参数化设计在室内装饰工程深化设计阶段的应用

管文超，张鹏飞（.上海市建筑装饰工程集团有限公司， 上海 0007；.同济大学经济与管理学院， 上海 0009）

随着计算机硬件与 CADCAM 等数字化设计软件的技术发展和扎哈·哈迪德等先锋设计师的引领，设计手段和创意也不断发展变化[1]，越来越多的建筑设计师在建筑外立面与室内设计中使用非线性造型。无论是建筑的方案设计阶段、深化设计阶段还是建筑构件产品的生产阶段，非线性曲面处理都需要大量的高效率、高精确性的重复劳动，而用参数设计将在这个过程中起到至关紧要的作用[2]。

参数是数学专业的名词，指改变方程结果的变量。在参数化设计中，将设计意图看成结果，影响设计变化的主要因素看成变动参数，设计的要求看成固定参数，然后用一种或多种算法指令来建立参数关系，通过控制参数与程序系统来表达设计想法和设计成果之间的关联，并用计算机图形学语言在软件中描绘参数关联生成的模型[3]。

参数化设计是一种在算法思维的基础上进行设计的过程[4]，运用参数化设计可以快速精准地搭建非线性自由曲面模型，在设计结果与程序或算法、参数之间形成联动，通过输入不同的参数生成不同的设计成果，可实现设计结果与参数之间的动态变化，这比用搭积木方式的逐一手动建模更具有效率、更精准、更具有逻辑性。

1 参数化设计在建筑装饰工程中的应用及流程分析

基于 Rhino 与 Grasshopper 提出建筑装饰工程中参数化设计的基本流程以及装饰饰面设计中的形态建立和优化的方法，并将该优化方案应用于装饰工程项目，完成了建筑室内异型曲面构件的方案设计、深化设计、装饰部件加工、安装等任务。参数化设计在建筑装饰工程中的应用流程如图 1所示。

图 1 参数化设计在建筑装饰工程中的应用流程

深化设计阶段参数化设计主要工作流程包含以下内容。

（1）由于装饰构件的安装依附于结构主体，在深化设计阶段时，参数化设计首先需对施工现场既有主体结构进行测量，将现场主体结构的实际尺寸与设计方案模型进行对比分析，根据主体结构调整方案模型的形体。

（2）对饰面材料特征进行分析，对接材料生产工厂，明确材料单元构件的生产规格及优化目标，如不同的材料能加工不同最大规格尺寸，双曲面单元构件优化成单曲面和平板，多边形平板单元构件优化成更多同规格模数的构件，从而降低加工难度，减少开模数量，降低施工成本。

（3）最后结合方案设计的形体对曲面进行重构，利用目标函数对单元构件的规格进行不断的调整排列组合，采用优化算法模型优化前后的偏离值，当优化后的模型与原设计方案最为接近时，即得到最好的优化成果，这一过程必须是基于可用具体的参数调整优化的，其流程如图 2 所示。

图 2 建筑装饰工程深化设计阶段参数化设计流程

图 3 剧院整体墙饰面效果

2 工程案例应用分析

某地块项目位于上海市北外滩区域，集办公、商业、剧院为一体，项目剧院地面材料为实木地板，墙面与天花饰面材料为 GRG，此处主要论述利用参数化设计对异型 GRG 墙面进行重构，然后对异型装饰面进行优化，从而减少 GRG材料生产所用的模具，降低施工成本。剧院整体效果及整体空间模型如图 3 所示。

2.1 方案设计分析

经过对方案模型推敲分析，可确定剧院以中轴线为中心，将所有饰面分成两个部分，且两部分构件呈镜像的几何关系，所以可以中线为界限，将一半的构件优化好后，则整体模型深化设计即可完成。墙体曲面以 a 为轨迹线，以 b 为断面线，b 以 a 为基准，单轨扫掠得到曲面，如图 4 所示。

图 4 剧院曲面生成逻辑分析

2.2 曲面优化应用

（1）通过 rhino 软件打开曲线 a 的控制点，可得知曲线 a 的控制点分布较多，且并不均匀，由此可判断曲线 a 为B 样条自由曲线。

（2）若要减少曲面开模数量，则可将轨迹曲线优化成由圆弧组成的曲线（图 5），利用圆弧曲线半径相等的特点，将圆弧 c 分割成 4 段等距离的曲线，则分割后的曲线c1、c2、c3、c4 几何特征完全相同，由此可知若由圆弧曲线 c 作为轨迹线生成的曲面，则等距离分割后的曲面 S1、S2、S3、S4 也完全相同，从而推理出将生成曲面的轨迹曲线优化成圆弧线，可只用一组模具可生产出同一圆弧线或等半径的圆弧曲线上分割后的 GRG 曲面。

图 5 等距离圆弧曲线推理

（3）将自由曲线重构成圆弧，是用圆弧曲线去拟合自由曲线，即求一条圆弧曲线 ，使其无限接近于原始自由曲线，让求出的圆弧曲线与原始曲线之间的差值达到最小。如图 6 所示，曲线 m 为自由曲线，点 A、B 为曲线 m 的端点，点 C 为曲线 m 上的任意一点，根据三点可求出一个圆弧的原则，用一段圆弧线 n 连接 A、B、C 三点。点 A、B 固定不动，当点 C 在曲线上移动，可形成不同的圆弧线，当移动至三点连成的圆弧线与原曲线 m 差值最小时，即停止移动，此时的圆弧线即是最佳拟合曲线。

图 6 重构圆弧线推理过程

利用参数化设计在曲线 m 上取若干点，连接至曲线 n,将所有短直线的长度相加，利用 grasshopper 中的遗传算法运算器不断迭代计算，使 m至 n 的距离和最小，即求出最优解。同理可利用此方法将剧院室内曲面进行优化，减少开模数量，降低材料加工成本，如图 7 所示。

图 7 剧院曲面优化

3 结 语

参数化设计的优势是将设计要求和限定条件设置成合适的参数，将初步的设计目标与这些参数串联起来，形成一个联动的程序系统，通过这种可视化编程建模的方式可以实时获得反馈，快速地获得多种阶段性成果。

通过上述参数化设计的实际案例，本文展示了参数化设计在建筑室内装饰工程中深化设计阶段的作用，利用参数化设计可精准高效地完成模型的优化，并将数据信息传递到装饰构件加工安装阶段，从而降低施工成本和施工难度，提高工作效率。BIM 技术的应用再次证明，将建筑室内装饰工程各项物理信息分析从深化设计提前并贯穿整个项目过程，有助于设计建造阶段进行相关工期、质量以及造价控制管理。因为设计建造阶段根据工程特点和优化目标搭建好程序系统后，将容易出错的、重复的、大量的密集型工作交给计算机去解决，将建筑师和工程师从重复劳动中解放出来，从而可以将更多精力用于改进施工工艺、提升优化管理和组织协调资源。总之，将参数化设计信息化技术充分应用以实现更有效的项目全寿命期管理和企业利润最大价值运用，已是我国建筑室内装饰工程领域未来可持续发展的必然趋势。