基于數字技術的建筑方案設計探究

黃金辰

啟迪設計集團股份有限公司南京分公司 江蘇 南京 210000

1 傳統建筑方案設計

1.1 傳統建筑方案設計的含義

高質量的建筑設計方案是保障建筑工程質量的關鍵，同時建筑方案設計也影響著項目建設效益和進度。傳統的建筑設計方案主要是由設計人員搜集數據資料，然后利用繪圖工具，根據建筑實際情況、地理位置、人文環境加以設計，整體設計效率偏低，并且數值準確性無法得到保障。

1.2 建筑方案設計的發展

信息技術飛速發展的背景下促進了諸多行業進步，對于建筑行業來講，在設計與施工期間開始對諸多先進的技術應用，比如設計環節可以利用繪圖儀以及諸多先進的勘察設備，在測繪的精確性、設計的整體性上都更有保障，人工勘察也逐漸被計算機網絡技術取代。

2 數字化技術在建筑方案設計中的作用

相較于其他行業，建筑行業受社會意識以及生產方式影響更為明顯，尤其是互聯網技術的影響之下，傳統的建筑設計方案已無法滿足社會發展要求。在信息技術革新的背景下，數字技術開始與建筑方案融合，比如CAD工程設計圖繪制以及BIM信息技術的應用都發揮了數字技術的精確性、高效性特征，幫助設計人員展示建筑的立體空間和抽象思維，然后通過建筑數字信息模型的形式體現。此外，在建筑的方案設計中對數字化技術利用可以促進設計人員對施工人員交流，顯著的提升施工效率，促進資源的優化配置，并且在這一過程中節約人力成本與物資成本[1]。

3 建筑方案的數字化生成設計方法

數字化生成技術為科學的藝術創作方式，在基因編碼轉換下得到人造物，具體說來，就是在計算機編程下得到不同的設計形態，并且利用顯示設備直觀展示。在建筑的設計環節，一方面需要通過設計參數分析生成設計問題，由于參數的受約束條件較多，在程序化設計期間物體的形態發生較大變化和尺寸大小關系密切，所以在復雜的系統中應用較多，之后通過整合實現；另一方面是采用隨機形式設計，該設計理念主要是在諸多的設計方案中優選，所以對設計人員的專業性有著很高要求。此外，要考慮建筑的結構、形式、技術、審美等內容，形成多層次的設計方法，并且生成塞爾曲線，之后把建筑的品質與特征納入設計范疇。

4 數字技術進行建筑方案設計的主要技術

在當前的建筑設計環節多種技術和軟件得到了利用，在建筑設計環節，前期現場調查以及后期建筑方案設計都需要借助數據信息。因此，數字化技術發揮了重要作用，具體說來：

4.1 建筑方案參數化設計

在當前的建筑方案設計過程中，數字化技術是一種廣泛應用的工具，主要價值在于優化方案的參數，而參數化設計的關鍵在于邏輯建模，也就是通過物體自身邏輯建立物體的模型，其中涵蓋了參量、關系、結果三個因素，并且參量與關系處于時刻變化狀態，隨著坐標點位移，直線長度以及位置也會變化。通過參數化設計讓建筑方案設計可行性和邏輯性增強，這也是數字技術用于建筑方案設計的重要體現。

4.2 CAD設計效率提升

CAD是一種專業的繪圖工具軟件，可以在建筑工程方案設計和圖形繪制中發揮出重要作用。在方案設計初期，設計人員通過自身想象與判斷，設計雛形之后結合地理環境優化設計方案，該方法需要在二維圖紙文件基礎上繪制，然后利用其中的多種功能輔助方案設計，確保設計內容的合理性與規范性。比如在建筑空間設計、外立面設計、剖面圖設計都能達到良好效果。目前CAD設計軟件應用廣泛，能夠呈現三維立體坐標，精確建筑的具體位置，尤其是預應力計算和深基坑設計環節能夠保證每個坐標點分布的合理性。由此提升工程質量。

