引言
大数据时代，数字技术不仅为建筑创作提供了新的方法和表现手段，也为建筑的设计研究和实践发展提供了新的技术支持。在建筑策划的初期，将客观信息数字化的转译并输入到建筑构思中，帮助设计师最终完成建筑创作。从设计层面来看，数字技术不仅让设计师的思维不再“局限”、更为发散、赋予建筑更多的可能性，最重要的是其还可以使用相关技术方法来推演空间形构，分析设计的合理性，并最终使设计更为优化；在施工方面，数字技术精准无误地放样建筑实体尺寸，使每一个“精密”的建筑构件在实施时准确无误；在项目管理方面，其给予准确的数字支持，更有利于对建筑的实时检测管理。在我国，部分学者已经对数字技术在建筑设计方面的应用进行了一定的探索，取得了一些成果。清华大学建筑学院、东南大学建筑学院、华南理工大学建筑学院等很多高校都设置了面向数字技术应用和研究的建筑学培养计划和教学体系。并且，在部分建筑设计研究院和土木设计研究院中，数字技术辅助研究创作人员完成创作的应用也形成了较为完整的体系。文章以数字技术及数字技术工具作为具体研究对象，梳理其发展应用的重要时间节点，对PS（Photoshop）、CAAD、Rhino-Grasshopper三种应用较为普遍的数字技术工具和平台进行了系统的分析，力图挖掘其拟态生成的设计逻辑、数据优选，设计思维体系。
1数字技术概述
数字技术，也称数字控制技术，是一项与电子计算机相伴相生的科学技术[1]。在设计领域，数字技术将抽象的复杂信息变成有逻辑、可编程的二维数字数据，并根据具体需求进行调整，最终达到整体化设计的目的。20世纪末，数字技术也逐渐被建筑设计师们广泛地应用于建筑领域。根据对现有应用情况进行分析发现，数字技术在现代建筑设计中的应用，不仅可以为设计师分担繁琐计算、信息存储和图像制作等工作，还可以对不同方案进行大量的计算、分析和比较，最终实现对方案的优选。数字技术不仅用电脑代替了人工，解放了设计师的部分劳动，更重要的是其还缩短了设计周期，提高了设计质量，最大限度地实现了低错误率。有些数字技术和工具还能够进行方案概念推演，生成实体模型。同时，借助数字技术对地形、风能、光照、受力等要素进行分析，建筑师还能够对相应数据进行更好的把握和控制。由此不难看出，数字技术能够对现代建筑设计起到有效的支撑和推动作用，其在建筑设计各个阶段提供的有效帮助，不仅能将各个相关构件的设计信息进行整合，还能够为设计、管理、施工提供科学的借鉴。诚然，数字技术在建筑领域的应用并不是一蹴而就的，经历了一个从自身不断完善到建筑设计应用的发展历程。从1930年世界上第一台计算机在美国诞生，到1983年Adobe公司成立，计算机从最初仅用于存储资料发展到应用于设计领域。20世纪50年代，CAAD、CAM技术的出现，拉开了数字技术在建筑设计中应用的帷幕。2008年，舒马赫①在《作为一种建筑风格的参数化主义——一位参数化主义者的宣言》一文中，又在数字技术的基础上进一步提出了参数化主义的思想，力图通过重组和更新数字技术的方式构建建筑参数化设计系统[2]。同时，其还将20世纪80年代复杂性科学中的特殊复杂性需求纳入到系统中，至此，建筑策划和设计进入到了参数化的阶段。在之后的10年间，数字技术在建筑领域的应用从CAD到Rhino，再到CAM（ComputerAidedManufacturing），最终实现了多软件技术平台的协同合作，不仅完善了CAAD，更重要的是实现了CAAD与CAM的相互交互合作，计算机辅助建筑设计系统构建完成，该系统由苏黎世联邦理工学院建筑学院最早提出。2019年，在瑞士Riom开幕的3D打印混凝土装置展览中，分层挤压打印技术的展示实现揭示了展示计算设计和数字创造在混凝土行业的应用进程，代表了世界3D打印技术领域和数字化设计领域取得的巨大突破（图1）。这一历程从侧面揭示出数字技术在建筑设计中的应用深化和演绎。
2数字技术在现代建筑设计中的应用解析
不断发展的数字技术正在为各个行业提供助益，这已经成为一个不争的事实。在建筑领域，数字技术使现实理论数据得到了科学合理的逻辑展现，为建筑创作研究提供了更好的技术工具与手段。数字技术指导下的建筑设计，将数据、参数、属性、功能、结构一一对应，基于数学领域的二维逻辑转译成建筑领域的三维建筑拟态生成，并最终完成数字化建筑设计创作。同时，基于数字技术的建筑还可以成为一种虚拟映射下的数字孪生——数字技术。从实际应用角度来看，数字建筑已经成为数字技术驱动的建筑行业发展方向。数字技术的应用经历了从初期数据逻辑梳理、规划、设计，再到后期实现提供技术支持，并最终在建筑创作中呈现新的创作思维和发展理念的应用阶段。下面对主要的数字技术应用进行梳理和分析。
