grasshopper 參數化在建筑設計方面的應用研究
——以長江大學東校區南大門設計為例

易 龍，魏清松，徐齊帆*

（長江大學 城市建設學院，湖北 荊州）

引言

大學校門作為大學的門面建筑, 起著表現大學特點和精神的作用。隨著時代的轉變，各所高校對于校門的設計越來越重視，他們希望設計的校門在繼承傳統的文化和滿足基本功能的同時，還能用獨特的造型語言來表達。因此引入參數化設計的手段對于解決獨特的造型方式無疑是一種高效的方式。

參數化設計是一種全新的“設計思維”模式，借助數學算法思維，通過調整初始條件數值并經過計算機算法得到結果的操作，使設計師能夠更加靈活地探索和優化設計方案[1]。參數化設計將設計過程中的形狀、結構、功能等要素轉化為參數，并通過調整參數值來生成不同的設計變體[2]。這種方法可以極大地提高設計效率，加快設計迭代的速度，并且能夠進行更全面和準確的設計分析和評估。此外，參數化設計還能夠實現與其他數字化工具和系統的集成，如可視化分析、模擬仿真、數據管理等，進一步擴展了設計的能力和應用范圍。

1 項目概況

近年來，為了改善提高校園環境品質，同時為長江大學建設湖北“雙一流”高校奠定堅實基礎，長江大學不斷向南發展，需要在原有的北門，西一門、西二門、東一門、東二門的基礎上在新建一個長江大學南門作為主大門。長江大學東校區南校門位于湖北荊州市荊州區荊江大道旁，項目用地面積約14 500 m2。大門主體建筑建設地位于綜合體育館和長江演藝中心之間，用地長度為69 m，用地總平面如圖1 所示。

圖1 用地總平面

2 設計構思與分析

建筑設計是一個復雜的過程,影響因素眾多，考慮到篇幅問題，本文設計構思主要圍繞大學校門設計基本要素:功能、形式、交通三個方面內容展開。

2.1 功能分析

南校門為長江大學東校區校園未來主出入口，將是長江大學正門，要體現一定的禮儀功能，將要打造建設成長江大學標志性入口，因此該校門除了設計滿足人行和車行的通行功能外，還應設計針對值班人員的服務功能和針對師生以及社會人員的服務功能。

設計時有必要給與人性關懷，為值班人員提供一個舒適方便的值班場所和壞境。對此我們需要設計值班室、洗衛室、居住空間以及用來存放值班人員經常用到的工作服裝、對講機、防衛用品等的存儲室。同時為解決校外人員來訪或者咨詢，我們應設計傳達咨詢室和接待室。除此之外，南校門還應設計建設開放式入口廣場、文化墻、長江大學文字標識等配套功能內容。

2.2 形式分析

校門的形式多種多樣，從形態角度可分為對稱型校門和非對稱型校門，從風格角度可分為古典型校門和現代型校門，而長江大學東校區南門兩側的建筑分別為體育中心和藝術中心，目前兩個中心正處于規劃設計階段，校門設計需協調考慮兩側的建筑。對稱型正好可以實現校門與兩側的建筑物自然地融為一體，同時在立面上形成對稱布局，有利于行人、車輛的順暢穿行。另外，對稱式的校門，也比較容易和校園內的建筑形成均衡穩定的對景效果[3]。

2.3 交通分析

據長江大學官方數據公布：長江大學現有教職工3 196 人，全日制普通本專科生32 777 人，全日制博士、碩士研究生5 325 人，來華留學生800 余人。可見長江大學日常人流與車流量非常大，尤其在開學季人流和車流處于高峰期。同時長江大學南大門將打造成學校主門，其尺度設計時應該彰顯其主門地位。當然還需要考慮對城市開放和校園封閉管理的多重需求，合理組織人行流線、禮儀車流的管理。綜上長江大學南大門宜設計成最大尺度即四車道人車分行。其具體尺寸可以參照圖2 所示參數，其實際尺度還需綜合考慮現實當中人流和車流的通行方式。

圖2 校門尺度參考數值

3 grasshopper 參數化設計應用

長江大學東校區南大門設計是基于grasshopper參數化設計技術手段實現的成果，通過設計分析，大門主體（不含門房，文化墻等）長30.3 m，寬6.3 m，高8.85 m，如圖3 所示。其形狀“一波三折”如水波濤濤,隔岸與長江之水相望呈融合之勢，同時融合荊楚文化鳳凰流線，校門呈對稱協調，是謙和包容的姿態，其雕刻融入了泰森多邊形既可以使整體形象和諧統一，與周邊建筑融為一體，又體現嚴謹理性。整體結構上下形成落差，視覺上給人恢弘大氣，也增強了校門的辨識度。大門設計效果如圖4 所示。其旁設文化墻，作展示校史榮譽，學校理念的文化陣地，使學生體驗一步一篇章，一目一境界。

