任务要求也日趋繁杂,传统的建筑工业化方式已不能满足这些需求。然而数字生成技术的出现给解决这些问题带来了可能,这种设计方法更加理性客观,极大地提高了生产效率,生成的结果多样、可控。数字建筑的生产方式突破了各学科之间的壁垒,将建筑设计理论与其他学科知识相结合,设计过程纳入了计算机算法、程序,最终的生成结果是最优化的整合。这种高效的设计方法称为“参数化设计” 。2褶子理论对参数化设计理论的影响德勒兹十二世纪著名的后结构主义哲学家,他提出了“褶子”理论,褶子体现了重复性和差别性,可以被用来形容物体的生成规则。该理论被引用到了数字建筑设计中,用以解释曲面是如何形成的。格雷戈·林恩提出了“泡状物” ,这个理论思想就来源于德勒兹的“褶子”理论。 “泡状物”被林恩视为物体的最基本单元,具有自主性,在聚集时能够相互作用形成平滑统一的整体。林恩将这种理论应用到建筑设计中,他把建筑场地看成是一个物理场, “泡状物”代表了场地中的物体,通过参数因子的影响而相互作用生成建筑物。外力的作用与规则的建立形成一个参数模型,通过调节参数来改变和控制建筑形体。德勒兹的“褶子”理论说明了建筑的生成思想和方式,建筑是连续、平滑、动态的,是通过内外折叠形成的。参数化设计理论依托于德勒兹的哲学思想,数字建筑中探讨的连续性、差异性、平滑、折叠、生成都应用了德勒兹的理论。当今建筑界一些先锋建筑师也将德勒兹的褶子思想运用到自己的实践当中,例如 UN Studio建筑设计事务所,埃森曼等都在建筑项目中尝试应用褶子理论进行设计工作。3设计中的生成算法3.1算法概念建筑设计是感性与理性的结合,数字建筑的出现使得设计过程更加客观、理性,通过编写程序语言来生成建筑形态、内部空间和建筑结构等。用计算机编写程序进行设计是一种全新的设计思路与方法,这就需要跨学科,引入一些算法服务于建筑设计过程。参数和算法是参数化设计的主要构成部分,它将影响因素和设计元素都整合于一个体系当中,通过计算机软件平台,将参数数据输入到计算机程序算法之中,最终生成多样的设计结果,调节,调节各影响参数可以达到控制建筑形态的目的。当我们在解决问题时,会去研究参数之间的逻辑关系,提取出抽象的逻辑原则,形成具有指导意义的一系列流程,就可以得出解决问题的相关算法。3.2建筑学中的算法应用算法是一种逻辑,是客观的、理性的和抽象的。然而数字建筑形式的生成也有其逻辑原则,环境中的人流、天气、文脉等因素都可以作为参数对最终的形态产生影响。当建筑学引入复杂性科学时算法的重要性显得越来越重要,利用算法的准确性来解决建筑的形态、功能、空间等问题,例如将行人视作对象,设定其运动速度及状态,通过参数的调整生成建筑形态,这种概念的转化与抽象的提取也可以用于建筑设计的其他方面。在参数化设计中建筑形态的生形可通过计算机算法加以控制,数字时代的到来,使得计算机真正地辅助建筑设计。传统的建筑设计中,建筑形态符合欧几里得的几何形态,建筑师通过操作软件的指令来构建建筑模型,实现自己想法,这不是建筑的生成方法。参数化设计则完全是由程序算法生成,背后有逻辑规则作为支撑,形成的建筑形态和空间造型是非欧几何的、曲面形态的。以收集的数据作为条件,通过算法程序来对复杂的建筑几何形态进行模拟,成为一种独特的建筑设计语言。4参数化设计的思维方式虽然参数化设计被引入中国有近十年,但国内对于参数化设计的认识与国外仍然存在较大差距。建筑外部形体的生成逻辑是国内建筑师关注的,而国外建筑师更注重建筑的建构逻辑。参数化设计过程强调的是过程逻辑,形体只是在确立了初始条件因素后,经过一系列的逻辑推理过程生成的,而不是简单地复杂表皮表达。传统的计算机辅助设计和计算机辅助建造在一定程度上解放了建筑师,并有效地提高了建设效率,然而,现今正在流行的数字技术将会改变建筑师的思维方式和设计方法,并能极大地提高复杂建筑形体的建造精度和效率。