瓦特发明的蒸汽机使得人类迈入机器时代，而计算机的发明则让机器变得“智能”。1949年第一台计算机的发明标志着一种新的通用机器的诞生，这种机器并非服务于某个特殊的任务而被设计，而是可以根据操作者的意志，通过不同的软件实现不同的功能需求：绘图、计算、图像处理、游戏……当计算机介入建筑设计，其带来的变化是翻天覆地的。AutoCAD作为最早的工业设计软件大大提高了建筑设计效率。在随后的发展中，可视化的3D建模技术使得建筑设计在前期可以更直观地得到展示，从而减少了传统手工模型制作的工作。

虽然绘图效率得到了显著提升，但计算机对建造技术创造性的推动作用直到近20年才逐渐被开发出来。长久以来，CAD＋3Dmax（Sketch）组合形成了建筑设计前期及施工图绘制的辅助工具，但是这三种软件除了在图形共享之外，并没有紧密的联系，是各自独立的静态平台。以CAD为主的设计与施工图绘制软件都是基于二维图形的信息；3Dmax模型是表现工具，缺乏真实的建造和设计信息，两者的脱离使得建造过程不能得到直观显示。随着信息化技术的进步，虚拟建造成为计算机辅助设计的一个新方向，它不仅能将原先二维的平面设计在计算机中转化为真实的建造信息，还可以通过设定的程序将设计的过程实现计算机化的智能生成。虚拟的模型信息可以涵盖所有的建造细节（从建筑整体到每一个螺丝钉），这大大提高了在设计过程中发现、改进问题的效率，也降低了技术创新的风险。

尽管物理模型研究可以让建筑师找到复杂构造形式实现的方法，但毕竟实体模型的制作过程耗时耗力。高迪从1882年开始接手圣家族大教堂的设计与建造，直到其去世也只完成了一小部分的建造。虽然他留下了科学的实验与建造方法，但通过手工模型逐步推进的方法效率低下，以至于在之后很长的一段时间内，后继的建造工作依然缓慢。直到计算机辅助设计技术的成熟，由数字化实现的虚拟模型研究代替了物理模型，结合CNC机器加工技术，建造的效率才得到了显著提高。

1988年，圣家族大教堂的建造开始引入数字化技术。由于高迪的设计中采用了大量基于直纹面的几何控制，算法是有规律可循的，可以快速准确地在计算机中建立虚拟模型。虚拟模型中提供的直纹面母线的几何信息，如母线的数量、旋转角度、长度、排布方式等等，都能作为建造中设置施工控制线的依据。基于规则的计算信息，重现计算机中的虚拟模型，就可以代替石膏模型实现衔接设计与建造的效果。此外，虚拟模型的建造信息还可衔接输出端，在建模的过程中模型就已经被处理成了可以输出的数据，三维打印机根据信息直接打磨石材，生成复杂的建筑构件以及1∶1的石膏模型，用于辅助施工模板的制作（如拱顶模板）。

计算机不仅可以按正方向进行计算和输出，还可以倒过来反推过程。在圣家族大教堂的后续建造中，由于大部分图纸毁于火灾，建造只能依照1∶10的模型开展，但模型的有些局部因为损坏或者采用了不常见的直纹曲面，无法得知其几何生成原理。于是，人们使用三维扫描仪将实体模型的信息输入计算机，利用计算机强大的计算能力对虚拟的模型进行分析，从而推导出这些构件的几何生成原理（图4－73）。

20世纪90年代之后，建筑师不仅在输出端用虚拟建造来提高设计与建造效率，还开始使用基于数字技术的参数化设计，让计算机成为具有自主创造能力的“设计者”。参数化设计的核心在于脚本的编写，这种脚本是具有某一特定需求的建筑设计目标，如结构找形、优化、节点细化等。建筑师需要在合理的范围内提供计算机运算的基本准则，然后利用计算机强大的运算能力在一定范围内生成尽可能多地可供选择的结果，然后由建筑师根据需求优化并决定最终的选择。对于原来需要通过手工模型不断调整的复杂构造形式，参数化可以实现更快、更精确的调整。

