參與式行動研究（PAR）模式下大跨度建筑設(shè)計教學(xué)探索
——以彈性網(wǎng)殼和張拉膜結(jié)構(gòu)為例

王思寧 | Wang Sining

建筑學(xué)有別于傳統(tǒng)意義上的工科，包含自然科學(xué)和社會科學(xué)等多領(lǐng)域知識范疇，與文、理、工等學(xué)科有廣泛交集。建筑學(xué)教育應(yīng)更注重各層級知識與物質(zhì)現(xiàn)實的多維度作用，培養(yǎng)學(xué)生知識素養(yǎng)的寬闊度和多樣性，關(guān)注設(shè)計對象與動態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)，強調(diào)創(chuàng)造行為在物質(zhì)空間的合理性[1]。傳統(tǒng)建筑學(xué)設(shè)計教學(xué)圍繞課程任務(wù)書展開，學(xué)生設(shè)計能力發(fā)展受課程既定目標(biāo)、教師教學(xué)方法和教師自身專業(yè)素質(zhì)等因素影響，不利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主能動性。相比之下，基于問題學(xué)習(xí)（Problem-based Learning）的模式主張學(xué)生與教師共同構(gòu)建知識，引導(dǎo)學(xué)生成為知識的發(fā)現(xiàn)者和傳輸者[2]。參與式行動研究（Participatory Action Research，PAR）是基于問題學(xué)習(xí)的一種方法，以結(jié)構(gòu)化的“邊學(xué)邊做”策略開展實驗研究，并建立以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)環(huán)境，模糊師生界限[3]。在過去5年里，筆者相繼參與了香港中文大學(xué)和蘇州大學(xué)針對基于問題學(xué)習(xí)的設(shè)計教學(xué)模式探索，以彈性網(wǎng)殼和張拉膜等大跨度輕型結(jié)構(gòu)為教學(xué)樣本，結(jié)合力學(xué)找形技術(shù)和物理模型實驗，引導(dǎo)學(xué)生通過不斷試錯與修正增進(jìn)相關(guān)設(shè)計知識。

1 PAR模式的教學(xué)原理

Linda Groat和David Wang定義建筑學(xué)PAR模式是通過實驗研究和設(shè)計迭代產(chǎn)生并積累知識[3]。據(jù)此，Christiane Herr進(jìn)一步提出PAR模式有助于學(xué)者突破傳統(tǒng)自然科學(xué)和社會科學(xué)的研究方法，以貼近設(shè)計學(xué)自然屬性的方式達(dá)到實驗?zāi)康腫4]。PAR模式下建筑設(shè)計教學(xué)以學(xué)生為中心，學(xué)生的主觀決策和主觀能動性成為設(shè)計研究發(fā)展的驅(qū)動力，引導(dǎo)其逐步認(rèn)知、反思和積累相關(guān)專業(yè)知識，尋求設(shè)計問題的解決策略。

建筑學(xué)實踐特性決定了設(shè)計探索無法脫離材料、力學(xué)和結(jié)構(gòu)等物質(zhì)現(xiàn)實獨立開展，而現(xiàn)實局限性時常會對建筑學(xué)認(rèn)識產(chǎn)生沖擊，左右設(shè)計創(chuàng)造方向。PAR模式強調(diào)學(xué)生針對特定設(shè)計問題展開分析，通過試錯調(diào)整設(shè)計方向、策略和技法，在設(shè)計知識的過程中形成最終方案。行動研究包含“計劃”（plan）、“執(zhí)行”（act）、“觀察”（observe）和“反饋”（reflect）4個循環(huán)式學(xué)習(xí)步驟（圖1）。其中“計劃”和“執(zhí)行”強調(diào)通過實踐對現(xiàn)狀做出改變與提升，以“試錯”方式發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，提出潛在修正方案?！坝^察”和“反饋”是構(gòu)建循環(huán)式學(xué)習(xí)機制的關(guān)鍵，倡導(dǎo)學(xué)生針對當(dāng)下設(shè)計實驗進(jìn)行剖析（self-analysis）、評估（evaluate）和解讀（interpret）[5-6]。

