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参数化简史(下)

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本文分享自FabUnion

    在上篇,我们主要叙述了参数化在计算机之前的发展过程,它有严谨的数学逻辑,科学的物理积淀与悠久而系统的生成历史。参数化并非形式主义,而是种设计方法,它基于性能、基于材料、基于算法,更基于设计师的想法。它赋予了当今的每一个设计师、工程师更多的设计可能性和更高的工作效率。

Sketchpad

    高迪和奥托的模拟化参数模型上无法完成的计算在数字化计算的帮助下成为了可能。使用与高迪和奥托借助物理规则来加速参数方程计算的方式相类似的方法,Ivan Sutherland尝试运用计算机来加速所有参数方程的运算。Sutherland(1963,8)希望创建一个系统,使“人和机器可以进行交流”。在那时,计算机使用批处理语言,编程和“写信”差不多。“人机交互”数字模型的概念是一个大胆的设想。Sutherland 利用TX-2型计算机的计算能力创建了Sketchpad,第一款交互式的计算机辅助设计程序。通过使用光笔,设计师可以绘制直线和圆弧,然后将他们通过被Sutherland(1963,18)称作“原子性约束”的功能链接在一起。Sutherland从来没有在他的论著中使用过参数化这个词,但是“原子性约束”这个功能具有所有参数等式所具有的特性:每一个约束都具有一系列由独立参数通过显函数运算得出的结果。与高迪和奥托的模型不同,这些参数方程与物理定律无关,所以可以计算诸如平行,正交和重合之类的关系。

    计算机Tip:

    原子性,指事物具有ACID属性:事物由一个或多个行为绑在一起,是一个单独的工作单元。即最小的不可分割的性质;文中指软件的最基础的操作。

↑Sutherland(1963)的关于Sketchpad中十七种“原子性约束”中六种的图表。每种约束都有一系列输入变量和一个显函数,通过计算使变量输出为需要的结果。

    Sketchpad提供了一条探索参数方程的新途径,和高迪及奥托的模型相似,设计师可以通过改变参数,使Sketchpad自动重新计算并绘制图形。但在Sketchpad中,设计师更可以重新定义模型,这也将导致重新计算和重新绘图。这样建筑师对Sketchpad的控制,与大多数参数化建模软件一样,不仅可以改变模型参数,也可以改变模型内在的基本关系。我之后会论述到,对于参数化模型内在关系的管理,是很多建筑项目(不被经常提及)的难点之一。但首先,我将简要地谈谈在Sutherland发明了Sketchpad后的五十年中,参数化建模是怎样发展的。

计算机时代

    在众多发明中脱颖而出的电子计算机,没人会(包括Sutherland)意识到参数化设计在接下来的五十年中将对建筑实践产生的影响。二十世纪六十年代和七十年代是对计算机的十分乐观的年代,Sutherland对于计算机替代绘图桌的愿望却是十分悲观的,与同时代的发展自动建筑设计(Whitehead and Elders 1964;Cross 1977),由遗传算法辅助的设计(Frazer1995),自复制几何和元胞自动机(Neumann 1955),计算机辅助设计(Conns 1963[Sutherland的导师];Mitchell 1977),形式语法(Stiny and Grip 1972)和贝塞尔曲线(由Casteljau 1959和Bézier 1962独立发展)的呼声相比

↑Itek公司的电子化绘图机器(上图)和简化示意图(下图)。这套设备每台在1962年价值五十万美金,相当于2012年的三百五十万美金。

    这些创新中的很大一部分最终没能在建筑实践中立足。早期的诸如Itek公司的电子化绘图机等商用系统在1962年被发布时价值等同于现在的三百五十万美元。这样的花销只有汽车及航空公司可以接受(Weisberg 2008,第6节)。二十年后,1982年8月,当有些人能够开始买的起自己的个人电脑,AutoCAD出版并快速地主导了尚未发展的计算机辅助设计领域(Weisberg 2008,第8节)。曲线,人工智能,自复制几何被AutoCAD中的指令所替代,设计师通过指令,不需要笔就可以使用键盘在屏幕上清晰地画出一条二维直线。十八次版本更新后,AutoCAD2010,参数化功能被引入(Sketchpad出版的43年后)。在新闻发布会上,被宣布为一个“开辟性的新功能”(Autodesk 2009)。有时候我们需要一些时间来意识到某些概念将对实践产生的影响,例如参数化设计。

