參數化在建筑方案和施工設計中的應用研究

崔乃夫，桑映輝

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100000）

1 引言

在計算機技術高速發展的背景下，以參數化為代表的數字化設計理念及相關技術已經融入建筑工程領域。在以往的建筑設計中，以CAD為代表的技術及應用軟件僅能為設計人員提供工具性價值，無法為建筑人員提供更進一步的啟發和決策幫助，應將參數化積極引入建筑工程設計的全生命周期，打造更智能化的建筑空間。

2 建筑設計參數化概述及其優勢分析

當前，參數化設計在建筑方案及施工設計中的應用頻繁，作為重要的輔助設計方式可以將建筑工程設計中的某些要素轉化為函數變量，隨后得到相應的函數結果，進而幫助建筑工程設計人員提供多種可參考的設計方案與結果。在建筑工程信息化水平不斷提高的背景下，參數化設計是建筑方案與施工設計的主要方式之一，現階段的參數化建筑設計可以依托計算機技術以及軟件系統生成符合建筑工程實踐需要的特殊函數關系，建筑工程設計人員能夠在改變參數條件的過程中形成更科學的建筑方案和施工設計。在建筑工程中應用參數化方案可以有效擺脫因傳統技術而造成的限制，全面優化建筑空間。通過參數化工具展現設計意圖并進行輔助施工，有以下幾點突出優勢：

首先，保持理性設計，實現經濟可行。將參數化應用于建筑工程方案及施工設計中，可以通過程序設定輸入值與輸出值模擬復雜建筑工程中的參數化關系，并形成精確度極高的模型控制平臺，以確保建筑設計施工方案向量化發展。同時，在參數控制過程中，能夠有效約束建筑的造型、形態和尺寸，實現建筑工程施工資源的最優排列與有機組合，確保建筑工程項目的標準化建設與生產管理。

其次，為設計人員提供可靠的設計與施工方案。在建立參數化模型的過程中，相關參數具有一定的可調性，能夠在固定時間內生成多種合理方案，供建筑工程負責人選擇，減少在工程決策階段的時間成本。

最后，快速響應施工項目條件的改變，保證多專業協同應用的順暢性和便捷性，避免專業沖突。設計人員在梳理參數化方案和施工設計的過程中，可以及時更新平面信息和技術指標，更快速地響應項目變化。另外，參數化調控模型可以生成滿足建筑工程各專業需求的技術圖紙，以確保從概念設計到運維階段的信息流暢、真實與準確[1]。

3 參數化在建筑方案和施工設計中應用要點分析

3.1 滿足不同設計階段的復雜性需求

建筑工程設計是一項復雜的思維性活動，設計人員通過用線條與圖形展示個人的人文與社會理念。然而建筑方案形成過程中，普遍難以實現協調設計與對外部影響因素的處理，尤其將平面化、概念化的方案用于具體建筑施工時，需要對建筑工程本身與施工環境進行全面、細致的勘察與考量。在參數化應用中，應進一步把握施工設計圖中的難點，例如，不同建筑物的普遍性和特殊性，把握個體與整體之間的聯系，進而實現對建筑工程不同專業和施工工種的合理安排。

3.2 建筑建模

對建筑設計人員來說，快速且高效地設計建筑結構是極為重要的環節。在建筑工程未應用參數化設計軟件前，傳統的以網格面為建筑工程建模載體的工具有很大的局限性，如sketchup。尤其是在面對復雜的建筑結構以及不規則建筑曲面建模時，難以滿足建筑工程設計嚴謹性與周密性的需求。而通過在建筑方案與施工設計中應用參數化，可以滿足快速建模與精準建模的需要。

當前，隨著計算機技術的發展，計算機的運行速度越來越快，數據處理效率高的計算機可以生成更復雜的參數化建筑模型，使施工操作更經濟、便利。以其在大型交通運輸建筑設施為例，通過應用參數化模型能夠提高建筑流線設計的流暢性，保證內外部結構銜接的順暢度，能夠很好地完成流線組織的各個功能，保證滿足屋面結構的受力特征，符合結構設計的相關要求。

3.3 多種對比方案的生成

設計方案的生成，一方面是通過改變參數生成多方案，可以在改變參數的過程中，生產多個不同方案，供建筑工程設計人員自行選擇。被改變的參數通常代表建筑的某一特性，如建筑的長度、寬度、層高、外立面模數等。另一方面，改變邏輯生成方案。除了改變個別參數生成多個對比方案，通過改變部分參數化邏輯也是有效方案。

