基于节点可视化编程的参数化设计在城市微建筑设计中的应用——以山东省大学生建造节一等奖作品《溯》为例

张雄伟,刘衍彬,于小桐,赵武

基于节点可视化编程的参数化设计在城市微建筑设计中的应用——以山东省大学生建造节一等奖作品《溯》为例

张雄伟,刘衍彬,于小桐,赵武*

山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

本文以山东省大学生建造节一等奖作品《溯》为例，采用基于Grasshopper节点可视化编程的参数化设计，探究在城市微建筑设计中的应用方法。Grasshopper基于Rhino平台，是数据化设计中的主流工具之一。作品“溯”以泉城水文化为主题，采用了曲线升腾而上的造型，因而在设计过程中需要对方案不断优化，并反映到构建技术手段上。运用Grasshopper解决参数化建模，提升模型精度、完善模型结构、丰富模型细节。参数化设计应用于微建筑深化设计中，采用编程思维方式塑造精准的形态，从而解决设计过程中的难题，实现节省人力和时间，优化模型、提高模型精度、提升建构效率，为后期的微建筑搭建、组装提供了技术保障。

节点可视化编程; 参数化设计; 城市微建筑

城市微建筑作为城市中的小型建筑，其功能多样、造型多变，对设计师提出的要求较高。传统的设计表达难以满足城市微建筑的需要，而参数化设计作为一种新型的设计表达方式，可以提高设计效率，减少设计成本，为城市微建筑的设计提供新的解决方案。以作品《溯》作为案例研究基于节点可视化编程（Grasshopper）参数化设计在城市微建筑设计中的应用，为城市微建筑的设计提供新思路和技术支持，提高设计效率和质量，推动城市微建筑的发展与创新。

1 城市微建筑参数化设计的认识

1.1 Grasshopper概述

Grasshopper是Rhino平台上的一款参数化插件，是参数化设计中非常具有代表性的工具[1]。它是一种可视化编程语言，允许用户使用简单的基于节点的界面构建参数化模型。Grasshopper允许用户使用参数来定义模型的形状、大小和方向，并快速调整模型以适应不断变化的设计要求。另外Grasshopper还提供了广泛的工具和功能，使设计师能够快速创建具有精度和灵活性的复杂3D模型。

1.2 城市微建筑参数化设计的优势

参数化设计是集哲学、数学、艺术、社会学等于一体的一种设计方法[2]。由于采用基于数学和计算机算法的方法，能够更加精确地控制建筑模型的形态、尺寸和结构，提高设计精度和准确性。其次，采用参数化设计方法可以拥有更快的设计速度，快速创建和修改建筑模型，大大缩短了设计周期，提高了设计效率。第三，更容易进行优化和修改：参数化设计使得设计师可以轻松地对建筑模型进行优化和修改，通过修改参数，设计师可以快速地尝试出各种设计方案，从而实现最佳设计。第四，更好的交互性：参数化设计工具可以提供实时的交互性反馈，使得设计师能够在设计过程中快速地进行调整和优化，从而更好地实现设计意图。第五，更高的灵活性和可扩展性：参数化设计方法可以灵活地应对各种设计要求和变化，同时也具有较高的可扩展性，可以应用于各种建筑类型和设计风格。

1.3 城市微建筑参数化设计现状

参数化设计的最初理念大约是在20世纪70年代末期诞生的, 这种方式主要依赖于计算机技术的发展，是借助计算机辅助作用的新型设计方式。最初这种方式的产生主要是设计者为了对外观尺寸等方面的设计更加标准，能够满足审美上的需求[3]。通过使用参数化设计技术，可以快速地生成大量的设计方案，并在设计过程中对其进行自动化控制和优化，以满足城市微型建筑的各种需求，如节能环保、美观实用、安全舒适等。此外，参数化设计还可以实现建筑形态的多样化和个性化，提高建筑的适应性和灵活性。因此，城市微型建筑参数化设计已经成为建筑设计中的一个重要趋势，具有广阔的应用前景和市场价值。

1.3.1 应用领域广泛城市微建筑参数化设计可以应用于各种微型建筑，如小型商业建筑、公共设施、临时建筑等。美化城市的同时又兼具一定的实用性。

1.3.2 基于多种参数化工具如 Grasshopper、Dynamo、Rhino等，这些工具为设计师提供了多种设计手段和工具，丰富了设计思路和表现形式。Grasshopper 作为新一代参数化设计工具的典型代表,其智能性体现在动态反馈机制和交互能力中[4]。本文主要以 Grasshopper 在微建筑设计实例为例探讨参数化在设计以及后期加工过程中的优势。