2.1PS（Photoshop）图形图像处理技术的应用解析
PS（Photoshop）软件作为设计领域的技术基础，其操作应用平台在各领域都得到了应用。从二维平面到三维空间，从意向构成到拟态生成，从平面设计到工业设计、动漫设计，PS（Photoshop）已成为各个领域的设计师们必须掌握的软件，其具备的图形图像处理技术更是在建筑领域发挥了强大的优势。根据对部分建筑设计从业者和高校建筑专业学生的调研发现，绝大多数使用者认为PS（Photoshop）作为数字技术辅助工具有着强大的实操功能，其能够实现多角度高精准的选区工具、色彩色域的调节把控、路径图层的协同，以构成精良品质的效果图、设计图。特别是绝大多数建筑设计的从业者认为，在建筑设计创作领域PS（Photoshop）作为主要虚拟拟态效果精准后期呈现的技术工具，为其创作服务的适用人群提供了高精准的意向参考。现阶段，PS（Photoshop）作为图形图像处理技术的主要工具，其工作结果已经取代了传统手绘表达的最终建筑施工图、效果图，以及可能需要的俯瞰图、立面图、剖面图等。其对建筑及其建筑空间关系预期效果的展示更真实，并最终让图纸接近并走出纸面边缘，生成为现实拟态[3]。
2.2CAAD技术的应用解析
CAAD（ComputerAidedArchitectureDesign）是一种计算机辅助建筑设计体系，主要帮助建筑师完成建筑的设计与实践。在技术层面CAAD实现了分担设计师繁琐计算、信息存储和图像制作的工作；在设计层面CAAD实现了不同方案的分析、比较和推敲，并决定最优方案。CAAD不仅能够解放设计师的部分劳动，用电脑代替人工，缩短设计周期，提高设计质量，还能够尽可能地实现低错误率，为精准施工提供帮助。从技术工具的角度，CAAD分析可以分为2D-CAAD技术软件和3D-CAAD技术软件。2D-CAAD技术软件主要完成平面布局、结构设计，3D-CAAD技术软件以主要完成虚拟现实建造模型的设计。这里分别针对2D-CAAD数字技术软件中的CAD、3D-CAAD数字技术软件中的Rhino进行应用解析。CAD数字技术工具，辅助建筑师将复杂、耗力的创作过程优化，缩短创作时长，提高时间利用效率。在建筑策划前期，建筑师利用CAD完成图纸局部、细节、体框的绘制、修改，达到所期的图面设置[4]。在方案实施过程中，CAD辅助建筑师同施工方进行更好的交流，使得建筑项目更快达到高精准的施工目的，主要体现在一些结构穿插关系相对复杂、建筑体态不规则的建筑施工时，CAD给予施工方提供精准的数据支持，将曲线、弧线等非几何性质的建筑特殊部分进行高精准的数字化转译，解决施工难题，让建筑创作的施工误差降到最小，最终达到精准施工的目的。Rhino一方面是为了设计和建模而开发的3D模型技术软件，其不仅可以创建、编辑、分析和转换曲线、曲面和实体，不受复杂性、角度或大小的任何限制，还可以创造任何想象的形状，并达到满足建筑工程、分析和制造所需的精度；另一方面，作为当前设计领域最为强大的“软件平台”，Rhino还可以做到多插件的协同工作。在使用Rhino作为3D建模软件设计创作时，对比Sketchup、3DMax等其他3D模型数字技术软件，其优势在于运算方式结构的不同。同样绘制一条曲线，等分线每个软件的运算方式皆有差异，通过实验对比法，在Rhino中绘制一球体上的等分线时，图像处理技术、软件运算运行速度都要比Sketchup更快，并且最终球体上的曲线呈现方式更为圆滑，更符合视觉美学的需求，高精准、快速度地完成软件内的操作。除了现有的2D-CAAD技术软件和3D-CAAD技术软件外，新数字技术工具的持续开发以及现有技术软件的不断升级，使CAAD以动态的形式持续发展和完善。
2.3Rhino-Grasshopper参数化技术的应用
前面提到，Rhino不仅是一个功能完善的三维建模工具，还是一个强大的“软件平台”。从二维的技术整合到三维组织建模实现，再到将高精度模型提供给其他三维软件使用，Rhino几乎都能够组织完成。Grasshopper作为目前其最为强大的插件之一，在Rhino环境下帮助设计师实现建筑参数化建模。Rhino-Grasshopper不仅能够便捷地生成建筑曲面和异形表皮，还能够通过快捷的条件输入生成符合场地条件和功能要求的建筑方案。但更重要的是，Rhino-Grasshopper作为一种设计思维和代码设计手段，使建筑设计过程更易于调整和修改，使建筑创作更具独创性。因此，有人又将应用Rhino-Grasshopper数字技术的设计称为犀牛参数化设计，强调设计参数模块在方案调整和论证中的作用。
