建筑設計工具的發展和前瞻

張雙

（上柏聯合工程設計（重慶）有限公司，重慶 400010）

“上古之世，人民少而禽獸眾，人民不勝禽獸蟲蛇。有圣人作，構木為巢，以避群害，而民悅之，使王天下，號之曰有巢氏?！薄俄n非子》這段話，描述了人類始祖最初的建造活動。經過漫長的歷史發展，人類從營建洞穴和遮蔽物等簡單住所，到構造更加復雜的結構，如石頭和木質建筑，建筑伴隨著人類進化的全過程。這些建筑物不僅僅為人們提供生活工作場所，還是對人們信仰和精神的表達。建筑設計深刻地影響著人們的生產、居住、交流和文化生活。與之相應的是，建筑設計工具隨著人類漫長的生產力發展經歷了從原始社會到現代社會的逐漸演變。這些演變與建筑設計成果的表達、效率的提升、人與人之間的溝通有什么內在聯系呢？全新的AI 時代的建筑設計工具將向什么方向發展呢？

1 建筑設計工具的前三次演變

在AI 設計之前，我們從時間維度將建筑設計工具的演變大致分為三個時期：藝術家工匠時期、建筑師圖紙模型時期、計算機輔助繪圖時期。

1.1 藝術家工匠時期

朱啟鈴的《哲匠錄》以中國傳統史學的人物傳記體例記錄了肇自唐虞，迄于近代的哲匠生平及其營造事跡，反映了工程的發動者（帝王、工程的組織管理者、構思者）和工匠（官吏和工程的實踐者）的生產關系。方案總體設計主要形式為繪畫和雕刻，并結合文字來描述建筑的布局、形體等內容，如隋唐時期的界畫（圖1）。

圖1 現存最早的大型界畫唐朝懿德太子李重潤墓中的《闕樓圖》

與之相應的是，文藝復興前，西方的建筑設計者也大多由藝術家或工匠兼任[1]。繪畫表達了建筑發動者的設計意圖，而建筑的細節則依靠工匠們在施工中解決。在建造之前和建造過程中，他們常常通過度量、計算、標記現場的方式實現預先思考和相互溝通（圖2）。

圖2 土地丈量與占卜

1.2 建筑師圖紙模型時期

隨著紙張的發明和普及、透視圖技術的成熟，紙筆工具開始在建筑設計中得到廣泛應用。工匠們從實踐中總結出了建筑規模、建筑材料、構造做法等大量經驗并形成系統知識，如：古羅馬時期維特魯威的《建筑十書》、中國北宋李誡的《營造法式》（圖3）、中國清代的樣式雷（圖4）等，進而演變成指導建筑設計的標準。這給建筑師的腦力勞動從工匠的手工勞作中獨立出來創造了條件。

圖3 舉折屋舍分數圖

圖4 雷氏手制圓明園燙樣（模型）原作

文藝復興初期，在設計建造佛羅倫薩百花大教堂穹頂時，布魯乃列斯基(Filippo Brunelleschi) 擔任總建筑師，巴蒂斯塔擔任他的助手。巴蒂斯塔的職責在于協調石匠和他們的副手、以及其他普通勞工，將作為設計成果的模型和設計圖轉化為現實中的一磚一瓦，向那些無法看懂復雜建筑圖表的工人傳達建筑師的理念[2]。這一職位的存在很好地說明了在文藝復興初期，建筑師與工匠的工作開始分離，建筑設計成為一項獨立的工作。

1.3 計算機輔助繪圖時期

計算機技術的高速發展使得建筑設計工具迎來了全新的發展時期。20 世紀70—80 年代，二維CAD 系統開始出現，這些系統能夠進行更加復雜的繪圖和計算，被廣泛應用于機械、建筑、電氣等行業。80—90 年代，隨著計算機圖形學和渲染技術的不斷進步，三維CAD 系統（如3DMax、SketchUp、Lumion 等）開始出現。這些系統能夠進行三維建模、渲染和動畫設計，成為建筑設計的重要工具。21 世紀以來，虛擬現實（VR）技術也被廣泛應用于建筑設計領域。建筑師可以創建虛擬現實環境，模擬建筑內外的環境和光照條件；可以和客戶在虛擬環境中進行實時漫游，以更好地了解建筑設計的細節和空間布局，更好地理解建筑空間的感受和體驗。

