張雙

（上柏聯(lián)合工程設(shè)計（重慶）有限公司，重慶 400010）

“上古之世，人民少而禽獸眾，人民不勝禽獸蟲蛇。有圣人作，構(gòu)木為巢，以避群害，而民悅之，使王天下，號之曰有巢氏?！薄俄n非子》這段話，描述了人類始祖最初的建造活動。經(jīng)過漫長的歷史發(fā)展，人類從營建洞穴和遮蔽物等簡單住所，到構(gòu)造更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如石頭和木質(zhì)建筑，建筑伴隨著人類進化的全過程。這些建筑物不僅僅為人們提供生活工作場所，還是對人們信仰和精神的表達。建筑設(shè)計深刻地影響著人們的生產(chǎn)、居住、交流和文化生活。與之相應(yīng)的是，建筑設(shè)計工具隨著人類漫長的生產(chǎn)力發(fā)展經(jīng)歷了從原始社會到現(xiàn)代社會的逐漸演變。這些演變與建筑設(shè)計成果的表達、效率的提升、人與人之間的溝通有什么內(nèi)在聯(lián)系呢？全新的AI 時代的建筑設(shè)計工具將向什么方向發(fā)展呢？

1 建筑設(shè)計工具的前三次演變

在AI 設(shè)計之前，我們從時間維度將建筑設(shè)計工具的演變大致分為三個時期：藝術(shù)家工匠時期、建筑師圖紙模型時期、計算機輔助繪圖時期。

1.1 藝術(shù)家工匠時期

朱啟鈴的《哲匠錄》以中國傳統(tǒng)史學(xué)的人物傳記體例記錄了肇自唐虞，迄于近代的哲匠生平及其營造事跡，反映了工程的發(fā)動者（帝王、工程的組織管理者、構(gòu)思者）和工匠（官吏和工程的實踐者）的生產(chǎn)關(guān)系。方案總體設(shè)計主要形式為繪畫和雕刻，并結(jié)合文字來描述建筑的布局、形體等內(nèi)容，如隋唐時期的界畫（圖1）。

圖1 現(xiàn)存最早的大型界畫唐朝懿德太子李重潤墓中的《闕樓圖》

與之相應(yīng)的是，文藝復(fù)興前，西方的建筑設(shè)計者也大多由藝術(shù)家或工匠兼任[1]。繪畫表達了建筑發(fā)動者的設(shè)計意圖，而建筑的細(xì)節(jié)則依靠工匠們在施工中解決。在建造之前和建造過程中，他們常常通過度量、計算、標(biāo)記現(xiàn)場的方式實現(xiàn)預(yù)先思考和相互溝通（圖2）。

圖2 土地丈量與占卜

1.2 建筑師圖紙模型時期

隨著紙張的發(fā)明和普及、透視圖技術(shù)的成熟，紙筆工具開始在建筑設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。工匠們從實踐中總結(jié)出了建筑規(guī)模、建筑材料、構(gòu)造做法等大量經(jīng)驗并形成系統(tǒng)知識，如：古羅馬時期維特魯威的《建筑十書》、中國北宋李誡的《營造法式》（圖3）、中國清代的樣式雷（圖4）等，進而演變成指導(dǎo)建筑設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。這給建筑師的腦力勞動從工匠的手工勞作中獨立出來創(chuàng)造了條件。

圖3 舉折屋舍分?jǐn)?shù)圖

圖4 雷氏手制圓明園燙樣（模型）原作

文藝復(fù)興初期，在設(shè)計建造佛羅倫薩百花大教堂穹頂時，布魯乃列斯基(Filippo Brunelleschi) 擔(dān)任總建筑師，巴蒂斯塔擔(dān)任他的助手。巴蒂斯塔的職責(zé)在于協(xié)調(diào)石匠和他們的副手、以及其他普通勞工，將作為設(shè)計成果的模型和設(shè)計圖轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實中的一磚一瓦，向那些無法看懂復(fù)雜建筑圖表的工人傳達建筑師的理念[2]。這一職位的存在很好地說明了在文藝復(fù)興初期，建筑師與工匠的工作開始分離，建筑設(shè)計成為一項獨立的工作。

1.3 計算機輔助繪圖時期

計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得建筑設(shè)計工具迎來了全新的發(fā)展時期。20 世紀(jì)70—80 年代，二維CAD 系統(tǒng)開始出現(xiàn)，這些系統(tǒng)能夠進行更加復(fù)雜的繪圖和計算，被廣泛應(yīng)用于機械、建筑、電氣等行業(yè)。80—90 年代，隨著計算機圖形學(xué)和渲染技術(shù)的不斷進步，三維CAD 系統(tǒng)（如3DMax、SketchUp、Lumion 等）開始出現(xiàn)。這些系統(tǒng)能夠進行三維建模、渲染和動畫設(shè)計，成為建筑設(shè)計的重要工具。21 世紀(jì)以來，虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計領(lǐng)域。建筑師可以創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實環(huán)境，模擬建筑內(nèi)外的環(huán)境和光照條件；可以和客戶在虛擬環(huán)境中進行實時漫游，以更好地了解建筑設(shè)計的細(xì)節(jié)和空間布局，更好地理解建筑空間的感受和體驗。