2.3.1逻辑结构的建立
逻辑结构的建立是基于参数化的。参数化指在数字技术下的一种干预、一种逻辑的操控。在参数化的支配下，逻辑算法公式即为最初的参数支配。在完整的逻辑公式支配下，逻辑结构的本质可分为：逻辑架构中主体稳定部分、逻辑体系内重复变化的部分、干预影响其他部分衍生的组成部分[5]。处在同一个维度与逻辑运算体制下（强调客观条件），其中的各个参数支配影响着整体，生成一个完整的逻辑结构，在这个逻辑运算的交互界面，参数的变化又影响逻辑结构内部的各个部分。基于技术工具Rhino-Grasshopper的逻辑构成，异化衍生出了定位不同的逻辑运算器群，可以分为：网架、变量、单元三大组成部分。网架是一种数字矩阵的集合，并包含不同维度的数据库、数据属性，是主体形态的基础，也是所有单元的法则。变量是使变量数阵实现执行运算的过程，在网架结构中提取参数，自拟变量生成逻辑结构并输送给单元，使其单元内数据结构变化生成模型。单元是模型生成的最基础单位，依附网架部分进行变化，通过变量部分的数字干预衍生出丰富的单元结构。设计师在参数化技术工具Rhino-Grasshopper的协同协助下，基于逻辑结构下参数自变量的生成，对其数字模型拟态进行调整，达到结构内的优选。即为通过对空间因素和影响因素等相关自变量参数的调整，实现虚拟拟态优化。最终的设计结果也就从这种逻辑结构关系出发，制定出关联的数据系统，通过输入不同的条件来实现。较为复杂的逻辑结构往往将生成多个设计参数模块。
2.3.2参数及其相关系数优化
既然应用Rhino-Grasshopper数字技术的建筑设计需要参数的调整来完成，那么参数及其相关系数的优化就变得尤为重要。在参数及其相关系数优化过程中，Graft树形数据生成器及其生成数据法则是核心方法论和运算法则（图2）。在Rhino-Grasshopper中，Graft树形数据生成器及其生成数据法则结合数据面板可以得到数据内容、数据长度、数据内容、数据分组及路径分组，通过数据的合并与排序完成数据运算（图3）。一方面其相同的运算逻辑、不同的数据结构会导致运算结果输出的不同，完成数据优选运算；另一方面在单元内部可以通过seed值等可变量数据条操控或可输入数据面板的系数调整完成参数选优的过程。
2.3.3模型可视化表达与输出
基于Rhino-Grasshopper的协同功能，对模型进行可视化的表达和输出。在Grasshopper操作面板中，对虚拟的建筑模型进行调整（因为Grasshopper提供的模型需要数字虚拟模型进行Bake技术操作之后才能够生成Rhino中的实体数字模型），具体操作是通过数据条拉棒、数字面板、曲线面板的参数调节，达到数字虚拟模型的优化，再经过Bake技术工具将虚拟拟态模型生成Rhino中的实体数字模型。在建筑创作过程中，仅生成Rhino中的实体数字模型往往是不够的，还需要将其输出为物质化的实体模型。现阶段，生成物质化实体模型的数字技术主要以3D打印快速成型技术为主。这是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。利用这一技术输出的3D实体模型能够将建筑形态与室内空间的关系更直观地展示出来，但要注意的是当输出的模型较大时，需要借助大型的机械臂来完成。
3结语
数字技术的不断发展已经颠覆了原有的建筑设计理论和方法体系，其从最初对建筑设计图纸的表现，已经扩展到建筑创作思维和概念的创新方面。这既预示着建筑设计未来的发展方向，又引发学界广泛的学术争鸣。文章从对数字技术的解析和发展脉络梳理入手，挖掘现阶段在建筑设计领域应用较为普遍的数字技术，并对其应用过程中表现出的特征、优势和关键点进行了深入分析，力图为那些致力于数字化建筑设计学习的学生提供些许学习上的参考，为致力于数字建筑设计探索的人提供一些可供选择的方法支撑。囿于篇幅，研究局限于建筑设计阶段的数字技术应用，并未涉及与建筑项目管理方面的数字技术应用，希冀在今后的研究中对这一部分的研究进行单独论述。
作者:张蕾 于博远 单位:东南大学建筑学院 哈尔滨理工大学艺术学院 伦敦大学学院