建筑信息模型（BIM: Building Information Modeling）更是推動了建筑設計的智能化和數字化，為建筑設計師們帶來了更多的便利和創新。BIM 是一種基于數字建模的協同設計和建造技術，它綜合了建筑、結構、機電等多個專業領域的數據，從而實現了建筑項目信息的整合和優化。BIM 可以幫助建筑師、工程師和施工團隊在同一個平臺上進行協作，提高溝通效率和設計質量，并逐漸應用于運營和維護階段，形成了建筑全生命周期的數字化管理模式。例如，Revit、ArchiCAD 等軟件可以幫助建筑師進行BIM 建模。

2 建筑設計工具演變對照與設計工具的作用

2.1 建筑設計工具演變對照

由上可知，建筑設計工具的演變極大地提升了建筑設計的效率，同時也帶來其他深刻的變革：

勞動的替代。從手工繪畫到圖紙，從圖紙到計算機輔助繪圖和BIM，反映了建筑工具的演變逐步替代部分體力勞動的過程。

溝通關系。從藝術家與工匠的口口相傳，到建筑師用圖紙與施工方交流，再到建筑師可以通過BIM 參與建筑物的全生命周期。反映了建筑設計工具的演變逐步從模糊溝通到精確傳遞信息，并作用于建筑物生命周期的過程。

設計成果的實質變化。從繪畫到手工圖紙，從手工圖紙到CAD 文件和BIM，反映了設計成果的實質是從偽3D 到手工2D，從手工2D 再到CAD 輔助繪圖。

三個時期的工具演變詳細情況對照如表1 所示。

表1 建筑設計工具演變對照表

2.2 設計工具在設計環節的作用

建筑物不僅為人類提供活動場所，同時還代表了人們對信仰和精神的表達。因此，建筑是一門科學與藝術結合的學科。建筑師既要具備藝術家的感性思維，也需要具備工程師的理性思維。兩種思維的糅合進一步發展成具有重要意義的設計靈感和推理。這種創造性工作過程就可以看作是從設計需求和建筑師的智慧出發，以設計方案為目的的三個環節：信息的輸入（認識過程）、信息的處理操作（信息的變換過程）和信息的輸出（實現過程）[4]。建筑師把兩種思維轉變為圖形，再通過圖形反饋給大腦。建筑師的自我交談[1]是創造性的工作，而大腦指揮設計工具完成圖形繪制，是過程性的工作。設計工具在這里就是幫助建筑師完成過程性的工作（圖5）。從圖5 可以看出，2D 和3D 設計工具均在不同方面扮演著這樣的角色，二者不可或缺，相輔相成。

圖5 設計工具在建筑設計中輔助完成過程性的工作

圖6 Catia 用戶界面

圖7 Revit 用戶界面

3 現有技術的應用現狀與前瞻

3.1 新的CAD 軟件在建筑造型方面突飛猛進

CAD 在輔助建筑師感性思維方面生產出了許多的設計工具，比如法國的Catia，起源于飛機設計，參與了鳥巢（中國國家體育場）設計，是目前市場上最強大的三維CAD 軟件，其獨一無二的曲面建模能力，可應用于最復雜、最異型的三維建筑設計；美國的SketchUp，具備簡單易用、建模極快而適合方案前期推敲的特點，在國內應用也非常廣泛，但由于其模型特點，難以應用到后期的設計和施工圖。

在BIM 方面，聯動3D 建模和方案施工圖于一體的，就要數匈牙利的ArchiCAD 和美國的Revit 了，但這兩款軟件均不支持中國標準規范，且Revit 的復雜建模能力也有限。

