從“圖解—建構(gòu)”到“性能—生成”的融合式教學(xué)研究
——湖南大學(xué)四年級(jí)建筑設(shè)計(jì)教學(xué)

劉爾希 | Liu Erxi

1 線性教學(xué)模式的局限

在以往的高年級(jí)建筑設(shè)計(jì)教學(xué)中，一種較為傳統(tǒng)的方法是從總圖關(guān)系開(kāi)始，在總圖及環(huán)境中推敲體量關(guān)系，之后依據(jù)任務(wù)書(shū)，以房間為單位塊布置建筑內(nèi)部功能[1]，然后建筑根據(jù)平面生成三維體量，設(shè)計(jì)由平面推演階段進(jìn)入造型推敲階段，這是一種線性發(fā)展的教學(xué)模式；另一種線性路徑則從概念造型出發(fā)，得到一個(gè)比較理想的形式再將功能、結(jié)構(gòu)與之匹配，也就是在已確定的外殼中塞進(jìn)功能及結(jié)構(gòu)的做法。兩種方式能得到普及，說(shuō)明它有一定的優(yōu)勢(shì)，并可適應(yīng)某些特定的設(shè)計(jì)任務(wù)，看似合理高效卻忽略了設(shè)計(jì)教學(xué)中的復(fù)雜性。這類(lèi)方法將生態(tài)、結(jié)構(gòu)等技術(shù)要素作為被動(dòng)的檢驗(yàn)手段，而無(wú)法使其成為形式和空間生成的原生動(dòng)力；其次，建筑設(shè)計(jì)一般需要有一個(gè)在多類(lèi)問(wèn)題之間不停來(lái)回推導(dǎo)解決路徑的過(guò)程，如果將設(shè)計(jì)中所面對(duì)的元素過(guò)于分裂地對(duì)待，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果難以達(dá)到多方完美的狀態(tài)[1]。從結(jié)果上來(lái)看，呈現(xiàn)出實(shí)用主義和奇觀主義的傾向，前者使建筑過(guò)度簡(jiǎn)化和受限，后者過(guò)度娛樂(lè)和戲劇化。因而這兩種模式并不適用于以技術(shù)綜合為特點(diǎn)的大型復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)，高年級(jí)建筑設(shè)計(jì)教學(xué)需要全面而系統(tǒng)的非線性方法指導(dǎo)。

2 湖南大學(xué)建筑學(xué)院四年級(jí)教學(xué)特點(diǎn)

2.1 在教學(xué)序列中的位置及課程特點(diǎn)

在湖南大學(xué)建筑學(xué)院四年級(jí)建筑設(shè)計(jì)的前序課程圍繞建筑設(shè)計(jì)教學(xué)為中心軸“一軸兩翼”的模式展開(kāi)（圖1）。一年級(jí)的形式與認(rèn)知、二年級(jí)的空間與環(huán)境、三年級(jí)的建構(gòu)與營(yíng)造，四年級(jí)的教學(xué)主題是技術(shù)與綜合，教學(xué)分為上學(xué)期的高層建筑設(shè)計(jì)與下學(xué)期的大跨度觀演建筑設(shè)計(jì)。兩類(lèi)建筑有相似和互補(bǔ)之處。首先都具有復(fù)雜的功能和流線，特殊的空間和特定的技術(shù)難度，強(qiáng)調(diào)綜合能力的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)要應(yīng)對(duì)功能、城市、規(guī)范、規(guī)劃條件等諸多挑戰(zhàn)，消除建筑空間概念與制約條件之間的矛盾。其次，大體量建筑對(duì)于生態(tài)、能耗等環(huán)境響應(yīng)也有較高要求。再次，向高空發(fā)展的高層建筑和水平延展的大跨度建筑都具有超常尺度，在考慮建筑空間形態(tài)的創(chuàng)意及美感的同時(shí)，結(jié)構(gòu)的可行性與經(jīng)濟(jì)性也不可忽視。在過(guò)往的教學(xué)中，結(jié)合結(jié)構(gòu)建筑學(xué)知識(shí)，制作大尺度建構(gòu)模型，強(qiáng)化建筑與結(jié)構(gòu)的概念融合以及通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新去推動(dòng)建筑形態(tài)創(chuàng)新逐步形成四年級(jí)建筑設(shè)計(jì)教學(xué)的特色。