圖1 PAR模式下的循環(huán)式學(xué)習(xí)步驟

2 大跨度建筑設(shè)計教學(xué)

隨著建構(gòu)主義（Tectonism）思想逐漸深入建筑設(shè)計教學(xué)，從結(jié)構(gòu)理性和材料性能出發(fā)培養(yǎng)學(xué)生對建構(gòu)美學(xué)的認(rèn)知，訓(xùn)練數(shù)字化設(shè)計的能力，已成為部分建筑院校教學(xué)改革的重點。大跨度建筑結(jié)構(gòu)體系邏輯鮮明，功能布局相較獨立，便于學(xué)生針對結(jié)構(gòu)設(shè)計問題和設(shè)計變量進(jìn)行研究探索[7-8]。教師基于PAR模式的反思性實踐特點，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，通過循環(huán)式學(xué)習(xí)得到合理的結(jié)構(gòu)形式。

2.1 教學(xué)目標(biāo)

筆者參與的大跨度建筑教學(xué)分別面向碩士一年級和本科三、四年級學(xué)生。課程以大跨度建筑結(jié)構(gòu)為主要教學(xué)目標(biāo)，將“作用力”和“材料”作為關(guān)鍵詞，旨在培養(yǎng)學(xué)生運用物理模擬引擎（Physics Simulation Engine）結(jié)構(gòu)找形，依據(jù)結(jié)構(gòu)受力邏輯選擇適當(dāng)材料，并制作比例實體模型開展行動研究和反思性實踐。通過反復(fù)比對數(shù)字模型和實體模型之間的形態(tài)差異，逐步熟知材料特性和結(jié)構(gòu)性能，掌握大跨度建筑結(jié)構(gòu)的空間設(shè)計技法。

圍繞“作用力”和“材料”兩個關(guān)鍵詞，課程教學(xué)分三個階段性目標(biāo)（圖2）：第一階段為結(jié)構(gòu)原型認(rèn)知，弱化建筑功能設(shè)計，基于對結(jié)構(gòu)形式的前期研究制作一系列比例實體模型，增加學(xué)生對材料、結(jié)構(gòu)形體和空間的基礎(chǔ)性了解。第二階段為數(shù)字化流程構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生使用參數(shù)化設(shè)計工具Rhinoceros Grasshopper、物理模擬引擎Kangaroo和有限元分析工具Karamba3D的能力。整合力學(xué)找形、結(jié)構(gòu)分析以及模型制作數(shù)據(jù)輸出的相應(yīng)步驟，構(gòu)建完整的數(shù)字化“設(shè)計—制作”流程。第三階段為建筑設(shè)計探索，學(xué)生結(jié)合前期研究成果開展設(shè)計迭代實驗，探索結(jié)構(gòu)形式、性能、材料與建筑空間、造型、功能之間的耦合方式，最終完成課程設(shè)計任務(wù)。三個階段性教學(xué)目標(biāo)為開展PAR模式下的循環(huán)式學(xué)習(xí)搭建框架，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)和反思設(shè)計問題，通過試錯修正相應(yīng)的解決方案。

圖2 大跨度建筑設(shè)計課階段性教學(xué)目標(biāo)

