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BIM为设计方案创作带来的变化

2022-09-09 17:35

来源:BIM学社

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       从手工绘图到电子绘图

       在BIM技术出现之前,CAD技术的普及推广使建筑师、工程师们从手工绘图走向电子绘图。甩掉图板,将纸质图纸转换为计算机的二维数据的创建,改变了传统的生产模式,把工程设计人员从手工绘图和计算中解放出来,成倍的提高生产效率,缩短设计周期。而BIM技术则进一步推进了工程信息的电子数据化。

 

       从二维设计到三维设计

       二维设计实质上是将一个物体分解成平、立、剖面等不同的片段来加以研究,然后通过大脑的综合思维能力建立起一个完整的判断,完成设计。把三维的建筑空间,通过二维图纸进行表达,是人类设计思维的一个进步,可以使设计师能以较简单的方法操作复杂建筑的设计,但从深度层次看,这也反映了设计工具的局限性,用二维图纸反映现实世界的三维实体,只是权益之计。

       在计算机三维技术出现之前,建筑师只能依靠透视草图或实体模型研究三维空间。这些工具有其优势,也有不足之处。如绘制草图,能够随心所欲地流畅地表达设计想法,表达建筑师所关注的部分,但是在准确性和空间整体上受到限制。实体模型在研究外部形态时,作用较大,而要研究内部空间形态时就相形见绌了,难以提供一个对空间序列关系的人视点的直观体验和表达。

       建筑信息模型采用的是虚拟现实物体的方式,以三维设计思维为基础,将传统的二维图纸完全转化为计算机的工作,让电脑代替人脑完成三维与二维之间的思维转化。这样设计师可以更加关注设计本身,不再为绘制二维图纸耗费精力,二维与三维的界限在建筑信息模型中逐步模糊。而实体模型设计的弊端在建筑信息中也得到了解决,三维数字技术将外观模型与空间形态和序列的研究统一起来。建筑师可以通过设置相机进行人视点的各个空间推敲,也可以通过软件进行虚拟现实仿真或快捷的制作出动画进行空间序列的研究。

 

       从形式与功能相分离到整体化的空间设计

       传统的设计方法大致可分为两种:一种是先设计二维的平面功能布局,然后结合平面布局设计二维立面,最后再建立三维 模型进一步调整造型;另一种是先从三维造型出发确定形体之后,再使用二维CAD绘制相应的平、立面。这两种设计方法都有一个共同的缺陷,那就是建筑空间对设计者从设计过程中剥离出去,成为概念设计阶段并不重要的内容,建筑关注的只是平面功能和形象。实际上,空间对现代建筑而言并不是平面功能与建筑外表皮围合而成的副产品,而是一种控制建筑的设计方法。

       对于古典建筑,空间基本是静态的,左右对称,创造和谐而统一的立面是其关注的主要内容,立面法则不仅是古典建筑设计的原则,而且上升到一个设计方法的高度来控制建筑。例如,古典建筑立面渲染图,并不只是表现图的概念,它是建筑师的设计方法和工具。现代建筑破除了古典建筑的种种信条,建立起了新的建筑语言。对空间的探索一度成为现代建筑探索的主题。在现代建筑中,空间同样上升为一种控制建筑的设计方法而存在。

       然而当今一些建筑师的设计中,空间一直没能成为一种控制建筑的方法。其中主要原因是由于设计工具的限制,建筑师无法在较短的设计周期内去研究和推敲空间,更难以用哪个空间来控制设计。这使得目前较多的建筑师仍然在用“立面”的方法控制建筑。建筑信息模型的出现为我们改变这种状况提供了可能性。在建筑信息模型中,建筑室内空间、室外空间、建筑表皮、平面功能都可以被整合成一个相互关联的逻辑系统。在布置平面时,已经在同步设计建筑空间,而空间又可以被直观地反映在表皮上,这样空间与表皮可以共同形成建筑的立面。

 