1.3.3 实践案例丰富目前已经有很多城市微建筑参数化设计的实践案例，如国内的山东省大学生建造节、成都公园城市花园建造节、同济大学大学生建造节等，这些案例为城市微建筑参数化设计的应用提供了参考和借鉴。

1.3.4 存在挑战和问题虽然城市微建筑参数化设计有着很多优势和潜力，但也存在一些挑战和问题，如参数化工具的学习难度较高、设计人员对参数化设计的理解和掌握程度不同、建筑结构和建造技术的限制等。这些问题需要进一步研究和解决。

2 作品《溯》中的参数化设计

2.1 项目简述

作品“溯”是2022山东省大学生科技建造节“省院杯”一等奖作品（如图1），此次设计竞赛以“城市微建筑”为竞赛主题，期待用新建微建筑融入所在环境，贴近人们生活，体现公共利益与人文关怀，表现高质量的建筑文化，以满足公众的精神需求。原定搭建场所为济南某公园广场，济南作为中国泉城，以其泉文化闻名于全国，此微建筑将泉文化融入其中，打造具有地域特色的公共空间，造型美观大方，集张力与柔美于一体，充分体现泉城的场所精神。

图 1 搭建成果

2.2 生成逻辑

该微建筑的设计形态暗含泉水升腾的意向，在设计上由平面进行几何划分，确定中部所需的穿行尺度，将旋转区分为内外两个旋转层次，内圈隔15°等段划分，外圈隔7.5°分割设置（如图2）。通过对旋转角度的控制来改变整体造型的疏密程度，有利于直观的对美观度以及成本进行控制。

图 2 设计基本逻辑

通过控制竖向板材的高度来控制《溯》造型的舒展程度，利用插接的手段用横向连接件将竖向板材进行相连。微建筑由于体量微小，故在设计中与人体尺度也密切相关[5]。为了使微建筑具有一定的空间性，通过控制竖向板材的弧度以此调整建筑门洞的尺度，达到满足人的穿，转，立等行为。

在实际搭建中，需要将实用性，美观性，安全性结合。切割后的阳光板，边缘较为锋利，不利于形成微建筑中亲近，宜人的效果，根据需要，可选择柔软的透明防水收边条进行收边。此外由于阳光板因其自重轻，怕风等材料特性，需要做好与地面基础的固定，在连接方式上速干胶固然可以起到固定的作用，但是因其材料中空，胶接触面较少并不能充分发挥胶的特性，故在连接上捆扎效果明显优于胶粘。

2.3 主要难点

作品《溯》的结构为双螺旋结构，整体建筑在3 m×3 m×3 m的限定尺寸内进行设计生成，整体建筑呈现舒展的视觉效果，顶部最宽仅为1.1 m，中部最宽为3 m，底部最宽为1.8 m。

通过横向连接件将竖向板材进行横向连接，以平面上双螺旋的一半为例，横向板材共有自外圈开始计算，1～9片竖向板材之间每两片竖向板材通过两片横向板材相连，9～13片竖向板材之间每两片竖向板材间通过三片横向板材相连，13～25片竖向板材之间每两片竖向板材之间通过四片横向板材相连，每片板材尺寸角度各不相同。

考虑到比较对象的典型性和代表性，大陆教材选用的是2013年教育部审定的凤凰教育出版社的小学数学教材（简称“苏教版”），台湾教材选用的是康轩文教事业出版的小学数学教材（简称“康轩版”）．选用这两个版本的原因在于二者的使用情况．其中，康轩版教材在台湾具有一定的影响力，被很多小学选定为教科书；苏教版也同样如此，在大陆有较为广泛的使用范围和近二百万的学生使用量．基于此，研究的问题和比较框架如下．

竖向板材由单片最高为3 m，需要通过控制弧度来对建筑中部的穿行空间进行限定，也是控制整体造型的决定性因素，单片竖向板材由外圈到内圈逐渐升高，并于最高处汇聚，各片板材弧度各不相同。

该微型建筑的外形由三个方面共同控制，包括底部平面双螺旋的角度、单片竖向板材的曲线弧度以及横向板材的疏密程度。在前期设计阶段，需要及时改变建筑形态以达到所需效果。然而，若改变其中一个方面，则其余两个方面也需要进行大量返工，此外，在后期搭建过程中，存在构件尺寸无法模数化、构件数量过多难以实现工厂切割以及人工排序标号过于耗时等问题。因此，我们可以采用Grasshopper进行参数化建模，有效地解决以上问题。

