Parametric Deisng - a more efficient design technology and technique

Ryde Interchange
Copyright to Marks Barfield Architects






Air Negotiated Dynamic Pavilion

Cyber Bus Stop

Shanghai 2010 Expo British Pavilion

Copyright to Marks Barfield Architects

Kew Tree Top Walkway and Rhizotron

Copyright to Marks Barfield Architects

Technique of Translating Graphics into CAD

参数化设计——更高效的设计技术和技法Parametric Deisng - a more efficient design technology and technique

作者：高岩/Yan Gao摘要：参数化设计是一个涵盖范围非常广的词，可以展开成为很多层面的理解。本文着重讨论的是参数化设计的技术和技法，以及他们如何形成互动进而提高建筑设计的效率，并通过引用作者参与或领导的实际工程或试验方案中的应用，准确翔实地阐述高效率的具体体现，从而证明参数化设计作为新一波建筑设计思潮的实际意义。

Abstract: Parametric design has a broad meaning, which can be unfolded into many levels. This article focuses on the discussion of how the contempaory architecture design can be more efficient by applying parametric technology and technique, which is supported and demonstrated clearly by a series of cases the author either involved or lead in his practice in London.

关键词：参数化设计，参数化建模环境，技术，技法，设计效率，自动生成，自动更新，设计信息交流，信息导出，互动模型，复杂几何形式，优化几何形式，编码，数字量化，编写脚本。
Key words: Parametric design, Parametric modelling environment, Technology, Technique, Design efficiency, Automated generation, Automated updating, Co-mmunication of design information, Extract information, Interactive model, Complex geometry, Optimizing geometry, codify, numerization, scripting.

信息时代，数字化技术已经广泛地渗透到设计界的各个领域，在建筑设计领域的应用已经从最早的电脑辅助演变到模拟人工智能的，基于算法的参数化设计阶段。这是继现代主义运动后，又一次基于技术更新的设计革命。目前西方学术界比较盛行的观点之一是我们正处于一个非标准化的多元时代，也就是个性化设计的时代。 纵观人类技术史的演变，总是以能否提高生产效率为最终目的，即以相对少的时间，物质和人力投入，创造更多的成果。每一次技术的革新，在和社会需求产生碰撞后，都能带来一次效率的飞跃。参数化设计也不例外，它不但能解决很多以前无法实现的设计想法，而且还能提高已有建筑设计体系的效率。参数化设计的核心把设计的限制条件，通过相关数字化设计软件，与设计的形式输出之间建立参数关系，生成可以灵活调控的电脑模型。至于参数，则可以是与设计相关的各种信息，比如造价，密度，气候等，通过编码转换成电脑可以识别的语言。在这个编码过程中，类似图像化记录（即Mapping，指客观忠实的记录某类信息根据特定参数的变化，并以图像化的形式表现出来）和图解（Diagram）等技法，以及EcoTech等软件可以把那些非形式的信息转化成形式可读的数据。

技术与技法

参数化设计这个词汇在本文中主要指支持它的软件技术，以及如何有效使用这些技术的专业技法。在展开讨论参数化设计的高效性之前，有必要澄清参数化技术和技法的区别。

1.技术

泛泛的讲技术，可以定义为：“处理某个类别的工具和工艺的用途和知识，以及他如何促进那个类别控制和适应它所处的环境。在人类社会中，常常指科学和工程学的成果。”（选自http://en.wikipedia.org/wiki/Technology）技术在20世纪的人类社会现代化过程中扮演了举足轻重的角色。技术的持续发展，带来了人的行为模式，人与环境的关系，社会组织结构的变化。促使着建筑设计的不断反思和进步。在21世纪，技术在建筑设计领域，更多是指计算机设计，它已经从最初的辅助设计，逐渐转变成设计本身，或者说“建筑和技术，更准确的讲，设计和建造的工具，已经变成一个独立的系统。”（选自William W.Braham & Jonathan A. Hale, Rethinking Technology, Introduction）参数化设计的技术平台主要指的是软件，比如DigitalProject(基于Catia的盖里技术,以下简称DP), Generative Com-ponents(基于Bently的Microstation,以下简称GC),Rivet(基于AutoDesk的AutoCAD),脚本（Script，常用的是基于Rhino,Max, Maya),和硬件的生产制造技术，比如电脑数字化控制生产CNC（Computer Numerical Control）电脑数据化控制制造系统，三维模型激光打印等。

