数字化推动下地下公共建筑设计方法初探

李　丹， 吴　涛， 朱栩莹

(解放军理工大学国防工程学院, 江苏南京 210007)



数字化推动下地下公共建筑设计方法初探

李丹， 吴涛， 朱栩莹

(解放军理工大学国防工程学院, 江苏南京 210007)

数字技术的发展推动着建筑设计领域的不断进步。近年来BIM、参数化等多种新兴数字技术的快速发展为地下公共建筑设计注入了新鲜的血液。文章总结了数字技术对我国建筑设计领域的影响，剖析了传统设计方法指导下我国地下公共建筑设计存在的问题，并根据不同新兴技术的特点，探索性地提出了新技术支持下更适合地下公共建筑特点的设计新思路。

建筑设计；参数化；BIM；计算机辅助设计；地下公共建筑

1　研究背景

数字技术为建筑设计领域带来的发展和变革一直是建筑业相关人士关注的焦点，不同时期的数字技术对建筑师的工作方法和思维模式有不同的影响。20世纪90年代之前，我国专业人士虽已开始研究数字技术在建筑设计领域的应用，但大部分建筑师仍采用尺规绘图来进行建筑设计、表达。在这种工作模式下设计思维连续性强，对相关问题的思考也比较细致。

进入20世纪90年代后，计算机辅助设计在我国建筑领域快速成长，在设计院所中日益普及。计算机辅助设计的应用带来了劳动强度降低、绘图精度提高等一系列优点，并推

动了建筑设计的标准化及产业化，使得设计思路具有一定的统一性。然而新技术的出现也带来一系列的问题，如复制、套用的泛滥使得建筑设计具有趋同性。进入21世纪，BIM、参数化等名词在建筑业也不再陌生，Revit、Grasshopper、Ecotect等数字工具雨后春笋般问世，设计人员开始尝试用这些先进的技术对设计进行优化。然而新型辅助设计软件在设计中占的主导性并不强，建筑师对各技术的应用是分离、割裂的，仅将这些新技术中的一种或几种视为某项目设计后期补充、优化的辅助手段，并未对建筑师在整个设计过程中的设计思路产生较大的影响。表1清晰地对比了我国建筑设计不同时期的特点。

表1　我国建筑设计不同时期的特点

2　我国地下公共建筑设计方法改进的必要性

2.1地下公共建筑设计对新技术的需求性分析

我国地下公共建筑多位于城市重点区域且大部分或全部是位于地面以下的，其建设耗资较大且建成具有不可逆性，是较受人们欢迎的地下空间利用形式之一。地下公共建筑与城市环境的相互作用、人性化内部空间的塑造以及地上地下空间的过渡以及都是建筑师在设计过程中需要重点关注的问题。此外，周边的城市空间及附近已开发的地下空间等对其设计的限制也是建筑师在进行设计时不可忽视问题。然而，长期以来由于相关研究成果和技术标准的不完善、相应辅助设计软件的缺乏等原因我国地下公共建筑设计多局限于其自身功能性，导致上述问题并未得到较好的解决。设计思维通过设计工具来表达，因此设计工具影响着设计师的设计思路和方法。自迈入21世纪，建筑计算机辅助设计软件日益丰富，更有利于设计师灵感的表达、验证。面对各具特色的新技术，确立更加可行的地下公共建筑设计新思路是非常必要的。

2.2我国地下公共建筑设计常见问题剖析

2.2.1地下公共建筑与城市的关系

与地面建筑不同，地下公共建筑的外部形象主要由出入口、采光通风设施等外露要素支配，受其外轮廓的影响较小。因此，对地下公共建筑外露要素与地面环境的融合是建筑师设计前期需重点考虑问题之一。然而我国地上、地下空间的规划设计存在严重的脱节现象，设计师仅依靠大脑难以充分考虑待建地下公共建筑与城市环境间的相互影响，因此在二者的融合问题上往往存在许多遗憾。如风井的不合理定位、出入口的不合理设计等都会对城市风貌产生消极影响。

2.2.2内部空间存在的问题

地下公共建筑的具有封闭性、高人流量等特点，这决定了其自身空间的人性化塑造、交通的合理组织以及内部防灾问题是设计师应关注的重点。我们一直希望地下公共建筑内多一些自然要素，少一些能耗，交通组织更加优化，灾害发生时疏散更合理。长期以来，设计师一直尝试用不同的设计方案来改善地下共建筑的内部空间，但效果总不是那么尽如人意。

2.2.3地上地下空间的过渡问题

谈到地下空间，人们脑海中大多浮现出封闭、黑暗、压抑等带有消极色彩的词语。过于生硬的空间转换必然会引起人们的抵触心理，从而导致地下公共建筑的公共性受损。因此，通过出入口的合理设计来满足地下公共建筑与城市空间的沟通与交融、实现地上地下一体化是设计师需重点考虑的内容之一。目前我国一些比较好的做法大多是通过口部与下沉式广场、下沉式庭院等要素的结合设计来达到过渡的目的。然而具体采用何种做法能够实现待建地下公共建筑与地上空间环境的自然过渡，全凭设计师的经验来确定，缺少客观的检测手法。

