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参数化生成设计方法及其在建筑设计中的应用.rar

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    编号:20181101170524270    类型:共享资源    大小:25.82MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
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    参数 化生 设计 方法 及其 建筑设计 中的 应用
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    1 / 11参数化生成设计方法及其在建筑设计中的应用李媛,阮洁中国航天建设集团有限公司liyuan100183@163.com,ruanjie@sina.com摘要:参数化设计的兴起使建筑设计思维发生了从归纳推理型向演绎推理型的实质性转变。本文辩证地分析了建筑设计中生成参数、检测参数与决策参数的相互转化关系,并提出了四种建筑方案生成的逻辑类型:公式逆推法,几何关系生成法、图像生成法和生成算法,最后探讨了建筑设计中其他可量化的参数。关键词:参数化设计;生成设计;建筑设计方法Parametric Generative Design Methods and its Application in Architectural DesignYuan Li, Jie RuanChina Aerospace Construction Group Co., LTDAbstract. The parametric design facilitates the substantial transformation of the architectural design thoughts from the inductive reasoning type to the deductive reasoning type. This paper has a dialectical analysis on the mutual transformation relations among the generated parameters, detection parameters and decision-making parameters in the architectural design and puts forward four kinds of logic types of architecture generation, including the formula converse derivation method, the geometrical relationship generation method, the image generation method and the generation algorithm, and at last discusses the other measurable parameters in architectural design.Keywords. Parametric design; generative design; architectural design method.引言参数化是一个古老的概念,它将一个物体中每个部分的约束条件以及各部分之间的关系用可变的数值表示,任何一个部分的改变都会引发其他部分的关联性改变,这是一个协同的概念(Neil and Philip,2012) ,它可以大大地提高设计效率。在东西方建筑历史中都应用过“参数化”的理念,比如古希腊和古罗马的柱式,柱头、柱身和柱础之间的比例以及柱子的高度和柱径的比例都是固定的,所以已知柱子的某个参数,便可以推算出整个柱子的具体形式;又如《营造法式》中描述了开间、进深、柱径、脊高和斗拱之间的关系,所以已知房屋等级,就可确定房屋各个部件的尺寸和位置,不同部件同时预制,到现场组装时可以分毫不差。如今,自然科学和社会科学的发展使许多现象可以用函数关系描述,此为建筑参数化设计的基础;另外参数化软件的兴盛也为其提供了物质保障。参数化生成技术促使建筑设计思维的转变参数化软件是一种改变建筑师思维的软件,它使整个设计过程成为一个有逻辑的理性过程(Xu Weiguo,2010 ) 。2 / 11以前的建筑设计思维过程在参数化技术不发达的过去,建筑师主要凭借以往的经验和主观臆断,通过低效的试错法设计建筑,具体步骤如图 1,在确立设计目标的前提下,首先建筑师要想象出尽可能多的解,而后检测这些解符合设计目标的程度,最后决策选择其中一个解或综合归纳出一个解;如果没有满意的解,则继续从生成步骤开始重新思考,这是一个反复迭代的归纳推理过程,而且解的合理性并不随着解的数目增多而增加,寻找解的过程也相当费时。参数化生成设计的思维过程参数化生成技术恰恰能将设计要求逻辑化,将其直接反馈到建筑的实体要素上,具体设计步骤见图 2。这是一个演绎推理的过程,它将使用者的诉求与建筑实体要素之间用充分条件或充分必要条件联系起来,从一般的原理演绎推理出适合本次项目的解。参数的分类尽管参数化生成技术引发了建筑设计思维方式的转变,但新旧两种思维并不是完全对立的,实际上,合理科学的生成逻辑完全建立在对已建建筑的评测和研究的基础之上。