尼古拉斯·格雷姆肖（（Nicholas Grimshaw）于1993年设计的伦敦滑铁卢火车新站是最应用参数化设计的案例之一。铁轨的自由曲线导致了火车站顶棚的不规则性，继而使得支撑顶棚的桁架梁的尺寸产生了众多的变化。不等宽的站台、建筑15m的限高加上拱桁架侧推力等限制条件促成了每品桁架由2个相反弧度的拱组成的构造形式。为了满足东侧较大站台的高度要求，此处的拱点上移了2　915mm，从而确定了最终三铰拱的基本形式（图4－74）。渐变的平面导致桁架的尺寸也在不断变化中，如果逐一计算会耗费很长的时间，并且不规则的形式会增加施工图的绘制难度。为了更好地完成复杂形体的精确建造信息，参数化被引用进来完成非标准三铰拱的信息模型建造。设计首先确立了一个跨度为H的标准的三铰拱参数模型，其余拱的跨度为hx，它们可以按照hx/H的比例关系对上述的参数化模型进行缩放获得（图4－75）。H和hx的值通过如下的参数表达式获得：hx＝［（29152＋（B＋C）2］1/2［36］，其中B和C分别代表三铰拱中较大和较小的水平跨度。在上述参数模型建立之后，只需要提供每品桁架的B、C的数值，通过hx/H的比例关系就可以确定不同桁架各部分的尺寸。在该火车站的设计中，参数化的设计方法解决了具有拓扑关系的一系列尺寸不同桁架的复杂计算，与传统CAD的人工绘制对比之下优势清楚可见，交互式计算机建模技术将验证的过程从物理建模过程中解放出来［37］。

图4－73－a　圣家族大教堂后续的数字化设计

图4－73－b　圣家族大教堂后期应用数字化技术进行复杂构件的生产加工，不仅提高了建造效率，也节省了成本

资料来源：Mark Burry.Gaudi Unseen：Completing the Sagrada Familia［M］.Jovis Verlag，2008：105，106，125，142，作者编辑

图4－74　伦敦滑铁卢火车新站顺应地形产生自然的形体变化

资料来源：http：//www.lookingatbuildings.org.uk

图4－75　伦敦滑铁卢火车新站由参数控制自动生成的具有拓扑关系的桁架构件

资料来源：大师系列丛书编辑部.大师尼古拉斯·格林姆肖的作品与思想［M］.北京：中国电力出版社，2006：55

盖里为了其设计的新奇的建筑形式能够实现而成立了盖里科技（Gehry Technologies）公司，并寻找合适的数字工具来描述和构建盖里事务所设计的诸多复杂形式的工程。盖里是第一位将航空设计软件引入建筑设计的建筑师，DP是盖里科技公司2004年发布的以CatiaV5为平台开发的面向建筑的专用设计软件。CatiaV5是一款强大的用于众多工业设计平台的软件，如航空航天、造船、机械、电子产品等领域。盖里将Catia中多余的功能去除，针对建筑设计的特点进行优化，为建筑师建立一个建筑全生命周期的工作环境：包括了方案设计、施工图设计、性能分析、施工控制等各阶段的模拟，实现各建筑工种之间的默契配合，为其完成了众多复杂的建筑项目。毕尔巴鄂古根海姆博物馆作为其第一个成功的“非线性”复杂形体建筑，在设计中不仅使用了DP的复杂形体的设计功能，在建造阶段还配合使用了数控机床完成不规则曲面构件的生成（图4－76）。

图4－76　盖里的草图和参数化模型

资料来源：ELcroquis　117

盖里的复杂形体建筑实践吸引了更多建筑师投入到数字化技术应用的行列中来。扎哈·哈迪德、赫尔佐格等著名的建筑师在设计中都使用了DP这类新的参数化建模软件。赫尔佐格设计的北京鸟巢体育馆，由于有过多交错复杂、尺寸各异、毫无规律可循的钢构件，通过实体模型和绘图软件都无法完成合理的结构布置与受力分析。依靠DP强大的分析能力，计算机为建筑师提供了合理的钢结构组合，实现了鸟巢复杂的构造形式并提供了可行的施工方案（图4－77）。复杂的钢结构形式使得几乎所有的构件都是非标准的，为了让这些非标准化的构件的组装能够更加准确和效率，在完成合理的结构计算之后，工程师又通过参数化实现了合理的整体结构的“模块化”分解，使得大部分的构件可以在工厂预先制成整体的模块，大大减少了现场的工作量。作为“鸟巢”奥林匹克体育馆设计的顾问公司，盖里科技公司使用一套极为精密的数字工具解决了“鸟巢”的复杂建造问题，其服务证明了参数化设计拥有创新构造技术的巨大潜力。

