基于數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的建筑專業(yè)教學(xué)思考

李 鹍

（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

基于數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的建筑專業(yè)教學(xué)思考

李 鹍

（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

建筑學(xué)與工程圖學(xué)有著緊密的聯(lián)系，對制圖有著藝術(shù)性和精確性的雙重要求，建筑學(xué)的教學(xué)過程中使用數(shù)字圖學(xué)技術(shù)來改善教學(xué)質(zhì)量成為非常必要的手段。論文在分析數(shù)字圖學(xué)與建筑學(xué)課程相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，深入研究了數(shù)字圖學(xué)技術(shù)在建筑學(xué)課程教學(xué)中的重要原則與授課方式，并對數(shù)字圖學(xué)技術(shù)在未來建筑學(xué)課程上的結(jié)合方式做了展望。圖學(xué)教育需要在新的數(shù)字技術(shù)支撐下進(jìn)行適應(yīng)性的改革，并與建筑學(xué)等其他專業(yè)的教學(xué)進(jìn)行整合，才能更好地發(fā)揮其圖像表現(xiàn)的優(yōu)勢，并具有更好的教學(xué)和實(shí)踐意義。

數(shù)字圖學(xué)技術(shù)；建筑學(xué)；輔助設(shè)計(jì)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；交互式教學(xué)

圖學(xué)是工程技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的重要語言，用圖學(xué)理念來表達(dá)設(shè)計(jì)思想，也是將圖形圖像所表達(dá)的信息轉(zhuǎn)化為科技思維的主要途徑[1]。圖學(xué)教育的改革也在不斷地發(fā)展中[2-4]。建筑學(xué)作為工程圖學(xué)涵蓋的學(xué)科領(lǐng)域之一，一直以來都在圖學(xué)的數(shù)字應(yīng)用方面占有很重要的位置。但是傳統(tǒng)的圖學(xué)課程中對于建筑學(xué)缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，僅將其當(dāng)作一般的工程類課程予以設(shè)置，往往會(huì)出現(xiàn)學(xué)生厭學(xué)和教學(xué)效果差的情況。了解建筑學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，采用有針對性的教學(xué)，是提高建筑專業(yè)圖學(xué)課程質(zhì)量的重要途徑。另一方面，以AUTOCAD等軟件為代表的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，極大地促進(jìn)了建筑制圖的規(guī)范化和電子化。而隨著科技水平的進(jìn)一步提高，圖學(xué)軟件也有很大的改進(jìn)，開始向更專業(yè)、更技術(shù)化的方向發(fā)展。給專業(yè)教師提供了更多的思考空間，并努力開展新型圖學(xué)教學(xué)。

1 數(shù)字圖學(xué)與建筑教育的聯(lián)系

在與工程圖學(xué)相結(jié)合的各學(xué)科門類中，建筑學(xué)是非常特殊的一類學(xué)科。一般的工程類專業(yè)在制圖時(shí)主要強(qiáng)調(diào)精確性，藝術(shù)性方面的要求考慮得比較少，而建筑學(xué)強(qiáng)調(diào)工程的精確性與藝術(shù)性的結(jié)合。一方面，建筑專業(yè)同樣需要考慮制圖的精確性，確保設(shè)計(jì)師的思想能得到準(zhǔn)確的表達(dá)，尤其是在畫施工圖階段，更是要求圖紙精確、詳細(xì)并滿足各種規(guī)范要求。但另一方面，建筑學(xué)需要在設(shè)計(jì)圖紙上體現(xiàn)較好的創(chuàng)意和較深的藝術(shù)造詣，才能得到業(yè)主的認(rèn)可，反映在圖學(xué)課程上，就是其它專業(yè)的圖紙每個(gè)學(xué)生畫出來基本是一致的，而建筑學(xué)的學(xué)生作業(yè)則各不相同。同樣的內(nèi)容不同的人畫，會(huì)有不同的構(gòu)圖和制圖方式，甚至很多建筑師的制圖也體現(xiàn)其設(shè)計(jì)水平和能力。由此可見，建筑學(xué)的圖學(xué)教育不能照搬一般工程類學(xué)科的教學(xué)范式，需要根據(jù)課程體系的特點(diǎn)，作更多的思索。

武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院建筑系所設(shè)課程有較多在教學(xué)中與圖學(xué)緊密相關(guān)，圖學(xué)及其數(shù)字技術(shù)可以或多或少地加入到教學(xué)中，但相關(guān)的程度和方式相互有所不同，如表1所示。目前數(shù)字圖學(xué)技術(shù)在建筑學(xué)教學(xué)中有以下3個(gè)使用層次：