2.2 教學(xué)實驗

大跨度建筑設(shè)計教學(xué)從“執(zhí)行”入手，學(xué)生通過制作結(jié)構(gòu)原型模型，認(rèn)知結(jié)構(gòu)內(nèi)部作用力與材料性能關(guān)系，挖掘結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計潛力。第一階段教學(xué)包括結(jié)構(gòu)控制變量的認(rèn)知環(huán)節(jié)和結(jié)構(gòu)形態(tài)的測試環(huán)節(jié)。以彈性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例，該階段的設(shè)計教學(xué)弱化建筑功能和場地。教師要求學(xué)生采用竹材制作一系列幾何形式單一的殼體原型模型（圖3），研究不同截面竹材的彎曲性能、桿件節(jié)點以及桿件與地面的固定方式；同時測試網(wǎng)殼表面曲率與材料極限的關(guān)系、網(wǎng)殼幾何形式與固定邊界的聯(lián)系、網(wǎng)殼表面開洞對殼體結(jié)構(gòu)強度的影響等。通過“觀察”不同結(jié)構(gòu)形式的利弊，反思和總結(jié)設(shè)計問題。第二階段的數(shù)字化流程教學(xué)包括結(jié)構(gòu)模擬找形環(huán)節(jié)和模型制作數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)，是關(guān)聯(lián)各階段教學(xué)目標(biāo)以及推動學(xué)生PAR循環(huán)式學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。該階段教師輔導(dǎo)學(xué)生將前期實體模型實驗積累“反饋”為數(shù)字模型，明確數(shù)字化設(shè)計流程的邏輯思路和相應(yīng)參數(shù)變量種類；利用有限元分析工具優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，以此“計劃”下一輪實驗方案，并相應(yīng)導(dǎo)出實體模型制作所需相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 彈性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)原型認(rèn)知

學(xué)生會在前兩個階段教學(xué)中經(jīng)歷一系列的“執(zhí)行”失敗，比如材料損壞或結(jié)構(gòu)失效。這正是循環(huán)式學(xué)習(xí)的必經(jīng)之路，通過“觀察”和“反饋”積累的設(shè)計知識與技能將為第三階段設(shè)計探索教學(xué)開展鋪墊。該階段教學(xué)注重引導(dǎo)學(xué)生解決具體建筑設(shè)計問題，憑借前期結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗和數(shù)字化設(shè)計平臺，探討建筑形式、結(jié)構(gòu)與功能的耦合，深化場地環(huán)境與構(gòu)造細(xì)部。設(shè)計探索階段學(xué)生的“試錯”周期相對較長，通過不斷比對建筑數(shù)字模型和實體模型之間差異，優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)找形的精度。隨著學(xué)生熟練掌握大跨度建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，教師角色逐漸淡化，從引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍唧w設(shè)計問題答疑探討，由學(xué)生主導(dǎo)設(shè)計走向。

3 教學(xué)案例

蘇州大學(xué)大跨度建筑教學(xué)課程面向三年級本科生，以蘇州大學(xué)獨墅湖校區(qū)二期為設(shè)計場地，擬面向在校師生建設(shè)一座占地面積約7000m2的多功能館，建筑功能自定。任務(wù)書要求學(xué)生從大跨度結(jié)構(gòu)選型出發(fā)，研究殼體、張拉膜、折板和空間網(wǎng)架等大跨度建筑結(jié)構(gòu)形式的受力及模型制作要點，掌握不同類型大跨度建筑的空間創(chuàng)造技法，契合大跨度建筑特有結(jié)構(gòu)形式梳理功能空間，規(guī)劃場地、景觀等設(shè)計要素。本文以學(xué)生作業(yè)中的彈性網(wǎng)殼和張拉膜結(jié)構(gòu)為例，著重介紹建筑設(shè)計探索階段PAR模式下的教學(xué)過程。

