什么是 Computational Design 运算化设计？

• 计算机和软件现在在建筑设计中已经司空见惯了，然而在 1980 年代后期刚被引入建筑行业时却震惊了整个行业。运算化设计（Computational design）的定位是通过用算法代替码本，用人工智能代替人工分析，从而对我们的设计方式进行类似的转变。

• 正如我们所知，运算化设计是一种新兴的设计方法，旨在改变我们行业的格局。在 2022 年数字敏捷峰会（2022 Digital Agility Summit）上，AEC 行业技术转型领导者 Anthony Zuefeldt 宣称：“AEC 行业的方方面面最终都会受到运算化设计的影响，有人将这十年称为‘决定性的时刻’。”

• 那究竟什么是运算化设计？它将如何影响现在普遍的设计和施工流程？

什么是运算化设计？

运算化设计是一种算法和参数相结合的设计方法，通过先进的计算机处理来解决设计问题。设计师工作流程的每一步都被译成编码的计算机语言。软件程序使用这些信息以及项目特定参数来创建生成设计模型或完成设计分析的算法。一旦初始编程完成，设计就变成了一个动态的、可重复的过程。

传统意义上，设计是被动的——设计师利用他们的知识和直觉通过计算机辅助设计 (CAD) 程序创建设计。这种手工制图方法限制了可以考虑的设计选项的数量，并受到可用时间和资源的限制。一旦实施，运算化设计是一种有效且有用的工具，可以提高生产力和创造更稳健的设计。

设计人员必须将他们的设计过程分解为可测量的步骤来实施运算化设计。这些步骤创建了一组指令，包括可识别的模式和趋势，为算法解决设计问题奠定了框架。

运算化设计软件

运算化设计使设计人员无需学习代码即可进行编程。这是因为大多数运算化设计软件使用可视化编程，而不是基于文本的代码。通过可视化编程，用户可以将一个节点的输出连接到另一个节点的输入，从而创建一个通过连接器在节点之间传输的程序。最终的结果是设计过程以图形表示，或基本上是流程图表示。

这些可视化编程工具通常是与Tekla Structures、 Autodesk Revit、 Trimble Quadri和 Bentley MicroStation等设计建模软件配对的插件。两个领先的计算设计插件是与 Revit 兼容的 Dynamo 和与 Tekla、Quadri 和 Rhino 兼容的 Grasshopper。

Dynamo是 Autodesk 的可视化编程工具。用户从他们的 3D 模型、Excel 甚至图像文件导入和导出数据以填充脚本界面。该程序显示复杂的几何形状，允许设计师分析他们的项目并进行视觉修改。

Grasshopper早于 Dynamo，是目前流行的计算设计插件。使用此算法建模工具，用户可以使用基于节点的界面创建设计规则。设计人员还可以利用广泛的节点库和第三方设计工具。

运算化设计有哪些类型

运算化设计建筑领域的计算设计类型随着该领域标准的确立而不断发展和变化。目前，运算化设计有三个子类：参数化设计、生成性设计和算法设计。

参数化设计

参数化设计是一种交互式设计过程，它使用一组规则和输入的参数来控制设计模型。这些规则建立了不同设计元件之间的关系。这些参数是定义设计模型的特定项的值，如尺寸、角度和权重。修改参数时，算法会根据设置的依赖项自动更新所有关联的设计元素。

在传统 3D 建模中，设计师需要负责单独更新每一个设计元件。然而在参数化设计中，设计者只需更新一个参数，参数算法就会进行所有相关的更新。在设计复杂和不常见的几何建筑时，参数化设计是非常理想的选择。

参数化模型易于修改并且可以实时调整。这让设计师探索更多可能的设计选项。设计师不是用独立的位置信息和尺寸绘制数百个柱子，而是输入符号参数来定义柱子之间的关系以及与建筑物本身的关系。如果将来需要根据新的设计信息移动柱子，则只需更新参数，并根据已有的算法调整整个模型即可。

参数化一词源于参数化主义，由扎哈·哈迪德建筑师事务所负责人帕特里克·舒马赫于 2009 年创造。他认为一种新的设计风格已经出现：“它植根于数字设计技术，并充分利用了推动当代文明发展的计算革命。”参数化可用于表现一种特定的当代前卫风格的自由形式结构，通常使用参数化设计软件进行设计。