建筑信息模型（BIM: Building Information Modeling）更是推動了建筑設(shè)計的智能化和數(shù)字化，為建筑設(shè)計師們帶來了更多的便利和創(chuàng)新。BIM 是一種基于數(shù)字建模的協(xié)同設(shè)計和建造技術(shù)，它綜合了建筑、結(jié)構(gòu)、機電等多個專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了建筑項目信息的整合和優(yōu)化。BIM 可以幫助建筑師、工程師和施工團隊在同一個平臺上進行協(xié)作，提高溝通效率和設(shè)計質(zhì)量，并逐漸應(yīng)用于運營和維護階段，形成了建筑全生命周期的數(shù)字化管理模式。例如，Revit、ArchiCAD 等軟件可以幫助建筑師進行BIM 建模。

2 建筑設(shè)計工具演變對照與設(shè)計工具的作用

2.1 建筑設(shè)計工具演變對照

由上可知，建筑設(shè)計工具的演變極大地提升了建筑設(shè)計的效率，同時也帶來其他深刻的變革：

勞動的替代。從手工繪畫到圖紙，從圖紙到計算機輔助繪圖和BIM，反映了建筑工具的演變逐步替代部分體力勞動的過程。

溝通關(guān)系。從藝術(shù)家與工匠的口口相傳，到建筑師用圖紙與施工方交流，再到建筑師可以通過BIM 參與建筑物的全生命周期。反映了建筑設(shè)計工具的演變逐步從模糊溝通到精確傳遞信息，并作用于建筑物生命周期的過程。

設(shè)計成果的實質(zhì)變化。從繪畫到手工圖紙，從手工圖紙到CAD 文件和BIM，反映了設(shè)計成果的實質(zhì)是從偽3D 到手工2D，從手工2D 再到CAD 輔助繪圖。

三個時期的工具演變詳細(xì)情況對照如表1 所示。

表1 建筑設(shè)計工具演變對照表

2.2 設(shè)計工具在設(shè)計環(huán)節(jié)的作用

建筑物不僅為人類提供活動場所，同時還代表了人們對信仰和精神的表達。因此，建筑是一門科學(xué)與藝術(shù)結(jié)合的學(xué)科。建筑師既要具備藝術(shù)家的感性思維，也需要具備工程師的理性思維。兩種思維的糅合進一步發(fā)展成具有重要意義的設(shè)計靈感和推理。這種創(chuàng)造性工作過程就可以看作是從設(shè)計需求和建筑師的智慧出發(fā)，以設(shè)計方案為目的的三個環(huán)節(jié)：信息的輸入（認(rèn)識過程）、信息的處理操作（信息的變換過程）和信息的輸出（實現(xiàn)過程）[4]。建筑師把兩種思維轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形，再通過圖形反饋給大腦。建筑師的自我交談[1]是創(chuàng)造性的工作，而大腦指揮設(shè)計工具完成圖形繪制，是過程性的工作。設(shè)計工具在這里就是幫助建筑師完成過程性的工作（圖5）。從圖5 可以看出，2D 和3D 設(shè)計工具均在不同方面扮演著這樣的角色，二者不可或缺，相輔相成。

圖5 設(shè)計工具在建筑設(shè)計中輔助完成過程性的工作

圖6 Catia 用戶界面

圖7 Revit 用戶界面

3 現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前瞻

3.1 新的CAD 軟件在建筑造型方面突飛猛進

CAD 在輔助建筑師感性思維方面生產(chǎn)出了許多的設(shè)計工具，比如法國的Catia，起源于飛機設(shè)計，參與了鳥巢（中國國家體育場）設(shè)計，是目前市場上最強大的三維CAD 軟件，其獨一無二的曲面建模能力，可應(yīng)用于最復(fù)雜、最異型的三維建筑設(shè)計；美國的SketchUp，具備簡單易用、建模極快而適合方案前期推敲的特點，在國內(nèi)應(yīng)用也非常廣泛，但由于其模型特點，難以應(yīng)用到后期的設(shè)計和施工圖。

在BIM 方面，聯(lián)動3D 建模和方案施工圖于一體的，就要數(shù)匈牙利的ArchiCAD 和美國的Revit 了，但這兩款軟件均不支持中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，且Revit 的復(fù)雜建模能力也有限。

