参数化设计构思与建模在建筑工程中的实效性分析.pdf

202310Building Construction2060参数化设计构思与建模在建筑工程中的实效性分析沈佳青1，21.上海市机械施工集团有限公司 上海 200072；2.上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心 上海 200072摘要：参数化设计是未来建筑领域发展的一大趋势。为更好地阐述参数化设计构思及建模方式在建筑工程的实效性应用，分别从参数化设计思维、参数化软件平台、参数化设计标准以及参数化建模算法等几方面介绍了参数化设计思维与参数化建模方式的重要性与实用性，以期为参数化设计应用于建筑工程中提供参考。关键词：参数化设计；设计模式；设计标准；算法建模；可视化编程中图分类号：TU201 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)10-2060-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.10.034Analysis of Effectiveness of Parametric Design Thinking and Modeling in Building EngineeringSHEN Jiaqing1,21.Shanghai Mechanized Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200072,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Oriented in Typical Building Application Robot,Shanghai 200072,ChinaAbstract:Parametric design is a major trend in the future development in the field of architecture.To better illustrate the practical application of parametric design concepts and modeling methods in construction engineering,the importance and practicality of parametric design thinking and modeling methods are introduced from several aspects,including parameterized design thinking,parameterized software platform,parameterized design standards,and parameterized modeling algorithms,so as to provide reference for the application of parametric design in construction engineering.Keywords:parametric design;design modeling;design standard;algorithm modeling;visual programming机技术知识和技能，否则可能会降低设计效率和精度。许多设计师发现很难将算法思维和编程融入设计过程，理解和学习编程框架的语法规则对设计师来说可能门槛较高，因为目前传统的设计原则和算法建模的方法与规则之间存在着明显的差距。此外，参数化设计需要建立良好的参数化模型和标准库，以确保不同设计师和团队之间的设计结果可以互相兼容和协调。因此，在参数化设计的应用中，需要注重标准化和规范化建设，以便在不同设计团队之间进行协作和共享。还应当引起重视的是模型建立的算法策略，因为参数化实现手段的多样性，容易造成模型内核的重复及冗余，影响各阶段模型深化的速率。本文通过对参数化设计几大核心内容进行系统论述，阐明参数化设计思维及建模对建筑工程发展的重要性以及仍需注意的问题。1 参数化建筑设计构思参数化设计构思以参数化方式进行设计过程的组织，它以数学语言表达设计，通过设计参数的变化实现设计方案的灵活性和可重复性。在建筑工程中，参数化设计思维可以应用于各个设计阶段，包括方案设计、结构设计、施工图设计等。通过引入参数化设计思维，建筑师可以在更短的时间内生成更多的设计方案，提高设计效率和设计质量，并且打参数化设计是近年来新兴的设计方式，它与传统设计方式相比有着显著的区别和优势1-2。