如何使用参数化设计

参数化设计已经融入到许多设计师的工作流程中。随着 Rhinoceros 6 上预装了 Grasshopper 等可视化工具，参数化设计变得易于访问并且非常直观。设计人员只需输入参数，如尺寸、角度或偏移量以及适用的设计要求即可接收输出。参数化设计过程在实时建筑信息模型 (BIM) 程序中完成，如果属性发生更改，将实时更新。

某些运算化设计插件，如Tekla Structures，通过一个节点库预先编程，生成基于当前行业规范和标准的算法，无需在前端输入设计规则。Tekla Structures使结构工程师能够通过将数据可视化输入基于算法的编辑器来创建复杂的曲线结构。

生成式设计

生成式设计（Generative design）是一种迭代设计过程，使用用户定义的输入生成满足特定目标的多个设计概念。输入是定义设计要求的规则和参数，类似于参数化设计。在生成式设计中，用户还可以输入成功指标来评估结果。人工智能（AI）和云计算产生数十种甚至数百种设计选项，按这些指标排序。

成功指标是用于优化设计的标准，例如建筑定位、空间规划、生命安全分析、结构承载能力、建筑单元数量或成本数据。该程序将产生广泛的设计选项，设计师将相应地改进优化标准。生成式设计结合了人工智能的力量来创建数百种可能的设计，并根据人类的直觉选择来缩小结果范围。 

循规蹈矩的设计人员往往没有创造力。虽然设计过程中固有一定程度的反复试验，但人类不可能生产和审查所有可能的设计选项。这导致建筑师依赖于经过验证的已有设计或过去项目中使用的设计，而不是理想的最佳选择。

生成式设计引导设计师找到他们从未想象过的超出他们正常思维过程的解决方案。这些解决方案在生成式设计领域被称为“快乐的事故”。设计师使用选择过程——对多种设计方案的深入考虑，以评估所有结果，完善其标准，并得出最佳设计结果。

如何使用生成式设计

生成式设计是优化设计的过程。设计师使用这些软件工具让一条道路服务的位置数量最大化，让实现特定设计荷载所需的结构构件数量最小化，或让实现取决于多个施工表面或材料的特定热容量最小化。

算法设计

算法设计（Algorithmic design）是一种以算法为导向的设计方法。该术语通常与运算化设计互换使用，可以认为是生成式设计的一种。算法设计使用算法（一组确定问题解决方案的指令）来生成架构模型。换句话说，一组规则用于定义一个系统，而不是单独定义每个元素。

生成式设计的目标是产生尽可能多的设计选项以供分析，但算法设计恰恰相反。对输入规则和参数进行更高级别的详细检查，以便只产生一个或几个期望的结果。通常，算法设计看起来像节点之间的一行单独的代码或连接器，可以追溯到生成的每个建筑元素。

参数化设计、生成式设计和算法设计之间的关系

这些不同的计算设计子集如何相互关联？随着计算设计领域的发展和标准化，这取决于如何解释。

让我们首先简化每种设计方法的定义和意图：

• 参数化设计使用参数和规则来创建易于修改的设计解决方案。
• 生成式设计使用算法生成一批用于评估的设计选项。
• 算法设计使用算法来生成设计模型。

很容易看出这些术语解释之间存在一些内容重叠，尤其是运算化设计的广义定义。算法设计是一种生成式设计，因为它使用算法来产生设计结果。如果这些算法依赖于一组参数，它也可以被认为是一种参数化设计。

参数和规则是参数化设计和生成式设计的关键组成部分。这两种设计方法还依赖于强大的输入数据来产生可靠的结果。

工程师使用可视化脚本来释放参数化设计的全部力量——构建定制的工作流程、自动化重复的设计任务和处理复杂的形状。了解使用 Tekla 和 Grasshopper 进行参数化设计的更多信息。

参数化设计是一个交互过程——设计模型的构件相互关联，允许在整个设计中实时更新设计修改。该过程使用依赖于精确输入参数和构件关系的软件插件。

生成式设计是一个迭代过程——软件产生许多结果，按用户提供的约束或成功指标进行排序。该过程使用先进的算法和人工智能，但仍需要人类的直觉判断来最终确定设计选择。

建筑研究前沿的研究人员在他们的报告《建筑中的运算化设计：定义参数化、生成式和算法设计》中进一步细分了这些运算化设计子集之间的差异。

运算化设计有什么好处？

实施运算化设计需要在前端进行文化观念的转变和广泛的编程，但是一旦设计公司克服了最初的学习障碍，他们就能够：

• 设计更好的解决方案——设计师可以探索数百种设计选项，而不仅仅是他们通过手动绘图产生的少数几个选项。他们还可以利用不同于传统思维的独特设计解决方案。可以改进设计算法来不断改进结果。