3 Grasshopper的应用

Grasshopper将编程语言变成可见的集成块，让用户自己拼装并将这一过程链接起来使其成为一个整体[6]。形态与结构是数据逻辑的物理表达，数据逻辑是形态与结构的数字依据，不同的数据逻辑来源和背景适用于不同的设计前提之下[7]。《溯》中的设计逻辑来源正是来自其本身的材料性质，以及造型文化内涵而生成的。

3.1 Grasshopper建模

数据是参数化编程需要处理的核心问题，熟练地掌握各种数据的组织方式和管理方法有助于设计者更加智能化地借助参数化设计方法辅助甚至主导设计[8]。利用相关数据的组织方式将设计逻辑进行梳理，形成运算器逻辑思路表（表1）开始进行建模。

表 1 运算器逻辑思路表

第一，在“top视图”绘制双螺旋平面图，并将双螺旋的一半拆解为半圆弧a、外侧四分之一圆弧b、内侧四分之一圆弧c和曲线c的端点P。

第二，将拆解后的曲线和点分别通过对应的电池置入到Grasshopper中。

第四，将曲线a的分割点分别与P点相连，曲线b和c上对应的分割点分别连接，将两组连接而成的线段共同接入“Merge”统一排序，由此产生的若干条线段构成《溯》的1/2平面的基本形式（如图3）。

图 3 运算器设置

第五，将生成的线段接入“Move”的“Geometry”端。创建与线段个数相对应的0～1的等差数列，接入“Graph Mapper”并依据其中的函数关系产生(0,1］的数值作为高度系数，将其乘以构件最高值接入“Unit Z”并接入“Move”的“Motion”端，由此产生“溯”的1/2部分的各片顶端线段。（如图4）

图 4 运算器设置

第六，在各单片顶端线段与底端线段间分别生成若干线段，将其接入“Scale”并将靠近内侧一段作为缩放的基点。生成与线段数量相对应的0～1的等差数列，接入“Graph Mapper”，将函数类型设置为“Parabola”，将生成的值作为缩放系数，由此获得若干组长度呈函数关系的线段，将其接入“End Points”提取出各线段外部端点（如图5）。

图 5 运算器设置

第七，分别将每片构件外侧点接入“Merge”并将集合后的点接入“Interpolate”作为每片构件最外侧曲线。同时分别连接各组内侧的最高点与最低点，作为每片构件最内侧曲线。将两类曲线进行“Rebuild”确保每条线有相同的点数和阶数，内侧线段与外侧曲线两两组合，分别将每组线进行“Loft”产生若干“Surface”并偏移出阳光板的厚度。至此，《溯》的1/2部分的参数化捏型完成。

第八，将之前的产生的结果依次沿x方向和y方向进行镜像，得到中心对称的另一半（如图6）。至此，得到最终的“溯”的模型。

图 6 运算器设置

3.2 Grasshopper施工

在材料的选择上，主办方选用以基本板材的规格：6 mm×2.1 m×3 m双层口字型乳白色阳光板（聚碳酸酯中空板）为主材。对于板材的加工主要以激光切割或是水刀切割为主，运用Grasshopper可以将提前对搭建材料进行前期编号处理（如图7），生成CAD并通过手动排列以实现节约切割成本的作用。由于造型是由两组一模一样的单体组合而成，只需将板材相叠进行切割，节约材料施工成本的同时也利于微建筑快速施工的建造需求。

图 7 运算器设置及输出

恰当的建造技术也成为设计思维的理性延伸[9]。《溯》的建造技术主要是利用材料本身的特性来进行建造。完成底板搭建后，将竖向构件插入其中，通过角铁与底部进行连接。竖向构件与横向构件之间则是通过收扎绳收扎，逐级而上完成外圈的搭建。内圈由于高度因素，可先在地面进行简要的拼装，然后将其整体插入底座中去，加以固定。而对于建筑夜景的营造则注意突出该建筑的“柔美”的“腰身”以及“流转”的轮廓线，根据灯光的变化可以展示出如同泉水流动的效果。

3.3 Grasshopper展示

通过在犀牛中对模型进行参数化处理后生成模型，使用vray渲染器进行渲染，另外进行实体搭建后，利用Grasshopper建立的模型可以根据后期方案的修改阶段直接修改参数，改变其形体，且在输出的模型中将其直接拆解成片进行编号，并在CAD中输出切割图纸进而进行下一步的切割。参数化的设计流程为最终搭建成品提供了极大的便捷。

