浅谈建筑设计的参数化与信息化——以闽清县游泳馆建设项目为例

董新怡

(福州市建筑设计院　福建福州　350011)



浅谈建筑设计的参数化与信息化
——以闽清县游泳馆建设项目为例

董新怡

(福州市建筑设计院福建福州350011)

随着数字化技术不断成熟，参数化技术与信息化技术在建筑设计中起了重要作用，弥补了传统二维设计模式的不足。文章以闽清县游泳馆建设项目为例，介绍Rhino及Grasshopper在实际项目中从方案到施工图阶段的运用，分析Rhino参数化与Revit信息化结合运用的可行性，并结合VR技术及3D打印技术对未来科技的发展方向进行展望。

参数化设计；Rhino；Grasshopper；信息化；BIM

0　引言

21世纪，参数化与信息化技术在各领域产业升级中都发挥了重要作用，建筑领域亦然。参数化技术与信息化技术在国外都已发展多年，能够较成熟地投入建筑全生命周期使用。在我国建筑业，数字技术应用仍多数停留在效果表达演示及制图层面，缺乏设计思维和手法的创新。加之外国建筑机构强势驻入，市场竞争激烈，如何利用参数化与信息化技术提升自身竞争力，加速我国建筑产业现代化，已成为时下热点。

1　参数化技术及信息化技术概述

1.1参数化技术与Rhino

参数化技术能将图形数据与设计参数相结合，有效提高图形设计智能化，将其应用于建筑设计，在解决复杂建筑形态等问题上有突出成就。参数化的动态设计方式能够突破传统设计手法的局限，灵活应用非线性建筑形式。其主要方法即：根据设计意图编程构建几何模型，修改其中参数，模型也相应发生变化。目前常用的参数化平台有：Rhino、Catia、Maya、Houdini等。

Rhino，全名Rhinoceros，是美国Robert McNeel & Associates于1998年推出的专业3D造型软件。其率先引入了区别于Polygon建模①的NURBS建模②方式，以精确的空间曲线及曲面描述能力，迅速获得用户认可[1]。此外Rhino与CAD类软件的良好衔接使其特别适应于工业产品的造型与生产。随着建筑设计数字化的发展，三维复杂形体的建筑外观被大量使用，Rhino开始广泛应用于建筑领域。Grasshopper是一款基于Rhino的编程插件。因其功能全面的运算器所提供的节点式可视化编程操作与动态实时成果展示，缺乏编程基础的用户也能迅速掌握，极大地推动了参数化设计技术及理论的普及。

1.2信息化技术与BIM软件

信息化技术在建筑领域的应用即BIM，Building Information Modeling，普遍译为建筑信息模型，可简单地理解为建筑模型加信息，即除建筑构件的几何形式外，还包含结构及物理性能等多重信息。美国国家BIM 标准(NBIMS: National Building Information Modeling Standard)将BIM定义为利用数字技术进行建设项目设计、施工、运营的过程，成果是一个信息丰富的多维项目模型，即BIM模型。由此可见BIM涉及设计、建造施工、运营等全生命周期过程[2]，具有可视化、模拟性、协调性、优化性等特点。目前市场上常见的BIM建模软件有：Autodesk Revit、ArchiCAD、Bentley等。

Revit作为一款BIM核心建模软件，具有建筑、结构、设备等全专业内容，依托AutoCAD的天然优势，有着不错的市场表现。

1.3参数化技术与BIM技术结合的趋势

由于参数化设计的高效便捷性，使其在建筑的设计创意构思阶段有很大优势。而BIM技术的优势在于高度整合全专业多重信息，便于后期管线、日照、物理声光热、费用评估等方面的综合性专业分析，二者各有优劣。近年来，相关软件纷纷扩充插件，完善自身功能。例如，参数化平台Rhino有RhinoBIM插件补充自身BIM功能，BIM软件Revit也开发了Dynamo平台以完善参数化功能。可见参数化与BIM技术结合也是建筑设计行业发展的一种趋势[3]。

2　 Rhino及Grasshopper在项目中的运用

2.1项目概况

闽清县游泳馆建设项目位于闽清县梅溪新城东南隅，基地南侧为横五路，西侧为主干三路，北面及东面为景观河道，用地面积7 931m2，总建筑面积5 195.99m2。馆内设有25m×50m，10道标准泳池，观众席197座，可承担县级游泳比赛，平时满足训练及市民日常健身要求。

场馆整体规划联合体育馆科技馆，吸收闽清县梅城文化，取意“飘落在三山四水间的梅花瓣”，与闽清山水城市格局相呼应。造型吸纳梅花飘落的轻盈与写意，以金属板的灵动配合玻璃的晶莹，整体圆润通透，犹如一朵含苞待放的梅花(图1)。灵动的外观造型，类椭圆形的平面布局，加大了整体设计难度，故需引入Rhino全程辅助设计。