表1 數(shù)字圖學(xué)在建筑專業(yè)課教學(xué)中的支撐作用

1） 輔助設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)表現(xiàn)能力。主要應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)、專題設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程中。在這些課程中，圖學(xué)主要起到設(shè)計(jì)表現(xiàn)、場景虛擬、空間表達(dá)等作用。學(xué)生主要使用圖學(xué)的軟件，對建筑的平面、立面、三維造型進(jìn)行描述，代替徒手表達(dá)，展現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，用以跟老師交流方案。

2） 輔助思維，促進(jìn)創(chuàng)意生成。主要應(yīng)用在建筑藝術(shù)表現(xiàn)、模型制作等課程，在第一層次的設(shè)計(jì)類課程中也有應(yīng)用。利用目前比較前沿的參數(shù)化數(shù)字設(shè)計(jì)等軟件來進(jìn)行形體塑造、空間設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者不再像以往在大腦中想好一個(gè)形式，再將其在電腦上表現(xiàn)出來，更多的是設(shè)計(jì)者制定符合某種邏輯過程的設(shè)計(jì)思路，將基本形體單元數(shù)字化后，按照這種邏輯編程來進(jìn)行進(jìn)一步演化。最終形成的形體完全由計(jì)算機(jī)生成，設(shè)計(jì)者可能在前期都不能完全想象出最后形體的圖學(xué)表現(xiàn)形式。這種數(shù)字圖學(xué)方法尤其適合于創(chuàng)造新型形體、復(fù)雜形體的設(shè)計(jì)。在這個(gè)層次中，計(jì)算機(jī)深入到建筑造型的過程中來，把以往不可能實(shí)現(xiàn)的型體利用計(jì)算機(jī)數(shù)字設(shè)計(jì)方式進(jìn)行表現(xiàn)。

3） 輔助評估，完善全壽命周期及建筑環(huán)境評價(jià)。目前的建筑學(xué)要求在設(shè)計(jì)中能考慮到建筑全壽命周期的評價(jià)，并更多地考慮節(jié)能、環(huán)境保護(hù)等全方位知識(shí)體系的結(jié)合。比如建筑師在設(shè)計(jì)階段就要分析建筑所使用的原材料的節(jié)能特性、建筑設(shè)計(jì)中對環(huán)境、運(yùn)行成本等問題的思考。以往的數(shù)字圖學(xué)技術(shù)僅僅只是作圖功能，無法滿足更深層次的要求。圖學(xué)的新一代數(shù)字技術(shù)中整合了這些評價(jià)模塊或是軟件，使得建筑師在設(shè)計(jì)階段完成數(shù)字建模后，就可以模擬了解到建筑建成后的物理環(huán)境和能源消耗，如基于ECOTECT的物理環(huán)境模擬軟件、基于 PHOENICS的通風(fēng)條件模擬軟件等[5]。通過這些新型的圖學(xué)數(shù)字技術(shù)，可以在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生了解整個(gè)建筑從材料設(shè)計(jì)施工，到建筑長時(shí)間運(yùn)行的狀況，全面評估自己的設(shè)計(jì)，使學(xué)生更好地滿足現(xiàn)代建筑學(xué)對可持續(xù)發(fā)展的要求。

2 數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的教學(xué)原則和方式

可以看到，建筑學(xué)與圖學(xué)之間的聯(lián)系緊密而有層次，甚至可以在大部分領(lǐng)域和設(shè)計(jì)階段起到非常重要的作用。但建筑學(xué)類的圖學(xué)課程教學(xué)如何進(jìn)行，怎樣把現(xiàn)代數(shù)字圖學(xué)技術(shù)融入到已有專業(yè)課程體系中，需要進(jìn)一步思考和認(rèn)識(shí)，也需要更好地發(fā)揮教師和學(xué)生的創(chuàng)造力。

首先，現(xiàn)有的傳統(tǒng)圖學(xué)教學(xué)方式需要進(jìn)行改革。學(xué)生比較反感手把手式教學(xué)，上課過程中通過簡單羅列講授出來的指令集也很難記憶，希望學(xué)習(xí)能有一定的自主性。他們一直和軟件打交道，學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)，上課也經(jīng)常以電腦作圖作為主要交流的方式。因此，在數(shù)字軟件的學(xué)習(xí)上比較主動(dòng)，更希望能夠自己選擇適合的數(shù)字方法。另外，學(xué)生特別喜歡與設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，希望在解決問題中學(xué)習(xí)。通過解決一到兩個(gè)實(shí)際數(shù)字案例，從中熟練掌握相應(yīng)的應(yīng)用軟件。“墻怎么畫、曲線怎么畫”等純粹基礎(chǔ)的軟件教學(xué)，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果較差。這就要求教師在實(shí)際教學(xué)中掌握學(xué)生的特點(diǎn)，謹(jǐn)慎尋找能夠較大程度的覆蓋軟件主要功能的案例。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對未涉及的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。