设计参数按照其性质被分为三类:生成参数、检测参数和决策参数,分类标准如表 1;它们之间的关系见图 3。比较起来讲,生成参数与建筑实体之间是自下而上的关系,可以通过生成参数直接生成建筑实体;而检测参数与实体之间以及决策参数与检测参数之间是自上而下的关系,即一对多的关系,这导致即便知道 y 值,也不能确定建筑实体中 a、b 和 c 元素的具体数值,所以在这种情况下需要用试错法先生成实类别名称 分类标准生成参数 单个或多个设计要求(生成参数)生成一个实体元素或一个实体关系,函数关系表达式为 f(a, b, c…)=y,生成参数与实体是一对一或多对一关系;检测参数 通过实体元素的属性及其之间的关系来确定主体感受和客体存在所表征出来的物理属性(检测参数) ,函数关系表达式为 y = f(a, b, c…),检测参数与实体是一对多关系;决策参数 由实体的各种物理属性共同决定的主体感受(决策参数) ,函数关系表达式为为 y = f(a, b, c…),决策参数与检测参数是一对多关系表 1 设计参数分类标准图 2参数化生成技术之后的设计思维过程图 1参数化生成技术之前的设计思维过程生 成 参 数 A1生 成 参 数 2生 成 参 数 n检 测 参 数 A生 成 参 数 B1生 成 参 数 2生 成 参 数 检 测 参 数 B生 成 参 数 M1生 成 参 数 2生 成 参 数 n检 测 参 数 M决 策 参 数 X图 3 生成参数,检测参数与决策参数之间的关系3 / 11体,然后检测。三类参数并不是固定不变的,检测参数在某些情况下可以转变为生成参数,比如,在函数式 y = f(a, b, c)中,先通过其他设计要求确定 a 和 b 的值,这时函数式就变为 y =f(c),即 y 与 c 之间一对一的生成关系。参数化生成设计方法分类与按学科分类的方式不同,在编程环境中,各种设计要求可以按照生成思维过程的相似性分类,以便按几种模式批处理生成逻辑,降低劳动强度并节约工作时间。可以通过以下四种方式将设计经验或科学依据转变为建筑的生成逻辑:公式逆推法、几何关系生成法、图像生成法和生成算法,分述如下:公式逆推法建筑实体要素中几何属性和非几何属性的组合方式决定或部分决定了该空间的某种物理性能,有些实体要素与物理性能的关系已经被科学家研究了出来,但这些公式一般会作为检验设计成果使用,而如果用逆推的方法,就可以直接生成实体要素的属性,而不必再试错。以观演建筑的厅堂为例,使用者在厅堂中看戏或者欣赏演奏都需要良好的听觉感受,这些感受反映在诸多描绘厅堂音质的物理量上,其中一项重要物理量是混响时间,即 T60,其表达式为:T60= ( S) 4mV-1Sln0.6)α((1)式中 V——房间容积(m³) ;S——室内总表面积(㎡) ;——室内平均吸声系数(无量纲) ;4m——空气吸声系数(不同湿度不同声音频率为不同常数,无量纲) 。在通常情况下,建筑师会不断调试 V、S 和 以使 T60 满足要求,这是一个漫长α图 4材料吸声系数的生成逻辑4 / 11的试错过程。但如果换一下思路,将表达式写成: ,由于已知各SVT0.16-4me)(α 频率声音的混响时间,并可通过设计经验知道剧场厅堂每座体积为 3.5~5.5m³,每座面积为 0.65~0.75㎡,这样就可以求出符合不同音频的 值(一般为α125Hz,250Hz,500Hz,1000Hz, 2000Hz 和 4000Hz 六种音频) ,最后根据值可以在材料数据库中立即查找到是哪一种材料。应用 Grasshopper 编辑的材α料吸声系数生成逻辑见图 4。几何关系生成法使用者对建筑的要求通常用物理量来表述,比如“要看得见比赛” 、 “听音乐会时要听的真”等等这样的要求,当这些要求可以用具体的几何关系描述的时候,它们就可以通过编程直接生成建筑的实体要素。 坐席生成比如体育馆坐席的剖面生成主要以视线为依据,为了保证每位观众都能看到赛场上的活动,后排观众眼睛的位置至少比前排观众眼睛的位置高 6cm,如果想要求得某排坐席的高度,可以通过图 5 中两个红色三角形列出等式: (m ) 1-n1-nXC)K(Y(2)其中,Y n——n 排座位眼高(m) ; Yn-1——n-1 排座位眼高(m) ; K——Yn 与 Yn-1 的排数差距(m) ; C——视线升高差(m) ,一般为 6cm; Xn-1——n-1 排至视点水平距离(m) ; Xn——n 排至视点水平距离,X n=Xn-1+K×d(排距) (m) 。如果逐排计算,则每排升起的高度都会不同,但在实际工程中,为了方便施工会采用折线计算法,即每 4~6 排按一组计算。其编程逻辑和生成结果如图6。先设定第一排坐席的高度 Y1 及其与视点的距离 X1;而后通过程序计算出第五排坐席的高度 Y5,将 Y5 与 Y1 之差除以 4,即为第二排至第五排每排需升起的高度;再将 Y5 和 X5 带入公式,求出 Y10 和 X10;最后,以此类推,直到求出最后一排坐席的高度和水平位置。图 5坐席视线的几何关系图解5 / 11 声音反射板生成为了增强声音的亲切感,在厅堂设计中会加强第一次反射声,即通过侧墙和顶棚声音反射板的设计使反射声在直达声到达人耳 50ms 之内(音乐厅可为80ms 之内)也到达人耳。