2.技法

新的技术发明后，总要通过一定的使用技法应用到实例中，得到反馈，然后不断更新完善后，才能成为有效的技术。“技法是一种系统化、可重复和易交流的行为经验。比如，当一个新技术——软件程序刚被推向市场的时候，个人会通过反复的实践掌握他的使用方法。随着实际要求的不断复杂，使用者会发现该软件的限制，然后他需要发展更高级的技法——模式化一个特殊的函数关系，或者直接编写该程序的脚本以实现自己特有的设计想法。技法可以让建筑师磨砺和发挥新技术在建筑设计、研究和制造方面的巨大应用潜力。”（选自 Ali Rahim, Catalytic Formations, Architecture and Digital Design, Techniques and Technology）技法对于参数化设计至关重要，就好比有了一辆法拉利，但是不知道怎样开就只能当摆设看。对于技法的学习，不可能依赖于软件商提供的培训，因为他们只能根据普遍情况教会你如何使用软件。技法首先要从同行的先验中学，节省自己探索重复问题的时间，然后通过实践，总结形成自己的技法。

3.建筑设计的创新

如何能够创造性地设计，在今天这个多元化的时代，成为一个事务所能否生存的关键。如果仍然沿袭旧有古板的设计技术和技能以及相关的策略和方法，无论如何总是在一个圈中徘徊。在技术技能上没有创新的大多数建筑实践单位，都很容易陷入创造类型的重复中。主观先入为主的设计因素越多，设计预加的限制就越大，创新的气味就越淡。当然，这里的创新并不单是为了创新而创新，前提是提高建筑的使用效率。技术和技法需要双向反馈，光有新技术，没有相应的技法和对于技术的检验拓展不行；反之，光有技法的一味要求，没有技术的更新完善也不可能把新技术转化成生产力。在技术的创新方面，作为建筑师，可以改变得非常有限，更多的是从技法和与其相关的策略及方法上的推动。新技术需要新技法去应用和反馈，新技法又需要新的设计策略和方法使之系统化、理论化，成为指导实践的依据。 参数化设计是建筑师通过两个途径实现的策略和方法上的创新：一个是对于已有计算机辅助设计技术的实验性应用，穷极现有软件的建模潜力，例如进入软件的程序语言，直接编写程序命令，改变程序的行为，比如基于Rhino、Max和Maya的脚本；二是把跨学科的技术引入建筑设计领域，形成新的建筑设计技术，比如Digital Projec就是源于飞行器和机动车的设计平台Ctatia。

参数化设计在当代建筑设计中高效性的体现

参数化设计不仅能让建筑师控制以前无法实现的复杂形式，更重要的是它能提高已有建筑设计的效率。下文通过本人指导或参与的几个实践项目，分以下几点详细讲述参数化设计提高设计效率体现在哪几个方面。

1.经济有效的实现复杂有机的形式。

复杂的形式往往源于方案复杂的文脉，比如交织共生的功能，四通八达的流线，环境能量的有机响应，等等。对于设计师而言，也是一个新的设计挑战。复杂形式最重要的环节是如何精确调控形式，使其经济可行。

比如在英国怀特岛公交枢纽站的项目中，最初概念是根据各种交通工具和人行的流线地分析，生成一系列类似树叶状的顶蓬，有些是建筑的主体屋顶，有些是候车棚（如图1,2）。为了能从几何的角度精确描述这些“叶子”的形式，我们在GC的参数化建模环境中，设定了一个“叶柄”和“叶脉”的几何系统，即一条三维的B样条曲线（BSpline)屋脊——叶脉，和一些列按照既定参数排列的垂直于屋脊的椽子,屋檐由另外两条弧线设定 (如图3)。工程进一步发展，需要一个更经济的解决方案。于是我们又引入了几个新的几何参数限制。首先要保证每一根椽子和屋脊竖直延伸面的夹角都是一样的,这个夹角成为系统中的一个控制参数。在屋檐平面投影形状给定的前提下，其中一边的高度变化会随着另一边的变化而变化。也就是说，夹角、屋檐平面投影形状以及屋檐一边弧度的设定，将决定另一个屋檐的形态。另外的限制条件是椽子的制造磨具需要标准化，因此新的参数——锥化角度被设定，所有椽子都可以由一个固定锥化角度的磨具制造。之后按照长度的变化切割，保证屋檐厚度一致，只在屋脊截面高度改变。这个形式逻辑还与结构规律吻合，即越长的悬臂在其根部需要越大的截面(如图4,5)。