3.1 力學(xué)模擬找形

在設(shè)計探索階段，從“力學(xué)模擬找形”到相應(yīng)“實體模型制作”為一個學(xué)習(xí)循環(huán)。學(xué)生基于結(jié)構(gòu)找形算法，結(jié)合設(shè)計意象、平面功能排布和場地規(guī)劃等因素，詳盡結(jié)構(gòu)形態(tài)和相應(yīng)控制參數(shù)。其中，彈性網(wǎng)殼和張拉膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)模擬找形使用Grasshopper Kangaroo。前者結(jié)構(gòu)形態(tài)的主要控制參數(shù)包括平面網(wǎng)格的尺寸和朝向，以及作為網(wǎng)殼固定邊界的建筑外輪廓線。以此調(diào)控彈性網(wǎng)殼的幾何形式、表面曲率和結(jié)構(gòu)高度。后者主要的控制參數(shù)包括張拉膜彈性系數(shù)、懸掛點和地面錨點三維坐標(biāo)，由張拉膜重力和彈性共同作用形成連續(xù)順滑的曲面。圖4展示了以彈性網(wǎng)殼為結(jié)構(gòu)的劇院方案和以張拉膜為結(jié)構(gòu)的體育館方案力學(xué)找形界面。通過數(shù)字化模擬迭代，認(rèn)知結(jié)構(gòu)形式與建筑空間的關(guān)系。

圖4 彈性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（上）與張拉膜結(jié)構(gòu)（下）力學(xué)模擬找形

在力學(xué)找形流程中加入結(jié)構(gòu)分析步驟，將有助于縮短循環(huán)式學(xué)習(xí)的周期。學(xué)生采用有限元分析工具Karamba3D作為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)找形的輔助工具，可視化網(wǎng)殼桿件內(nèi)部所受拉力和壓力、桿件曲率以及結(jié)構(gòu)不同部位產(chǎn)生的形變量大小等。參數(shù)化模型“牽一發(fā)動全身”的特性有助于學(xué)生觀察結(jié)構(gòu)體系各控制參數(shù)間的相互作用關(guān)系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)分析工具反饋結(jié)果排除一部分非理性方案，降低實體模型制作難度。

3.2 實體模型制作

物理模擬引擎通過算法耦合結(jié)構(gòu)所受重力、荷載及相應(yīng)材料形變，為學(xué)生快速評價結(jié)構(gòu)合理性提供直觀依據(jù)。但Kangaroo等力學(xué)找形插件模擬精度尚且有限，結(jié)構(gòu)的真實形態(tài)仍需通過實體模型呈現(xiàn)。因此，“實體模型制作”是學(xué)生檢驗和修正設(shè)計參數(shù)的重要手段，最大程度上縮小虛擬與現(xiàn)實模型差異。圖4展示的彈性網(wǎng)殼與張拉膜結(jié)構(gòu)方案分別進(jìn)行了多輪實體模型實驗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性逐漸遞增，方案設(shè)計迭代過程中面臨的問題也不盡相同。

其中，彈性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方案著重探究桿件密度、材料截面尺寸與形狀對曲面成形難度的影響。學(xué)生前期選用竹篾作為模型材料，觀察和解析模型制作時遇到的困境，通過調(diào)整邊界形狀和局部增設(shè)開洞提高模型制作可行性，將實體模型實驗結(jié)果反饋回數(shù)字模型（圖5）。隨著方案逐輪優(yōu)化，模型制作材料由竹篾改為細(xì)竹簽，以此降低雙曲面網(wǎng)殼的制作難度。經(jīng)過4輪循環(huán)式學(xué)習(xí)，數(shù)字模型和實體模型之間的形體差異逐漸縮小，并增加對網(wǎng)殼構(gòu)造細(xì)部的探討，包括桿件綁扎方式、基礎(chǔ)錨固和邊界強化等方面。大跨度網(wǎng)殼建筑設(shè)計方案的最終成果參看圖6。

圖5 彈性網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方案的實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖6 大跨度彈性網(wǎng)殼建筑設(shè)計方案的最終模型

張拉膜結(jié)構(gòu)方案重點探索結(jié)構(gòu)形式與空間利用率的協(xié)調(diào)性。其結(jié)構(gòu)成形的特殊性決定了建筑內(nèi)部大空間，如場館用地和公共區(qū)域等上空需多個懸掛點將屋面張拉膜抬升至必要高度。學(xué)生可利用數(shù)字模型導(dǎo)出彈性材料拉伸前的裁剪邊界，但所選模型材料的真實彈性性能以及拉伸后的形變量仍需通過實體模型實驗觀察得到。