• 自动执行重复性任务——更新一个构件尺寸或重命名一个构件很简单，但在面对数百个构件时这项任务会变得乏味且降低利润。通过连接到建模软件的运算化设计软件，设计人员可以创建实时修改整个模型的算法。

• 提高生产力——一旦公司特定的设计流程被编程到计算软件中，设计师基本上可以将设计任务外包给这些程序。通过运算化设计，架构师可以用更少的迭代更快地设计，提高生产力并用更少的资源完成更多工作。

• 降低设计风险——迭代设计过程和易于使用的可视化编程工具使设计师能够将设计质量提高到人类能力之上。可以利用人工智能在多种场景下测试设计。无错误的设计降低了所有相关方的风险和责任。

• 降低项目成本——将繁琐的设计任务和设计用运算化设计软件完成，可以降低项目所需的人员数量。此外，通过算法生成的设计将具有更少的错误，从而降低现场设计变更的可能性。随着所需要的资源和更改减少，项目成本将下降。

通过运算化设计可以设计出具有有趣形状的结构，例如在特威克纳姆河滨开发项目中看到的那些。阅读有关获奖项目的更多信息。

运算化设计的现状

尽管运算化设计对业内许多人来说是一个新兴概念，但它已在众多建筑和基础设施项目中得到应用。

参数化设计在新奥尔良国际机场的应用

路易斯·阿姆斯特朗新奥尔良国际机场航站楼项目的设计始于 2011 年。这将是过去十年中第一个更换航站楼的主要机场。为了满足快节奏的日程安排并实现新月造型的外观，设计团队明白设计方法需要创新的解决方案。

使用的解决方案之一是参数化模型，用来协助设计过程。球形屋顶和径向网格通过可视化编程插件Grasshopper进行参数化控制。通过参数化模型，设计师可以轻松地调整结构的几何形状，同时对设计进行微调，即使更改了多次设计方案，设计也能如期完成。

日本大和房屋集团使用生成式设计

每10 个日本公民中就有 9 个居住在人口密集的城市，因此日本对城市住房的需求很大。日本最大的房屋建筑商大和房屋集团 ( Daiwa House Group ) 的任务是在稀缺的可用土地上最大限度地开发住房。为此，他们采用生成式设计。

大和房屋集团使用生成式设计软件来加快他们的工作流程，并为客户提供独特的房屋规划，最大限度地利用他们的建筑面积，而不是依赖传统方法。“生成性设计提供更多不同寻常的可能性。我认为这是这项技术最大的吸引力。”大和房屋集团的项目总监 Masaya Harita 解释道。

未来如何使用运算化设计

运算化设计旨在以与 CAD 和项目管理软件相同的方式改变 AEC 行业的格局。一旦突破了最初的行业壁垒，计算设计将成为建筑设计、工程和施工的革命性补充。

运算化设计在施工阶段的应用

运算化设计方法开始超越设计范畴，进入施工阶段。承包商将输入有关施工现场的参数，并接收有关程序的优化数据，来提高效率和降低成本，包括现场改进，例如：

• 优化设备定位——对于一些施工项目，整个进度计划是基于所有施工设备的可用性和移动情况上的。通过生成式设计，承包商可以获得有关塔式起重机和其他重型设备数量和位置的项目优化数据。

• 减少材料浪费——零浪费，或至少减少浪费，始终是项目的目标，但在实践中却很困难。使用计算软件，可以通过使用原材料数据和产生的废物评估来优化项目设计来减少浪费。

• 改进操作顺序——安排操作顺序是一项复杂的任务。运算化设计软件使项目团队能够创建对建筑组件安装进行排序的逻辑顺序。然后可以优化和改进序列来提高效率。

在 AEC 行业应用运算化设计需要文化观念的转变

尽管由于可视化编程，运算化设计软件相对易于使用，但在公司或整个行业中应用该设计方法并非易事。因此，呼吁对计算设计提供的效率和优化感兴趣的设计师、工程师和承包商在每一个项目中提倡使用它。