这个物理关系可以被翻译成几何关系:①声线的入射线、法线和反射线在同一个平面上,且入射角与反射角相等;②入射声、反射声与直达声的几何关系见图 7,关系式为:(s) (tCdr)(213)式中 r1——入射声线的长度(m) ;r2——反射声线的长度(m) ;d——直达声线的长度(m) ;C——声速,340m/s ;图 6固定坐席生成程序和模型输出图 7反射声与直达声的几何关系6 / 11——反射声与直达声的时间差(s) 。t在已知声源位置(舞台前沿中点,距离舞台 1.5m 高) 、观众人耳位置和时间差要求的前提下, (r 1+r2)为一个定值,即反射点的位置集合是一个以声源位置和人耳位置为焦点的椭圆,椭圆方程式为:(4)12byax式中 a=(r 1+r2)/2; ;c =d/2(d 为直达声线长度) 。22b用 Grasshopper 编写程序(图 8a) ) ,在 Rhino 中生成该椭圆(图 8b) ) 。a) 第一次反射声线的椭圆编程 b) 第一次反射声线的椭圆模型图 8 第一次反射声线的生成在椭圆上选取合适的点,通过该点的切线即为侧墙反射板在水平面上的投影,程序编写见图 9a) ,反射板的位置见图 9b) 。最后由切线拉伸出面,取包含在厅堂空间内的部分为反射板,程序编写见图 10a) ,切线位置见图 10b) 。利用同样的原理可以生成侧墙和顶棚上其他反射板的位置。a) 反射声线上的点与切线编程 b) 反射声线上的点与切线模型图 9反射声线上的点与切线生成a) 反射板位置编程 b) 反射板模型图 10反射板生成7 / 11图像生成法比如太阳的辐射强度、空间内的风速分布等。如果建筑师想提取图像参数,那么首先就要将图像的颜色参数(RGB(红、绿、蓝)三色的数值,每个颜色的标度范围为 0~255)转译为其代表的物理参数,再将物理参数转译为几何参数,这是图像生成法的基本思路。利用相同的生成逻辑,可以根据 CFD 中对表皮风压的模拟结果生成表皮的开窗位置。在能形成舒适通风的位置开窗,其他由于风压值太小无法形成有效通风的地方或者由于风压值太大会形成不舒适风速的位置,都不必开窗。侧窗窗口的送风轨迹见图 11。窗口处风速与送风距离的关系式为:(无量纲) 0cosxVdk(5)式中 Vx——距离窗口(送风口)Xm 处的风速(m/s) ;V0——窗口处的风速(m/s) ;k——射流场数,送冷风为“+ ”,送热风为“-” (无量纲) ;d0——送风口直径(m) ;如果为非圆形风口, ,A 0 为风口0128.d面积(㎡) ;——送风口与水平轴的夹角(度) ,下倾为正,上倾为负;热风时为下倾,冷风时 =0°;x——离送风口的距离(m) 。依据该式,当 x=10~15m 处的风速为 0.3m/s 时,送风口风速应为 3~4m/s。表皮上风速与风压的关系为: (kN/㎡) 2VW(6)式中 W——风压(kN/㎡) ;——空气质量密度(kg/m³) , , 为空气重度(kN/m ³) ,g 为重g力加速度(m/s 2) ;V——风速(m/s) 。已知标准状态下(气压为 1013hPa,温度为 15℃) ,空气重度为 =0.01225 kN/m3,纬度 45°处的重力加速度为 9.8 m/s2,将这些常数带入公式(6) ,得到:(kN/ ㎡) 10VW(7)因而表皮上 3~6m/s 的风速对应的风压值为 5.6~10Pa,之后在表皮风压值形成的excel 表格中找到风压值为 5.6~ 10Pa 的每块表皮的位置,在该位置设置开启扇。如都柏林的兰斯唐路新体育场,建筑师在表皮上符合风压值范围的位置处设计了图 11送风口侧送风射流轨迹8 / 11下旋开启(Roland, 2010) (图 12~图 13) 。图 12每块表皮上的风压力生成算法算法(Algorithm)是一个计算的具体步骤,应包含清晰定义的用于计算函数的指令。在参数化设计领域,算法尤指使用脚本语言使设计师摆脱用户界面的束缚,直接通过操纵代码而非形式来进行设计[28]10。这类算法有基于使用者行为的计算最短路径的 Dijkstra 算法;有基于使用功能的元胞自动机(Cellular Automaton )算法;有搜索最优解的遗传算法(Genetic Algorithm) ;还有一些基于一定规则的几何形式的生成算法,比如非周期性镶嵌算法、随机算法、吸引子算法、分形算法和泰森多边形算法等。例如在丰台十二中的体育馆立面开窗形式的方案比较中,我们尝试了随机算法、吸引点算法和吸引线算法。随机过程是“一个不定因子不断产生和重复的过程,但它遵循一个概率分布。 ”也就是说虽然事情发展的结果不可预知,但却是有规律的。为了便于制造,我们没有选用开窗 0.1~0.9 范围内的任意随机,而是选择 0.2、0.4、0.6 和 0.8 四个数值随机排布,见图 14。图 13风压适当的部位开启表皮9 / 11图 14随机开窗编程及效果在吸引点算法中,为了丰富立面效果,三个吸引点附近的开窗尺寸沿从左到右的方向递减,开窗大小既受到该窗口与三个吸引点的距离的控制,同时与最近吸引点的距离成正比,见图 15。在吸引线的算法中,开窗大小与该窗口到吸引线的距离成反比。吸引线采用手动移动控制点和改变函数系数两种方式生成,开窗大小最后被分为四类以便制作,编程和效果见图 16~图 17,最终方案见图 18。图 15吸引点开窗编程及效果10 / 11图 16手动吸引线开窗编程及效果图 17三角函数吸引线开窗编程及效果5.结论参数化生成技术使某些设计要求的实现由归纳过程变为演绎过程,提高了设计的合理性和科学性,减少了迭代次数和耗时,但这一切都图 18丰台十二中方案
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