3　基于数字技术的设计方法探索

3.1设计方法具有多样性

数字技术的发展刺激了设计思维的变化。对于设计工具和设计流程的选择会因设计师、设计项目不同而不同。例如著名的扎哈设计事务所和盖里设计事务所的设计流程就各有特色，扎哈事务所的设计流程可以归纳为以下步骤：设计草图→三维数字模型→建筑信息模型→生成二维图纸→由数控施工技术完成作品；而盖里事务所的设计流程较哈扎事务所更为复杂，手工模型和三维数字化扫描仪等应用都是哈扎事务所设计流程中没有。笔者分析我国地下公共建筑的特点，根据目前的设计工作所面临的问题和需求，从总体到局部探索了一套具有普遍适用性的地下公共建筑设计方法。

3.2总体设计思路

在传统设计方法的指导下，建筑性能评价、与周边环境的协调等许多应在设计前期解决的问题被置后，甚至在整个设计过程中难以得到较好的解决。如今我国地下公共建筑朝大型化、综合化方向发展，多工种、专业、空间交叉容错，这令地下公共建筑的合理设计变得更加困难。数字技术的不断发展为我们带来了支撑和帮助，为问题的合理解决带来了充分的可能性。以全局的视角来看，在前期设计通过BIM技术与其他分析软件的结合运用，能够客观地对设计方案的相关性能进行分析、评价、反馈并及时地调整方案，如地下公共建筑的自然采光、通风问题。这有利于减少甚至避免了在设计后期及施工阶段解决、协调方案设计阶段的遗留问题，确保最终成果与方案阶段的效果相吻合。总体设计思路如图1所示。

图1　总体设计思路

3.3前期设计

前期设计重点考虑以下几个问题。场地条件等有关设计资料的收集、整理；概念的表达及方案的形成；设计方案相关性能的评测。参数化技术有利于对多种设计影响因素的整合，是设计师思维的延伸，通过约束性条件控制地下公共建筑形体的生成。三维动态可视化设计保证设计“所想即所得”，减少了设计与表达间的二维、三维转换，便于及时发现问题，随时调整。性能分析软件，保证对设计方案进行及时的评测及修改。多种数字技术在设计前期的综合应用有助于保证地上地下空间的合理过渡、地面人流的引入、外露要素与环境的协调、满足身心健康的物理环境设计等问题的合理解决。前期具体的设计方法如图2 所示。

图2　前期设计方法

3.4后期设计

前期设计工作的合理进行为后期设计减少了不少工作量。在后期设计过程中重点考虑专业间的综合协调、信息共享、成本及能耗的精确分析、工艺做法的详细表达等问题。BIM等新技术能够满足精细化表达、实现了实时信息共享，并能实现较精确的能耗分析及成本分析等。这能有效改善信息无法及时传递、设计成果不能精确表达、能耗不能客观定量判断等现象。后期具体的设计方法如图3所示。

图3　后期设计方法

4　两种设计方法的对比——以出入口为例

4.1传统设计方法指导下出入口的设计

地下公共建筑的出入口是联系地上地下空间的“中介”，在空间过渡、引导视线以及确立外部形象等多个方面都起着不可替代的作用。在传统的设计中，设计者多根据固有的理论、设计经验及设计限制条件选择出入口的形式，缺少计算机辅助设计工具对出入口进行自然采光模拟、自然通风模拟等客观评测工作。如，普遍认为穿过下沉式广场的出入口有助于地下建筑采光、解决外部形象及空间问题；开敞式出入口不利于外部形象的确立、辨识度低；设置口部的出入口，较开敞式入口而言更易提供清晰的外部形象、受天气影响较小，并能将通风等设备融入其中。

4.2基于数字技术的出入口设计

在新的设计方法指导下，设计条件控制出入口生成后，应用性能分析软件对出入口进行相关模拟分析，这有助于对出入口的性能进行客观评测和即时调参。因此，设计师在方案阶段便可直观、精确地了解出入口的自然采光、通风、视线可达性等相关性能，便于方案的调整和比选 ，确定综合最优方案。图4、图5是将Revit中生成的两种不同出入口模型导入到Ecotect中进行自然采光模拟的结果，其中图4为开敞式出入口，图5为穿过下沉式广场的出入口。这样的设计方

法令设计师在方案阶段便能客观的分析出入口的性能，而不仅是凭借经验做决定，符合可持续发展的要求。

图4　开敞式出入口自然采光模拟

图5　穿过下沉式广场出入口自然采光模拟

5　结束语

地下公共建筑的开发是不可逆的，其方案设计应符合可持续发展的要求。本文对场地分析软件、参数化建模软件、性能分析软件等建筑领域新性数字技术在地下公共建筑设计不同阶段的合理应用进行了初步探索，提出了一条符合地下共建筑特点的新的设计思路。该设计思路有助于解决地下公共建筑设计中常见的多种问题，在节约能源、保护环境、提高建筑空间环境品质等方面都具有十分积极的意义。随着科技的不断发展，数字技术会给地下公共建筑设计带来更多可能。

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李丹(1990～)，女，硕士研究生，研究方向为地下空间开发利用。

吴涛(1971～)，男，副教授，硕士生导师，研究方向为地下建筑及人防工程设计、地下空间开发利用。

TU201.4

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[定稿日期]2016-03-29