4.3 SketchUp的利用

SketchUp是一款草圖設計軟件，能夠快速創建、觀察和修改三維創意，可確保方案生成更加便捷。設計人員無須考慮紋理、色彩、技術等方面內容，而是把建筑主體塑造當作設計中心，在設計環節關鍵是選擇好設計工具，進而與設計人員的思想表達具有連貫性，并且這種設計方法的表現性很強。設計人員通過剖視透明觀察、任意視點觀察等方法，結合自身的創新思維得到三維模型視圖，之后提交設計方案，并且無須后續加工處理。相較于CAD技術，這款草圖設計軟件解決了難于修改問題，人們可以根據設計目標解決整個設計過程中出現的問題。

4.4 BIM技術的應用

BIM也被稱為建筑信息模型，該技術可以用于項目工程的整個生命周期當中，能夠實現建筑設計的集成化、三維化與標準化，有效提升建筑方案設計效率，這種數字化技術把工程項目當中的單一構件或者物體作為基本元素，然后描述其物理特征，之后形成數字化建筑模型，并作為建筑工程的數據資料庫，這些數據能夠圍繞建筑構件和物體組織起來，展示建筑元素、物理屬性、幾何特性的同時，還可以展示建筑整體的空間關系，形成虛擬化的建筑物，打造更加完整的信息系統，BIM技術承載了多種信息，并且信息之間具有關聯性，有利于和施工單位以及其他人員信息共享，憑借以上優勢成為當前建筑方案設計有力助手[2]。

5 如何利用數字技術進行建筑方案設計

5.1 設計前期的信息收集和處理

在建筑設計方案制定前期主要是進資料的搜集和檢索，主要是表達出記錄性、發散性和相對隨意性的特征。建筑的結構設計需要考慮諸多內容，所以設計人員不僅需要分析設計任務書，還需要從經濟、文化、環境等視角分析問題。在設計環節不僅會對多種先進的設計軟件利用，還需要借助搜索引擎在整體上了解地區文化習俗、社會經濟、資源環境，由此擴展設計人員的思維，增加設計質量。

5.2 建筑方案的構思

在方案的構思方面，包括概念設計與方案發展兩個環節，由于設計人員在這兩個環節思維表達和工作思路存在差異，在媒體工具上的應用也會存在差異。在概念設計環節，設計人員主要是在繪圖、建模的過程中將自身的構思外化和具體化，得到概念設計草圖，使得建筑師通過跳躍性和開放性的思維設計多個方案，然后在變化形式中獲取更多的線索，一般需要對CAD工具以及BIM技術實現。在方案發展階段，需要設計人員在前期與中期明確設計思維與表達，深入思考和比較建筑功能、空間、造型與整體環境。在方案發展的后期，主要是通過多媒體進行演示，進而對這些內容深入思考，比如結合項目的設計深度、規模、復雜程度、個人想法、所用媒體類型。一般在該階段包括三種可選擇的設計方案，包括以三維模型為核心、以信息模型為核心、以三維模型到信息模型的策略。

5.2.1 面向三維建筑對象的概念設計。隨著SketchUp、3D Studio Max、 ArchiCAD mac等三維建模軟件的推出，如今借助計算機直接建立模型已經十分容易，這些建筑模型軟件不僅是媒體工具，還可幫助設計人員將想法概念化或者形象化呈現出來，滿足對建筑形式、空間與功能的設計需要，這些面向建筑實體的三維構思設計方法可以提升設計信息的準確性、關聯性、效率性和完整性，效果遠遠超過了傳統的草圖設計。