图4－77　鸟巢的数字化设计保证了结构受力的合理性与施工的可行性(www.daowen.com)

资料来源：http：//ncf.5d6d.com/thread－1703－1－1.html；http：//www.baidu.com

如今，计算机中的非物质世界已经被证明在解决建筑的物质构造问题方面是如此的不可或缺。

计算机辅助设计的发展代表了一个新的方向。在传统的建筑设计中，所有的建造结果是由设计师直接完成的，计算机只是一个输出的终端，而现在，计算机已经成为设计的一部分，建筑师控制设计的过程，设计的逻辑由人脑变为电脑（脚本）。也许会有人认为脚本的使用违背了设计的逻辑，因为这样意味着建筑师放弃了对设计过程的控制。这种担忧显然是大可不必的，正像我们将传统的手工艺看做艺术和技术的结合的结果一样，我们也同样可以视计算机辅助设计和制造的发展为人类对最终产品控制能力的延伸［38］。

参数化设计的过程是一个由设计者进行逻辑关系编辑而由计算机负责执行的合作机制，设计者负责制定设计的逻辑关系即规则，并利用规则指令计算机，而计算机按照指令自动实施绘图。这种合作模式保证了建筑师在原则性问题上的主导地位，同时又借助计算机善于运算的优势，诱发了许多模糊不清但颇具诱惑的可能性，是一种集二者之长的高效合作机制。在这种机制下，一方面，建筑师的设计意图能够通过程序编辑快速、准确地呈现出来，增加了方案的多样性；另一方面，计算机能够忠实地实施设计者的指令，完成一些手工难以完成的复杂的绘图工作，甚至能按照一些算法规则取得人脑难以想象的成果，这使得计算机真正地参与到设计中来成为人工智能的一部分。

事实上，计算机科学与建筑学的交叉，正如同20世纪后期环境学、符号学、现象学与建筑学的交叉一样，给建筑设计的多元化带来了新的发展契机。建筑师的角色从过去自上而下的结果控制（将形式强加于世界）转变为自下而上的过程控制者，建筑师的想象力非但没有削弱，反而加强了：连续性是参数化过程控制的显著特征，具有这一相似特征的拓扑学和分形几何学等数学规则在与参数化设计结合后，激发了新的建筑构造形式创造途径。

自然界的河流、山川、树木都具有难以描述的复杂形态，如果用传统的欧式几何来描述，就会让人感到束手无策。虽然看似毫无规律可循，但它们具有内在的相似性。20世纪70年代，法国数学家贝诺伊特·B.曼德尔勃罗（Benoit B.Mandelbrot）出版了《英国的海岸线有多长》《分形——形、机遇和维数》以及《自然界中的分形几何学》为世界打开了一扇新的大门，这门新兴学科迅速成为重要的数学分支，被称为描述大自然的几何学。分形几何发现了空间中除了整数维度外还存在分数维度，空间在不同维度上具有的相似层次结构，整体与局部之间在形态、功能、结构方面也具有相似性，复杂的图案可以有最基本的图案不断衍生而成。运用计算机运行迭代（iterative）算法程序，一遍遍重复计算相同的结果，转换成几何形态，可以产生惊人的自我衍生图案（图4－78）。

图4－78　自然科学领域的分形几何

资料来源：邵如意.浅析参数化设计在建筑中的应用［D］.南京：东南大学，2011：59

图4－79　TOD’S表参道旗舰店的分形结构

资料来源：http：//tomastran.files.wordpress.com

建筑师也逐渐在设计中引入分形几何学用以生成复杂的几何形式。在TOD’S表参道旗舰店的设计当中（图4－79），建筑师伊东丰雄用树枝的分形图案形成了建筑的结构形式。基于分形原理的参数化设计突破了传统的框架承重形式，但这种突破并不只是为了单纯地形成优美的造型，而是综合了合理的受力机制上的结构与造型的综合优化结果。如果依靠传统的受力分析，结构找形的过程不仅会耗费大量的时间，而且产生的结果往往不一定是最好的，甚至会因为对造型艺术性的极致追求最终将结构与表现分离成两个构造系统。但参数化设计让这一切变得简单，根据分形的数学计算产生的形式可以在结构力学的限定条件下不断优化，最终形成建筑师心中理想的造型。

