数字技术在建筑设计中的应用

数字技术在建筑设计中的应用

张利

上海浙尔建筑有限公司北京分公司北京市100000

【摘要】数字技术的快速发展以及全球化浪潮，大力推进了数字技术在各行各业的应用，因此当我们谈及数字建筑时，不可脱离于这一大环境。在建筑设计中，数字技术早已渗透到前期、中期、后期三个阶段中，通过不同软件和技术的相互结合，辅助并指导了建筑设计的进行，使许多设计经验从感性到理性、从抽象到具象，使每个设计步骤和依据量化，更加有迹可循。

【关键词】数字技术；建筑设计；应用

数字技术是一个相对宽泛的概念，从表象看，包括那些以计算机软件、硬件和通讯技术为基础的各种衍生技术，如CAD技术、集成技术、虚拟仿真技术等；从本质而言，是以数字信号为单位，具有表达、传播、控制与反馈功能的技术。当数字技术与设计或生产结台时，就从对信息的自动化处理转为对现实物质的控制和驱动。如今，数字技术能对设计方法进行智能量化处理，使之更具有说服力。因此，数字技术的大规模应用定会推动生产力的发展。

一、设计前期阶段

（一）CAD与GoogleEarth

在实际项目中，总规、控规、方案和施工图都需要在CAD中完成。方案前期，需要根据用地现状，分析周边环境、建筑形式和布置方式。由于CAD本身除了二维功能外，还具有三维属性，例如地形图是按照实际高程绘制，地形高程皆是三维数据的二维表达，但是由于线与线之间相互独立，且无立体属性，因此在制作模型时，需要重新绘制地形图。例如将CAD导入Sketchup中，经常会出现多点坐标Z轴不为零的情况，这将无法进行后续工作，因此必须将Z轴归零。类似现象屡见不鲜，不仅浪费时间和精力，而且很大程度上影响项目进程。

（二）ArcGIS的地形应用

地理信息系统（GIS），又称资源与环境信息系统，与全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)合称3S系统，用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据。不同在于，除了能描述地球表面空间要素的位置和属性外，还能处理地理参照数据，计算出山体的坡度、坡向、阴影面、可视性和建筑位置。

GIS地形处理功能强大，不仅可以导入CAD，还可以通过GoogleEarth的数据影像作为地形分析的基础。虽然GIS可以直接读取CAD数据，但是由于CAD与ArcGIS的数据管理模型不同，所以如果需要使用CAD数据进行地形处理，需要将CAD数据转入到Geodatabase进行应用，即首先从CAD中提取专题数据层，而后使用wblock命令把该层单独写出，最后将GIS数据也导入到Geodatabase中进行操作。

（三）Voronoi的应用

国外经常通过Voronoi建地形图，并进行体量分析。Voronoi是由一组由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形。Voronoi图也常常被称为Dirichlet格局，其原理是将图形进行“从点到面”的描绘。

在建筑设计上，这类方法也称为“参数化设计”。由于该设计方法高度依赖计算机，因而部分人认为这种方法不能与传统依靠灵感的设计方式相比，而只需要改变参数就能得到设计方案，这恰恰忽略了“参数化设计”背后的数学意义。既然Voronoi是一种最优化的算法，那么除了在建筑上给我们带来美轮美奂的视觉效果外，它在空间统计上的作用则更加突出。

二、方案设计阶段

（一）BIM与Revit

Revit是BIM的核心建模软件，其中还包括Bentley、ArchiCAD和CATIA，它们统称为“BIMAuthoringSoftware”，正是因为有了它们，才有了BIM。

