基于数字技术的建筑方案设计探究

黄金辰

启迪设计集团股份有限公司南京分公司 江苏 南京 210000

1 传统建筑方案设计

1.1 传统建筑方案设计的含义

高质量的建筑设计方案是保障建筑工程质量的关键，同时建筑方案设计也影响着项目建设效益和进度。传统的建筑设计方案主要是由设计人员搜集数据资料，然后利用绘图工具，根据建筑实际情况、地理位置、人文环境加以设计，整体设计效率偏低，并且数值准确性无法得到保障。

1.2 建筑方案设计的发展

信息技术飞速发展的背景下促进了诸多行业进步，对于建筑行业来讲，在设计与施工期间开始对诸多先进的技术应用，比如设计环节可以利用绘图仪以及诸多先进的勘察设备，在测绘的精确性、设计的整体性上都更有保障，人工勘察也逐渐被计算机网络技术取代。

2 数字化技术在建筑方案设计中的作用

相较于其他行业，建筑行业受社会意识以及生产方式影响更为明显，尤其是互联网技术的影响之下，传统的建筑设计方案已无法满足社会发展要求。在信息技术革新的背景下，数字技术开始与建筑方案融合，比如CAD工程设计图绘制以及BIM信息技术的应用都发挥了数字技术的精确性、高效性特征，帮助设计人员展示建筑的立体空间和抽象思维，然后通过建筑数字信息模型的形式体现。此外，在建筑的方案设计中对数字化技术利用可以促进设计人员对施工人员交流，显著的提升施工效率，促进资源的优化配置，并且在这一过程中节约人力成本与物资成本[1]。

3 建筑方案的数字化生成设计方法

数字化生成技术为科学的艺术创作方式，在基因编码转换下得到人造物，具体说来，就是在计算机编程下得到不同的设计形态，并且利用显示设备直观展示。在建筑的设计环节，一方面需要通过设计参数分析生成设计问题，由于参数的受约束条件较多，在程序化设计期间物体的形态发生较大变化和尺寸大小关系密切，所以在复杂的系统中应用较多，之后通过整合实现；另一方面是采用随机形式设计，该设计理念主要是在诸多的设计方案中优选，所以对设计人员的专业性有着很高要求。此外，要考虑建筑的结构、形式、技术、审美等内容，形成多层次的设计方法，并且生成塞尔曲线，之后把建筑的品质与特征纳入设计范畴。

4 数字技术进行建筑方案设计的主要技术

在当前的建筑设计环节多种技术和软件得到了利用，在建筑设计环节，前期现场调查以及后期建筑方案设计都需要借助数据信息。因此，数字化技术发挥了重要作用，具体说来：

4.1 建筑方案参数化设计

在当前的建筑方案设计过程中，数字化技术是一种广泛应用的工具，主要价值在于优化方案的参数，而参数化设计的关键在于逻辑建模，也就是通过物体自身逻辑建立物体的模型，其中涵盖了参量、关系、结果三个因素，并且参量与关系处于时刻变化状态，随着坐标点位移，直线长度以及位置也会变化。通过参数化设计让建筑方案设计可行性和逻辑性增强，这也是数字技术用于建筑方案设计的重要体现。

4.2 CAD设计效率提升

CAD是一种专业的绘图工具软件，可以在建筑工程方案设计和图形绘制中发挥出重要作用。在方案设计初期，设计人员通过自身想象与判断，设计雏形之后结合地理环境优化设计方案，该方法需要在二维图纸文件基础上绘制，然后利用其中的多种功能辅助方案设计，确保设计内容的合理性与规范性。比如在建筑空间设计、外立面设计、剖面图设计都能达到良好效果。目前CAD设计软件应用广泛，能够呈现三维立体坐标，精确建筑的具体位置，尤其是预应力计算和深基坑设计环节能够保证每个坐标点分布的合理性。由此提升工程质量。

4.3 SketchUp的利用

SketchUp是一款草图设计软件，能够快速创建、观察和修改三维创意，可确保方案生成更加便捷。设计人员无须考虑纹理、色彩、技术等方面内容，而是把建筑主体塑造当作设计中心，在设计环节关键是选择好设计工具，进而与设计人员的思想表达具有连贯性，并且这种设计方法的表现性很强。设计人员通过剖视透明观察、任意视点观察等方法，结合自身的创新思维得到三维模型视图，之后提交设计方案，并且无须后续加工处理。相较于CAD技术，这款草图设计软件解决了难于修改问题，人们可以根据设计目标解决整个设计过程中出现的问题。

4.4 BIM技术的应用

BIM也被称为建筑信息模型，该技术可以用于项目工程的整个生命周期当中，能够实现建筑设计的集成化、三维化与标准化，有效提升建筑方案设计效率，这种数字化技术把工程项目当中的单一构件或者物体作为基本元素，然后描述其物理特征，之后形成数字化建筑模型，并作为建筑工程的数据资料库，这些数据能够围绕建筑构件和物体组织起来，展示建筑元素、物理属性、几何特性的同时，还可以展示建筑整体的空间关系，形成虚拟化的建筑物，打造更加完整的信息系统，BIM技术承载了多种信息，并且信息之间具有关联性，有利于和施工单位以及其他人员信息共享，凭借以上优势成为当前建筑方案设计有力助手[2]。

5 如何利用数字技术进行建筑方案设计

5.1 设计前期的信息收集和处理

在建筑设计方案制定前期主要是进资料的搜集和检索，主要是表达出记录性、发散性和相对随意性的特征。建筑的结构设计需要考虑诸多内容，所以设计人员不仅需要分析设计任务书，还需要从经济、文化、环境等视角分析问题。在设计环节不仅会对多种先进的设计软件利用，还需要借助搜索引擎在整体上了解地区文化习俗、社会经济、资源环境，由此扩展设计人员的思维，增加设计质量。