传统设计方式注重手工作图和实物模型的制作，设计师需要花费大量的时间和精力进行手工操作，设计成果也受限于人为的局限性。而参数化设计则利用计算机软件的特点，通过输入不同的参数，自动生成多个设计方案，大大提高了设计效率和精度，使得设计师可以更加专注于创意的表达和方案的优化。随着计算机技术的不断发展和普及，参数化设计在建筑、室内设计、产品设计等领域中得到了广泛应用。例如，在建筑设计中，参数化设计可以根据不同的参数自动生成建筑立面、屋顶形态和构造细节等，极大地提高了设计效率和设计精度；在产品设计中，参数化设计可以帮助设计师快速生成多个不同的产品方案，以满足不同用户的需求。虽然参数化设计在许多方面表现出明显的优势，但它也存在一些问题。参数化设计需要设计者具备一定的计算作者简介：沈佳青（1994），男，本科，助理工程师。通信地址：上海市静安区洛川中路701号5号楼108室（200072）。电子邮箱：收稿日期：2023-02-22建筑设计ARCHITECTURAL DESIGN建筑施工第45卷第10期2061破传统设计思维，带来独具一格创新性的设计方案。在方案设计阶段，参数化设计思维可以用于快速生成多个设计方案，并通过参数调整实现设计的优化。例如，建筑师可以通过参数调整建筑外形、朝向、立面等设计要素，快速生成多个不同的设计方案，然后通过参数化建模进行模拟，对各个方案进行评估，最终选择最优方案。在结构设计阶段，参数化设计思维可以应用于结构分析、优化和验证。例如，建筑师可以通过参数化建模模拟不同的结构形式和荷载情况，进行结构分析和优化，快速找到最优解。在施工图设计阶段，参数化设计思维可以用于生成准确的三维模型，并提高设计效率。例如，建筑师可以使用参数化建模工具快速生成建筑的三维模型，并通过参数调整来修改设计方案。这种方式可以避免人工绘图的误差和复杂性，提高设计效率和准确性。在建筑设计各周期内参数化设计的融入如图1所示，除此之外，参数化设计思维还可以应用于建筑节能设计、建筑材料选型和建筑维护等方面。例如，建筑师可以通过参数化建模来模拟建筑在不同环境条件下的能耗情况，找到节能设计的最优解；可以通过参数化建模来模拟不同材料的性能和成本，选择最优的材料；也可以通过参数化建模来实现建筑维护全生命周期的规划和管理。图1 参数化设计构思方式在方案设计、结构设计及施工图设计阶段的体现2 参数化软件平台除了参数化设计构思之外，还需要使用门槛低、开发深度高的参数化设计软件平台来帮助建筑师实现设计理念以及实现规划功能。参数化软件平台是一种基于可视化编程的模块化软件开发平台，可以帮助用户快速开发复杂的应用程序和系统。这些参数化软件平台的主要特点是可视化编程以及模块化编程，这种编程方式可以大大降低开发难度及用户的使用门槛，提高开发效率，使得非编程专业的用户可以更加专注于自身所在领域内项目应用的实现和功能的深化。可视化编程是指通过拖拽和连接图形化元素来实现编程的一种方式。在参数化软件平台中，用户可以通过可视化界面来构建程序和算法，而不需要手动编写代码，同时可以直观地看到程序的结构和逻辑，方便调试和修改，如图2所示。在建筑工程中，可视化编程可以应用于参数化建模和自动化设计，例如可以通过拖拽和调整参数来实现快速设计不同形态的建筑物和结构。也可以应用于结构分图2 基于可视化编程的参数化设计平台析、优化和验证，例如可以将结构分析的各个部分划分成不同的模块，然后通过组合来实现全面的结构分析。基于可视化编程的参数化设计方式的优点主要如下：1）提高设计效率。通过可视化编程，设计师可以使用图形化的界面来构建模型和算法，而不需要手动编写代码。这样可以大大降低学习和开发成本，缩短设计周期，并且使得设计师可以专注于实现设计想法和创新。2）简化设计过程。可视化编程使得设计过程更加直观和易于理解。设计师可以直接在图形化界面中调整参数，实时预览设计的结果，并且可以直观地看到设计的结构和逻辑。这样可以帮助设计师更好地理解问题，发现问题，并且提出更好的解决方案。3）增强设计的灵活性。基于可视化编程的参数化设计使得设计更加灵活和可扩展。设计师可以通过简单地调整参数，轻松地生成多种设计方案，快速比较和选择最佳方案，同时，这种灵活性也使得设计师可以更加容易地对设计进行修改和优化，如图3所示。图3 更改模型参数实现模型的快速优化4）提高设计的准确性。通过可视化编程，设计师可以在设计过程中立即查看模型的实时效果，并且可以直接在图形化界面中进行修改和调整。这样可以大大减少设计错误的发生，并且使得设计的准确性更高。5）提高设计的可重用性。