表2 為上述建模工具基本情況對照表。

表2 新的建模軟件基本情況介紹

3.2 AI 在建筑設(shè)計領(lǐng)域的起步

近十年來芯片技術(shù)、AI 和機器學(xué)習(xí)的高速發(fā)展，ChatGPT 橫空出世到GPT4，徹底顛覆了人們對AI 的認(rèn)知。最前沿的建筑版GPT（由文本生成圖像的AI 程序）Midjourney、Stable Diffusion獨占鰲頭。本文以Midjourney 為例展開說明，該軟件用戶界面如圖8 所示。AI 工具已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)交互操作類的設(shè)計界面。沒有模型區(qū)、沒有建模工具，僅提供prompt 提示詞和圖像反饋。

圖8 Midjourney 用戶界面discord 網(wǎng)頁版

扎哈·哈迪德建筑倫敦工作室的計算研究小組（ZHACODE）設(shè)計師Tim Fu 表示：“Midjourney 是一個非常有創(chuàng)意、藝術(shù)性的工具，它會給你一種優(yōu)于其他程序的視覺美感?！?Fu 用他的“超現(xiàn)實主義別墅(Villa Surrealiste)”作 為 教學(xué)示例。輸入一系列關(guān)鍵詞后，他進行了一百多次迭代，將設(shè)計進行多方向嘗試和推進，確定了最終的圖像[5]，如圖9 所示。

圖9 由Tim Fu 使用Midjourney 設(shè)計超現(xiàn)實主義別墅Surrealiste

芝加哥建筑師Coorlas 比Tim Fu走得更進一步。在Midjourney 中，Coorlas先確定了概念圖（圖10），并基于該概念圖像進行簡單的3D建模后，他將這些模型的圖像再反饋給Midjourney，不斷迭代生成了新的建筑圖紙（圖11）。Coorlas 認(rèn)為雖然這些圖紙缺乏細(xì)節(jié)，但它們“看著不錯”并能啟發(fā)新的想法，為建筑師提供了極大的靈感[5]。

圖10 Coorlas 使用Midjourney 為芝加哥北岸地區(qū)設(shè)計的露天展館

圖11 反饋3D 模型后得到新的建筑圖紙

當(dāng)前，真正的AI 技術(shù)在建筑設(shè)計領(lǐng)域的滲透才剛剛開始。Midjourney 輔助建筑師創(chuàng)造性地完成了建筑造型，雖然取得了讓人激動的進步，但僅僅解決這一個步驟是不夠的。無論是Catia還是Revit，建模這項“苦力活”仍然是靠設(shè)計師手工實現(xiàn)的。設(shè)計師從以前繪制線條拼湊出一個個建筑部件進步到了可以繪制多個建筑部件來完成建筑的模型——但這在根本上仍然是“手工作坊”模式。比如，靠手工繪制的建筑部件之間缺乏內(nèi)在聯(lián)系。以住宅為例，設(shè)計師可以在外墻上繪制一扇窗，但這扇窗的大小、開啟面積和房間的性質(zhì)、面積、開間等有一定算法聯(lián)系，這種聯(lián)系是可以通過AI 來識別并完成設(shè)計的，而無需“手工”繪制。

3.3 國內(nèi)應(yīng)用BIM 技術(shù)在設(shè)計面的發(fā)展瓶頸

BIM 技術(shù)在很多國家已經(jīng)形成了較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)或制度，發(fā)展迅猛。然而國內(nèi)雖然也在努力推廣BIM，但卻一直沒能普遍應(yīng)用，往往僅用于形體復(fù)雜的建筑，且只是局部使用，并僅充當(dāng)輔助設(shè)計或指導(dǎo)施工的角色。導(dǎo)致這一局面的因素有很多，如軟件本土化、標(biāo)準(zhǔn)缺失、反復(fù)建模、高成本投入等。而建筑設(shè)計作為建模的第一環(huán)節(jié)，也面臨分工協(xié)調(diào)難、設(shè)計周期長、人才培養(yǎng)不足、3D 設(shè)計理念未轉(zhuǎn)變等問題。

BIM 是建筑、工程和施工（AEC）行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，是以實現(xiàn)項目團隊與技術(shù)交互為目的的一個過程、一種方法，可以在AEC 市場上提供更好的項目成果。而具體的工具是一個促進該過程的軟件平臺，它允許用戶創(chuàng)建包含存儲信息（綜合了建筑、結(jié)構(gòu)、機電等多專業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)）的結(jié)構(gòu)化智能模型——準(zhǔn)確說，BIM 是一個三維可視化的數(shù)據(jù)庫。而現(xiàn)實中，每一個項目都需要在不同階段靠人工去反復(fù)建立、修改一個三維可視化數(shù)據(jù)庫，其困難和成本可想而知。在當(dāng)今信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，靠人工去堆砌機器所要的海量數(shù)據(jù)是多么不可理喻！BIM似乎更應(yīng)該成為一個建筑設(shè)計的表達“成果”而非“過程”。