3.4 建筑設計方案的優化

多次調整設計方案是建筑施工階段的一個特點，造成建筑方案不斷調整的原因多種多樣，例如，客觀施工條件的影響、建筑施工技術及工藝的限制、資金投入、投資方主觀想法的改變等。為了便于設計人員及時調整建筑方案，需要適時引入參數化設計軟件，優化建筑工程設計施工方案。通過參數化設計軟件產生的設計模型，不僅能參考設計人員的主觀想法，還能根據精確性更高的算法進一步滿足在不同限制條件下的方案模型量化需要，通過人為輸入限制條件，保證設計方案的合理性，減少試錯及后續工程變更的時間和資金成本。

3.5 實現信息的快速交換

在建筑工程的參數化設計模型中，可以快速、方便地實現在各個專業及工種之間進行信息交換。當前，建筑工程從設計環節到施工環節，不僅已經細分出了許多獨立的專業，而且對不同環節的圖紙要求也各不相同。一旦涉及比較復雜的建筑，很難滿足建筑整體方案設計的科學性，而采用參數化設計則可以通過改變和控制參數實現對建筑信息化模型的調整，進而滿足復雜形態建筑對流動分布空間與結構尺寸的需求[2]。

4 參數化應用實例分析

深圳某軌道交通樞紐站位于中央商務區，且擁有高密度的辦公人群，分布著大部分的都市公共空間以及文化藝術設施，還包括4條地鐵換乘節點。作為大型交通建筑工程，通過在工程設計階段引入參數化設計，一方面實現了功能性與藝術性的結合，另一方面提高了項目動靜數據分析的綜合水平。

該軌道交通樞紐站作為優秀的交通建筑設計，與其具備科學性和美學性的結構有直接關系。作為開放包容式的建筑工程，采用了“浪潮涌動”的理念，在借助無數圓盤造型吊件構成廣闊展廳穹頂天花燈同時，采用了參數化設計技術，更好地發揮了建筑綜合空間以及動線材料的優勢，平衡了在大體量空間下結構與藝術感之間的關系。在參數化設計中，還最大限度地考慮了乘客出行體驗的便捷性與安全性需要，在功能區的合理布局下，保證了各個空間尺度與功能的適應性。例如，通過將天花板吊件作為參數基準面，根據不同空間的樓板高度形成波浪形曲面，實現“浪潮涌動”的設計。不僅如此，站廳環廊與地面站臺之間形成的高差滿足了天花造型的需要，為了更好地滿足人體視覺對高度及空間的造型感受，實現整體平衡，將環廊區域的天花圓盤密度控制在其他區域的1倍以上，并向邊緣逐漸過渡（見圖1）。

圖1 站廳天花圓盤空間視覺效果

在參數化模型的支持下，圓盤設計根據新輸入條件自動計算出了相應結果，獲得了不同圓盤密度方案和波浪效果應用方案，有效控制了洞口和波浪在不同區域的起伏變化，最終通過參數化實現了建筑工程的造型需求。

在以往的軌道交通建筑設計中，往往會考慮無自然光線的地下空間，本建筑工程改變了以往的設計傾向，在道路中央隔離帶上進行了自然采光的天窗設計，不僅為地下交通空間營造了開放輕快的舒適氛圍，還有效降低了傳統地下交通空間對人工照明光源的需求，實現了城市地面空間與地下空間的有機交互（見圖2）。

圖2 天窗示意圖1

其中，在天窗部分的設計中，為了保證整個空間結構的穩定性，更好地與天花造型結構形成呼應，以及滿足光線強弱的需求，通過參數化設計對天窗的比例進行了深入分析，在合理優化和篩選過程中，提高了整個設計的準確度與科學性（見圖3）。

圖3 天窗示意圖2

不僅如此，在形成參數化模型的過程中，還對綠色能源（風能、光能等）的利用進行了分析，保證了天花弧度和造型起伏趨勢的合理性，同時根據結構模型和最大采光放射參數，優化了各個天窗之間的距離、尺寸等其他建筑部件之間的關系，最終，使自然光線被合理地應用在各個時段的交通空間中。此外，借助新風系統以及地熱系統，還營造了溫度適應、氣體流通的室內空間微生態氣候，在自然光和建筑形態的指引下，有效發揮了交通空間的引導與輔助功能。

5 結語

綜上所述，參數化設計是滿足我國建筑工程精細化發展需要，也是實現建筑結構與功能一體化的重要路徑。為了更好地將參數化理念、技術以軟件應用與建筑工程設計階段，還應進一步完善其實踐應用和軟硬件基礎，通過資源整合以及按需開發，促進參數化技術的完善和普及。