另一个很好的例子是“与”的充气概念设计，一个可以通过气压差控制单元“细胞”变形，从而引起整体变形的原型系统，再根据不同的文脉条件“植入”到基地中，根据环境和使用等变化而变形（如图6,7)。参数化设计在这个项目中的应用是如何把原型单元按照设计的几何面排布。这是目前非常通用的处理复杂曲面化整为零的技法。参数的关系，主要指曲面的划分和单元放样的联系，即原型单元会根据曲面划分的每一个格子的不同尺寸，自动调整形态以充满所有格子（如图8,9,10）。在这个过程中，你可以加入一系列限制条件控制曲面的划分规则，或者在某种程度上标准化原型单元。 所以，参数化在处理复杂的形式时，通过自己设定形式输入和输出之间的参数化关系，为设计师提供一个精确控制模型的平台。使设计从视觉直观走向量化理性且经济可行。

2.高效地创造多种方案选择。

选择方案是每一个项目都不可避免的，是方案优化的需要。在主流经典设计方法中，建筑师总会主观按照不同的可选前提单独处理每一个选择方案。之后，还有花很大精力做筛选。 然而在参数化设计中，选择方案的数目不依赖于设计时间，只要建立了参数化模型，作出10个选择方案的时间和作出100个的时间相差无几。另一方面，建筑师在建模的时候可以完全不用浪费时间顾虑当前的形式是否如意，只需关注输入与输出之间的参数关系。一个模型的完成，就意味着一个系列的建成。在设计过程中斟酌形式这个环节被省略了。

比如在“数字化自律车站”的概念设计中，GC被应用到两个层面的参数化控制。其一是母体曲面的生成，即根据长宽高等曲面边框、边界曲线以及放样控制路径和截面的设定，形成一个相似类型的曲面族。通过策略性的试验不同的参数组合，实现不同类型间，和同一类型中不同形态的变化（如图11）。其二是分解曲面的构件组合（如图13,14）。一个设计的成果可以生成无数个不同的子设计。在设计建筑群体的时候，参数化设计的优势不言而喻。

3.高效调整方案以响应项目进行中的各种变化。

如果说生成选择方案是形式在某一时间点的多样化展开，那么调整既定方案就是形式在时间轴上地延续展开。随着方案的不断深入，可预料和不可预料的改动，对于方案推进速度的影响极大。有时候这种改动是毁灭性的，就好比方案都“上板”了，突然发现“一草”时候的总体尺寸错了。这类改动，在以前意味着你要一丝不拉的重演所有的画图行为。现在，只要形式的内在逻辑关系没有变，参数化设计就可以让你游刃有余的往返“过去”与“现在”之间。

案例之一是上海世博会的英国国家馆竞赛方案（如图15,16）。概念核心是和谐共生，由一组树形构筑单体组成，每个“树”内是完全不同风格的展览内容。参观者可以根据不同单体内的展览内容个性化参观路线，从“树根”进入，旋转楼梯一直通向英式花园的屋顶（如图17）。这种悬挑结构可以自我遮荫，在上海闷热的夏天，为市民提供一个阴凉的室外城市空间。

在这个方案中，我们主要用DP生成表面形式及其结构。首先放样生成了一个主控模型，然后按照结构碎形递归的概念，参数化建模所有的结构杆件，由“主树干”分出次“树干”，再到次“树枝”，直到末梢通道屋顶，转变成屋顶花园的栏杆结构，同时要保证这些曲线形杆件都是曲面上两点间的最短连线（如图19）。与此同时，分析人流、疏散、展览空间等评估建筑形体的信息数据。这些数据进一步反馈到主控模型中，调整形态参数，固化成8个独立的单体（如图20）。参数化关系保证了所有表面曲线构件随着面形态的改变而自动更新。下一步是结构工程师根据体形，计算出合理的结构构件截面尺寸，反馈给DP主控模型，进一步改善模型的曲线构件形态。项目进一步发展，因为超出预算，需要缩减整体尺度，同时改变结构原则，立面构件成为装饰。因为DP模型里已经预设了相关的控制参数，这些改变就显得轻而易举了。