↑AutoCAD 版本时间轴(至AutoCAD2010)

    AutoCAD2010的开辟性的新功能——参数化建模,在几十年前的软件中就有被提出。1985年,数学教授Samuel Geisberg创建了参数技术公司。他们在1988年推出了第一款成功的参数化商业软件Pro/ENGINEER。与Sketchpad一样,用户可以将Pro/E中的部件与一系列的参数方程相关联。与Sketchpad不同,软件中的几何是三维的而不是二维的,并且对模型的改变可以对由不同人创建的不同图纸有效。在1993年工业产业周的采访中,Geisberg简要地表达了研发Pro/E的动机,在很大程度上源于参数化建模:

    软件的目标是创建一个系统,具有足够的灵活性让工程师可以轻易地进行各种设计。改变一个设计的成本应该尽可能接近零。传统的CAD/CAM软件只在工程设计的前期才能做到较低的改变成本,而这是不切实际的。——Geisberg

    Geisberg讲了两个要点。第一是参数化建模应该能使设计师探讨“各种设计”的可能性。这使在Pro/E中通过改变参数和改变模型底层关系来改变模型成为可能。第二是参数化模型允许在后期的设计过程中进行改变,因为后期的可变性是参数化建模非常诱人的一点,关于这点我将在后续的章节中阐述。

↑古根海姆博物馆,使用CATIA软件

    1993年,Dassault Systèmes将许多Pro/E的参数化特性引入到了CATIA第四版中(Weisberg 2008,13:32)在那时,盖里的事物所雇佣了Rick Smith,一位来自航天领域的CATIA专家,来帮助实现具有几何挑战性的建筑项目,例如巴塞罗那鱼形雕塑(1991)和古根海姆博物馆(1993-97)。这项工作构成了盖里事物所姐妹公司——盖里技术公司(2001年注册成立)的基础,它在2004年发布了参数化建模软件Digital Project。Digital Project采用了CATIA第五版,并为建筑师量身定制了一系列工具,特别是对于那些试图将复杂几何合理化的建筑师(如盖里)来说。Digital Project在很大程度上依赖CATIA 第五版的参数化引擎,它使建筑师能够修改参数和定义几何体的方程,这与工程师使用Pro/E的方式相类似。

↑Digital Project 通过参数方程关联生成的柱体模型

    2004年推出Digital Project的时候,大多数建筑师都不愿意用电脑替代他们的草图本。只有少数建筑设计公司需要Digital Project来设计足够复杂的几何形体,这与当时只使用电脑来绘图和管理图纸集的大多数的公司不同。虽然很多建筑师习惯使用AutoCAD或其竞争者,有些人却选择采用专用的建筑建模软件如Revit和ArchiCAD。

    Revit技术公司,由参数技术公司的前开发者创立,希望创造“第一款为建筑师和建筑专业人士开发的参数化建模软件”(RTC 2000)。在2002年被Autodesk公司收购之前,Revit官网接待了大量的对参数化没有明确概念的访客。