3.4 潛在的智能設(shè)計工具前瞻

綜上所述，從建筑設(shè)計工具的演變歷程來看，建筑設(shè)計大致可以由“功能-形式”二元論劃分為兩大類。一類是以功能為主導(dǎo)，這類建筑形式追隨功能，建筑空間、流線是建筑師要解決的主要矛盾，設(shè)計師適合從平面功能出發(fā)，由2D 轉(zhuǎn)3D 完成BIM建模；另一類是以形式為主導(dǎo)的，功能居次要地位，建筑造型所映射的文化、精神是建筑師要解決的主要矛盾，設(shè)計師適合從造型出發(fā)，由3D 轉(zhuǎn)2D 完成BIM 構(gòu)建。從整個建筑設(shè)計生命周期來看，目前市場上的2D 和3D 的設(shè)計工具仍然是片段式的，僅協(xié)助建筑師解決了一個階段的問題，未能橫向打通成為真正的BIM 平臺。如圖12 所示，帶圈的標(biāo)號即未來潛在的發(fā)展方向。

圖12 兩種設(shè)計導(dǎo)向流程中AI 設(shè)計工具片段和潛在的發(fā)展方向

1）建筑平面生成平臺。繪制泡泡圖或輸入prompt 生成建筑平面圖，并通過迭代完成理想平面設(shè)計；基于模糊需求的建筑平面生成，如地下車庫；

2）2D 轉(zhuǎn)3D 平臺。導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)化2D 平面圖，自動轉(zhuǎn)為3D，輸出到VR 平臺，甚至輸出BIM；

3）VR 多專業(yè)設(shè)計平臺。建筑師甚至業(yè)主可以在帶引力系統(tǒng)的VR 環(huán)境中進行1：1 的虛擬房屋搭建，并輸出BIM；建筑師還可邀請專業(yè)工程師在VR 中同步進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝修設(shè)計、園林設(shè)計、機電暖通等設(shè)計，同步輸出BIM；

4）多專業(yè)設(shè)計2D 轉(zhuǎn)3D 平臺。目前大部分專業(yè)設(shè)計師（機電暖通等）都習(xí)慣了2D 設(shè)計。而事實上，他們更關(guān)注功能設(shè)計、量的計算，對“形式”可視化的需求不高，一款2D 專業(yè)圖轉(zhuǎn)BIM 的平臺可能應(yīng)運而生；

5）偽3D 圖片轉(zhuǎn)3D 平臺。以Midjourney 為代表的AI 平臺已經(jīng)具備了將建筑師的創(chuàng)意生成偽3D 的概念圖片。這時，需要一款能將概念圖片轉(zhuǎn)為真正3D 模型的工具替代手工建模，甚至輸出符合國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的BIM；

6）建筑設(shè)計量化評價平臺。對建筑設(shè)計功能、形式以及與城市環(huán)境的融入狀態(tài)的綜合評價仍然靠專家憑經(jīng)驗判斷，專家的意見輔助政府官員決策，這帶來了一些不確定性。而結(jié)合業(yè)主需求、城市文脈的評估平臺將對城市的發(fā)展、更新有更大的促進作用。

4 結(jié)語

本文通過對建筑設(shè)計工具發(fā)展的回顧，分析了不同時期，2D和3D 設(shè)計工具在不同類別的建筑設(shè)計中發(fā)揮的作用，研判了二者同時存在的必要性。分享了信息時代AI 技術(shù)為建筑設(shè)計工具帶來的全新內(nèi)容，對BIM 的應(yīng)用作了定性判斷，并預(yù)測了未來AI 技術(shù)將在多方面取得突破，進一步給建筑設(shè)計“本身”帶來多方面的發(fā)展和變革。

圖片來源：

圖1：陜西歷史博物館鎮(zhèn)館之寶：闕樓儀仗圖，https://www.sxhm.com/collections/detail/513.html；

圖2：維特魯威(古羅馬)著，羅蘭英譯.建筑十書[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012 年，208 頁；

圖3：李誡（宋）.營造法式（三）[M].北京：商務(wù)印書館，1954 年，卷三十，一百八十頁；

圖4：單士元.宮廷建筑巧匠——“樣式雷”[J].建筑學(xué)報，1963 年，2 期，第23 頁；

圖5—圖8：作者自繪；

圖10—圖11：Gaelle Faure.The Architects Designing Surreal Worlds with AI,https://www.bloomberg.com/news/features/2023-01-31/architects-embrace-ai-art-generator-midjourney,2023.1.31；

圖12：作者自繪。