作為基礎(chǔ)教學的建筑參數(shù)化“設(shè)計-建造”課程研究與實踐

陳中高　于英　張曉云

【摘 要】設(shè)計與建造是建筑學的核心與根本，共同驅(qū)動著建筑形式的生成和發(fā)展。參數(shù)化“設(shè)計-建造”課程將參數(shù)化技術(shù)與建筑設(shè)計基礎(chǔ)教學相結(jié)合，通過結(jié)構(gòu)可視化、空間可操作和構(gòu)造可加工的不同模塊訓練，引導學生從結(jié)構(gòu)空間的生成到建筑空間的轉(zhuǎn)化再到實體搭建的親身體驗，逐步理解建筑形式不同驅(qū)動要素的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，建立起對建筑整體的正確認知與設(shè)計觀念，以期培養(yǎng)學生面對紛繁變化的建筑需求的思辨能力。

【關(guān)鍵詞】建筑基礎(chǔ)教學; 參數(shù)化設(shè)計與建造; 結(jié)構(gòu)圖解; 建筑空間; 實體搭建

【中圖分類號】G642.0【文獻標志碼】A

建筑設(shè)計與建造彼此依賴和制約，一直被視為建筑學的核心與根本。隨著數(shù)字技術(shù)與建筑學科融合的深入，設(shè)計與建造正經(jīng)歷著信息化轉(zhuǎn)型并不斷革新，既推動了性能化設(shè)計、算法設(shè)計、互動設(shè)計等新的建筑設(shè)計思維產(chǎn)生，又因引入機械臂、3D打印等數(shù)控設(shè)備使得建造能力進一步升級，并在這兩方面的共同作用下，促使建筑教學需持續(xù)探索新的方法和內(nèi)容。而對數(shù)字化“設(shè)計-建造”思維的知識講授，無疑是建筑專業(yè)教育適應信息化時代的重要內(nèi)容。本文以煙臺大學建筑學專業(yè)的參數(shù)化“設(shè)計-建造”課程為例，探索在建筑設(shè)計基礎(chǔ)教學中引入?yún)?shù)化技術(shù)，促使學生掌握影響建筑形式生成的種種驅(qū)動要素，進而逐步理解建筑設(shè)計與建造的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，最終建立起對建筑整體的正確認知與設(shè)計觀念。

1 課程解讀

建筑設(shè)計基礎(chǔ)課程教授對象為一二年級的低年級學生，旨在使學生掌握建筑設(shè)計的基本問題、方法和操作手段，實現(xiàn)建筑設(shè)計的入門?？偟膩碚f，國內(nèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)課程大都圍繞建筑形式的設(shè)計與建造兩方面展開教學，前者以“空間研究”為核心整合概念、功能、審美等設(shè)計要素，引導學生培養(yǎng)塑造空間的操作能力[1]，后者以“模型制作”為手段融入材料、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等建造要素，讓學生在實踐搭建中體驗建筑的真實性[2]。盡管上述教學通過專題化的訓練模式，使得題目設(shè)置和訓練內(nèi)容均較有針對性，但不可否認的是，這一模式也割裂了本應銜接的“設(shè)計-建造”流程，而容易導致學生對建筑形式缺乏全面而系統(tǒng)的認知，在高年級專業(yè)設(shè)計中出現(xiàn)重造型輕構(gòu)造、建筑空間與結(jié)構(gòu)不匹配等問題。因此，作為建筑設(shè)計的入門教學，建筑設(shè)計基礎(chǔ)課程必然有需要整合不同目標的單一訓練，以引導學生完整地建構(gòu)對建筑形式的正確理解。

參數(shù)化作為一種設(shè)計方法，可通過計算機算法描述設(shè)計中空間、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等不同邏輯，并基于可視化圖解生成幾何形體，更為關(guān)鍵的是，它能同時將幾何形體進行數(shù)字化輸出，直接與數(shù)控加工對接，從而模糊了設(shè)計與建造的界限[3]。相比于高年級已經(jīng)大規(guī)模開展的參數(shù)化“設(shè)計-建造”教學[4]，建筑設(shè)計基礎(chǔ)教學中則尚未有成熟的嘗試。事實上，參數(shù)化方法具有可視化、實時反饋、易操作等特點，將其引入到建筑設(shè)計基礎(chǔ)課程中，不僅能拓展低年級學生對建筑形式的操控能力，關(guān)注和解決空間、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等基本問題，而且在這一過程中，能夠讓學生更加深入的理解設(shè)計與建造的互動關(guān)系，形成完備的知識積累。

2 課程目的和教學策略

參數(shù)化“設(shè)計-建造”課程是煙臺大學建筑學院建筑學專業(yè)二年級中的一門主干課，共32課時。作為該年級的最后一個設(shè)計題目，課程基于“設(shè)計-建造”的整體來思考建筑基礎(chǔ)問題，起著承上啟下的作用，即整合先前所訓練的單一維度知識，并為之后銜接的高年級專業(yè)設(shè)計奠定更為全面的設(shè)計思維基礎(chǔ)。