圖1 湖南大學(xué)建筑學(xué)院“一軸兩翼”專(zhuān)業(yè)課程體系及課程包

2.2 教學(xué)改革的出發(fā)點(diǎn)

以四年級(jí)下學(xué)期大跨度觀演建筑為例，在2006年—2016年近十年教學(xué)中，將跨度為16周的建筑設(shè)計(jì)課程分為兩個(gè)階段，大跨度模型建構(gòu)設(shè)計(jì)占8周，觀演建筑設(shè)計(jì)占8周。第一階段要求學(xué)生選擇某類(lèi)大跨結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如世博會(huì)場(chǎng)館等無(wú)復(fù)雜功能的大跨建筑空間。第二階段中，學(xué)生要在第一階段的成果上，按照特定任務(wù)書(shū)要求，完成一座劇院或體育館設(shè)計(jì)[2]。第一階段大跨度空間設(shè)計(jì)雖然一定程度上開(kāi)拓了學(xué)生的思維，卻停留在創(chuàng)意和視覺(jué)表現(xiàn)力的表層，并非完整綜合的建筑；第二階段觀演建筑設(shè)計(jì)成果在深度和完整度上欠缺。在近四年的改革中嘗試兩個(gè)階段合一，從構(gòu)思之初即要求學(xué)生整體考慮命題在空間、結(jié)構(gòu)和功能等各種制約條件。隨著問(wèn)題復(fù)雜度和知識(shí)范疇的增大，傳統(tǒng)線性教學(xué)思維暴露出如下弊端：①設(shè)計(jì)中亟待解決的各類(lèi)矛盾使得學(xué)生常常顧此失彼，比如關(guān)注平面功能合理性卻忽視了形態(tài)和空間的美感與新意，或是僅關(guān)注建筑外部環(huán)境而失去對(duì)室內(nèi)空間的把控等；②概念構(gòu)想轉(zhuǎn)譯為空間語(yǔ)言的過(guò)程中缺乏系統(tǒng)的方法指引，無(wú)法兼顧結(jié)構(gòu)和生態(tài)技術(shù)創(chuàng)新與概念的協(xié)調(diào)性；③對(duì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)的分析限于表層主觀判定，缺乏量化數(shù)據(jù)支撐，依賴(lài)直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的做法常產(chǎn)生誤判；④單向式的方案推進(jìn)模式，限制了對(duì)方案的反復(fù)比照和對(duì)最優(yōu)方案的探索，一旦方案基本形成，學(xué)生就很難再去探索其他設(shè)計(jì)路徑；⑤構(gòu)思受結(jié)構(gòu)條件束縛，探索形態(tài)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新遭遇瓶頸。因此在教學(xué)改革過(guò)程中，嘗試打破以總圖—各層平面—立面—三維為順序的單向進(jìn)階設(shè)計(jì)流程，破除各學(xué)科間的壁壘，采用往復(fù)漸進(jìn)融合式教學(xué)模式，消解建筑本體與結(jié)構(gòu)、生態(tài)等技術(shù)要素間的斷層，開(kāi)拓形態(tài)和空間探索的領(lǐng)域。以圖解—建構(gòu)，性能—生成的模式，形成從原型原理出發(fā)到直覺(jué)培養(yǎng)再回到理性探究的循環(huán)（圖2）。

圖2 設(shè)計(jì)思維過(guò)程的解析與教學(xué)步驟的對(duì)應(yīng)

3 各階段操作方法和技術(shù)路線

3.1 圖解

圖解（Diagram）是基于圖像說(shuō)明來(lái)分析設(shè)計(jì)要素內(nèi)在關(guān)系的系統(tǒng)[3]。設(shè)計(jì)教學(xué)先從設(shè)計(jì)問(wèn)題的圖解開(kāi)始，要求包括對(duì)問(wèn)題原型的提取、轉(zhuǎn)譯、推演、異化，問(wèn)題的解決辦法也以圖解表達(dá)，始終關(guān)注核心問(wèn)題，并確保邏輯推演的合理與連貫。