其次，在制圖中需要考慮建筑學(xué)的技術(shù)內(nèi)容。建筑學(xué)不僅需要制圖來表達(dá)設(shè)計(jì)思想和空間特點(diǎn)，也需要表達(dá)對建筑特定技術(shù)問題的處理方式。建筑學(xué)存在著較多的專業(yè)門類，這些知識(shí)也需要借助圖學(xué)的方法，進(jìn)行表達(dá)和與學(xué)生交流。因此，要求圖學(xué)可以進(jìn)行帶有較強(qiáng)技術(shù)性的環(huán)境分析。數(shù)字技術(shù)在其中是一個(gè)重要的媒介和評估平臺(tái)。例如目前的圖學(xué)軟件也已經(jīng)與環(huán)境設(shè)計(jì)問題的相關(guān)軟件整合起來，能夠?qū)崟r(shí)評估環(huán)境的狀態(tài)。比如設(shè)計(jì)一座房間，將其數(shù)字模型導(dǎo)入相關(guān)軟件中即可以獲得相應(yīng)的建筑物理指標(biāo)分析報(bào)告。如果設(shè)計(jì)師對房間的性能不太滿意，還可以改變參數(shù)。當(dāng)條件改變時(shí)，相關(guān)的環(huán)境狀態(tài)和物理指標(biāo)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。最終在設(shè)計(jì)階段就能在體型、結(jié)構(gòu)、材料等方面對建筑方案有一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，避免了學(xué)生設(shè)計(jì)只注重外觀，而忽視實(shí)際建筑性能的問題，使其符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)師高水準(zhǔn)的培養(yǎng)需要。

再者，圖學(xué)應(yīng)考慮支持建筑學(xué)的特色設(shè)計(jì)領(lǐng)域的教學(xué)。建筑是以圖說話的學(xué)科，把諸如歷史保護(hù)設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)等專業(yè)的領(lǐng)域和相關(guān)知識(shí)體系轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖形語言，就能最大化發(fā)揮圖學(xué)的作用，如在建筑歷史教學(xué)中，讓學(xué)生用數(shù)字化方式將歐洲古典柱式、中國傳統(tǒng)屋頂，用電腦作圖的方式畫出來，具有一舉多得的作用。既訓(xùn)練了學(xué)生數(shù)字化制圖的能力，又利用制圖過程讓學(xué)生體會(huì)了歷史經(jīng)典建筑構(gòu)件的建造比例關(guān)系，同時(shí)了解其內(nèi)在設(shè)計(jì)邏輯和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。由此讓學(xué)生既進(jìn)行了圖學(xué)的訓(xùn)練，又能夠增進(jìn)對建筑歷史領(lǐng)域的深入理解。

最后，教師需要在建筑學(xué)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中把圖學(xué)作為重要的交流作用來使用，幫助學(xué)生進(jìn)行形象化的空間設(shè)計(jì)。在以往的教學(xué)中，并沒有將數(shù)字軟件的應(yīng)用考慮到其中，教師與學(xué)生通過手繪圖進(jìn)行交流。這種方式歷史悠久，固然有其合理的方面，但表達(dá)不準(zhǔn)確，常常是手稿畫好了，而輸入電腦正式制圖時(shí)又出現(xiàn)新的問題。更重要的是數(shù)字圖學(xué)技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，特別是用以設(shè)計(jì)復(fù)雜的形體，這就不是光用手稿就可以很好地進(jìn)行交流。比如參數(shù)化設(shè)計(jì)等方式，一定需要專用數(shù)字軟件，按照制圖邏輯來形成方案，傳統(tǒng)的交流手段無法進(jìn)行準(zhǔn)確的圖面交流。但是新的數(shù)字技術(shù)則可以打破上述界限。例如使用 REVIT平面繪圖軟件，在畫平面圖的時(shí)候就同時(shí)生成立體空間的情況，學(xué)生在完成平面圖繪制以后就可以得到立體空間的數(shù)字化模擬狀況，極大地方便學(xué)生和老師的交流。修改和進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)也很方便，平面上的修改可以實(shí)時(shí)地反映在立面和三維圖上，避免了將精力浪費(fèi)在簡單重復(fù)的修改設(shè)計(jì)之上。而且以往的設(shè)計(jì)制圖中，往往將平立面分別完成，但是修改的時(shí)候會(huì)因?yàn)檫z忘或是對修改內(nèi)容的錯(cuò)誤理解而導(dǎo)致平立剖面出現(xiàn)不同的表達(dá)內(nèi)容?，F(xiàn)在的 REVIT軟件，自動(dòng)進(jìn)行立面和剖面的修改，避免了人為造成的錯(cuò)誤。這也是圖學(xué)數(shù)字化發(fā)展的新趨勢——交互式設(shè)計(jì)方式。將其應(yīng)用在教學(xué)中，將極大的提高課堂教學(xué)效率，讓師生的交流更多的集中到設(shè)計(jì)本身，也讓制圖表達(dá)更加準(zhǔn)確和規(guī)范。

