建筑参数化建模

建筑参数化建模

李学炫

金刚幕墙集团有限公司

【摘要】参数化设计，对应的英文是ParametricDesign。是一种建筑设计方法。该方法的核心思想是，把建筑设计的全要素都变成某个函数的变量，通过改变函数，或者说改变算法，人们能够获得不同的建筑设计方案，简单理解为一种可以通过计算机技术自动生成设计方案的方法。标准的英语表达是：ParametricDesignisdesigningbynumbers.（Prof.HerrfromShenZhenUniversity）。本文主要探讨基于Rhino及Grasshopper软件的参数化建模。

【关键词】参数化建模（ParametricDesign）RhinoGrasshopper建筑

1应用软件简单介绍

1.1Rhino软件

Rhino中文名称犀牛，是美国RobertMcNeel&Assoc开发的PC上强大的专业3D造型软件，它可以广泛地应用于三维动画制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域。它能轻易整合3DSMAX与Softimage的模型功能部分，对要求精细、弹性与复杂的3DNURBS模型，有点石成金的效能。能输出obj、DXF、IGES、STL、3dm等不同格式，并适用于几乎所有3D软件，尤其对增加整个3D工作团队的模型生产力有明显效果。

Rhino是一款超强的三维建模工具，大小才几十兆，硬件要求也很低。不过不要小瞧它，它包含了所有的NURBS建模功能，用它建模感觉非常流畅，所以大家经常用它来建模，然后导出高精度模型给其他三维软件使用。

1.2Grasshopper插件

简单的说Grasshopper是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件。不同于RhinoScrip,Grasshopper不需要太多任何的程序语言的知识就可以通过一些简单的流程方法达到设计师所想要的模型。

Grasshopper其很大的价值在于它是以自己独特的方式完整记录起始模型（一个点或一个盒子）和最终模型的建模过程，从而达到通过简单改变起始模型或相关变量就能改变模型最终形态的效果。当方案逻辑与建模过程联系起来时，grasshopper可以通过参数的调整直接改变模型形态。这无疑是一款极具参数化设计的软件。

Grasshopper中提供的矢量功能是Rhino中没有的概念。在Rhino中制作模型，比如画曲线，拉控制点，移动，阵列物体等等几乎所有的手工建模都是在反复的做定义距离和方向的工作。而在以程序建模（参数化建模）的软件中，这个工作我们希望是尽量以输入数据和程序自动计算的方式来完成，以替代传统的手工去画的方式，在Grasshopper或者其他的参数化建模的软件中用来完成这个工作的工具就是矢量。

2建筑外观模型

Grasshopper的建筑外观模型建立。Grasshopper的基本界面：

Grasshopper的基本界面图1

下面演示基本建模的思路，首先建立建筑的基本轮廓，本次建立的一个椭圆，椭圆的大小可以通过改变输入函数大小实现。如下图所示：

参数化程序图2

参数化建模效果图3

其次是把基本形状往一定方向复制移动，方向可以按自己想要的向量方向，复制移动的距离和数量可以通过改变输入函数大小实现。如下图所以：

参数化程序图4

参数化建模效果图5

然后根据自己的需要调整模型的形状。例如我把这个简单的模型做成一个旋转扭曲的模型，这样可能视觉上更有冲击力，只需要把刚才建立起来的模型每个轮廓按一定的角度转动就可以得到旋转扭曲的模型，旋转角度可以通过改变输入函数大小实现。如下图所示：

参数化程序图6

参数化建模效果图7

最后增加竖向分格和放样，整体建筑效果显示出来。如下图所示：

参数化程序图8

参数化建模效果图9

3参数化的优势

通过上述简单建模演示，可以看到建筑设计由传统的绘制变成参数设计，设计的因素看作参数，然后找到一种关系，那这些影响建筑设计的参数组织到一起，借助于计算机编程和计算机的软件将其组织在一起，形成一个参数模型。