教學(xué)上將圖解的內(nèi)容分解為4個(gè)部分：形態(tài)、主要空間、受力分析、人的體驗(yàn)（圖3）。形態(tài)圖解以軸測(cè)圖方式表達(dá)；主要空間以透視和軸測(cè)表達(dá)；受力分析以剖面和靜力學(xué)圖解表達(dá)；人的體驗(yàn)以敘事性劇本展開(kāi)，以插畫(huà)拼貼方式表達(dá)，要簡(jiǎn)約抽象避免具象。圖解使得設(shè)計(jì)面臨的眾多問(wèn)題能以簡(jiǎn)潔直觀的方式呈現(xiàn)，便于梳理問(wèn)題彼此間的關(guān)聯(lián)，找到可以兼顧各方訴求的解決途徑，是對(duì)綜合與提煉能力的訓(xùn)練（表1）。

圖3 觀演建筑設(shè)計(jì)中的空間圖解

表1 圖解內(nèi)容及要求

圖解的4個(gè)部分需與概念與功能匹配，相互之間也密切關(guān)聯(lián)。比如由外部形態(tài)與室內(nèi)空間的連續(xù)性，空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)受力的合理性。體驗(yàn)是形態(tài)、空間、結(jié)構(gòu)等外部要素結(jié)合建筑的功能用途經(jīng)過(guò)人體感知后的心理投射。人們習(xí)慣于將空間與其承載的生活體驗(yàn)作為一個(gè)集合整體來(lái)考察[4]。因而體驗(yàn)設(shè)計(jì)是空間設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)。圖解表達(dá)的重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的推演和過(guò)程，避免直接輸出結(jié)果。圖解教學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)過(guò)程，使圖解成為空間推演和思考的工具，而不是事后的解析與說(shuō)明（圖3）。

3.2 建構(gòu)

此階段以圖解階段的成果為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)體模型搭建，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)調(diào)整改進(jìn)方案。建構(gòu)模型應(yīng)真實(shí)反映建筑的受力原理和空間關(guān)系，比如節(jié)點(diǎn)應(yīng)體現(xiàn)出受拉或是受壓不同受力狀態(tài)下的不同構(gòu)造措施。通過(guò)對(duì)建構(gòu)模型施力，觀察其形變和破壞，調(diào)整受力薄弱位置的構(gòu)件使其達(dá)到模型整體受力的穩(wěn)定和強(qiáng)度。模擬搭建可以暴露繪圖表達(dá)容易忽略的問(wèn)題，如：建造方法、節(jié)點(diǎn)措施、材料性能、力學(xué)作用、尺度比例、動(dòng)態(tài)構(gòu)件等（圖4～5）。

圖4 大跨度劇院屋頂懸?guī)ЫY(jié)構(gòu)受力原理分析，實(shí)物建構(gòu)驗(yàn)證及節(jié)點(diǎn)建構(gòu)模擬

圖5 傘狀可活動(dòng)開(kāi)啟遮陽(yáng)表皮建構(gòu)（左：模擬效果 中：圖解分析 右：1∶10模型建構(gòu)）

3.3 性能

建筑性能化設(shè)計(jì)將高年級(jí)建筑設(shè)計(jì)教學(xué)與建筑物理以及建筑設(shè)備相關(guān)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。要求將結(jié)構(gòu)體系、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、遮陽(yáng)構(gòu)件、太陽(yáng)輻射、視線分析、噪聲分析等技術(shù)知識(shí)靈活運(yùn)用與設(shè)計(jì)，并通過(guò)定量到定性的分析佐證。在設(shè)計(jì)課的前5周同步開(kāi)設(shè)可持續(xù)建筑技術(shù)和生態(tài)建筑模擬軟件課，使學(xué)生掌握ANSYS CFX（Fluent）、Ecotect、Cadna/a、Grasshopper等工具軟件,掃除軟件使用障礙。優(yōu)化的過(guò)程還可與參數(shù)化模型的形態(tài)生成和自動(dòng)調(diào)整相關(guān)聯(lián)，形成“性能—生成”的連貫操作（圖6）。

圖6 大跨度劇院通過(guò)圖解產(chǎn)生的空間意向，進(jìn)一步模擬計(jì)算不同屋面形式下屋面風(fēng)壓力和風(fēng)吸力的壓差變化，對(duì)大跨度建筑屋面分割的大小、角度及高度優(yōu)化，生成最終形態(tài)

