管文超，張鵬飛（.上海市建筑裝飾工程集團有限公司， 上海 0007；.同濟大學經(jīng)濟與管理學院， 上海 0009）

隨著計算機硬件與 CADCAM 等數(shù)字化設計軟件的技術發(fā)展和扎哈·哈迪德等先鋒設計師的引領，設計手段和創(chuàng)意也不斷發(fā)展變化[1]，越來越多的建筑設計師在建筑外立面與室內(nèi)設計中使用非線性造型。無論是建筑的方案設計階段、深化設計階段還是建筑構(gòu)件產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，非線性曲面處理都需要大量的高效率、高精確性的重復勞動，而用參數(shù)設計將在這個過程中起到至關緊要的作用[2]。

參數(shù)是數(shù)學專業(yè)的名詞，指改變方程結(jié)果的變量。在參數(shù)化設計中，將設計意圖看成結(jié)果，影響設計變化的主要因素看成變動參數(shù)，設計的要求看成固定參數(shù)，然后用一種或多種算法指令來建立參數(shù)關系，通過控制參數(shù)與程序系統(tǒng)來表達設計想法和設計成果之間的關聯(lián)，并用計算機圖形學語言在軟件中描繪參數(shù)關聯(lián)生成的模型[3]。

參數(shù)化設計是一種在算法思維的基礎上進行設計的過程[4]，運用參數(shù)化設計可以快速精準地搭建非線性自由曲面模型，在設計結(jié)果與程序或算法、參數(shù)之間形成聯(lián)動，通過輸入不同的參數(shù)生成不同的設計成果，可實現(xiàn)設計結(jié)果與參數(shù)之間的動態(tài)變化，這比用搭積木方式的逐一手動建模更具有效率、更精準、更具有邏輯性。

1 參數(shù)化設計在建筑裝飾工程中的應用及流程分析

基于 Rhino 與 Grasshopper 提出建筑裝飾工程中參數(shù)化設計的基本流程以及裝飾飾面設計中的形態(tài)建立和優(yōu)化的方法，并將該優(yōu)化方案應用于裝飾工程項目，完成了建筑室內(nèi)異型曲面構(gòu)件的方案設計、深化設計、裝飾部件加工、安裝等任務。參數(shù)化設計在建筑裝飾工程中的應用流程如圖 1所示。

圖 1 參數(shù)化設計在建筑裝飾工程中的應用流程

深化設計階段參數(shù)化設計主要工作流程包含以下內(nèi)容。

（1）由于裝飾構(gòu)件的安裝依附于結(jié)構(gòu)主體，在深化設計階段時，參數(shù)化設計首先需對施工現(xiàn)場既有主體結(jié)構(gòu)進行測量，將現(xiàn)場主體結(jié)構(gòu)的實際尺寸與設計方案模型進行對比分析，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)調(diào)整方案模型的形體。

（2）對飾面材料特征進行分析，對接材料生產(chǎn)工廠，明確材料單元構(gòu)件的生產(chǎn)規(guī)格及優(yōu)化目標，如不同的材料能加工不同最大規(guī)格尺寸，雙曲面單元構(gòu)件優(yōu)化成單曲面和平板，多邊形平板單元構(gòu)件優(yōu)化成更多同規(guī)格模數(shù)的構(gòu)件，從而降低加工難度，減少開模數(shù)量，降低施工成本。

（3）最后結(jié)合方案設計的形體對曲面進行重構(gòu)，利用目標函數(shù)對單元構(gòu)件的規(guī)格進行不斷的調(diào)整排列組合，采用優(yōu)化算法模型優(yōu)化前后的偏離值，當優(yōu)化后的模型與原設計方案最為接近時，即得到最好的優(yōu)化成果，這一過程必須是基于可用具體的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化的，其流程如圖 2 所示。

圖 2 建筑裝飾工程深化設計階段參數(shù)化設計流程

圖 3 劇院整體墻飾面效果

2 工程案例應用分析

某地塊項目位于上海市北外灘區(qū)域，集辦公、商業(yè)、劇院為一體，項目劇院地面材料為實木地板，墻面與天花飾面材料為 GRG，此處主要論述利用參數(shù)化設計對異型 GRG 墻面進行重構(gòu)，然后對異型裝飾面進行優(yōu)化，從而減少 GRG材料生產(chǎn)所用的模具，降低施工成本。劇院整體效果及整體空間模型如圖 3 所示。