圖3 大門主體設計

圖4 大門效果

3.1 大門立面設計

在學校南大門的設計中，大門立面就采用參數化軟件Grasshopper 的介入，在仔細研讀了任務書之后，了解到長江大學南大門將被打造成為一個具有標志性的正門，基于這個定位我就考慮用泰森多邊形的不規則形態來提高大門的辨識度。根據設計立面曲面確定范圍，利用grasshopper 在這個曲面上創建一組點集，將這些點用作泰森多邊形的中心點，使用surface voronoi 電池將點集輸入生成泰森多邊形曲面[4]，如圖5 所示。通過點的數值參數來控制泰森多邊形的數量以及seed 參數來改變泰森的形狀。為了得到我需要的形狀和大小，通過調整參數的方式，不斷地進行細節修改，從而發揮計算機的高效計算能力，多種限制合并使用，在很短的時間內提供了十幾個參數化泰森曲面。經過反復對比最終確認了自己想要的泰森立面形式。這種方式大幅提升了立面設計的效率。

圖5 泰森多邊形構建

3.2 屋頂造型設計

校門屋頂作為大門的第五立面是校門設計的重要組成部分。不僅要展現荊州特有的楚文化和與長江相對的呼應，還要保證屋頂形式與周邊環境和諧、統一、有序，符合普遍的審美感受。本次設計突出長江的水文化和荊楚鳳凰文化，采用連續起伏波浪的造型，整個屋頂由三片波浪形體塊組成，左右兩邊是兩個對稱起伏的s 型，中間是一個向上凸起的波浪形。中間形體與兩端接洽處重疊部分且這部分曲面互相平行。通過構建sin 函數和cos 函數曲線生成曲面，不斷調整中間凸起面的曲率和兩端s 形的曲面曲率來選擇其中一種我們想要的起伏形狀，同時設置約束條件使用遺傳算法來優化屋頂曲面的形態，在給予曲面一定厚度就可以得到我們想要的屋頂造型，如圖6 所示。看似簡單微變的形體，用數學關系描述起來也很清晰明了，運用傳統的設計手法則很難實現，正因為參數化數學函數的概念關系才方便快捷地調出我們想要的建筑形式[5]。這種參數化的新形式給人以耳目一新的感覺，起到新穎醒目的作用。同時這種柔和的曲線給人以溫柔的感覺，使人身心愉悅，從而提升大門的辨識度。

圖6 屋頂造型

3.3 文化墻設計

校門是大學的主要入口，它扮演著迎接來訪者和校園成員的角色。文化墻作為校門旁的裝飾元素，不僅為校門提供了獨特的外觀和特色，幫助校門在視覺上脫穎而出。還可以傳達學校文化和賦予校門和整個校園一個藝術氛圍。設計師在設計時，應注意校門周圍的空間和環境條件，讓文化墻與校門相協調。多思考如何展示長江大學校訓“長大長新”以及荊楚文化，比如：材料、空間、非線性等。與此同時，文化墻的設計應考慮到安全性和可訪問性，確保整個文化墻墻面無鋒利的棱角出現。在本次設計中，采用磚塊作為文化墻的材料，磚石材料不僅可以體現荊州這座古城的底蘊，還可以體現長江大學校訓長久之意。為了展現文化墻藝術氛圍和趣味性，整個文化墻設計成疏密變化的磚墻形式來增強光影美感以及吸引人群的停留。同時整個墻面成連續非線性的曲面，如圖7 所示，可有效減少學生在與之接觸的危險性。

圖7 文化磚墻

數字建筑包含了建筑全過程數字化并通過新設計、新建造，形成數字建筑平臺生態新體系，重新構建建筑業的生產體系[6]。參數化設計充分體現了數字建筑的特點，設計非線性連續文化磚墻時采用了異于常規的設計手法，首先畫一條非線性的基準曲線，將這條線延z 軸偏移距離，接著通過曲線放樣成面，然后確定磚塊的高度，通過高度尺寸來提取曲面u 方向的結構線數量。在根據磚塊的長度將結構線進行劃分，需要注意的是奇數行的磚與偶數行是錯開搭接的。這個時候通過分段曲線放樣就可以得到無縫的磚墻。接著用動力學插件kangaroo 來實現通過不同力的大小來控制間隔的距離，最后不斷調整參數就可以得到我們想要的效果。

4 結論

本文以長江大學南大門設計為例，研究了參數化設計手段對于大門立面、屋頂以及文化墻設計的作用，結果表明基于grasshopper 的參數化設計確實是一種靈活、高效和創新的設計方式，相較于傳統的設計手段它可以大大提升建筑設計的效率和創新能力。但它對于設計師只是一個工具，核心的設計思維方式還是由設計師主導[7]。隨著建筑技術的高速發展，建筑參數化設計必將是大的趨勢。期望本文以長江大學南大門設計為例對于參數化在建筑設計方面的應用研究能為日后的研究者提供一定的參考。