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在20世纪80年代末，计算机和软件开始进入建筑行业，给整个系统带来了巨大的冲击，而现在它们已经成为我们工作中不可或缺的工具。随着算法和人工智能的发展，运算化设计中的密码本和人类分析将逐渐被取代，这将会引发一场新的设计革命。

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什么是运算化设计？

运算化设计，是一种通过高级计算机处理技术来解决设计挑战的方法。在运算化设计的实践中，设计师们将他们的设计过程分解为可量化的步骤，这些步骤产生了一系列的指导原则，为算法提供了解决与设计相关问题的框架。
与传统的设计方法相比，运算化设计更具动态性和重复性，这使得设计师能够更高效地生成和优化设计，从而创造出更加耐用和实用的作品。
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运算化设计工具

借助运算化设计，设计师无需具备编程背景，便能运用编程的强大功能。这归功于许多算法设计工具采用了可视化编程方式，而并非传统的文本代码。用户通过将一个节点的输出连接到另一个节点的输入，即可创建程序。可视化编程允许设计师通过连接器将节点从一个部分移动到另一个部分，最终呈现为直观的设计流程图。

这些可视化编程工具通常作为设计建模程序的附加组件，如 Tekla Structures、Bentley MicroStation、Autodesk Revit 和 Trimble Quadri。Grasshopper 可与 Tekla、Quadri 和 Rhino 配合使用，而 Dynamo 则与 Revit 兼容，成为运算化设计中两大主流插件。
Autodesk推出了一款名为 Dynamo 的可视化编程工具。用户可以轻松导入图片文件、Excel 电子表格和 3D 模型数据，以填充脚本界面。该应用程序还能展示复杂的几何形状，使设计师能够仔细检查作品并调整其外观。
Grasshopper是运算化设计中应用最广泛的插件之一，其历史早于 Dynamo。这款基于节点的界面设计的算法建模工具，允许用户构建个性化的设计指南。设计师还可以利用第三方工具和丰富的节点库资源。

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AEC行业常见的运算化工具

在AEC行业中，运算化设计工具扮演着至关重要的角色，它们极大地简化了流程、提高了效率并改善了协作。以下是一些在 AEC 行业中广泛流行的运算化设计工具：
1.建筑信息模型 (BIM) 软件：BIM 工具在创建和管理建筑物物理和功能特征的数字表示方面发挥着核心作用。Autodesk Revit、Graphisoft Archicad 和 AECOsim Building Designer（来自 Bentley Systems）等软件是这一领域的佼佼者。
2.计算机辅助设计 (CAD) 软件：CAD 工具广泛应用于精确设计、绘图和文档编制。AutoCAD（来自 Autodesk）是 CAD 领域中最受欢迎的软件之一，而 SolidWorks、Rhino 和 Vectorworks 等也备受建筑师和设计师的青睐。
3.参数化设计和生成设计工具：Grasshopper（适用于 Rhino）和 Dynamo（适用于 Revit）等工具为设计人员提供了强大的参数化建模能力，使他们能够通过定义参数和算法来创建复杂的形状和结构。
4.渲染和可视化软件：这些工具可以用来创建逼真的建筑可视化效果和演练。Lumion、V-Ray、Enscape 和 Unreal Engine 等软件在渲染和可视化方面具有广泛应用。
5.项目管理和协作工具：AEC 项目通常涉及多个利益相关者和团队，因此项目管理、协作和沟通工具如 Autodesk BIM 360、Procore、Asana 和 Trello 等软件变得尤为重要。
6.能源分析和模拟软件：Autodesk Insight 和 DesignBuilder 等工具可以进行能源分析和模拟，帮助建筑师和工程师优化建筑的能源效率和可持续性性能。
7.地理信息系统 (GIS) 软件：GIS 工具如 Esri 的 ArcGIS 用于分析和可视化地理数据，对选址、城市规划和基础设施开发等应用场景非常有价值。
8.点云处理软件：激光扫描和摄影测量技术产生的点云数据可通过 Autodesk ReCap 和 Leica Cyclone 等软件进行处理，并转换为可用于设计和分析的 3D 模型。
9.施工管理软件：PlanGrid、Procore 和 Trimble Connect 等工具为施工项目提供了强大的项目管理功能，包括调度、文档管理和现场通信等。
10.增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 工具：随着 AR 和 VR 在沉浸式演示、客户演练和设计评审方面的应用日益增多，Unity、SketchUp Viewer 和 IrisVR 等软件在这一领域中发挥着关键作用。
AEC 行业充满活力，随着设计和项目管理需求的不断演变，新的运算化设计工具和技术将持续涌现。
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运算化设计的类型