5.2 建筑方案的构思

在方案的构思方面，包括概念设计与方案发展两个环节，由于设计人员在这两个环节思维表达和工作思路存在差异，在媒体工具上的应用也会存在差异。在概念设计环节，设计人员主要是在绘图、建模的过程中将自身的构思外化和具体化，得到概念设计草图，使得建筑师通过跳跃性和开放性的思维设计多个方案，然后在变化形式中获取更多的线索，一般需要对CAD工具以及BIM技术实现。在方案发展阶段，需要设计人员在前期与中期明确设计思维与表达，深入思考和比较建筑功能、空间、造型与整体环境。在方案发展的后期，主要是通过多媒体进行演示，进而对这些内容深入思考，比如结合项目的设计深度、规模、复杂程度、个人想法、所用媒体类型。一般在该阶段包括三种可选择的设计方案，包括以三维模型为核心、以信息模型为核心、以三维模型到信息模型的策略。

5.2.1 面向三维建筑对象的概念设计。随着SketchUp、3D Studio Max、 ArchiCAD mac等三维建模软件的推出，如今借助计算机直接建立模型已经十分容易，这些建筑模型软件不仅是媒体工具，还可帮助设计人员将想法概念化或者形象化呈现出来，满足对建筑形式、空间与功能的设计需要，这些面向建筑实体的三维构思设计方法可以提升设计信息的准确性、关联性、效率性和完整性，效果远远超过了传统的草图设计。

5.2.2 以三维模型为核心的方案发展。一般用于规模小、设计难度小的建筑，一种是SketchUp，该技术不会受到纹理与色彩的约束，便于设计人员围绕造型、空间等问题探索和研究，并且利用原方案可以与设计师思维保持一致。在表现方面，设计的方案有利于设计人员创新思维，快速生成三维模型视图，受到建筑设计人员的欢迎；另一种是CAD，比如在建筑室内设计环节可以对设计模板利用，然后进行图纸画幅设置、标题确定以及线型选择，在细节图层设计期间可以存储制作完成的图层，为后续的设计提供参考。工具栏中的草图设置功能可以帮助设计人员捕捉对象，比如在室外的环境设计利用中心交点断点捕捉图像，整个操作环节较为便捷。

5.2.3 以信息模型为核心的方案发展。一般用于建筑规模大、设计难度高的建筑，具体说来：其一，在建筑信息模型当中包括空间几何、构造、材料、造价等信息，在设计人员利用这些信息模型过程中也需要对技术、造价等因素考虑，进而确保设计的成果对后续的施工起到支持作用；其二，建筑信息模型具有三维设计功能，便于设计人员进行观察，掌握任意位置、高度的平面图、剖面视图、轴测图、线框透视图，都有利于对设计方案优化；其三，在建筑信息模型中可以分析和计算概预算、电负荷、热负荷与光照模拟，并且在软件中可以提供报表、图纸等自动生成工具。

6 基于数字技术的建筑方案设计案例分析

南京市河西青奥中心1号楼于2017年建设完成，该建筑高度达到315m，方案设计期间对数字技术加以利用。本文以参数化平台Grasshopper为例，从组团层级、体量层级、细部层级入手，分析数字化技术在建筑方案设计的具体利用。

6.1 组团层级

6.1.1 概述。在宏观层面讲，城市建筑的设计从生态性出发可以包括如下方面，其一是建筑与环境之间关系；其二是建筑与建筑间关系。具体说来：在建筑与环境设计方面需要考虑气候、地形等要素与进驻之间的关系，而建筑与建筑的关系是分析建筑组团布局，也就是分析建筑的朝向，开放空地，进而满足建筑室内的采光与通风需要。

6.1.2 数字技术介入。其一是需要利用数字平台建立关系模型，进而对群租的空间关系与群租形态描述，设计人员通过精确输入建筑形态、数量、高度等参数整体调节建筑群；其二借助计算公式优化容积率、热环境、室外风环境，进而优化建筑群落的生态方案[3]。

6.2 体量层级

6.2.1 概述。在建筑的主体设计中包括了建筑形态和功能布局，并且在设计的过程中建筑截面形状、体型系数都和节能情况有关。此外，形体的组合也会对建筑的生态性能产生影响。而功能布局要考虑用户的使用形式，对机电设备集中布置，进而达到降低能耗的目标。

6.2.2 数字技术介入。数字技术介入体量层级需要设计方案的制定和实施，不过评价数据无法生成优化方案植入基地当中，因此体量阶段的方案优化需要和设计方案同步进行。

6.3 细部层级

6.3.1 概述。在建筑的细部层级优化中主要是从以下两个方面入手：其一是维护体系的细部构造优化，围护结构的热工性能一般认为墙体越厚越保温，而细节处理方面主要是避免门窗等部位出现“冷热桥”；其二是建筑外立面的优化，比如开窗的位置、材质、大小就会对建筑的节能设计质量产生影响。

6.3.2 数字技术介入。在确定方案体量的前提下，数字技术在细部层级的介入主要体现在，利用参数化模型对建筑表皮的生成控制，生态模拟可以提供数据来源，可以对结构形态整体控制。

7 结束语

综上所述，在信息化技术与数字技术广泛用于建筑工程的今天，大大降低了设计人员的工作量，设计的方案更加具有合理性，后续的施工环节也会减少问题出现。目前，在建筑设计环节主要是对BIM、CAD以及SketchUp等建模软件利用，需要设计人员结合项目的自然环境、区域经济发展、人文环境等方面考虑，由此打造高质量的建筑工程。