在建筑學(xué)專業(yè)結(jié)構(gòu)選型課中運(yùn)用模型教學(xué)的思考

程然

一、引言

模型教學(xué)以其優(yōu)越的表現(xiàn)力和可操作性，作為傳統(tǒng)教學(xué)手段在建筑學(xué)專業(yè)得到廣泛應(yīng)用。盡管隨著計算機(jī)虛擬模型技術(shù)的發(fā)展，實(shí)體模型的使用在建筑設(shè)計課程中的比重有所下降，但其直觀的感受和視角的自由度依然是計算機(jī)模型難以替代的。然而，在建筑學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程結(jié)構(gòu)選型中卻難以見到模型教學(xué)的蹤影，這是非常令人遺憾和費(fèi)解的。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是對結(jié)構(gòu)選型課程和建筑設(shè)計之間的關(guān)系存在認(rèn)知偏差造成的。建筑的美學(xué)造型和結(jié)構(gòu)體系往往是同時進(jìn)行、綜合設(shè)計的，為了傳授融合造型能力和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能力的技巧，結(jié)構(gòu)選型課中的“選”實(shí)為“設(shè)計”，而非簡單地根據(jù)建筑造型對應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)形式。因此，模型教學(xué)在結(jié)構(gòu)選型課中的輔助設(shè)計作用一樣難以取代。

二、結(jié)構(gòu)選型課的教學(xué)要求

建筑學(xué)是一門綜合性極高的交叉型學(xué)科。建筑師以人類已知的最困難的語言——美學(xué)的、功能的、技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的語言來塑造建筑。只有極少數(shù)人能夠?qū)⑦@幾種常常相逆的語言完美融合到一起。但對于絕大多數(shù)建筑師而言，只要盡可能滿足以上四種語言的表達(dá)，都能夠得到一個令人滿意的建筑作品。

建筑的功能性以及經(jīng)濟(jì)性往往作為設(shè)計的前提條件，保證建筑真正能夠得以落實(shí)。在這一點(diǎn)上，建筑師無疑只能選擇妥協(xié)。畢竟，一座僅存在于圖紙上的建筑是難以體現(xiàn)其價值的。美學(xué)和技術(shù)作為建筑師能夠真正主導(dǎo)的設(shè)計內(nèi)容，也成為建筑類院校開設(shè)課程的主要教學(xué)方向。兩者矛盾的平衡也成為建筑師培養(yǎng)的主要內(nèi)容之一。

結(jié)構(gòu)選型課正是連接建筑美學(xué)和技術(shù)的課程。古往今來，在技術(shù)上成功而缺乏美感的建筑是常有的，然而在美學(xué)角度得到廣泛共識的經(jīng)典建筑，卻沒有一座在建造技術(shù)上是平庸的。優(yōu)異的技術(shù)支持對于建筑的成功不能說是充分條件，但顯然是必要的條件之一。建筑師不單是建筑的設(shè)計者，也必須是工程實(shí)現(xiàn)的監(jiān)督者。建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)過程中將美學(xué)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計割裂開來，將非常有損于建筑師的培養(yǎng)。因此，建筑學(xué)專業(yè)結(jié)構(gòu)選型課程必須幫助學(xué)生掌握美學(xué)形式和結(jié)構(gòu)體系之間的對應(yīng)關(guān)系，并具備為未知形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的能力。

作為建筑學(xué)和土木工程專業(yè)的交叉課程，結(jié)構(gòu)選型課程在內(nèi)容側(cè)重上有著極大的差異和針對性。對于建筑師而言，熟練掌握結(jié)構(gòu)選型是為了創(chuàng)作新型建筑并把握大致的結(jié)構(gòu)尺度，協(xié)調(diào)美學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的沖突。而對于工程師來說，更注重學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的合理性判定，對初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行量化分析，并確定最終施工的精確數(shù)據(jù)。由于模型對于結(jié)構(gòu)精確計算的作用不大，模型在土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)選型課中的運(yùn)用極為有限。這也是目前結(jié)構(gòu)選型課中罕見模型教學(xué)的原因。對于建筑學(xué)專業(yè)教學(xué)，結(jié)構(gòu)選型課程更偏重于結(jié)構(gòu)形式的直觀認(rèn)知及結(jié)構(gòu)美學(xué)的運(yùn)用，目的是為了培養(yǎng)建筑師在建筑美學(xué)設(shè)計中聯(lián)系結(jié)構(gòu)可實(shí)施性的能力，同時便于建筑師與結(jié)構(gòu)工程師的交流合作。

三、模型教學(xué)在結(jié)構(gòu)選型課中的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)選型傳統(tǒng)教學(xué)中普遍認(rèn)為模型主要用于模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)，特別是對照平面設(shè)計圖紙進(jìn)行立體講解。這種展示性的模型使用方式較為被動，沒有充分發(fā)揮模型的課堂價值。模型教學(xué)在結(jié)構(gòu)選型課中更為重要的作用是引導(dǎo)學(xué)生將抽象概念轉(zhuǎn)化為形象設(shè)計，再由形象設(shè)計回歸抽象創(chuàng)造的過程。基于模型卓越的可操作性以及視觸覺信息傳達(dá)能力，在建筑學(xué)專業(yè)結(jié)構(gòu)選型課中應(yīng)有更好的應(yīng)用。

1.還原抽象結(jié)構(gòu)概念。建筑空間是一個三維系統(tǒng)，作為建筑骨骼的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在建成建筑后會被內(nèi)外功能組件和裝飾面層或多或少地遮擋起來，抽象的解釋說明難以幫助學(xué)生理解充分。最佳的教學(xué)途徑是挑選實(shí)際建設(shè)過程期間進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)。然而，不可能有足夠豐富的各型建筑恰好在建，且建筑工期長久，因此難以進(jìn)行集中學(xué)習(xí)。只有通過模型才能全面直觀地了解結(jié)構(gòu)形式的全貌，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式的分析。