随着新标准的制定，运算化设计学科正在经历重大的演变和变化。参数化设计、生成设计和算法设计是当今算法设计的三个重要分支。

参数化设计

参数化设计是一种通过参数和规则控制设计模型的方法。设计元素之间的关系由规则定义，而尺寸、角度和重量等项目特定的数字被称为参数。当参数发生变化时，算法会自动更新相关的设计元素，以保持一致性。参数化设计是对传统3D建模的一种改进。它使设计人员能够更高效地更新整个模型，而不仅仅是单个元素。
通过调整参数，可以轻松地创建出复杂且独特的建筑几何形状。这使得设计师能够更快地探索不同的设计方案，并对各种潜在的可能性进行调查。实时调整和修改参数模型非常方便。设计师可以迅速调整参数以改变设计的各个方面，而无需进行大量的手动更改。这种灵活性使得设计师能够更加专注于创造性和创新性的设计工作，而不是陷入繁琐的建模任务中。

生成设计

使用用户定义的输入，生成设计是一种迭代方法，能够产生多个解决预定目标的设计概念。与参数化设计类似，输入包括指定设计需求的规则和参数。当运用生成设计时，用户还需输入成功度量来评估结果。借助云计算和人工智能（AI）的力量，可以产生数十甚至数百种设计可能性。像建筑位置、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信息等，都是优化设计时需要考虑的重要参数。计算机将生成多种设计可能性，而设计者则根据这些选项调整优化标准。
通过生成设计，人工智能 (AI) 能够生成大量潜在的设计方案，而人类的判断有助于完善最终结果。设计师在自由发挥时通常能产生可预测的结果。在设计过程中，试验和错误是不可避免的，但人类无法生成并评估每一个潜在的设计方案。这导致建筑师更依赖经过验证的设计或先前项目的设计，而不是寻找最佳替代方案。借助生成设计，设计师能够发掘出自己从未想过的创意。

算法设计

算法设计是一种通过算法驱动的设计过程。这个术语可以归类为生成设计，并且经常与运算化设计互换使用。算法设计利用算法来创建建筑模型，而算法是一组识别问题解决方案的指令集。简而言之，系统是由一系列规则定义的，而不是单独定义每个组件。

算法设计与生成设计有所不同，后者旨在生成尽可能多的设计可能性以供分析。为了实现特定或少量的期望结果，需要仔细检查输入的规则和参数。算法设计通常采用单独的代码行或连接节点的连接器形式，这些节点可以与生成的架构部分相链接。

在算法设计中，设计师通过编写代码来定义结构和系统的工作原理。这涉及确定所需的规则和参数，以确保系统能够按照预期运行。算法设计的优势在于它能够快速生成和迭代设计概念，从而加速了设计过程。

此外，算法设计还可以应用于各种领域，如建筑设计、城市规划、机器人技术等。通过使用算法，设计师可以创建更高效、适应性强和可持续的设计解决方案。随着技术的不断发展，算法设计在未来的设计领域中将发挥越来越重要的作用。

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运算化设计在各行业的应用

利用运算化设计，工程师和建筑师能够打造更出色的作品，并在变化多端的市场环境中保持领先地位。这种技术使他们能够自动化处理繁琐和重复的工作流程，从而节省了完成项目所需的时间和精力。
通过让专家进行快速而准确的复杂计算和模拟，运算化设计技术有助于提高设计的准确性和质量，同时减少错误。此外，运算化设计软件还实现了项目利益相关者之间的实时协作，加强了团队成员之间的协调与沟通。
运算化设计领域非常广泛，提供了多种职业发展道路。工程师或建筑师可以根据自己的专长和兴趣选择加入以下列出的任何职业联盟。
建筑领域建筑领域提供了运算化设计应用的最佳范例，从自由形式的总体建筑设计到小规模的立面设计。算法设计工具可以通过优化和设计复杂性研究将抽象的虚拟概念转化为物理 3D 现实。
环境设计然而，运算化设计在建筑中的应用远不止于此。使用计算方法来构建可持续的环境在建筑师中变得越来越普遍。算法设计软件包括能源和建筑性能分析工具，保证建筑师可以对可持续设计做出明智的判断。
工程Revit是一款顶级 3D 建模程序，它通过 Grasshopper 等运算化设计工具获得了计算能力。有了这些类型的仪器，性能研究、结构分析和寿命评估都成为可能。数据分析并不是工程师需要具备的唯一技能。算法设计自动化是工程领域的一个很好的工具，就像它在建筑领域一样。
自动化和机器人机器人技术的最佳应用是在制造过程中。借助运算化设计，建筑师现在可以充分参与设计制造过程的每一步。除了涉及使用机械臂固定或组装结构的机器人自动化之外，机器人制造还包括增材制造和减材制造。得益于这项技术，房屋和其他结构现在可以进行 3D 打印。
游戏与元宇宙游戏环境和虚拟世界是运算化设计探索的理想领域。如今，元宇宙已经超越了视频游戏的范畴，建筑师们正致力于为元宇宙进行设计。随着用户和资源数量的不断增长，新项目变得更加民主和开放，为建筑师提供了无限的设计空间。