5.2.2 以三維模型為核心的方案發展。一般用于規模小、設計難度小的建筑，一種是SketchUp，該技術不會受到紋理與色彩的約束，便于設計人員圍繞造型、空間等問題探索和研究，并且利用原方案可以與設計師思維保持一致。在表現方面，設計的方案有利于設計人員創新思維，快速生成三維模型視圖，受到建筑設計人員的歡迎；另一種是CAD，比如在建筑室內設計環節可以對設計模板利用，然后進行圖紙畫幅設置、標題確定以及線型選擇，在細節圖層設計期間可以存儲制作完成的圖層，為后續的設計提供參考。工具欄中的草圖設置功能可以幫助設計人員捕捉對象，比如在室外的環境設計利用中心交點斷點捕捉圖像，整個操作環節較為便捷。

5.2.3 以信息模型為核心的方案發展。一般用于建筑規模大、設計難度高的建筑，具體說來：其一，在建筑信息模型當中包括空間幾何、構造、材料、造價等信息，在設計人員利用這些信息模型過程中也需要對技術、造價等因素考慮，進而確保設計的成果對后續的施工起到支持作用；其二，建筑信息模型具有三維設計功能，便于設計人員進行觀察，掌握任意位置、高度的平面圖、剖面視圖、軸測圖、線框透視圖，都有利于對設計方案優化；其三，在建筑信息模型中可以分析和計算概預算、電負荷、熱負荷與光照模擬，并且在軟件中可以提供報表、圖紙等自動生成工具。

6 基于數字技術的建筑方案設計案例分析

南京市河西青奧中心1號樓于2017年建設完成，該建筑高度達到315m，方案設計期間對數字技術加以利用。本文以參數化平臺Grasshopper為例，從組團層級、體量層級、細部層級入手，分析數字化技術在建筑方案設計的具體利用。

6.1 組團層級

6.1.1 概述。在宏觀層面講，城市建筑的設計從生態性出發可以包括如下方面，其一是建筑與環境之間關系；其二是建筑與建筑間關系。具體說來：在建筑與環境設計方面需要考慮氣候、地形等要素與進駐之間的關系，而建筑與建筑的關系是分析建筑組團布局，也就是分析建筑的朝向，開放空地，進而滿足建筑室內的采光與通風需要。

6.1.2 數字技術介入。其一是需要利用數字平臺建立關系模型，進而對群租的空間關系與群租形態描述，設計人員通過精確輸入建筑形態、數量、高度等參數整體調節建筑群；其二借助計算公式優化容積率、熱環境、室外風環境，進而優化建筑群落的生態方案[3]。

6.2 體量層級

6.2.1 概述。在建筑的主體設計中包括了建筑形態和功能布局，并且在設計的過程中建筑截面形狀、體型系數都和節能情況有關。此外，形體的組合也會對建筑的生態性能產生影響。而功能布局要考慮用戶的使用形式，對機電設備集中布置，進而達到降低能耗的目標。

6.2.2 數字技術介入。數字技術介入體量層級需要設計方案的制定和實施，不過評價數據無法生成優化方案植入基地當中，因此體量階段的方案優化需要和設計方案同步進行。

6.3 細部層級

6.3.1 概述。在建筑的細部層級優化中主要是從以下兩個方面入手：其一是維護體系的細部構造優化，圍護結構的熱工性能一般認為墻體越厚越保溫，而細節處理方面主要是避免門窗等部位出現“冷熱橋”；其二是建筑外立面的優化，比如開窗的位置、材質、大小就會對建筑的節能設計質量產生影響。

6.3.2 數字技術介入。在確定方案體量的前提下，數字技術在細部層級的介入主要體現在，利用參數化模型對建筑表皮的生成控制，生態模擬可以提供數據來源，可以對結構形態整體控制。

7 結束語

綜上所述，在信息化技術與數字技術廣泛用于建筑工程的今天，大大降低了設計人員的工作量，設計的方案更加具有合理性，后續的施工環節也會減少問題出現。目前，在建筑設計環節主要是對BIM、CAD以及SketchUp等建模軟件利用，需要設計人員結合項目的自然環境、區域經濟發展、人文環境等方面考慮，由此打造高質量的建筑工程。