2.2方案阶段的运用

在方案设计阶段，主要运用Grasshopper编程生成主要形体(图2)，后于Rhino中手动修改部分细节，灵活利用软件如下特性，完善设计。

(1)可调整性

方案阶段需要大量反复调整，利用Grasshopper参数化技术，仅需修改相应参数即可完成调整，节约建模时间。

(2)可视化

在调整参数的同时，可实时观察建筑变化，并进行多方案对比。

(3)可控性

建筑体量基于参数生成，可利用编程控制建筑高度，幕墙出挑尺度，屋面坡度，立面虚实比例等限制因素，提高方案可实施性。

(4)图纸兼容性

Rhino与CAD具有良好衔接，二者图纸信息相互导入，保证造型与功能协调联动配合。

2.3施工图阶段的运用

由于非线性建筑造型对内部空间的影响，各专业在依照传统二维设计经验工作时，均会遇到一定困难。故利用Rhino建模的精准性，配合Grasshopper参数化功能，深化设计，对部分内容进行三维建模(图3)，并导出数据及图纸，配合施工图设计。

2.3.1幕墙设计

传统二维设计方式在异形曲面幕墙的表达以及设计精确性上均有欠缺，故需采用三维设计与二维设计结合的方式深化。利用Rhino进行幕墙嵌板分割形式的确定与定位，再生成各平面定位点对应剖面，交由幕墙专业在二维图形中深化设计(图4～图6)。

2.3.2构件定位

为使结构构件与建筑造型相适应，圈梁布置需顺应幕墙走势。此外，坡屋面为不规则形，在二维图形上难以计算标高。二者皆需进行三维建模并提取标高信息(图7)，供给结构进行梁、柱、网架设计。除结构构件外，屋面及排水檐沟坡度与标高、屋面格栅三维定位、马道标高等部分，同样需要利用三维模型提供基础参数数据。

2.3.3管线碰撞

同时，三维模型的建立还提供了碰撞检查功能，如上部空间网架与风管(图8)、网架与马道，幕墙立杆与结构梁柱等，可以达到一定BIM软件的作用。

3　Rhino与Revit结合运用的探究

3.1Rhino与Revit各自的优劣

Rhino在建筑造型及初步方案设计方面有明显优势。其NURBS建模方式解决了复杂曲面及非线性造型建模问题。同时，在众多二次开发者的努力下，各类专业建筑设计扩展插件层出不穷，如Visual-ARQ、PaneingTools、Grasshopper、RhinoBIM等，完善其建筑建模及分析能力。此外，随着Grasshopper的出现，Rhino逐渐成为建筑参数化设计的主要平台。

Rhino的不足之处也显而易见。首先，通过封闭曲面拼合实体的建模方式与建筑的建造逻辑不同；其次，现阶段BIM插件信息化程度不足；第三，软件自带出图功能与我国出图标准不同，图纸仍需输出CAD二次编辑修改，便利性不佳。

Revit的建模方式区别于传统CG表现类软件，不以点线面，而是以建筑构件为建模单元，更符合建筑的建造逻辑。其建模方式类似于天正Tarch绘图，对已熟练掌握CAD及天正的设计人员而言相对容易。Revit的信息化功能已较为完善，不但兼具部分参数化能力，而且在图纸表达方面基本满足出图要求，设计建模出图一体化，简化工作流程。

当然，Revit也有自身的不足之处。Revit体量建模工具也有一定的曲面造型能力，但较之专业CG建模软件仍有较大差距。并且，建模过程中需设置大量信息，方案修改操作较繁复，时间成本较高。

3.2Rhino与Revit结合的优势

综合来看，两款建模软件优势互补。结合双方优势加以运用，可以规避Revit自身在曲面造型及细分处理中的弱势及Rhino信息化程度不足的问题。为复杂形体BIM化提供一条较为便捷的道路，在参数化与信息化方面获得更大的突破。

3.3结合运用的方法探究

借由闽清县游泳馆建设项目，笔者就参数化与信息化结合的实施方法进行实验：利用Rhino完成造型等内容的参数化设计，再导入Revit，参照前期设计成果，完成全面信息化。目前Rhino导入Revit主要有以下两种方式：

(1)Rhino转存SAT文件，模型直接导入Revit

利用施工图设计阶段已经完成细分的Rhino幕墙嵌板模型，直接导入(图9)，后在Revit中进行拾取并赋予参数。此法虽较为方便快捷，但导入后的模型可修改性差，信息参数需逐个赋予。且只能识别曲面，无法导入曲线信息。鉴于Revit曲面造型设计能力较弱，适合在造型已敲定的情况下使用。

(2)借由Grasshopper插件导入

为提高Rhino与Revit的协调性，开发者编写了Hummingbird、Grevit等 Grasshopper插件，提供数据模型互导功能。笔者尝试了点阵导入、线阵导入、体量曲面导入、构件导入等多种方式(图10)。这种模式需借由Grasshopper简单编程设置，导入Revit后自带参数。并且导入的物件带有Revit物件属性，便于二次修改编辑。