↑2000年5月10日的Revit主页

    在本质上,Revit的作者将参数化定义为,设计师可以在不同的情形下进行调整的基于参数方程的模型。在网站之后的版本中,介绍了设计师如何在Revit中改变屋顶的沥青构造,而Revit又如何反过来“Revit”(立即修改)所有的平面、立面、剖面、施工时间表及各种其他方面的要素的(RTC 2001)。虽然Revit及其同类产品毫无疑问地使用了参数方程来进行这些自动的调整,但与如Pro/E,CATIA,甚至Sketchpad等完全的参数化建模软件不同,Revit的参数化关系隐藏于其界面之下。Revit的重点是使用参数模型而不是建立参数模型。在Revit被Autodesk收购之后,关于参数化建模的说法消失了,他们使用了建筑信息模型(BIM)来作为他们设计软件产品的名称(Weisberg 2008,8:47)。通过这样,他们将BIM通过强调对于信息(参数)的管理而不是管理参数化模型本身,与参数化建模区分开来。因此,虽然绝大多数建筑设计公司可能永远都不会使用像Digital Project或Pro/E一样的完全的参数化软件(甚至可能不考虑这件事),它们却可能使用参数方程的某些特性来对它们的建筑建模。

↑AutoLISP的文本化编程界面

    参数化建模还可以通过调用软件包的编程方式参与到项目之中。编程界面使设计者可以通过编程来驱动软件的功能。例如AutoCAD的开发者,甚至在1982年就发布了包含编程界面的版本,能够使开发者自己避免大量的定制编程和特别的使用程序的开发工作(Walker 1995,115)。十年后的1992年,当Mark Burry(2011,28-29)希望通过参数化途径建立圣家堂的双曲线模型时,他并没有要求Autodesk在AutoCAD中开发双曲线的功能,而使用了AutoCAD的编程界面开发了他自己的工具。Burry的脚本具有三个输入参数:起点,最低点和渐进线点。这些参数通过一系列显函数(用AutoLISP编码编写)生成一条双曲线。这段脚本,包括其输入参数,显函数和最终输出结果,是对参数化数学定义原型的体现。Ipek Dino(2012,210)指出,脚本本身就是参数化,”参数系统主要基于算法法则“,因为”算法需要一个或一组值作为输入,执行一系列运算步骤,最后产生一个或一组值作为输出“。因此,在软件中的大多数编程界面都易于创建参数化模型。

↑Explicit History第一版,后来被称作Grasshopper(图形化编程界面)

    代码编程界面从AutoCAD早期到现在并没有显著的发展,而近十年却产生了一种新的编程界面——可视化编程通过图表而不是代码来进行编程。上世纪90年代以来的两个先例包括MAX/MSP,知名音乐家,Sage(之后是Houdini),知名视觉特效艺术家。建筑师的第一款可视化编程软件来源于Generative Components,由Rober Aish(后来为Bentley System公司工作)与几个建筑设计公司于2003年秘密开发。Robert McNeel & Associates,在获得GenerativeComponent的授权失败后,聘用了DavidRutten来编写他们自己的版本(Tedeschi 2010,28)。2007年发布Explicit History之后,Rutten后来将他的可视化编程界面命名为Grasshopper。无论是Grasshopper还是Generative Component,都基于图形(数学名词为流程图),它通过定义参数之间的流程关系,使用用户定义的方程,来生成几何形。对参数与模型的关系的改变会自动导致显函数重新绘制几何体。因此,其实他们并没有改变创建参数化模型的方式。

结论:

    在过去的十年中参数化建模才脱离了高迪,奥拓和Sutherland的数学技巧,一些工程师成为了建筑设计实践的一个常规组成部分。在数学中,参数化表示了由一系列独立参数通过显函数生成的变量。在建筑学中,参数化被辅以模型可能性探究的功用。这一探索通过修改模型参数和模型关系进行。在如今,参数化建模再也不是专门化参数化工具,如CATIA和Pro/E的专属领域。参数化方程正悄悄地驱动着许多BIM工具,他们体现在编程语言中,他们也体现在图形可视化编程的界面中。而也正是快速发展的参数化建模的应用,造成了对参数化这一词理解上的一些混乱。

文章翻译并编辑自Daniel Davis《A History of Parametric》

译者:胡雨辰 同济大学建筑与城市规划学院硕士研究生


2条评论
CHE
CHE 2015-09-07 13:49:06 回复 0

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ZERO 2015-09-07 02:06:01 回复 0

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