可视化编程可以将设计过程抽象成可重用的模块，这些模块可以被其他设计师在其他沈佳青:参数化设计构思与建模在建筑工程中的实效性分析202310Building Construction2062项目中复用。这种可重用性可以大大降低设计成本，并且使得设计更加统一和规范。3 参数化设计标准参数化设计通常体现为多元性与多样化，但因此也带来了不同的设计标准。为保证参数化设计的可持续性、可扩展性和可维护性，这些标准主要涵盖参数化建模、数据管理、自动化设计流程等多个方面，从而确保参数化设计在建筑设计领域的有效应用，主要如下：1）参数定义标准：规定了参数的命名方式、单位、取值范围和默认值等。通过统一的参数定义标准，可确保不同设计任务中的参数定义一致，并且方便参数的管理和维护。2）参数化表达式标准：规定了参数化表达式的语法、格式、运算符和函数等。通过统一的参数化表达式标准，可以确保不同设计任务中的参数化表达式一致，并且方便参数化表达式的编写和修改。3）参数化模块标准：规定了参数化模块的命名方式、输入参数和输出参数等。通过统一的参数化模块标准，可以方便地将设计任务分解为多个参数化模块，并且方便参数化模块的复用和修改。4）参数化设计流程标准：规定了参数化设计的流程和方法，包括设计任务分解、参数化模块的设计和调试、参数化表达式的编写和优化等。通过统一的参数化设计流程标准，可以提高设计的效率和质量，降低设计成本和风险。4 参数化建模算法除了如何实现参数化建模，在当下工程项目应用场景下，采用参数化设计的异形建筑模型体量巨大，导致影响模型优化的速率，延误工期，因此还需对建立参数化模型的算法方式进行深入研究。目前主流的几种参数化模型建立算法及适用场景主要如下：1）基于形状控制点的参数化建模算法：该算法通过对形状控制点的位置和形状参数的调整，实现对设计的控制和调整。该算法适用于对简单形状进行建模，但对于复杂形状的建模能力较弱。2）基于拓扑关系的参数化建模算法：该算法通过对建模对象的拓扑关系进行定义和调整，实现对设计的控制和调整。该算法适用于对复杂形状进行建模，但需要对拓扑关系的理解和掌握。3）基于参数化曲面的参数化建模算法：该算法通过对参数化曲面的参数进行调整，实现对建模对象的控制和调整。该算法适用于对曲面形状进行建模，但需要对参数化曲面的理解和掌握。4）基于特征的参数化建模算法：该算法通过对设计对象的特征进行识别和提取，实现对设计的控制和调整。该算法适用于对具有明显特征的建模对象进行建模，但需要较强的对特征的识别和提取能力。5）基于机器学习的参数化建模算法：该算法通过对大量数据的学习和分析，实现对设计的控制和调整。该算法适用于对复杂建模对象进行建模，但需要理解和掌握机器学习算法。这些算法的应用范围和效果各不相同，设计师可以根据设计任务的需求和特点选择合适的算法进行参数化建模。同时，随着计算机技术的不断发展和进步，参数化建模算法也在不断完善和提高，为参数化设计的应用提供了更多的可能性和机会。下面通过一个案例进行简述：如图4（a）、图4（b）所示，两者均为实现相同功能的可视化编程算法实例，图4（a）中采用的是简单函数组件，如曲面划分、平移等功能，而图4（b）中除了简单函数功能外，还插入了自定义文本编程脚本以及基于特征控制点的参数实例，可深化的功能内容相较图4（a）更多，但是整体参数化模型的处理速度会比图4（a）更低。ALGORITHM AALGORITHM BShifting DataMOREADVANCEDALGORITHMCOMPONENTSMOREADVANCEDALGORITHMCOMPONENTS（a）简单组件（函数）组成的算法实例（b）基于特征控制点的算法实例SIMPLEALGORITHMCOMPONENTSSIMPLEALGORITHMCOMPONENTSMorphing and GraphMapperRandomMetaBall(t)图4 可视化编程算法实例5 结语采用数字化工具进行参数化设计构思与建模对于建筑工程项目来说，能够提高整体的设计及维护效率，保障设计及施工的精度，降低配套成本，提高项目的可持续性以及促进设计的创新与多变性，这些优点使得参数化设计构思及建模方式成为现代建筑工程领域重要的工具。值得注意的是，采用参数化设计仍需参照设计标准及规范，满足建设要求，而且建立参数化模型时也应当注重建模算法策略的规划，保障设计的优化与精进。1 高玉明.参数化设计思维在建筑设计中的应用J.建筑与文化,2017,33(9):63-65.2 王朝慧,王建康.基于参数化建模技术的建筑设计方法研究J.建筑 科技与设计,2018,15(6):13-16.沈佳青:参数化设计构思与建模在建筑工程中的实效性分析