与分形学类似的数学规则还在不断被建筑师发现并应用到相关领域的研究中。沃罗诺伊（Voronoi）图形是数学中一种奇妙的图形，狄利克雷（Dirichlet）于1850年首先提出狄利克雷镶嵌概念，1907年俄国数学家沃罗诺伊对其方程式进一步简化后更名为沃罗诺伊，在二维空间也被称为泰森（Thiessen）多边形。这一数学规则和很多自然形象不谋而合，如蜻蜓翅膀的纹理、长颈鹿的肌肤纹理、肥皂泡以及土地的裂纹等（图4－80）。沃罗诺伊图形是计算几何中一种基本的通用几何结构，被广泛地用于地理、物理、天文学、计算机辅助设计、生态学等领域。在计算机参数化的辅助下，该图形也被建筑师应用到建筑构造的创新研究中。

中国国家游泳中心（水立方）就是沃罗诺伊图形在建筑中应用的典型案例。水立方表面看似随机的多面体构造形式正是应用了三维沃罗诺伊空间结构中的一种特殊类型。水立方的立面由ETFE形成的膜结构组成，而设计的关键就在于如何划分和组织这些随机的空间多面体。水立方巧妙地利用了1993年科学家威阿尔（Weaire）和菲兰（Phelan）给出的“在一个空间分割若干体积相等的单元，如何分割才能使单元间交界面的面积最小”命题的高效组织形式：它由两个体积相等但形式不同的单元组成，一个是12面体，另一个是14面体（2个面是六边形，12个面是五边形）（图4－81）［39］。水立方在一个方盒子范围内对WP单元组合进行了剖切，剖切的角度做了一定倾斜，保证了剖切后的多面体不会产生过于平整的表面。由于大量异性构造的不规则性，设计人员使用了MicroStation TriForma和Bentley Structural，并编写了一个MicroStation VBA脚本程序来自动生成模型，数字化技术使得设计效率大大提高，构件的形式控制也更为精确（图4－81）［40］。

图4－80　自然界中的沃罗诺伊图形

资料来源：自摄；http：//www.etereaestudios.com/docs＿html/nbyn＿htm/about＿index.htm；http：//www.Atmospherical.Blogspot.Com

图4－81　沃罗诺伊图形在建筑表皮构造创新中的应用

资料来源：沈源，罗杰威，常清华.无限关联结构在建筑设计中的应用：从镶嵌图形到空间网格结构［J］.新建筑，2010（6）；自摄

以上诸多的案例都证明在参数化控制下，建筑构造的创新设计不仅更加理性，设计、生产、建造的过程也更易控制。同时，数字设计与数字生产工具的无缝接口保证了从设计到制造的连续性。用来批量定制的灵巧机器——计算机数控机床（CNC）——就是已经被建筑行业广泛使用的针对数字化设计输出的建造工具，它可以直接将设计端的指令集成，以指令的方式规定加工过程的各种操作和运动参数，可以对金属、木材、工程塑料等天然或人工的材料进行切割、打磨、铣削等加工，最终形成各种复杂形体的构件。

尽管代表了一种新的方向，当我们仔细审视这些新奇的由参数化设计完成的建筑时，我们会发现在通常的情况下，参数化技术主要都集中在复杂的表皮造型设计中。显然，作为建筑设计与建造领域的新生事物，参数化设计在展现先进的生产制造技术的同时，也暴露了经济性、适用性等诸多方面的问题。这也提醒了建筑师需要正视建筑构造技术创新的积极意义：它并不只是为了解决某一个工程的特殊问题，也不是为了昙花一现的哗众取宠，我们创新建造技术最终是为了成为奥托所说的推动整个建筑行业发展的改进者，甚至是发明者。

所以，计算机辅助设计只是为创新提供了一个先进的平台，建筑师不能只是停留在表面形式上的浅尝辄止，我们需要持之以恒地改进完善每一个新的发现。在安全、功能、性能等复杂因素的综合考量下，任何一种应用于建造的新技术都需要通过严格的审查，如材料的耐久性、环保性，结构的安全性，连接的可靠性等等。为了减小新技术的应用风险，确保建造的品质，从古代“全能工匠”的运筹帷幄到现代紧密的团队配合，建筑师和工程师们都会在建造之前增加一个必要的环节——建造实验。