通过对国内建筑作品图纸分析可以看出,国内的参数化设计着眼点在于建筑表皮的肌理纹样上,而对于形态是如何生成的往往只是简略提到,但外国作品则很强调参数化设计的生成过程,参数控制、逻辑法则、建构逻辑才是重要设计环节,形态只是生成的结果,这就需要国内建筑师对于数字建构方式进行认识上的调整,以充分发挥数字技术的作用。4.1多种元素共同相互作用参数化设计中会包含多种元素,各个元素之间相互作用和相互影响,它们不是进行简单的线性叠加,而是呈现出非线性叠加的特点。建筑主体与周围环境有着关联互动的作用,它们是互为因果关系,这种主动性与自主性,导致生成的最后结果是不可预测而且是多样化的。4.2动态流动建筑与环境之间是互为响应的,这就有信息的交换,形成信息流。整个生成过程是动态的、变化的,系统中的元素受到算法的控制而呈现出偶然性与随机性,变化存在于至始至终的演化中。4.3“自下而上 ”的设计过程传统的建筑设计过程是“自上而下” ,这种思路是从整体、宏观上对设计过程进行把控、操作,而参数化设计则是与之恰恰相反,是“自下而上”的设计过程,这种思维方式是从微观入手,研究各元素之间的关系制定程序算法。这一过程由基本元素开始,通过算法生成建筑原型。4.4涌现理论自然界是复杂、客观的,其中蕴含了大量能量,事物形态也不是孤立的、静止的,它们相互作用,并且不断演化发展,这些个体互相影响、集聚,最后形成群体。这一过程也可移植到参数化设计之中。在数字建筑的生成过程中,将涌现现象用程序算法加以描述,借助参数的调控,各个元素形成满足设计任务和功能需求的建筑形态。4.5分形理论分形理论和混沌理论是密不可分的,它研究了复杂系统产生的规律,以及部分与整体之间的关系,这是描述复杂自然现象的新方法。分形理论也被引入到建筑设计当中,解决日益繁复的设计问题。(如图 1)5参数化设计的生成逻辑设置参数之间的关系并且建立参数模型是参数化设计的关键所在,现在的设计任务越来越趋于复杂多样,使用传统的设计方法已无法满足这些设计要求,但参数化设计方法可以有效地解决这一问题。设计中参数之间的关系由程序算法来构建,然后使用选定的程序语言对于这种算法进行描述,生成的图 1 分形图示图 2 生成逻辑图示参数化模型用以解决设计问题。(如图 2)5.1设定参数在设计之初,建筑师都会对场地周围的环境、人的行为流线等因素加以分析,通过现场调研对相关数据进行收集,这些采集到的数字化信息都会成为参数化设计的基础。5.2建立参数关系建筑设计过程是复杂的、系统的,其中有许多影响设计的因素,这些因素可被设定为参数,通过分析因素的行为,可以找到其中的规律,进而用算法对其进行阐释,这就给各个元素之间建立了互动关系,而参数的数据控制可以影响算法,最终形成可控模型,而可以被用作参数的有:当地气候、交通流线、人流大小等等。5.3选定参数化设计平台确定了参数关系,选定了算法,然后就需要选择一种计算机语言对算法进行编写工作,并且在软件平台上通过程序算法生成建筑形态。当今主流的参数化编程平台有:Rhino 软件中的 Grasshopper和 Python语言,Digital Project,Maya 软件中的 Mel语言等,建筑师可以在这些平台上对算法进行编写工作,从而形成参数模型,当改变参数的数值时,最终可以生成新的建筑形态,使建筑师有了更多的选择性。 (如图 3)5.4形成参数模型多种元素共同作用形成最终的参数模型,其不仅受到背后的程序算法控制,而且还要满足人们的功能、行为需求,最初形成建筑原型,建筑师还可以在后续工作中加入其他因素,从而使原型发生改变,这就使最终结果得到优化。5.5 对结果进行测试参数化设计的最终结果除了达到基本的设计要求外,还需要满足节能、绿图 3 Grasshopper 界面色等要求。