3.4 生成

在當(dāng)前的生成性設(shè)計(jì)實(shí)踐中，由于計(jì)算的普遍性和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的進(jìn)步，將性能行為集成到生成性模型中已成為一種前景[5]。將方案成型后被動(dòng)的性能校驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的性能生形使得技術(shù)與方案的結(jié)合更為緊密。采用一個(gè)集合的參數(shù)化模型，利用Grasshopper下的各類(lèi)模擬插件來(lái)獲取實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)反饋。比如通過(guò)力流路徑自動(dòng)生形（圖7），建立體素（Voxelization）模型，在確定的頂部曲面荷載和平面落地支座位置條件下，程序自動(dòng)計(jì)算力流傳遞路徑，得出材料密度分布。抽離材料密度小的區(qū)域形成建筑內(nèi)部空間，生成滿(mǎn)足建筑使用和建筑外形要求的理想結(jié)構(gòu)空間。進(jìn)一步驗(yàn)算結(jié)構(gòu)桿件的內(nèi)力分布，對(duì)超過(guò)許用應(yīng)力值的桿件加大截面尺寸，對(duì)應(yīng)力值過(guò)小的桿件則縮小截面或直接消減。最終得到滿(mǎn)足材料強(qiáng)度、撓度以及經(jīng)濟(jì)用鋼量要求的多目標(biāo)優(yōu)化方案。還可利用Octopus遺傳算法插件找尋多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的帕累托最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)生形。

圖7 通過(guò)力流路徑自動(dòng)生形方案

4 教學(xué)組織及各階段的難點(diǎn)

4.1 圖解階段難點(diǎn)

首先，如何從具象化的概念原型中抽象提取圖式原型和原理，并最大限度地保留特點(diǎn)。困難在于脫離不了具象或是在轉(zhuǎn)譯過(guò)程中偏離主旨。如高層建筑設(shè)計(jì)從非洲蟻穴的特征發(fā)展出高層建筑的基本通風(fēng)結(jié)構(gòu)，圖解第一步是對(duì)復(fù)雜蟻穴的空間特征提煉，它需要厘清蟻穴通風(fēng)的原理，并對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行取舍。其二，平衡原型空間與建筑空間的矛盾是圖解的第二個(gè)難點(diǎn)，小組最初想依循蟻穴的通風(fēng)原理在中庭垂直通風(fēng)通道上分出側(cè)旁通風(fēng)巷道，卻會(huì)阻斷建筑內(nèi)部水平交通而無(wú)法實(shí)現(xiàn)，此時(shí)就需要對(duì)圖解進(jìn)一步調(diào)整找到替代方案。其三是對(duì)室內(nèi)空間與體驗(yàn)的圖解既缺乏經(jīng)驗(yàn)又長(zhǎng)期忽視。因培養(yǎng)室內(nèi)外空間的一體化設(shè)計(jì)意識(shí)尤為重要，并以劇本設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行體驗(yàn)設(shè)計(jì)，例如在高層建筑中針對(duì)不同人群的行為和偏好設(shè)計(jì)差異體驗(yàn)空間。

4.2 建構(gòu)階段難點(diǎn)

實(shí)體模型是用來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)合理性與否的一個(gè)很好的媒介。建構(gòu)強(qiáng)調(diào)建造的真實(shí)性，尺度、節(jié)點(diǎn)和材料應(yīng)基本遵循真實(shí)建造的原則。建構(gòu)模型的目的不僅是效果呈現(xiàn)而是通過(guò)模型發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尤其是受力傳力、形變和節(jié)點(diǎn)牢固度這類(lèi)在數(shù)字模型中不易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題（圖8～9）。這一階段的難點(diǎn)在于模型應(yīng)能快速建造和便于調(diào)整，從體量到節(jié)點(diǎn)的分階段細(xì)化，能區(qū)分諸如剛接、鉸接等傳力差別并忠實(shí)地在模型中反映出來(lái)，因而需要避免模型對(duì)受力狀態(tài)含混不清的表達(dá)，比如越來(lái)越多使用全3D打印模型被認(rèn)為不足以表達(dá)建構(gòu)細(xì)節(jié)和力學(xué)特性而被限制使用。通過(guò)手觸模型模擬荷載作用時(shí)，剛度偏大的模型自重及柔韌性相對(duì)較差，意味著結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)。相反，剛度偏小的模型結(jié)構(gòu)變形較大，意味著結(jié)構(gòu)材料不足[6]。

圖8 通過(guò)建構(gòu)發(fā)現(xiàn)懸索的邊緣錨固問(wèn)題，通過(guò)拱形結(jié)構(gòu)代替桁架充分發(fā)揮出結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)同時(shí)完善建筑形態(tài)（左側(cè)為優(yōu)化后，右側(cè)為優(yōu)化前）

