數字技術在建筑設計中的發展與應用

莊麗宏

（山東建筑大學建筑城規學院，山東 濟南 250101）

0 引言

工業革命后，人類社會的工作方式從大機器生產轉向計算機控制，社會文化也從傳統文化轉向數字化，數字技術正在以其自身無所不在的滲透性與適應性延伸至我們工作和生活的各個領域。隨著數字技術的飛速發展，當前社會中建筑功能、形態及空間維度等都發生巨大改變，數字技術已成為建筑領域中不可漠視的手段與媒介。與此同時，清華大學、東南大學、華南理工大學等高校的建筑學院設置面向信息時代的數字技術應用和研究的建筑學培養計劃和教學體系[1]。本文從數字技術的起源、發展與應用等方面，對已有研究成果進行總結，探討當前研究的不足，以期為今后數字技術在建筑設計中新的探索與實踐研究提供參考。

1 數字技術在建筑中的發展與應用歷程

數字技術，也稱數字控制技術，是與電子計算機相伴相生的科學技術。第一臺真正的電子計算機源自美國賓夕法尼亞大學，因此對數字技術的相關研究國外要早于國內。20世紀40年代，計算機出現催生數據可視化的現代發展，人們開始采用計算機編程生成可視化，同時結合圖形符號，為數字技術在建筑領域的應用奠定基礎。不同技術背景下，數字技術在建筑設計中的應用經歷了由計算機輔助設計到參數化設計再到人工智能設計的歷史演化脈絡（見圖1）。Sketchpad的出現是計算機輔助建筑設計的開端，掀開圖形信息建模研究序幕。20世紀80年代，AutoCAD的推出與PC機的普遍應用，建筑師開始全面應用計算機繪制建筑設計的圖紙，但未能使用CAAD技術進行建筑方案的推演，此階段數字技術的運用只是起到“輔助”設計的作用。1990年以后，Digital Project、Maya、Rhinoceros等數字工具相繼涌現，建筑設計進入參數化設計階段。建筑師依托新技術，突破傳統幾何形體的限制，探索運用計算機算法進行形態生成的過程，促發建筑設計從“自上而下”向“自下而上”的演化。進入21世紀，多層神經網絡模型的提出及大數據與算法的結合，推動了人工智能的新熱潮，在設計領域也出現“小庫”等人工智能系統，這些系統通過算法處理海量數據，加之計算機本身的模式語言與數學邏輯等，分析、理解、推理后自主生成設計。在數字化驅動下，建筑設計越來越朝集成化設計方向發展，通過多專家研討與模擬軟件實現量化目標與控制建筑成本，將成為數字技術在建筑領域應用中新的發展趨勢。

圖1 數字技術在建筑中的發展與應用歷程

2 數字技術在建筑設計中的應用

數字技術的應用經歷前期對數據邏輯的整理、規劃和設計，后期提供技術支持的過程，其中包括最初應用于建筑領域的設計表達及數字技術成熟后的設計方法與設計評價等（見圖 2）。

圖2 數字技術在建筑設計中的應用

2.1 數字技術在設計表達中的應用

設計表達是數字技術在建筑設計領域的最初功能之一，是基于“繪圖工具”和“提高繪圖效率”單一定位原始動機的必然產物。通常的設計表達除涵蓋不同角度、不同表達方式的三維效果圖和二維圖紙外，還包括最終的實物表現模型，以表達設計特點和實際效果。這種直觀的建筑師與設計的交流互動主要依靠 3DMAX、SketchUp、Rhino等 3D 模型軟件，PS、AI等圖像處理軟件，PS、ID、PPT等排版軟件及PPT、動畫軟件等演示軟件等各種數字技術的協同操作。張蕾等[2]在《數字技術在現代建筑設計中的應用》一文中，論述Photoshop圖形圖像處理技術、Rhino-Grasshopper的參數化技術及CAAD三種較常應用于設計表達中的數字技術。在讀完《當代建筑與數字化設計過程》一書后，吳曉等[3]針對項目設計整個過程的數字技術的應用進行分析和總結，其中就包括設計表達層面。

2.2 數字技術在設計方法中的應用

隨著數字技術的普及，建筑師在掌握數理邏輯、形式探索、虛擬模型的基礎上，開始探索數字化的設計方法。較為常用的數字化設計方法有參數化設計、算法生成設計、非線性設計等。在《建筑數字化設計與建造研究》中，趙明成[4]對參數化設計、算法生成設計以及模型優化設計等數字化設計理論方法進行了詳細的論述，并闡述了各設計方法所應用的相關軟件。在《數字技術在建筑設計中的應用》一文中，劉瀅等[5]從建筑方案設計層面對非線性設計法、參數化設計及生成設計等新的設計方法進行論述，介紹數字技術在各設計方法中的應用。扈曉靜[6]在《數字技術在建筑設計中的應用研究》中，論述了百葉式建筑表皮設計中數字化的設計方法。

2.3 數字技術在設計評價中的應用

建筑設計評價是我們對建筑物的功能以及物理性能的一種檢測方式，通過指標的對比，檢測是否滿足各種光、聲、節能、環保等物理要求。目前，建筑設計評價已成為建筑設計中不可或缺的一步，是尋找空間形態與各類性能合理關系的主要手段，建筑師不再依靠專業的技術顧問可對建筑方案進行評價，主要用于建筑設計評價的數字技術，包括EnergyPlus、Radiance、Fluent Airpak、Cadna/A、Ecotect、ANSYS 等。《關于數字技術在當代建筑設計中應用》中，以埃登項目為例，以數字技術對其能源、采光、通風、噪聲等物理環境進行模擬檢測。《建筑數字化設計與建造研究》中，對設計評價中的相關通風、遮陽、日照以及能耗模擬等軟件進行了介紹。鄭宋玲[7]在《當代建筑設計數字技術應用與前景》中，對設計評價階段的Ecotect進行詳細介紹。

3 結語

3.1 對相關研究進展的評述

目前有關數字技術在建筑設計中的應用問題的研究依然廣受關注，國內學者意識到數字技術在建筑領域中的重要性，從最初的建筑設計領域逐漸推廣到建造領域，深度和廣度不斷提高，但國內數字技術研發與應用仍滯后于國外，由于在建筑設計領域的技術推廣與研究快于建造領域，使數字化的設計無法完全實現。國內高校的建筑教育中缺乏對數字技術的倡導，僅有清華大學、東南大學、同濟大學等院校倡導數字化設計與教學，并處于起步階段，對于數字技術在建筑設計中的應用推廣任重道遠。

3.2 對相關研究進展的展望

雖然目前國內對于數字技術的應用推廣存在不足，但是數字技術未來的發展仍具有很大潛力。以數字技術為媒介促進設計信息交流的通暢，從初始設計到表現再到最終建造，設計流程的一體化將成為行業發展趨勢。同時建筑專業的設計人員也將多樣化，具有數理邏輯與編程基礎的數字技術應用人才將成為建筑行業的亟需人才。