建筑的建设必然会对环境造成污染,加之现在全球环境的恶化、自然资源的急剧减少,都要求建筑朝着低碳、节能的方向发展。传统的节能分析一般会根据建筑师的经验进行评估、分析,并不能准确定量分析,然而数字化技术的发展,使得建筑节能分析的精确性取得了巨大进步。对建筑进行物理环境模拟分析,不仅要求建筑师掌握相应的分析软件,如Ecotect、CFD 等,而且要有扎实的建筑物理知识,通过对建筑的分析数据,做出改进、优化方案。整个过程需要建筑师反复模拟、测算、验证,以得到最节能的建筑形态、构造细节。 (如图 4)5.6 数字建造参数化设计中的数字建造环节非常重要,它是使数字模型变成现实的关键环节。这就需要在数字化设计过程中,建筑师首先运用计算机软件制定逻辑生成法则,得到多样的方案结果,建筑师需要对建构逻辑有非常严谨的认知与把握,同时对材料、空间、节点等有更清晰、深刻地理解,这样才能使模型得以建成。 (如图 5)6案例分析6.1台湾大学社会科学院新馆台湾大学社会科学院新馆的设计方案由日本的伊东丰雄完成,新馆的建筑表皮形态就应用了泰森多边形的程序算法。该方案结构立柱的位置由螺旋线相互交叉而定,而泰森多边形的算法生成了这一系列的螺旋线。 (如图 6)6.2“有生之地 ”方案设计图 5 数字建造实例图 6 泰森多边形图示图 4 Ecotect 界面“有生之地”是加拿大建筑师的概念方案,这个方案的结构形式是织网状格子,其最基本单元是富有弹性的小薄片,它们通过矩阵的方式排列成四面体,依靠张拉结构和织网系统将构件连接在一起,最终形成双曲面拱形形态。 (如图 7)7 结语数字技术的飞速发展带动了建筑学的数字化进程,参数化设计不仅改变了建筑师的设计思维方式,而且极大地提高了生产效率,这对整个建筑学的发展有了很好的推动作用。建筑师在数字化设计过程中会对逻辑建构、空间感知、材料运用会有全新的认识,这些是传统建筑设计所无法比拟的。虽然参数化设计在我国刚刚起步,还有不少方面亟待解决,但是国内一些先锋建筑师已经做出了尝试,这对其他的设计单位起到了很好的示范作用。随着建筑数字化技术的不断完善,中国的参数化设计一定会得到更广泛的普及。参考文献[1]贾倍思.从“学”到“教”:由学习模式的多样性看设计教学行为和质量[J].建筑师,2006(07):38-46.[2]杨丽.数字化技术与建筑设计方法研究[D].上海:同济大学,2008(04):102-104.[3]石永良,龚龙.数字建筑设计教学实践析[J].建筑学报,2007(1):21-25.[4]李建成,陈智华.虚拟设计在建筑设计教学中的应用初探[J].华南高等工程教育研究,2003(2):82-87.[5]陈寅.非线性建筑表皮的结构逻辑和材料构造[J].城市建筑,2011(7):34-38.[6]尹志伟.非线性建筑的参数化设计及其建造研究[D].北京:清华大学建筑学科硕士学位论文,2009:5.[7]金华.非线性建筑的建筑空间表达方式探究[D].安徽:合肥工业大学建筑学科硕士学位论文,2011:9.[8]李飚.建筑生成设计[M].南京:东南大学出版社,2012.[9]高岩.参数化设计:更高效的设计技术和技法[J].世界建筑,2008(05):32.图 7 双曲面拱形结构图示[10]徐卫国,黄蔚欣,靳铭宇.过程逻辑—“非线性建筑设计”的技术路线探索[J].城市建筑,2010(5):10-14.[11]刘学钊.数字建筑表皮的生成机制研究[D].福建:华侨大学建筑学科硕士学位论文,2012:4.[12]徐卫国.数字建构[J].建筑学报,2008:12.[13]尼尔·林奇,徐卫国.涌现[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
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