另一个案例是位于英国伦敦克佑皇家植物园内的树冠步行道。在这个方案中，DP的参数化建模技术贯穿项目的各个阶段。方案背景是建造一个供人观赏树冠的步行道，提供另类的游园经历。我们从自然生长规律的斐波那契序列中得到启发，将其应用到步行道单元桥的跨度上，生成看似随机，实则有规律的结构形态。整个步行道犹如一个链子，节点是圆形的休息平台，由标准化的单元桥相连，支撑体系是三足分叉的塔柱（如图21）。

由于斐波那契几何形态的复杂性，我们需要只建模一次所有的栏杆、地面的结构杆件，就可以调控整桥的跨度和截面尺寸等大形。参数化关系的算法在这个方案中体现为给预先设定的“线”（直线和曲线）按照斐波那契的数列关系分段，然后选择性的连接分段点，形成看似随机的图案效果。

4.优化设计使其具有响应设计限制条件最高效的形式。

这里的参数化关系指的是算法，一种形态之间的联系规则。基于算法的形态是客观生成的，因为它的形式输出取决于算法的制定和输入的参数，而非个人审美等主观偏好。但他又不是排斥主观能动性的，因为算法的制定以及从生成的结果中选择，仍然需要主观能动性的参与。基于算法的参数化建模使精确遵循特定的设计限制量化条件（包括可持续性发展的诸多原则）成为可能。

克佑皇家植物园步行道的初衷是让人看树，所以选在了数种繁多的一块地上。但是，支撑塔柱的位置又不能位于主树干为圆心的半径5米的圆圈内，否则树根就会受到严重影响。如图22所示，黑色的是DP之前的模型中的步行道路经，红色的是在DP模型中限定每个节点平台的距离和一些关键点的位置后的路径。后者的塔柱位置可以实时调整以满足都在5米限制圆圈之外。这只是一种非常简单的参数化限定。很多复杂的基于算法的限定需要编写脚本完成，这在后文还会有述。

5.高效地交换设计信息

由于工程的分工协作越来越复杂，很多时候，一个项目的运行效率高低很大程度上取决于能否高效地在不同协作单位之间交换设计数据。比如，结构工程师可能只需要轴线模型而非面模型，工程预算师可能只需要所有构件的尺寸，设备工程师只需要某个位置的截面或剖平面，等等。在经典的设计流程中，每一次来自其他配合单位新的要求，就意味着建筑师需要开始一个新图的制作。而且，在形体复杂的时候，建筑师很难保证各个图之间是否准确交圈。 在参数化设计技术的支持下，建筑师可以通过一个参数化调控模型，导出所有的技术数据，生成所有的技术图纸，甚至是细部节点大样。这可以说是在实际工程中，参数化设计最强大的一个特点，保持项目设计生产流线的顺畅。在这方面发展最完善的是DP。在DP的参数化建模环境中，三维环境是和二维环境以及构件物理属性清单联系在一起的，只要改变三维模型的任何部分，二维的技术图纸和构件物理属性清单都会自动更新。反之，你还可以通过改变和三维模型建立联系的Excel的数据，来改变三维模型的形态。这个参数化模型可以从开始的概念设计，一直沿用到施工图，直至施工建造阶段，保持了设计信息的连贯性和一致性。

还是克佑皇家花园的树冠步行道项目，我们从报批通过后的所有设计信息，包括施工图阶段所有的二维技术图纸（如图25），除了在CAD绘图软件中添边加角之类的图注说明等工作外，都是通过一个DP的参数化模型生成的。自始至终我们都在三维的建模环境中发展深化方案，包括细部节点的设计（如图23、24），建模的时间占掉了所有设计周期的80%。

整个建模过程，犹如预演实际的施工建造，要保持清晰的思路，采用合适的策略和技法。仅仅会用DP是远远不够的，还必须有效的组织你的建模逻辑和层次。因为模型的各个部件之间是彼此联系的，如果你不能明晰关系之间的复杂性，最后的参数化模型只能是一个不能调控的赝品。 之后阶段的建造承包商和生产制造商根据实际工厂生产加工的步骤，在Tekla工程参数化建模软件中，重新建了一次完整的模型（如图18），作为所有锈化钢构件工厂预制的数据源，生成制造生产所需的上百张加工详图（如图28）。我们在这个阶段的任务主要是确定生产制造商的模型与我们的吻合。这个阶段还需要针对不断出现的实际加工问题来回调整模型和技术图纸。由于我们始终保持在三维环境下深化方案，所有可能出现的不交圈问题都能提前发现，避免了在工厂生产后，运到工地现场组装时才发现问题的反工现象，保证了造价和报价的一致。在这个建筑师和生产制造商之间的数据交换工程中，一个不一样的现象是，与其传送二维图纸，我们交换的是三维模型。几次问题的发现和解决，都是通过这种工作流程发现的，如图27，红色的是我们的模型，黑色的是制造商的。