3.4 《溯》中所体现的参数化设计优势

参数化设计方法带来设计的多解性，对个性化需求的解决，产品族的设计都具有重要的意义[10]。尤其是对当地特有的文化内涵抽象化体现。该项目设计中所体现的参数化设计优势主要有在设计阶段为造型的设计提供了大量的参考，以达到曲线升腾而上的造型，利用Grasshopper还可以直接对于落地过程中直接对单片板材数量进行核算，且可以直接导出每块板材的面积（如表2）。

表 2 竖向板材面积数据表

在设计阶段，通过基本的设计逻辑进行参数化处理调整不同的参数曲线，直接输出不同的造型，为方案的进一步深化提供了更为直观的模型展示（如图8）。在方案设计过程中，通常会涉及到参数调整，传统设计方案将耗费巨大精力对项目进行修改，而Grasshopper的参数化设计理念可极大减少改动的工作量，提高工作效率，缩短设计周期，其经济效益极其显著[11]。

图 8 三种不同的效果

4 结 论

相比传统的设计手段，在城市微建筑设计中利用Grasshopper节点可视化编程的参数化设计工具对于建筑的形态、空间和功能的塑造都有着极大的帮助。对于建筑师而言，参数化工具的使用可以将复杂多变的设计造型进行数字化建模并展示于图纸之上。通过利用参数化工具，设计师实际上是利用编程的设计思维将设计逻辑进行具象化的表现。而不同的方案存在不同的设计逻辑，利用参数化的手段可以减少在设计过程中的重复工作，节省大量的人力与时间。此外，参数化设计还能提供模型后续深化所需的技术保障，提高模型精度以及施工搭建的效率。

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[2] 周郑雅;张仲凤.基于Grasshopper插件的公共座椅设计研究[J].包装工程,2021,42(10):289-294

[3] 田芳.建筑参数化设计的发展及应用研究[J].四川建材,2016,42(2):93-95

[4] 易谷一.基于Grasshopper平台的数字化城市设计工作方法探索[M].南宁:广西科学技术出版社,2022:49-59

[5] 莫里斯·梅洛—庞蒂.知觉现象学[M].姜志辉译.北京:商务印书馆,2012

[6] 任振华.建筑复杂形体参数化设计初探[D].广州:华南理工大学,2010

[7] 王妍,李卓.基于参数化设计的数据逻辑思维研究[J].设计,2019(15):65-67

[8] 郭昊,胡冬冬,徐慧文,等.基于Grasshopper节点可视化编程的参数化设计在雕塑深化设计中的应用——以海口市 国际免税城项目(地块五）主题中庭施工工程飞天梯主体雕塑为例[J].数字技术与应用,2022,40(12):41-43,80

[9] 黄蔚欣,王露莹.数字建筑设计与研究——一种广义的空间认知[J].世界建筑,2022(11):64-65

[10] 曹武阳.产品参数化设计的研究与应用[D].北京:北方工业大学,2018

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Parametric Design Research of Urban Micro-Buildings Based on Grasshopper——Taking the First Prize Work "Su" in the Shandong Province College Student Construction Festival ascase

ZHANG Xiong-wei, LIU Yan-bing, YU Xiao-tong, ZHAO Wu*

271018,

This paper takes the first prize-winning work "Su" of the Shandong University Construction Festival as an example and explores the application of parameterized design in urban micro-architecture design using Grasshopper node-based visual programming. Grasshopper, based on the Rhino platform, is one of the mainstream tools in data-driven design. The work "Su" is themed on the hydraulic culture of the Spring City and adopts a rising curve shape, which requires continuous optimization of the design and reflection on construction techniques. By using Grasshopper to solve parameterized modeling, the model's accuracy, structure, and details are improved. Parameterized design is applied to the deepening design of micro-architecture, using programming thinking to shape accurate forms, solve design problems, save manpower and time, optimize models, improve model accuracy, enhance construction efficiency, and provide technical support for the later construction and assembly of micro-architecture.

Grasshopper; parametric design; urban micro-architecture

TU17

A

1000-2324(2023)02-0292-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.019

2022-12-28

2023-01-12

张雄伟(2002-),男,本科生,主要研究方向为建筑设计及其理论. E-mail:1243284333@qq.com

Author for correspondence.E-mail:16138578@qq.com