3 數(shù)字圖學(xué)教學(xué)實(shí)例

武漢大學(xué)建筑學(xué)專業(yè)三年級(jí)本科生必修課程《建筑物理》課作業(yè)，要求學(xué)生在自己的設(shè)計(jì)作品中選擇一個(gè)典型的房間。利用數(shù)字圖學(xué)軟件分析其光學(xué)性能，并對光學(xué)設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行修改。作業(yè)所選擇的軟件為ECOTECT，是一款建筑物理評估軟件，提供了交互式研究手段，集成了熱、光、聲等物理環(huán)境的綜合分析，并具有數(shù)據(jù)格式適應(yīng)性好、環(huán)境評估過程完整、結(jié)果圖像化等特點(diǎn)[6]。該軟件可以像傳統(tǒng)數(shù)字圖學(xué)軟件一樣，畫出建筑的三維模型，再進(jìn)行建筑物理環(huán)境指標(biāo)的模擬并以直觀的圖示方式表達(dá)出來。課程中，根據(jù)學(xué)生反饋的情況，在原來的設(shè)計(jì)過程中，多是從美觀等設(shè)計(jì)角度出發(fā)，并未考慮到室內(nèi)光學(xué)環(huán)境是否達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，因此，普遍存在室內(nèi)采光不足或采光過量的情況。利用軟件發(fā)現(xiàn)問題以后，學(xué)生著手利用軟件本身進(jìn)行修改。采光不足的房間增加開窗的數(shù)量或增大窗戶面積；對于采光過量的房間，采用設(shè)置遮陽板、降低窗戶玻璃透明度等方式進(jìn)行改變。經(jīng)過修改后的數(shù)字模型再進(jìn)入模擬階段進(jìn)行光學(xué)環(huán)境的模擬。經(jīng)過這種修改后，顯示其建筑的光環(huán)境性能得到了很好地改善，在這個(gè)過程中，學(xué)生掌握了ECOTECT軟件，并脫離了只會(huì)操作命令的初步階段，更多的學(xué)會(huì)了利用數(shù)字圖學(xué)軟件深入修改自己的方案，并用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也通過這個(gè)過程，加強(qiáng)了學(xué)生對采光系數(shù)、窗地比等建筑物理概念的理解，了解了它們在實(shí)際設(shè)計(jì)中的重要作用。

另一個(gè)嘗試是安排在研究生課程《綠色建筑技術(shù)》中。要求研究生使用ECOTECT軟件完成能耗分析圖，并用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，如圖1所示。分析圖模擬建筑在建成以后的熱物理性能，并對節(jié)能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新模擬，分析其耗能的改善程度。完成的學(xué)生主要為建筑設(shè)計(jì)方向的研究生，其節(jié)能設(shè)計(jì)方案包括更改墻體材料、改變房間能耗類型、設(shè)置屋頂形式等方面，通過模擬的情況再結(jié)合設(shè)計(jì)選擇最適合的節(jié)能手段。在這樣的一個(gè)作業(yè)過程中，通過圖學(xué)軟件的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生深刻了解了上述這些節(jié)能方式對建筑能耗改善的重要影響。

圖1 能耗分析圖設(shè)計(jì)流線

4 發(fā)展方向探討

數(shù)字圖學(xué)技術(shù)始終處于加速發(fā)展的過程中，因此，把握數(shù)字圖學(xué)技術(shù)未來發(fā)展方向，提出與建筑專業(yè)教學(xué)結(jié)合的新方式，非常迫切和需要。