方案采用直桿件作為懸掛點的支撐構(gòu)件，以剛性圈梁固定張拉膜的邊界。直桿件與地面鉸接，以固定環(huán)與張拉膜連接，并采用拉索平衡張拉膜產(chǎn)生的側(cè)向拉力以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。除屋面張拉膜的形式之外，直桿件的位置和角度以及相應(yīng)拉索的數(shù)量也與建筑功能性息息相關(guān)。因此，該方案也經(jīng)歷了4輪PAR循環(huán)式學(xué)習(xí)。圖7展示了循環(huán)式學(xué)習(xí)過程中的實體模型實驗，涵蓋不同彈性材料對比、懸掛點高度和連接方式測試、屋面收邊及拉索形式探討等方面內(nèi)容。在每一輪實驗中，學(xué)生會對上述控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，觀察和評估結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、空間效率以及設(shè)計美學(xué)等要素。并將實體模型實驗測得數(shù)據(jù)反饋回數(shù)字模型，分析室內(nèi)外流線、功能排布和人體尺度等方面設(shè)計的合理性，以此指導(dǎo)數(shù)字模型的下一輪調(diào)整計劃。大跨度張拉膜建筑設(shè)計方案的最終成果參看圖8。

圖7 張拉膜結(jié)構(gòu)實體模型實驗

圖8 大跨度張拉膜建筑設(shè)計方案的最終模型

4 教學(xué)成果

除上述兩個案例外，其他結(jié)構(gòu)類型的大跨度建筑設(shè)計方案也采用了PAR循環(huán)式學(xué)習(xí)，學(xué)生通過實體模型和數(shù)字模型逐步推導(dǎo)符合設(shè)計需求的方案。選擇折板結(jié)構(gòu)的同學(xué)反復(fù)嘗試彎折方式，運用紙模探尋結(jié)構(gòu)形式多樣性與大空間功能合理性的有效結(jié)合，將彎折設(shè)計語言引入場地，讓下沉空間、地面景觀與建筑維護(hù)形成連續(xù)形態(tài)。選擇懸索結(jié)構(gòu)的同學(xué)注重承力主拱的創(chuàng)新性，利用兩品桁架交錯構(gòu)成穩(wěn)定的主體結(jié)構(gòu)。同時研究懸索屋面與建筑邊界的交接方式，加入弧形懸挑屋面和次拱平衡懸索結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縱向和側(cè)向拉力。選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的同學(xué)將體育場大空間與屋頂結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，創(chuàng)造形式上變化平順的上人屋面，緩解巨型結(jié)構(gòu)視線上的壓抑感（圖9）。

結(jié)語

參與大跨度建筑設(shè)計教學(xué)的5年來，筆者所在教學(xué)團(tuán)隊一直致力于推動基于問題學(xué)習(xí)建筑設(shè)計的模式。從大跨度建筑結(jié)構(gòu)類型出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生邊做邊學(xué)，關(guān)注建筑設(shè)計的物質(zhì)現(xiàn)實，針對結(jié)構(gòu)形式、材料特性、空間需求和構(gòu)造細(xì)節(jié)等方面展開探索。PAR模式作為基于問題學(xué)習(xí)的一種方法，著重培養(yǎng)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題和做出相應(yīng)設(shè)計決策的能力。借助當(dāng)下數(shù)字化設(shè)計工具，學(xué)生可快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)找形，配合以實體模型實驗，觀察反饋建筑設(shè)計的約束條件并做相應(yīng)調(diào)整。PAR模式強調(diào)循環(huán)式學(xué)習(xí)，在以往教學(xué)實踐中，學(xué)生需經(jīng)過4～5輪數(shù)字與實體模型對比實驗方能確定最終方案。該模式下教師角色逐漸淡化，在講授基本結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計邏輯基礎(chǔ)上，交由學(xué)生發(fā)揮自主能動性，通過不斷試錯和修正學(xué)習(xí)建筑設(shè)計知識。

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