表2 為上述建模工具基本情況對照表。

表2 新的建模軟件基本情況介紹

3.2 AI 在建筑設計領域的起步

近十年來芯片技術、AI 和機器學習的高速發展，ChatGPT 橫空出世到GPT4，徹底顛覆了人們對AI 的認知。最前沿的建筑版GPT（由文本生成圖像的AI 程序）Midjourney、Stable Diffusion獨占鰲頭。本文以Midjourney 為例展開說明，該軟件用戶界面如圖8 所示。AI 工具已經完全不同于傳統交互操作類的設計界面。沒有模型區、沒有建模工具，僅提供prompt 提示詞和圖像反饋。

圖8 Midjourney 用戶界面discord 網頁版

扎哈·哈迪德建筑倫敦工作室的計算研究小組（ZHACODE）設計師Tim Fu 表示：“Midjourney 是一個非常有創意、藝術性的工具，它會給你一種優于其他程序的視覺美感?！?Fu 用他的“超現實主義別墅(Villa Surrealiste)”作 為 教學示例。輸入一系列關鍵詞后，他進行了一百多次迭代，將設計進行多方向嘗試和推進，確定了最終的圖像[5]，如圖9 所示。

圖9 由Tim Fu 使用Midjourney 設計超現實主義別墅Surrealiste

芝加哥建筑師Coorlas 比Tim Fu走得更進一步。在Midjourney 中，Coorlas先確定了概念圖（圖10），并基于該概念圖像進行簡單的3D建模后，他將這些模型的圖像再反饋給Midjourney，不斷迭代生成了新的建筑圖紙（圖11）。Coorlas 認為雖然這些圖紙缺乏細節，但它們“看著不錯”并能啟發新的想法，為建筑師提供了極大的靈感[5]。

圖10 Coorlas 使用Midjourney 為芝加哥北岸地區設計的露天展館

圖11 反饋3D 模型后得到新的建筑圖紙

當前，真正的AI 技術在建筑設計領域的滲透才剛剛開始。Midjourney 輔助建筑師創造性地完成了建筑造型，雖然取得了讓人激動的進步，但僅僅解決這一個步驟是不夠的。無論是Catia還是Revit，建模這項“苦力活”仍然是靠設計師手工實現的。設計師從以前繪制線條拼湊出一個個建筑部件進步到了可以繪制多個建筑部件來完成建筑的模型——但這在根本上仍然是“手工作坊”模式。比如，靠手工繪制的建筑部件之間缺乏內在聯系。以住宅為例，設計師可以在外墻上繪制一扇窗，但這扇窗的大小、開啟面積和房間的性質、面積、開間等有一定算法聯系，這種聯系是可以通過AI 來識別并完成設計的，而無需“手工”繪制。

3.3 國內應用BIM 技術在設計面的發展瓶頸

BIM 技術在很多國家已經形成了較為成熟的標準或制度，發展迅猛。然而國內雖然也在努力推廣BIM，但卻一直沒能普遍應用，往往僅用于形體復雜的建筑，且只是局部使用，并僅充當輔助設計或指導施工的角色。導致這一局面的因素有很多，如軟件本土化、標準缺失、反復建模、高成本投入等。而建筑設計作為建模的第一環節，也面臨分工協調難、設計周期長、人才培養不足、3D 設計理念未轉變等問題。

BIM 是建筑、工程和施工（AEC）行業數字化轉型的基礎，是以實現項目團隊與技術交互為目的的一個過程、一種方法，可以在AEC 市場上提供更好的項目成果。而具體的工具是一個促進該過程的軟件平臺，它允許用戶創建包含存儲信息（綜合了建筑、結構、機電等多專業領域的數據）的結構化智能模型——準確說，BIM 是一個三維可視化的數據庫。而現實中，每一個項目都需要在不同階段靠人工去反復建立、修改一個三維可視化數據庫，其困難和成本可想而知。在當今信息技術高速發展的時代，靠人工去堆砌機器所要的海量數據是多么不可理喻！BIM似乎更應該成為一個建筑設計的表達“成果”而非“過程”。