Revit建筑、结构和机电系列可以在BIM平台协同工作，大大提高了对接性和工作效率，不仅如此，由于在建筑市场中借助AutoCAD的优势，软件本身的发展潜力也十分巨大。Bentley是建筑、结构和设备系列的协同软件，主要用于工厂设计（石油、化工、电力等）和基础设施（道路、桥梁、水利等）等领域。ArchiCAD是ArchiCAD、AllPLAN、VectorWorks的整合，是最早具有市场影响力的BIM核心建模软件，但由于在国内其专业配套的功能仅限于建筑，而与多专业一体的需求不匹配，因而其业务很难突破，而AllPLAN、VectorWorks的市场主要针对德国和美国，因此国内也甚少使用。CATIA是全球最高端的机械设计制造软件，在航空、航天、汽车等领域具有接近垄断的市场地位，应用到工程建设行业无论是对复杂形体还是超大规模建筑，其建模能力、表现能力和信息管理能力都比传统的建筑类软件有明显优势，但是在建筑工程对接中存在差异，因而没有在建筑行业投入使用。

（二）Roino与Grasshopper

Rhino是强大的3D造型软件，广泛地应用于三维动画制作、工业制造和机械设计等领域。它能轻易整合3DSMAX与Softimage的模型功能，对要求精细、弹性与复杂的3DNURBS模型，有点石成金的效果，并且能输出obj、DXF、IGES、STL、3dm等不同格式，同时兼容3DMAX、AutoCAD、MAYA、Softimage、Houdini、Lightwave、MOI3D、Sketchup等所有3D造型软件，尤其对增加整个3D工作团队的模型生产力有明显效果。

Grasshopper是Rhino的插件，不同于Rhino，它不需要任何程序语言的知识就可以通过一些简单的流程方法生成设计师所想要的模型。其价值在于它是以独特的方式完整记录起始模型和最终模型的建模过程，从而达到通过简单改变起始模型或相关变量就能改变模型最终形态的效果。将方案逻辑与建模过程联系起来时，通过参数的调整直接改变模型形态。

首先对用地进行采光和通风的计算，由于洛杉矶每年1月、2月最冷，平均气温13.7℃，最热为7月、8月，平均气温23.4℃，多晴朗天气，夏天是最佳旅游时节，因此要充分考虑夏季防晒、通风和冬季采光问题，同时最大程度利用土地，尽量进行功能的布置，将一层公共用地还给市民。

建出一个单元后进行叠加，反复实验和观察，通过改变键入值和连接方式，改变建筑样式，从中选取最优方案进行深化和功能叠加，完善节点构造，使参数化模型最终能够实施。确定建筑外围维护结构，其后对建筑进行采光、日照和辐射的分析，分析发现，有维护结构时不利于建筑通风，而且热辐射无法散发，产生蒸笼效应，故最终将建筑外围结构去掉，使得本来半围合的建筑成了一个只有屋顶和支撑结构的通透性市民空间。

三、Ecotect后期节能分析

Ecotect具有气候分析和建筑生态分析功能，在建筑设计前期地域性分析和后期的方案气候环境模拟中具有无法取代的地位。Ecotect气候数据库涵盖全球主要城市的逐年气候数据及平均值，包含最低气温、平均气温、降雨日数、降雨量、蒸发量、全年日照时间、无霜期、季风及其风速和天数、日轨情况等。这些数据能够有效确定某地区的最佳朝向，辅以全年季风主导风向，对建筑的形态和群体的围合方式做出指引。通过该算量，尽可能使用低技的建筑设计手法，充分运用自然采光和通风，提高使用者的舒适度，达到自然宜人的空间舒适要求。

有了实施数字建筑技术的行业大环境、设计单位提升企业核心竞争能力的动力以及软硬件厂商成熟的产品技术支持作为后盾，相信数字建筑技术一定能给建筑行业带来更为光明的前景。

参考文献：

[1]刘学钊.数字建筑表皮的生成机制研究[D].华侨大学，2012.04

[2]李想.试论数字技术影响下的建筑设计理念更新[D].天津大学，2011.12

[3]周剑;徐倩.数字建筑应用软件初探[J].兰州教育学院学报，2011.12

[4]刘育东.数字建筑的三层境界——写给21世纪的青年建筑师[J].城市建筑，2010.06