傳統(tǒng)教學(xué)過分依賴抽象的信息傳遞，概念和原理都以語言文字的形式傳授給學(xué)生。而語言的精確性顯然值得懷疑，如果缺乏統(tǒng)一的現(xiàn)象依據(jù)，對于原理的理解難免會有差異。根據(jù)現(xiàn)象學(xué)創(chuàng)始人胡塞爾的研究方法，只有通過“還原”尋求現(xiàn)象的根源，才能對現(xiàn)象進(jìn)行理解。以課堂教學(xué)中的難點(diǎn)——結(jié)構(gòu)受“力”為例：所謂“力”是一個抽象的概念，不能夠直接觀察到，只有通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形變間接觀察。盡管模型難以精確量化力的大小，但在具象化力的作用方面依然優(yōu)勢明顯。真實(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件因?yàn)榻ㄖ傂孕枨筝^高，受力之后往往在可視形變瞬間就被破壞，難以被觀察學(xué)習(xí)。采用模型進(jìn)行受力分析可以采用韌性材料延長破壞的瞬時過程，清晰演示構(gòu)件受力特征，進(jìn)而增進(jìn)學(xué)生對力學(xué)的理解。這是一個通過現(xiàn)象推導(dǎo)原理的過程。模型教學(xué)是為數(shù)不多的能夠在課堂提供統(tǒng)一現(xiàn)象標(biāo)本的方法，也是理解抽象概念和原理的最佳途徑。

2.使用模型構(gòu)建結(jié)構(gòu)直覺。結(jié)構(gòu)選型中的“選”亦是一個創(chuàng)造過程。僅僅教授已有建筑的結(jié)構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)對于創(chuàng)造新設(shè)計是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在建筑設(shè)計創(chuàng)新的同時，建筑結(jié)構(gòu)也在不斷試圖突破現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系的束縛。課堂教授結(jié)構(gòu)選型案例可能在學(xué)生工作之后已經(jīng)完全落后了，在實(shí)際工作中，學(xué)生更多的還是依靠結(jié)構(gòu)直覺聯(lián)系新的結(jié)構(gòu)體系與美學(xué)設(shè)計要求進(jìn)行再設(shè)計。因此培養(yǎng)學(xué)生的結(jié)構(gòu)直覺是結(jié)構(gòu)選型課的主要目的之一。

模型制作是一個培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建結(jié)構(gòu)直覺的過程，能為原始的直覺創(chuàng)造提供基礎(chǔ)訓(xùn)練。在制作模型的過程中增進(jìn)思考；透過手中材料的形變體會結(jié)構(gòu)的受力；通過模型構(gòu)架的破壞體會結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)。一系列身體力行的認(rèn)知活動集合了視覺、觸覺等感覺器官，進(jìn)而為直覺感受奠定了基礎(chǔ)。這一過程雖然難以用語言描述，但是記憶時間遠(yuǎn)長于對于文字性概念和原理的記憶。此類長效、深刻的結(jié)構(gòu)理解和建構(gòu)活動促使結(jié)構(gòu)直覺的成型，并將長期影響學(xué)生日后的創(chuàng)作過程，使其在建筑創(chuàng)作過程中始終綜合考量美學(xué)設(shè)計與結(jié)構(gòu)形式。

3.創(chuàng)造力的檢驗(yàn)。結(jié)構(gòu)選型的最終目的是“正確地建造”。這是建筑在美學(xué)、結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)性等方面最終平衡的結(jié)果，達(dá)到這一目的必然會經(jīng)歷多次的失敗和調(diào)整。建筑創(chuàng)新的同時，意味著可供參照的結(jié)構(gòu)體系乏善可陳。因此結(jié)構(gòu)的選取也成為創(chuàng)作過程的重要組成部分。顯而易見，模型制作是建筑創(chuàng)作過程中最有效的設(shè)計方法。模型制作實(shí)際上是一次小規(guī)模的建設(shè)嘗試，是對建筑可行性的檢驗(yàn)。即便是在后期設(shè)計過程中，對于建筑尺度的修正，模型也是探討方案最具效率的方式。

學(xué)生的創(chuàng)造力是無窮的。結(jié)構(gòu)選型課授課過程中總會有學(xué)生對案例的結(jié)構(gòu)體系提出質(zhì)疑，甚至提出一些異想天開的解決方案。這些方案富于創(chuàng)造力但缺乏有效的分析。檢驗(yàn)這些方案最便捷的方法就是采用模型進(jìn)行驗(yàn)證。在這一過程中，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對于建筑結(jié)構(gòu)體系的理解，并能激發(fā)學(xué)生的興趣。

在參考模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型的過程中需要注意幾個問題：一是不同材料之間的力學(xué)性能差異較大，因此應(yīng)選取與設(shè)計構(gòu)件力學(xué)性質(zhì)較為接近的材料（結(jié)合建筑材料課程的內(nèi)容）制作模型。二是即便采用同種材料，因尺寸差異產(chǎn)生的力學(xué)變化并不是成線性分布的，比例模型和真實(shí)構(gòu)件的差異需要說明。方案可行性依然要輔以受力分析和精確計算來進(jìn)行深入驗(yàn)證。對于個別小規(guī)模的建筑結(jié)構(gòu)，在經(jīng)費(fèi)允許的情況下可以制作全尺寸模型進(jìn)行驗(yàn)證，這是最為現(xiàn)實(shí)的驗(yàn)證方法，也是歐洲先進(jìn)國家在實(shí)際建設(shè)過程中常采用的手段。