3.4 潛在的智能設計工具前瞻

綜上所述，從建筑設計工具的演變歷程來看，建筑設計大致可以由“功能-形式”二元論劃分為兩大類。一類是以功能為主導，這類建筑形式追隨功能，建筑空間、流線是建筑師要解決的主要矛盾，設計師適合從平面功能出發，由2D 轉3D 完成BIM建模；另一類是以形式為主導的，功能居次要地位，建筑造型所映射的文化、精神是建筑師要解決的主要矛盾，設計師適合從造型出發，由3D 轉2D 完成BIM 構建。從整個建筑設計生命周期來看，目前市場上的2D 和3D 的設計工具仍然是片段式的，僅協助建筑師解決了一個階段的問題，未能橫向打通成為真正的BIM 平臺。如圖12 所示，帶圈的標號即未來潛在的發展方向。

圖12 兩種設計導向流程中AI 設計工具片段和潛在的發展方向

1）建筑平面生成平臺。繪制泡泡圖或輸入prompt 生成建筑平面圖，并通過迭代完成理想平面設計；基于模糊需求的建筑平面生成，如地下車庫；

2）2D 轉3D 平臺。導入標準化2D 平面圖，自動轉為3D，輸出到VR 平臺，甚至輸出BIM；

3）VR 多專業設計平臺。建筑師甚至業主可以在帶引力系統的VR 環境中進行1：1 的虛擬房屋搭建，并輸出BIM；建筑師還可邀請專業工程師在VR 中同步進行結構設計、裝修設計、園林設計、機電暖通等設計，同步輸出BIM；

4）多專業設計2D 轉3D 平臺。目前大部分專業設計師（機電暖通等）都習慣了2D 設計。而事實上，他們更關注功能設計、量的計算，對“形式”可視化的需求不高，一款2D 專業圖轉BIM 的平臺可能應運而生；

5）偽3D 圖片轉3D 平臺。以Midjourney 為代表的AI 平臺已經具備了將建筑師的創意生成偽3D 的概念圖片。這時，需要一款能將概念圖片轉為真正3D 模型的工具替代手工建模，甚至輸出符合國內標準的BIM；

6）建筑設計量化評價平臺。對建筑設計功能、形式以及與城市環境的融入狀態的綜合評價仍然靠專家憑經驗判斷，專家的意見輔助政府官員決策，這帶來了一些不確定性。而結合業主需求、城市文脈的評估平臺將對城市的發展、更新有更大的促進作用。

4 結語

本文通過對建筑設計工具發展的回顧，分析了不同時期，2D和3D 設計工具在不同類別的建筑設計中發揮的作用，研判了二者同時存在的必要性。分享了信息時代AI 技術為建筑設計工具帶來的全新內容，對BIM 的應用作了定性判斷，并預測了未來AI 技術將在多方面取得突破，進一步給建筑設計“本身”帶來多方面的發展和變革。

圖片來源：

圖1：陜西歷史博物館鎮館之寶：闕樓儀仗圖，https://www.sxhm.com/collections/detail/513.html；

圖2：維特魯威(古羅馬)著，羅蘭英譯.建筑十書[M].北京：北京大學出版社，2012 年，208 頁；

圖3：李誡（宋）.營造法式（三）[M].北京：商務印書館，1954 年，卷三十，一百八十頁；

圖4：單士元.宮廷建筑巧匠——“樣式雷”[J].建筑學報，1963 年，2 期，第23 頁；

圖5—圖8：作者自繪；

圖10—圖11：Gaelle Faure.The Architects Designing Surreal Worlds with AI,https://www.bloomberg.com/news/features/2023-01-31/architects-embrace-ai-art-generator-midjourney,2023.1.31；

圖12：作者自繪。