圖9 從平面圖解到三維圖解再到結(jié)構(gòu)體系建構(gòu)，通過(guò)建構(gòu)發(fā)現(xiàn)支撐桿件應(yīng)力集中突變的結(jié)構(gòu)不利點(diǎn)

4.3 性能模擬階段的難點(diǎn)

參數(shù)化模型性能模擬的優(yōu)勢(shì)在于足夠數(shù)量的比照樣本，形成參數(shù)調(diào)整—形態(tài)生成—模擬計(jì)算—比對(duì)結(jié)果—參數(shù)調(diào)整的循環(huán)。如何通過(guò)設(shè)計(jì)策略解決性能優(yōu)化的問(wèn)題是這一階段的核心，比如同樣為了減少日照得熱，如果是傳統(tǒng)的性能優(yōu)化后驗(yàn)多通過(guò)立面遮陽(yáng)構(gòu)件解決，但如將性能優(yōu)化提前到早期的體量推演階段，則可通過(guò)形體自遮陽(yáng)、較少受光面等措施解決。此外，性能模擬的結(jié)果可能和美學(xué)、功能等要求沖突，這需要培養(yǎng)學(xué)生判斷力，作出取舍，找到平衡矛盾的方法，這正是高年級(jí)建筑設(shè)計(jì)課所需要培養(yǎng)的綜合能力。

4.4 生成階段的難點(diǎn)

由于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)空間美學(xué)能力培養(yǎng)的倚重，學(xué)生的空間形象思維能力較強(qiáng)，而編程等抽象邏輯思維能力較弱。而以性能為導(dǎo)向的空間生成需要一套運(yùn)算邏輯。目前我們可以通過(guò)一些遺傳算法軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助形態(tài)生成從而避開(kāi)復(fù)雜的編程語(yǔ)言，但如何將決定空間形態(tài)的邏輯、功能、行為、美學(xué)等訴求變?yōu)閿?shù)理邏輯，這其中所需的思維轉(zhuǎn)換和經(jīng)驗(yàn)是目前教育背景下建筑學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生所欠缺的。

4.5 教學(xué)時(shí)序的調(diào)整

根據(jù)教改目標(biāo)調(diào)整了教學(xué)進(jìn)程，以四年級(jí)下學(xué)期的大跨度觀演建筑為例（表2）。教學(xué)進(jìn)程的優(yōu)化圍繞教學(xué)目標(biāo)和效果調(diào)整。作業(yè)設(shè)置由原來(lái)的大跨度空間和觀演建筑兩個(gè)題目整合為一個(gè)，設(shè)計(jì)小組以?xún)扇私M成，設(shè)計(jì)過(guò)程中穿插軟件教學(xué)、規(guī)范知識(shí)點(diǎn)考試、中期的結(jié)構(gòu)專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)。盡量把書(shū)本知識(shí)點(diǎn)、軟件運(yùn)用、工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合到具體的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，使學(xué)生掌握大型公共建筑的設(shè)計(jì)要領(lǐng)。

表2 教學(xué)進(jìn)程安排

結(jié)語(yǔ)

從結(jié)果來(lái)看，杜絕了追求奇觀形態(tài)或是為了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新而去拼湊結(jié)構(gòu)類(lèi)型的做法，呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)作品更為落地和嚴(yán)謹(jǐn)（圖10～11）。學(xué)生通過(guò)圖解、建構(gòu)、性能、生成的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，將結(jié)構(gòu)、生態(tài)等技術(shù)條件融合到建筑的空間與體驗(yàn)設(shè)計(jì)中，并將技術(shù)作為創(chuàng)作的激發(fā)點(diǎn)開(kāi)拓新的領(lǐng)域。

圖10 校園影劇院設(shè)計(jì)《立石館集合群》

圖11 最終設(shè)計(jì)成果體現(xiàn)出形態(tài)、建構(gòu)，結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化的創(chuàng)新結(jié)合

資料來(lái)源：

圖1：徐峰提供；

圖3：王媛提供；

圖4，圖10：梁祝，何逸倫提供；

圖5：胡婉婷，夏心玉提供；

圖6：譚季茹，張智嵐提供；

圖7：李磊提供；

其余圖表均為作者自繪自攝。