3.1模型改变

参数化设计带来的体验上的改变是最直接、最明显的，这种改变不仅是对建筑的使用者、来说的，对建筑师来说，在设计过程中的体验也是跟传统设计完全不同的。

对建筑师而言，传统设计的思路是建立对中心性、完形态的之高审美追求至上的，建筑师进行的所有工作都是在不断加深、加强这个追求，并使之最终得以实现，换句话说，建筑师总是在进行真正的设计之前在脑子里想象出建筑的只言片语，然后再着手设计，之后所有的工作不过是尽量实现这些只言片语的组合而已。修改设计的过程同样如此，建筑师只有在最初的几次修改时会充满激情，多次之后的修改过程会显得相当乏味。而参数化设计的过程却恰恰相反，我们在脑海里会根据设计条件首先定义好一些规则，如果这些规则不够详细而足以控制整个设计的进行时，我们就要多加上一些限制条件(或称规则)。运行参数模型(很多模型在运行之后，其结果是动态生成的(如迭代)，这与传统的设计过程十分不同)，如果结果不是我们想要的，那么就改变参数或是调整规则，参数的改变、规则的调整都会产生完全不同的结果，甚至有些参数模型(如涌现)每次的运行结果都不相同，就是在这些调整的过程中，建筑师才真正找到了参数化设计的乐趣。

对建筑的使用者或观察者而言，参数化设计的作品给他们带来的更多的是造型上的视觉冲击力，空间上的非凡感受。由于参数化设计的结果常常伴随着渐变、强流动感形体、互动式功能等等，这些元素都与传统的几何造型给人们带来的心理感受完全不同，因此，动感、不稳定感甚至费解都是参数化设计带来的不同体验。

另外，由于参数化设计结果本身的特点，传统建筑材料的使用受到了很大限制，新材料的应用同样从质感、颜色、光影上给使用者带来了大不相同的感受。

3.2效率的提高

效率提高是建筑设计作为实际工程而非艺术品的最大优势，主要体现在以下方面：

①精确的完成复杂形体的设计

以往的建筑设计总是基于对基本几何体的处理，而面对复杂的形体建模时，我们借助传统设计工具会显得无能为力，有时还并不准确，而在参数化设计中，通过参数模型的帮助使输入参数和输出形体之间建立精确、可控的联系就使复杂形体的设计、建模成为可能。

②快速的生成多个方案

优化设计方案，为客户提供多种备选方案是建筑设计中必要的工作，对传统的设计方式来说，这一工作会十分繁重，每个备选方案的设计都是一次设计过程的重复，其中还会消耗设计师大量的灵感，而参数化设计的关键是建立参数模型，一旦参数模型建立，建筑设计的方案阶段就进行大半了。对于同一个参数模型，输入不同的参数会输出不同的设计结果，备选方案的多少仅取决于输入参数的多少，因为对于计算机来说，生成10个结果的时间和1000个的几乎是相同的，不同的只是我们输入1000组参数可能会比10组更加耗时而已。

传统设计中，我们总是从总图出发一步一步的进行推敲、深化、修改、再推敲、再深化、再修改，并最终使设计方案得以实现，在这个过程中，所有的再推敲、再深化、再修改的工作都是上一轮的设计过程的重复，建筑师所要的做得仅仅是调整输入的参数或是在我们的程序里再加入几行或十几行脚本语言而已，至于修改的工作，那是由计算机来完成的，一切都会变快捷、高效，虽然在我们建立参数模型时候会有那么一点麻烦。

④专业之间的精确对接

建筑师关心的往往是建筑的平面功能、交通流线、立面造型，相应的我们需要的就是建筑的平面图、立面图、透视图等等;而对于结构工程师来说，他们往往关注的就是柱网的密度、跨度、梁柱的尺寸等，相对应的就是需要柱网平面、配筋图等等;而设备工程师可能就仅仅需要某些位置的剖面或节点而已。各个专业对同一个项目的关注重点各不相同，所使用的评价标准也不一样，因此，下一个专业就需要将上一个专业的图纸转化为本专业可读的图纸，能否让设计图纸在各个专业中精确的传递对一个工程的进度至关重要。以往的设计中，每次这样的专业交接都意味着专业设计师要进行新的图纸设计，工程周期中大半的时间都花费在了专业交接的工作上，而且，在这些过程中并不能保证精确无误。而在参数化设计过程中，建筑师可以通过一个参数化模型到导出几乎所有专业所需的技术图纸。

3结论

在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。

参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。

参考文献

1.RhinocerosGrasshopper参数化建模.武汉：华中科技大学出版社，2011.9

2.Grasshopper入门&晋级必备手册.北京：清华大学出版社，2013.10