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使用运算化设计的现状

尽管运算化设计对于该领域的许多人来说是一个相对较新的想法，但它已广泛应用于基础设施和建筑项目。

新奥尔良国际机场的参数化设计
自2011年开始，新奥尔良路易斯阿姆斯特朗国际机场航站楼项目进入了设计阶段。在过去的十年里，这个项目成为了首个进行航站楼更新的重要机场。该设计团队由阿特金斯北美公司、E-Studio Architecture 和 Leo A. Daly 组成，他们深知设计方法需要创新的解决方案，以满足紧迫的时间要求，并创造出独特的新月风格。
参数化模型是设计过程中的重要工具之一。通过运用Rhino建模软件和可视化编程插件Grasshopper，设计团队对径向网格和球形屋顶进行了参数化控制。即便经过多次设计迭代，项目依然能够按时完成，这得益于参数化模型使设计人员在完善设计时能够轻松调整结构的几何形状。
日本大和房屋集团运用生成式设计
作为日本最大的住宅建筑商，大和房屋集团面临着在有限的可用土地上优化住房前景的挑战。由于九成的日本居民居住在人口密集的城市，他们在有限的空间内就更需要创新的设计方法。
大和房屋集团没有依赖传统的设计方法，而是采用生成式设计技术来加速工作流程，并为消费者提供独特的房屋创意。这种技术使建筑场地得到最大限度的利用，为规范之外的创新提供了建设性的机会。对于大和房屋集团而言，“生成设计以建设性的方式提供了偏离规范的机会”，项目总监Masaya Harita说道，“在我看来，这是该技术的主要吸引力。”


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未来如何使用运算化设计

与CAD和项目管理工具对AEC领域带来的变革相似，运算化设计也将发挥同等重要的作用。一旦早期的障碍被克服，算法设计将成为工程、建筑和建筑设计领域的突破性补充。
在AEC领域，许多人已经将算法设计视为建筑业的未来方向。目前，运用运算化设计的能力被视为一种竞争优势，但很快，建筑和设计领域的所有专业人员都将需要具备这种能力。

建筑行业已经开始运用超出传统设计范畴的运算化设计技术。承包商将提供有关其建筑工地的详细信息，并获得关于提高生产率和降低成本的流程的最佳数据，包括现场改进措施，例如：

优化设备定位：通过运用运算化设计方法，可以开始解决建筑行业设计以外的问题。承包商可以提供关于其特定建筑工地的详细数据，并获得有关提高生产率、降低成本的程序的最佳数据，包括工地改进措施。

减少材料浪费：虽然减少浪费或实现零浪费通常是项目的理想目标，但实现这一目标可能具有挑战性。通过利用产生的废物评估和原材料数据，计算技术可以增强项目设计，以最大限度地减少废物。

改进操作顺序：堆叠和调度事务的复杂过程对项目的时间表具有决定性影响。项目团队可以利用运算化设计工具进行推理，以按照特定顺序安排建筑组件的安装。然后，通过优化和改进该顺序来提高效率。

结论由于可视化编程的普及，运算化设计工具的使用变得相对简单，但将设计技术应用于整个行业或公司仍需一定的技巧。因此，那些被运算化设计所提供的效率和优化所吸引的设计师、工程师和承包商应该积极推动其应用。

参数化设计通过遵循规则和算法使用复杂形状，使设计人员能够更快地工作。受益于生成设计研究，建筑师们有更多可能性以更可持续的方式使用资源并做出更好的决策。
最后一种是算法，它通过监督系统来筛选各种可能性。未来的建筑师将能够更好地探索所需的工具，以借助这些设计和运算化设计本身来创建更好的建筑管理策略。对于对算法设计的优势感兴趣的架构师来说，他们会更倾向于寻求更多信息，尤其是在遇到未知情况时。

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