4　关于设计阶段引入BIM运用的思考

4.1目前BIM技术在国内的应用

BIM技术虽已在美国、日本、新加坡等地发展多年，且相对成熟，但在国内还属于新兴领域。据悉，目前我国建筑业信息化率仅为0.03%，与国际水平相差10倍。现如今，工程项目施工难度加大，技术上的迫切需求与直接可见的效益回报，使得施工领域BIM应用热情高涨。但在设计领域，目前BIM应用尚缺乏过程连续性及各专业关联性(图11)。BIM技术沦为“建模、翻模”供给施工使用，BIM创新发展缓慢。

4.2设计阶段引入BIM的益处与困难

BIM是一种贯穿建筑全生命周期的三维设计。设计阶段作为建设工程的初始，建筑功能、造型、性能等一系列信息参数均在此阶段创建[4]。故在设计阶段引入BIM技术对建筑产业信息化尤为重要。基于BIM技术特性，在设计阶段引入BIM有如下3点益处：

(1)设计图纸与模型空间动态关联，节省多视图修改的时间成本；

(2)模型兼具设计与节能、通风、采光等多种模拟分析功能，避免重复建模并尽早做出针对性修改；

(3)各专业整合协同设计，提早介入配合，提高整体协调性，实现精细设计，减少施工阶段设计修改成本。

虽然BIM技术优势明显，但在实际应用中推广仍十分缓慢。一是因缺乏熟练使用BIM软件的人才；二是没有BIM技术应用的专项费用，投入缺乏直接收益，设计人员积极性不高；三是受二维设计经验影响，BIM技术的必要性被忽视；四是应用BIM技术后，设计更加精细化，工作量增加，加之软件掌握不足，时间成本加大，促使设计人员退回二维设计模式。此外，还有行业标准不明、上层发展方向决策不清等诸多因素。

5　未来技术发展同参数化与信息化技术的联系

近年，3D打印技术与VR技术等陆续崛起，引发了各个领域的变革。早在20世纪90年代中期，3D打印技术就已出现。随着技术的不断完善，3D打印不仅应用于小件物品，更颠覆了传统建筑行业。如今，已有许多3D打印建筑的实例存在。而VR技术也早已发展了半个世纪，随着近年其在游戏领域的应用，成为时下热点，科技为建筑提供了更自由的建造方式，更灵活的设计、展示、检测模式，而参数化与信息化正是顺应这些变革的基础。3D打印需要更全面的建筑信息模型，VR技术对建模的便捷性提出了要求。新技术不仅服务于建筑设计，也对建筑领域提出了更大的挑战。

6　结语

参数化与信息化已是如今的行业热点，也是未来的行业发展方向。在实际项目运用中，特别是复杂造型建筑的深化设计，不难发现三维设计较之传统二维设计方式的诸多优势，如：设计精细化、直观化、后期问题的可预见性等。科技带来的不仅是设计工具的转变，更是工作方式和思维方式的转变。引入参数化与信息化技术旨在通过这一平台的构建，提升精细化设计概念，加速建筑产业现代化。

由于参数化设计与信息化技术涉及庞大的知识体系及多专业技术和学科知识，本文所言内容尚十分有限。对于如何顺应科技发展，在设计领域进一步提高参数化与信息化程度，还有待更多思考。

[1]曾旭东，王大川，陈辉.Rhinoceros & Grasshopper参数化建模[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2]岳杰.BIM技术及其在建筑设计中的应用[J].四川建材，2011(5)：270-271.

[3]张龙.参数化建筑设计的本土化应用[D].山西：太原理工大学，2015.

[4]周佳悦.BIM技术应用模式分析与适应性设计探索[D].辽宁：大连理工大学，2014.

注释

①Polygon建模即通过许多三角和四角平面的组合模拟复杂曲面造型。

②NURBS全称为“非均匀有理B样条曲线”，NURBS建模即通过U、V两个方向的曲线集合得到曲面。

图 片 来 源

文中插图均为作者自绘

Discussion on the parameterization and informationization of architectural design——Take the natatorium construction project in Minqing County for example

DONG Xinyi

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

Parametric technology and information technology meet the requirements of the digitized era, and also make up for the shortcomings of traditional two-dimensional design patterns. Taking Minqing swimming pool construction project as an example, This article introduces the use of Rhino and Grasshopper from schematic design to construction design. It also analysis the feasibility of the combination on Revit and Rhino. Combined with VR technology 3D printing technology，it discusses the direction of future technology in architecture.

Parametric design; Rhino; Grasshopper; Informationization; BIM

董新怡(1992.6-)，女，助理建筑师。E-mail:dongxyi@qq.com

2016-08-05

TU2

A

1004-6135(2016)09-0033-05