2.1 方案設計分析

經(jīng)過對方案模型推敲分析，可確定劇院以中軸線為中心，將所有飾面分成兩個部分，且兩部分構(gòu)件呈鏡像的幾何關系，所以可以中線為界限，將一半的構(gòu)件優(yōu)化好后，則整體模型深化設計即可完成。墻體曲面以 a 為軌跡線，以 b 為斷面線，b 以 a 為基準，單軌掃掠得到曲面，如圖 4 所示。

圖 4 劇院曲面生成邏輯分析

2.2 曲面優(yōu)化應用

（1）通過 rhino 軟件打開曲線 a 的控制點，可得知曲線 a 的控制點分布較多，且并不均勻，由此可判斷曲線 a 為B 樣條自由曲線。

（2）若要減少曲面開模數(shù)量，則可將軌跡曲線優(yōu)化成由圓弧組成的曲線（圖 5），利用圓弧曲線半徑相等的特點，將圓弧 c 分割成 4 段等距離的曲線，則分割后的曲線c1、c2、c3、c4 幾何特征完全相同，由此可知若由圓弧曲線 c 作為軌跡線生成的曲面，則等距離分割后的曲面 S1、S2、S3、S4 也完全相同，從而推理出將生成曲面的軌跡曲線優(yōu)化成圓弧線，可只用一組模具可生產(chǎn)出同一圓弧線或等半徑的圓弧曲線上分割后的 GRG 曲面。

圖 5 等距離圓弧曲線推理

（3）將自由曲線重構(gòu)成圓弧，是用圓弧曲線去擬合自由曲線，即求一條圓弧曲線 ，使其無限接近于原始自由曲線，讓求出的圓弧曲線與原始曲線之間的差值達到最小。如圖 6 所示，曲線 m 為自由曲線，點 A、B 為曲線 m 的端點，點 C 為曲線 m 上的任意一點，根據(jù)三點可求出一個圓弧的原則，用一段圓弧線 n 連接 A、B、C 三點。點 A、B 固定不動，當點 C 在曲線上移動，可形成不同的圓弧線，當移動至三點連成的圓弧線與原曲線 m 差值最小時，即停止移動，此時的圓弧線即是最佳擬合曲線。

圖 6 重構(gòu)圓弧線推理過程

利用參數(shù)化設計在曲線 m 上取若干點，連接至曲線 n,將所有短直線的長度相加，利用 grasshopper 中的遺傳算法運算器不斷迭代計算，使 m至 n 的距離和最小，即求出最優(yōu)解。同理可利用此方法將劇院室內(nèi)曲面進行優(yōu)化，減少開模數(shù)量，降低材料加工成本，如圖 7 所示。

圖 7 劇院曲面優(yōu)化

3 結(jié) 語

參數(shù)化設計的優(yōu)勢是將設計要求和限定條件設置成合適的參數(shù)，將初步的設計目標與這些參數(shù)串聯(lián)起來，形成一個聯(lián)動的程序系統(tǒng)，通過這種可視化編程建模的方式可以實時獲得反饋，快速地獲得多種階段性成果。

通過上述參數(shù)化設計的實際案例，本文展示了參數(shù)化設計在建筑室內(nèi)裝飾工程中深化設計階段的作用，利用參數(shù)化設計可精準高效地完成模型的優(yōu)化，并將數(shù)據(jù)信息傳遞到裝飾構(gòu)件加工安裝階段，從而降低施工成本和施工難度，提高工作效率。BIM 技術的應用再次證明，將建筑室內(nèi)裝飾工程各項物理信息分析從深化設計提前并貫穿整個項目過程，有助于設計建造階段進行相關工期、質(zhì)量以及造價控制管理。因為設計建造階段根據(jù)工程特點和優(yōu)化目標搭建好程序系統(tǒng)后，將容易出錯的、重復的、大量的密集型工作交給計算機去解決，將建筑師和工程師從重復勞動中解放出來，從而可以將更多精力用于改進施工工藝、提升優(yōu)化管理和組織協(xié)調(diào)資源。總之，將參數(shù)化設計信息化技術充分應用以實現(xiàn)更有效的項目全壽命期管理和企業(yè)利潤最大價值運用，已是我國建筑室內(nèi)裝飾工程領域未來可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。