人性化的数字化工厂：BIM的应用
卢添添1，高岩2，马傲林3，邱妍4（翻译）
1香港中文大学，2香港大学，3惠灵顿维多利亚大学
1skyduo@gmail.com, 2yangao@hku.hk, 3marcaurel.schnabel@vuw.ac.nz
摘要：本文提出了一种新型设计平台—ModRule。开发该平台是为了在集合住宅的设计阶段促进建筑师与未来居住者之间的合作。建筑师通过设置设计的框架和平台，允许用户自助设定他们的空间要求、预算和偏好等参数。该平台采用用户友好性游戏化的方法，以促进、激励缺乏建筑背景知识的外行人。建筑信息模型应用(BIM)虽然简便却能为生成实际、灵活的住房设计提供基本信息。这个平台加强了自下而上(以用户为中心)与自上而下(以设计师为中心) 两种方法的融合，将对集合住宅的建筑设计产生极大的影响。
关键词：集合住宅协同设计平台开源设计；BIM
1．背景
“家齐而后国治”——孔子
字典里“家”定义是一座房子、公寓或其他的避难所，它通常是一个人、一个家庭，或一个家族居住的地方，也是一个人家庭情感的重心地。虽然前者是很多建筑师试图设计的物质产品，但是后者却是难以被创建的无形感知。
为城市居民提供住宅是城市化进程中的主要挑战之一 [1]。以下是当前住房设计实践遇到的许多问题和困难。
问题1：传统住房供应链中的金融风险
问题2：在几乎一致的生活环境中失去个性
问题3：法定的严格建筑规范
问题4：传统住宅设计中一次性的规划方法如何适应未来的不确定性
问题5：自下向上的设计方法的主要问题
问题6：集合住宅根据居住者的反馈进化
目前，许多城市都只专注研究如何提供更多房屋，把房屋看作是一种简单的容器。一旦家庭结构发生变化，居住者必须根据房屋的现状做出调整，而不是房屋来适应与满足家庭的需要。但事实上，提供房屋仅仅是一个开始，更大的挑战是如何提供一个能适应居住者需要的房子。弗雷·奥托（Frei Otto,1989—1991）曾在柏林建造出一个实验生态住宅，并命名为Okohaus。这座建筑证明了即使是被预算限制的居民也有可能在高密集的城市环境中拥有自己舒适的房子，并不会降低生活质量。这座生态住宅是不同个人住房单位的集合，并尽可能满足每个家庭的不同需要。
集合住宅另一个充满挑战性的方面是社会的可持续发展，而其中一个可能的解决办法就是灵活。位于日本的Next21（1994年）是由十三个建筑师设计的另一个实验性的住房项目。这是一座便于装配和拆卸的一些单位组件的建筑系统。1996年，这座建筑尝试对其中一个单位进行更换，并大获成功。[16]由Lucien kroll公司设计的学生宿舍La Meme（1970—1972）也证实了建筑对不可预测的入住率变更的适应能力[16]。
然而，数字应用技术的进步使一种以用户为中心的设计进程的出现成为可能。[14]“条码房屋参与系统”（Barcode Housing System）[18]就是这样的例子，但它为居住者提供的设计自由仍然是有限的。虽然目前大部分算法都指向完全参数化设计的可能性，但主要还是通过纯粹由建筑师控制的自上向下方法生成。另一方面，住户密切联系、高度参与的房屋一般还是使用原始方法来生成。通过采用计算机技术的方法，设计的自由度可以进一步扩大，同时也让以经济目标的大规模生产成为可能[15]。
现阶段的建筑信息模型（BIM）主要关注前期的利益攸关方，诸如政府、开发商和承建商。而身为真正的“最终受益人”的居住者却通常都不在考虑的范围内（见图1）。因此，本研究将把重点放在简单化居住者和设计师之间的合作上。本文还将展现在此设计方法中所出现的一致性与个性化程度，以及在使用电脑程序自动生成房屋设计的前提下，开发出融合自下向上方法与自上向下方法（用户参与）的集成系统的可能性。
图1 居住者和设计师之间的合作是关注的重点
2．用户友好型的专业语言
沟通是建筑师与客户之间必须要克服的一个巨大障碍。目前，建筑师表达设计思想最常用的方法仍然是通过图纸、图像，有时还会有建筑示例视频。有些开发商更愿意使用完全参照原物尺寸的样板房来展示住宅设计的成品。建筑师和开发商采取这些手段来向客户展示最终产品。但随着设计过程越来越复杂，若将客户也纳入设计过程，与客户的沟通会变得相当困难（见图2）。
图2 处理建筑师和客户端之间的沟通
2.1 复杂的规划
建筑设计师使用AutoCAD遵循各自法定机构规定的提交要求起草专业的图样。然而，这些图纸往往很复杂，而且很多细节并没有必要与客户沟通。最重要的设计信息在于房屋是规划布局。