1） 擺脫純粹制圖工具的定位。傳統(tǒng)工程圖學(xué)主要以制圖和表現(xiàn)為主，主要是滿足圖形圖像的需要。圖學(xué)數(shù)字化在相當(dāng)長的歷史時(shí)期起到了重要的作用，擺脫了設(shè)計(jì)師的手工圖紙作業(yè)、人為的誤差和修改的繁瑣，也使工程類圖紙更加精確、修改更便捷，對推動(dòng)圖學(xué)相關(guān)專業(yè)的進(jìn)步起到了重要的作用。隨著社會(huì)的發(fā)展，要求現(xiàn)代圖學(xué)能夠更好地為各類學(xué)科服務(wù)。因此，不僅是設(shè)計(jì)思路的表達(dá)，更多的是幫助繪圖人員擴(kuò)展思路，更好地激發(fā)靈感。圖學(xué)不再是單純的畫圖工具，更多的應(yīng)該帶有輔助設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，幫助建筑師完善不成熟的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，對不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。

2） 圖學(xué)軟件應(yīng)該更加智能化、交互化。圖學(xué)的應(yīng)用多年來一直是單向的表達(dá)與圖像繪制。但是在目前信息化的大背景下，越來越強(qiáng)調(diào)制圖軟件的交互化和智能化。通過交互的方式，能夠更好地反映制圖人的需要，而智能化的需要?jiǎng)t是使圖學(xué)軟件更好的滿足繪圖人員的創(chuàng)意，尤其是對特殊的制圖部位，制圖軟件能夠很好地理解設(shè)計(jì)師的意圖，并按照制圖人的想法去實(shí)現(xiàn)。

3） 數(shù)字圖學(xué)技術(shù)要將最新的圖學(xué)手段和建筑技術(shù)融入教學(xué)中。隨著科技的日新月異，越來越多的新設(shè)計(jì)手段都在以數(shù)字的方式表現(xiàn)出來。比如更符合人腦思維方式的數(shù)字虛擬技術(shù)、將語法結(jié)構(gòu)作為過程邏輯的 Shape Grammar設(shè)計(jì)方法[7]、還有作參數(shù)設(shè)計(jì)的 Rhino等軟件[8]。這些數(shù)字方法并不僅僅只是表達(dá)制圖的需要，更代表了一種設(shè)計(jì)思想或是方法論，因此，具有更為重要的意義。對學(xué)生開展的這類教學(xué)，也是通過圖學(xué)的作用讓學(xué)生了解了建筑前沿領(lǐng)域所探索的方向和內(nèi)容。

4） 圖學(xué)的教學(xué)不是純軟件的教學(xué)。而是以相關(guān)的軟件為媒介，讓學(xué)生理解數(shù)字圖學(xué)在自己專業(yè)學(xué)習(xí)中的作用，學(xué)習(xí)這些軟件可以在哪些方面能夠起到提高設(shè)計(jì)能力、改變思維方式的效果。要培養(yǎng)學(xué)生明白不能單純?yōu)榱藨?yīng)用某種軟件而去無端地應(yīng)用，或者僅僅以會(huì)用某種軟件為最終目的，而要選擇適合的數(shù)字技術(shù)作為自己的有效設(shè)計(jì)工具。

5 小 結(jié)

由此可見，發(fā)揮好數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的作用，與建筑的設(shè)計(jì)過程緊密結(jié)合，可以對建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)發(fā)揮重要的作用。圖學(xué)發(fā)展迅猛，教學(xué)體系和教師難以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行適應(yīng)和調(diào)整。圖學(xué)是否能夠起到較好的輔助設(shè)計(jì)的作用，并達(dá)到改善教學(xué)質(zhì)量的效果，也是需要不斷進(jìn)行調(diào)查研究，這有待建筑和圖學(xué)教育工作者進(jìn)一步思考。

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Thinking on Architectural Teaching Based on Digital Graphics Technology

Li Kun
( School of Urban Design, Wuhan University, Wuhan Hubei 430072, China )

Architecture has closed relationship with engineering graphics and has double requirements of artistry and precision. Improving architectural teaching quality using digital graphics technology during the teaching process is becoming essential approach. Principle and teaching method of digital graphics technology in the architectural teaching is deeply researched and their combination mode in the future is expected based on the relationship analysis between digital graphics and architectural teaching course. Graphics education needs adaptive evolution supported by new digital technology and combined with education of architecture. It would be the way to display the superiority of graphics expression, which has the meaning of teaching and practice.

digital graphics technology; architecture; auxiliary design; parametric design; interactive teaching

TP 391

A

2095-302X (2013)03-0152-05

2013-01-13；定稿日期：2013-03-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51208389）

李 鹍（1978-），男，廣西南寧人，博士，主要研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及其理論。E-mail：kunli@whu.edu.cn