基于二年級學生的學情特點，課程明確以空間作為核心串聯(lián)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，并采用階段性分解練習的教學策略，圍繞結(jié)構(gòu)、空間和構(gòu)造三個不同的訓練主題展開教學實踐，即結(jié)構(gòu)可視化、空間可操作、構(gòu)造可加工三個模塊，進行深入、全面且有針對性的系統(tǒng)訓練。一方面，將設(shè)計與建造的多種要素加以分解，更利于教學及學習焦點的明確;另一方面，各模塊雖然相對獨立，但在思考出發(fā)點和最終目的上是相互聯(lián)系與牽制的。通過上述循序漸進的不同模塊設(shè)置，挖掘結(jié)構(gòu)空間的生成想象力，有效訓練建筑形式的塑造能力，加強真實建造的親身體驗，讓學生逐步掌握和綜合建筑“設(shè)計-建造”的基本關(guān)系，從而引導學生從建筑本體出發(fā)，建立設(shè)計與建造一體化的建筑系統(tǒng)思維。

3 課程教學過程

3.1 結(jié)構(gòu)可視化模塊：基于結(jié)構(gòu)圖解的空間生成

力學合理性是建筑建造實現(xiàn)的核心目標之一，基于這一共識，結(jié)構(gòu)教學在建筑教育中有著重要地位，但由于一直被視作建筑學中的純技術(shù)課程，不僅無法引起學生足夠的興趣，更是長期以來與設(shè)計課程缺乏有效的關(guān)聯(lián)。因此，如何讓低年級學生既能避免枯燥復雜的結(jié)構(gòu)原理，又能達到培養(yǎng)建筑結(jié)構(gòu)一體化思維的目的，則成為課程需要首先解決的問題。為此，課程引入?yún)?shù)化軟件平臺，以直觀、動態(tài)的結(jié)構(gòu)圖解將力學效率直接對應于結(jié)構(gòu)的幾何空間，從而讓學生在“形”與“力”互動的反饋過程中，有效地觀察和理解兩者的關(guān)聯(lián)性。為了突出這一訓練重點，課程的第一模塊為基于結(jié)構(gòu)圖解的空間生成，而結(jié)構(gòu)形態(tài)如何影響空間生成是該模塊需要學生解答的關(guān)鍵問題。

該模塊依次分為兩個訓練階段，第一階段為建筑結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計理論講解，通過不同時期、不同類型的經(jīng)典建筑案例闡述，引導學生理解結(jié)構(gòu)空間與建筑形式的關(guān)系，即兩者并不是脫離和對立的，而是相輔相成的存在，從而認知到結(jié)構(gòu)空間所能帶來的建筑形式創(chuàng)造潛力。第二階段則為基于結(jié)構(gòu)圖解的參數(shù)化設(shè)計方法教授，該階段以參數(shù)化建模軟件Kangaroo為操作工具，以薄殼這一特定結(jié)構(gòu)類型為操作對象，借助可視化的參數(shù)化結(jié)構(gòu)圖解，使得結(jié)構(gòu)對空間的影響效果變得直觀，更為重要的是，能夠讓學生觀察到不同結(jié)構(gòu)約束對應的空間幾何形式，從而根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)約束生成豐富多樣的空間形態(tài)，而不只是出于美學的考慮。在上述教學的基礎(chǔ)上，該階段最終要求學生對結(jié)構(gòu)約束進行自由組合，以充分挖掘不同的造型可能性（圖1），強調(diào)結(jié)構(gòu)變化帶來空間體驗的不同感受，逐步建立基本的力學生形的建筑設(shè)計思維方式。

3.2 空間可操作模塊：基于結(jié)構(gòu)空間的建筑轉(zhuǎn)化

可操作模塊是課程教學中重要的一環(huán)，也是進入實質(zhì)性建筑設(shè)計階段的開始。對于建筑的最終形式而言，它不僅是回應結(jié)構(gòu)對于建筑的挑戰(zhàn)，更是如何將結(jié)構(gòu)空間自然地融入到建筑學范疇，并且與建筑概念、功能和審美整合一起的結(jié)果，這也是可操作模塊重點需要解決的問題。在該模塊中，要求學生根據(jù)指定任務書完成從結(jié)構(gòu)空間到建筑形式的轉(zhuǎn)化任務，并鼓勵學生發(fā)展對于尺度、場所、體驗等建筑學本質(zhì)概念的認知，從而將建筑形式和結(jié)構(gòu)空間真正的融合。通過這一模塊的訓練，旨在讓學生理解只有結(jié)構(gòu)與人體尺度、具體功能、空間美學等一系列內(nèi)容的結(jié)合，才是獲取建筑形式的真正來源。