6.能将其他信息编码后高效地翻译成空间形式。

这一点应该是参数化模型的最高端技术，需要建筑师具备编写程序脚本的能力。如前文所述，用计算机的语言——脚本，设定基于项目设计概念的算法，把不同类别之间的信息编码后，变成控制生成几何形式的输入参数。具体到实践中，需要设计人员不但要有编程的能力，同时要有很强的数学几何逻辑。 在此，同样举出本人在Marks Barfield实践中创造的一个特殊技法，即把任何图像翻译成基于空间网格的点阵形式。此技法的软件技术平台是Rhino脚本。 具体技术细节如下：首先通过Rhino软件自带的凹凸贴图控制面变形的功能，把图像附加到几何面上；然后设定自己需要的网格；之后，通过编写一系列列脚本，把网格坐标系下的点阵形态与该点到几何面的竖直距离联系在一起，每个点上单元的尺寸和竖向位置，自动响应几何面的起伏形态；下一步，是把所有点上单元的尺寸，优化成预先设定的几个固定尺寸，比如是4种尺寸还是8种，最小的单元是10毫米还是20毫米等，这些信息将和制造生产和造价直接挂钩；最后，点阵上的单元尺寸与物体的RGB颜色数值联系起来，自动生成沿点阵变化的颜色（如图36-44）。在这个技法中，输入参数是图像，输出的几何形式是位于设定点阵上的单元三维模型及其颜色。这个技法的一个潜在的用途是，把能量分析等环境模拟软件生成的图像信息，作为模型系统的输入数据，生成相应的空间造型。

参数化设计在不同设计阶段的角色

在理解了参数化设计如何使建筑师提高建筑设计的效率后，我们可以把参数化设计在不同方案阶段的任务做一个小结。

可行性研究阶段，参数化设计的任务是根据设计任务书，设定需要解决的设计问题，拟定可以解决该问题的设计技法，并确定最适宜的软件技术平台。

概念设计阶段，参数化设计的工作是在试验不同选择的基础上确定最终的技法，与此同时，通过调整参数，证明模型的可操作性，并生成一些列选择方案，汇编整理。

初步设计阶段，需要得到业主和其他所有相关工种的反馈，审核参数的设置是否可以响应未来可能的变化，同时根据反馈信息调整参数化模型的输入参数，分析和评估形式的输出。

扩充初步设计阶段，要在上个阶段评估选择方案的基础上，确定最终的形式大样，开始导出建筑二维图纸供其他协作单位配合设计，以及物料数据以供工程预算之用。大形确定后，可以在模型上发展细部设计，保持和相关技术人员的交流互动。另外一个重要的工作是及时发现和更正模型中不交圈的问题，同时更新二维图纸。

施工图阶段的主要任务是，从确定的参数化模型中导出所有技术制图，配合其他协作单位完成相关专业的设计。

施工阶段，参数化模型设计人员主要是对承包商和制造商的模型、图纸审核，确保他们的信息数据和参数化模型导出的信息协调一致。并对于生产制造中的不可预料的实际问题，做出相应的模型调整和数据更新。

结论

参数化设计是电脑技术不断智能化的必然结果，它的出现，无疑对现有建筑设计的体系是一种革命性的推动，他更适合现有社会条件下复杂、多变且快速的设计环境。参数化设计体现了我们这个时代的需要和技术特征，进一步优化了社会资源，提高了生产的效率。

勒•柯布西耶曾经精辟地指出关于建筑与技术的关系：“无论何时，只要技术达到了它可执行的极限，就一定会超越其本身而进入建筑领域……建筑是其内部结构的结晶，也是自身形式的缓慢展现。这也是为什么建筑和技术总是形影不离。我们的愿望是，它们能共同生长，直到有一天，其中一个成为另一个的表现……建筑象征我们的时代。”柯布西耶所谓的技术在参数化设计逐渐盛行的今天，应该从原指的生产建造技术扩展到今天的电脑设计技术。我们可以忽视今天社会因为技术的变革，但是建筑不能。