空间句法是20世纪70年代后期由比尔希利尔（Bill Hillier）构想出来的理论。它实现了从空间结构中的逻辑到精密的规划可能的布局自动化，以便客户更好地将设计过程实例化。这样就能避免建筑师不断被要求变更设计，从付出变成徒劳的挫败感中解放出来。
2.2 缺乏清晰的沟通
建筑师和客户之间最有效的沟通仍然是面对面的交流。大量的时间和工夫花在组织会议上，有时还需要通过各种在线通信工具，例如Skype、GoToMeeting等，来进行远程会议。然而，大多数在线通信工具并不能与设计应用程序直接结合。设计信息不得不被转换成各种各样的软件格式，从而消除各方之间所有可能的误解，但这样的沟通只能在专业人员之间奏效。
本研究的目的是在虚拟空间中创建一个用户友好的设计平台，它不仅是一个即时交互的沟通渠道，还能够在无须运行专业软件的情况下实现模型展示。
2.3 僵化和迟钝
标准化生产是大规模住房建造的最新趋势之一。这的确是一种高效而划算的方法。但这样的生产流程最终的结果是让各种各样的家庭都生活在几乎相同的单位里，完工之后就难以根据更加定制化的空间需求作出调整。这种标准化的施工方法最初是战后为了迅速解决住房危机而采用的。虽然住房需求至今仍是城市化带来的问题之一，但交付过程依然有提高住宅产品适应性的空间。
大规模定制将生产到另一个层次。通过将房屋建筑分解成模块化组件，并基于标准化的源要素的变化，创建出动态、灵活的组合系统。而在这种情况下，优选法将确保效率在此生产过程中不会受到损害。Next21就是一个在限定的范围内设置变量范例。
2.4 简易可视化的缺乏
建筑设计软件通常配备三维可视化工具。然而，这些工具对外行人来说并不容易。目前能够让用户通过简单的方法访问可视化数字模型的软件并不多。一般来说，使用可视化都要在一位熟练掌握该软件的专业人士的指导下才能完成。虚拟现实和增强现实技术是解决上述问题的方法之一。Fuzor，一种BIM可视化软件，不仅实现了与Autodesk Revit的双向实时链接，还提供了用户友好界面使互动和沟通变得轻松、简单。这个软件极好地将专业语言与用户友好地融合在一起。
2.5 复杂的应用程序
建筑软件在升级换代之后已经变得如此复杂，即使是有经验的建筑师也发现很难完全掌握。诸如Rhino3D, Autodesk Revit, ArchiCAD等软件都挑战建筑设计的极限。显然，如果缺乏专业的知识与技能，想要掌握这些软件几乎是不可能的。
为了在概念设计阶段记录下外行人的兴趣，并随时与建筑师沟通，就必须打破专业设计和外行人的需求之间的隔阂，还要保证达到行业管制的质量。这其实可以参考游戏领域。“模拟城市”（SimCity）等游戏将一座复杂的城市如何运行逼真地模拟出来。初学者在专业教程协助下，不断加大挑战的难度，从而慢慢适应数字应用程序越来越复杂的操作。很多步骤将集中在黑箱内处理，尽可能把界面简化，只保留最基本、最必要的交互。因此，简化设计界面并将复杂的计算处理转移到“黑箱”完全是有可能的。用户参与到设计过程中，而建筑师则控制“黑箱”，输出适量信息作为生成竣工模型的指导。
3．游戏化
游戏化的概念通过对游戏机制和游戏设计技术的应用，来吸引和激励人们达成自己的目标 [3]。这并不是一个新概念，早在20世纪，Cracker Jack就已经开始使用这个概念，把玩具作为一个礼物装进零食的包装盒里来吸引顾客。而游戏化的含义就是在非游戏的环境中使用游戏设计元素 [2]。
本文在解释如何将游戏设计元素用于计划中的工作流程之前，首先需要参考“监狱建筑师”这款游戏。
“监狱建筑师”是一款让玩家设计属于他们自己的监狱的游戏。虽然这只是一个游戏，但其规则设置、参数、设计组件，甚至空间关系都准备得非常全面（见图3）。该游戏很大程度上，与BIM相关联。例如，通过告知系统这是一个什么样的空间，控制玩家只能放入某些家具，并要求一定数额的支出，例如水、电。虽然复杂程度与建筑设计相当，但这款游戏为每个空间的类型提供指引与要求，大大减少了玩家在设计监狱过程中的困难。不过，尽管这款游戏已经相对简单，但玩家还是需要经过多次实践之后才能真正把握整个游戏。
图3 游戏“监狱建筑师”的截图
4.ModRule
“ModRule”是一个旨在加强建筑师和客户沟通的协同设计平台。它以“监狱建筑师”为参考，但试图实现用户友好的专业化。
通过设置最佳的规则和参数，模块化系统能够为每个独特的居住者生成多种不同的设计选项。它是一个允许建筑师与未来的居住者更加密切地合作的系统。因此，它的设置有别于普通的设计程序。在ModRule中，房屋设计过程被分为四个部分：①整体的外形；②各个单位的空间布局；③结构；④建筑构配件。建筑师使用ModRule为参与进来的系统的潜在用户规划好框架（见图4）。