在上述新的條件下，對結(jié)構(gòu)空間的討論也需要重新回到對具體場地和功能的關(guān)注。為了突出“設(shè)計-建造”整合這一主題，課程任務書簡化了其他設(shè)計內(nèi)容，將場地設(shè)置為煙臺大學校內(nèi)的一公共廣場，要求為其設(shè)計用于表演的舞臺構(gòu)筑物，兼顧休憩、停留等簡單功能。這一課題既清晰地界定出建筑的功能要求，又留有與結(jié)構(gòu)空間的調(diào)整余地，為兩者之間的關(guān)聯(lián)和互動提供了良好的契機。課程首先要求學生通過現(xiàn)場調(diào)研，以了解場地環(huán)境以及周邊人群等情況，然后提出確切的設(shè)計概念，該概念需結(jié)合可視化模塊中的結(jié)構(gòu)空間進行綜合考慮，并在設(shè)計成果中相應表達。在此基礎(chǔ)上，學生需要推敲整個形式的空間體驗、光影效果等，例如為了行人穿越，需要增加結(jié)構(gòu)空間的高度，同時減少錨固約束;為了獲取多樣性空間的體驗感，則需要變化和組合多種結(jié)構(gòu)約束等等，這種從建筑設(shè)計出發(fā)，高度整合空間、結(jié)構(gòu)、流線、環(huán)境等多個彼此關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，能夠幫助學生提出創(chuàng)造性地解決方案，最終實現(xiàn)建筑形式的塑造（圖2）。

3.3 構(gòu)造可加工模塊：基于數(shù)字模型的實體搭建

不同于高年級的數(shù)字化建造教學訓練，可加工模塊除了貫徹“設(shè)計-建造”整合的教學目的，更要考慮低年級學生的實際知識情況，因而必須從建造層面進行簡化。在該模塊中，以易加工的瓦楞紙作為加工材料，并以基礎(chǔ)的激光切割機作為加工工具，從而便于低年級學生的學習與使用。該模塊旨在讓學生通過親身參與整個實體的搭建過程，逐步理解數(shù)字模型和物質(zhì)建造之間的融合，進而對設(shè)計與建造有一個全面而系統(tǒng)的認識。

可加工模塊包含兩部分內(nèi)容，首先是面向建造的數(shù)字化三維模型構(gòu)建，這是由于建筑形式不僅是在虛擬環(huán)境中不同需求的操作結(jié)果，還受現(xiàn)實物理環(huán)境中加工材料與工具的種種約束。在該階段中，要求學生針對瓦楞紙材料的可能加工方式進行探索，并研究和明確最終實體搭建的類型、材料和構(gòu)造方式，而這些都必須如實地反映到數(shù)字模型上，以便于后續(xù)加工與數(shù)控設(shè)備的直接對接。這一階段實質(zhì)是對前兩個模塊成果的檢驗，部分方案可能會由于形態(tài)過于復雜而需要進行調(diào)整，否則無法實現(xiàn)最初的設(shè)計概念。其次是最終的實體搭建，將上述建構(gòu)的數(shù)字模型通過參數(shù)化輸出，直接由激光切割機加工后，由學生親手完成最終的搭建，這一過程是對設(shè)計的真實模擬和現(xiàn)實還原，讓學生通過動手真切地獲得身體體驗，包括心理、空間、尺度、材料等（圖3）。

4 結(jié)束語

建筑設(shè)計是一種多因素介入的智性組織行為，而這與本質(zhì)為物質(zhì)生產(chǎn)的建造活動存在矛盾是不可避免的，二者間的互動關(guān)系是一種博弈，讓學生認識到這一點，正是本次設(shè)計基礎(chǔ)課程實驗的初衷。借助直觀、易操作的參數(shù)化技術(shù)，課程嘗試更為本體的“設(shè)計-建造”基礎(chǔ)教學，對于以建筑類型教學為主導的現(xiàn)行體系是一種有益的補充，能夠激發(fā)學生專業(yè)探索的欲望，為以后更加復雜的建筑設(shè)計奠定基礎(chǔ)。此外，建立學生思辨思維更是未來課程方案的改革關(guān)鍵，隨著科學的發(fā)展、技術(shù)的進步以及多學科的交叉融合，不斷產(chǎn)生的新知識都將給建筑教育帶來挑戰(zhàn)，在這一現(xiàn)實條件下，面對建筑中彼此關(guān)聯(lián)卻常常相互矛盾的種種需求，引導學生對設(shè)計成果進行直接檢驗、反思和調(diào)整，并不斷拓展知識視野和專業(yè)邊界，以實現(xiàn)對各種可能性的思辨性表達，或?qū)⑹翘岣咴O(shè)計獨創(chuàng)性和融入時代的一種有效途徑。

參考文獻

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[3]Mesnil R，et al.Structural Morphology and Performance of Plated Structures with Planar Quadrilateral Facets[J].Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures，2017（58）：7-22.

[4]陳中高，吉國華，隋杰禮.建造驅(qū)動下的數(shù)字化設(shè)計教學總結(jié)與思考[J].裝飾，2017（11）：112-114.

[定稿日期]2021-04-15

[基金項目]山東省社會科學規(guī)劃項目（項目編號：Z1DWYJ20）;2019年煙臺大學教學改革研究項目（項目編號：jyxm2019027）

[作者簡介]陳中高（1988～），男，博士，講師，研究方向為數(shù)字建筑與CAAD;于英（1974～），女，博士，副教授，研究方向為城鄉(xiāng)規(guī)劃教育。

[通信作者]張曉云（1989～），女，本科，講師，研究方向為藝術(shù)設(shè)計。