       从传统空间组合到非线性参数化设计

       美国建筑师罗伯特·文丘里在他的影响深远的著作《建筑的复杂性与不盾性》指出,只有当实际用途和空间的内、外部力量交汇的时候,才能创造出真正的建筑。这种相互作用是建筑形式能够产生的一个基本动力。建筑形式简单的说,是曲空间形体、轮廓、虛实、四凸、色彩、质地、装饰等种种要素的集合而形成的复合的概念其中与功能有直接联系的形式要素则是空间,“埏埴以为器,当其无,有器之用。凿户牖以为室,当其无,有室之用。故有之以为利,无之以为用。”(《老子·第十一章》表明了建筑被人所用的正是它的空间。所谓内容决定形式,表现在建筑中主要就是指:建筑功能,要求与之相适应的空间形式。因此,在现代建筑设计中,空间设计一直是作为形式设计的主导。然而,由于能力和工具的限制,在千变万化、错综复杂的空间组合形式中,建筑师往往只能概括出如通过交通组织空间、空间相互嵌套等典型性组合方式来达到合理的布局,直到非线性参数化设计与算法生成设计的出现。

       对于建筑设计而言,参数化设计并不是一个新的概念,甚至可以说是历史悠久。一些古典参数化方法被用在诸如金字塔、拱券等建筑中,经典的参数化方法有黄金分割、裴波那契数列、泰森多边形等。这些数学方法一直被使用了好几个世纪,直到20世纪70年代中期,计算机被引入到各个行业的设计领域中时,参数化设计才真正得以全面发展和推广。

       20世纪80年代兴起的复杂性科学理论同样在建筑艺术领域改变了人们对城市、对生活的认识。随着复杂性设计思维的发展,建筑师已无法根据传统的设计模式来反映设计思想和表达设计成果。此时人们开始将目光转向尖端科技领域,将参数化几何控制技术引入建筑设计领域。参数化几何控制技术可以充分结合设计者与数字技术的智能力量来实现对几何符号的生成、测评、修正和优化,从而得到更加符合设计者、使用者和环境要求的建筑形态。

       引入参数对建筑设计思维的意义还表现在可变参数造成的开放的设计成果,满足了建筑师对多种可预见因素的参与,并使设计的客观性加强,使几何形态的生成成为参数控制的结果。通过设计程序的作用,输入参数控制值就可以在变化中生成形态,甚至生成可控制但不可预见的几何形态。在建造方面,它解决了标准化与单独精致的矛盾,借助智能工具,利用参数化手段提高了异形构件的生产效率并降低造价。

       目前的参数化技术大致可分为如下三种方法:

     (1)基于几何约束的数学方法

     (2)基于几何原理的人工智能方法

     (3)基于特征模型的造型方法

       其中后两种方法又被称为“非线性参数化设计”方法。“非线性”一词来自于非线性科学,即复杂科学,它完全不同于发源于牛顿原理的现代经典线性科学,它可以对动态、不规则、自组织、远离平衡状态等线性进行合理地阐述,是人类对自然及社会的一种全新的认识理论。正如尼尔·林奇所说,“计算机已经不仅是辅助设计……如今变成直接衍生出设计”。

       以瑞士CAAD研究组Markus Braach编写规划生成代码的荷兰Heerhugowaard项目为例,项目为发展建设的布局和规划,总面积将近70公顷。现行荷兰建设计划的框架均有清晰的定义,并存在许多固定的参数,如:建设地块的组合、不同房屋类型的大小、公共开发空间的量,以及街道和人行步道的布局等。该项目需要在九十九块地上布置247栋住宅,是一个完全通过计算机程序生成的计算机辅助设计应用实践。

       由于地下水的状况和土壤条件等地质情况都不尽相同,该待规划地块被分为三部分,在某些地块可以构筑建筑物,而地质状况差的地块则不能利用。这导致每个地块均存在着位置、大小等不同的设计条件,住宅类型比例也需要分块计算。生成软件能够从发展中的某个角落开始,且不失对整体指标的把控。在建设成本或住房数量控制上,程序适应不断变化的条件。布局方案随着参数的改变动态生成。

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