图4 ModRule的工作流程
尽管ModRule平台（版本1.0）将对象主要划分成两种——作为管理员的建筑师和作为大众的用户，但却配备了三种界面：①管理界面，以供建筑师设置初始设计规则和参数；②公共界面，以供大众在其中与模型进行以“设计”其所需的生活空间；③监视界面，以供建筑师与公众沟通，并通过每个个体的举动收集数据，监督整个合作过程。
当所有未来的居住者达到其目标，建筑师就会进入下一个阶段，每个个体用户规划他或她室内空间布局（见图5）。该过程已被简化，以便没有设计知识的用户依然能够充分地利用它。用户只需要拖动房间类型，并建立房间之间的连接，设计将立即展现出来。
图5 使用空间语法关系图生成设计
5.BIM应用
ModRule是一个雏形，这将测试开源设计工作流程的可能性，允许建筑师和客户之间直接接触。BIM在下一阶段的设计过程中起着非常重要的作用。ModRule在现阶段仍然处于业余水平，重点在于制定设计流程和用户友好界面。若要将它推到一个新的水平，它将需要与BIM集成在一起。而本研究则以Autodesk Revit作为媒介创建示例模型。
在Revit里，建筑师创建的是3D模型，而不再是2D图纸。相反，建筑师将绘制墙体，并插入门、窗户和家具等建筑构件。在Revit中的所有组件被都称为“家庭”，它们囊括了有助于系统识别模型类型的所有信息（见图6）。“家庭”可以使用参数进行编辑。高级的用户可以定义一个全新的“家庭”。这将确保必要的建筑信息在设计完成之后易于生成。
图6 Revit家庭的资料库
创建和编辑“家庭”是非常复杂的，这使建筑师必须参加相关课程以确保他们所定义的“家庭”符合一定的标准，避免对后续的设计过程造成干扰。然而，插入“家庭”是非常容易的，只需要点击和放下，这大大方便了用户的参与。他们只需关注“家庭”这个变量和建筑师预先设计好的建筑框架即可。
用户可以选择想要的家庭，然后将它们插入到他们在ModRule中已经创建好的建筑框架中。建筑师必须防止设计变得混乱，需要预先选择和优化可选择的选项，这样才能实现大规模生产，提高成本效率。
6．展望与未来发展
ModRule 1.0实质上缺乏形象化的能力与设置好的设计环境。当前的研究主要基于实景的模拟。为了启动协作过程，视野、采光量与朝向都是任意输入。甚至那些身在研究工作室的设计师们也很难想象其视觉效果。其中一种发展路线是与Fuzor系统相融合（见图7）。
图7 Fuzor的屏幕截图
沟通也是限于本地服务器网络，也就是说，只有使用同一本地网络才能进行沟通。基于web的远程通信仍在发展。重点在于确保建筑师和客户在相同的设计平台中能够沟通顺畅。
最后，研究的重点主要在于将基于规则的设计系统ModRule 1.0转变为更加参数化的关系。换句话说，此前两个设计工作室作品所应用的空间句法，将通过形状语法增强与参数空间关系。ModRule 2.0将主要关注远程讨论和可视化，预计最终将在ModRule 3.0实现与形状语法相结合。
7．结语
ModRule是以用户为中心的集合住宅数字化设计平台，其开发的宗旨是在概念设计阶段促进并方便建筑师和未来居住者之间的合作。作为建筑设计的工具，它也有符合社会、政治和经济准则的潜力。
其目的是向最终使用者开放决策过程。该系统采用游戏化方法作为参考，提高用户友好性以激励外行用户。因此，ModRule从各个层面将设计环境转换为交互性的数字平台，同时提高远程遥控讨论、可视化效果和有意义的参数化设计技术。这种协作工具将对用户注入更多的归属感，并使建筑师更好地理解不同个体之间的需求与电脑程序的反应。通过采用开源战略和开放式协同设计的方法，本研究开发出一种平衡自下而上和自上而下的设计流程的设计方法。这种方法保证大规模定制不会造成效率和成本效益的牺牲。
ModRule的未来发展将连接BIM平台，并改良算法以允许更加复杂的参数控制。本研究表明，ModRule不仅能使利益攸关者在协同概念设计过程中实现无缝参与，而且设计结果还成功展现出用户需求与建筑师在建筑上的创新之间的平衡。
参考文献
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[9] https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/3100statnote4.pdf.