在建筑学专业结构选型课中运用模型教学的思考

程然

一、引言

模型教学以其优越的表现力和可操作性，作为传统教学手段在建筑学专业得到广泛应用。尽管随着计算机虚拟模型技术的发展，实体模型的使用在建筑设计课程中的比重有所下降，但其直观的感受和视角的自由度依然是计算机模型难以替代的。然而，在建筑学专业基础课程结构选型中却难以见到模型教学的踪影，这是非常令人遗憾和费解的。这种现象的产生，主要是对结构选型课程和建筑设计之间的关系存在认知偏差造成的。建筑的美学造型和结构体系往往是同时进行、综合设计的，为了传授融合造型能力和结构实现能力的技巧，结构选型课中的“选”实为“设计”，而非简单地根据建筑造型对应选择结构形式。因此，模型教学在结构选型课中的辅助设计作用一样难以取代。

二、结构选型课的教学要求

建筑学是一门综合性极高的交叉型学科。建筑师以人类已知的最困难的语言——美学的、功能的、技术的、经济的语言来塑造建筑。只有极少数人能够将这几种常常相逆的语言完美融合到一起。但对于绝大多数建筑师而言，只要尽可能满足以上四种语言的表达，都能够得到一个令人满意的建筑作品。

建筑的功能性以及经济性往往作为设计的前提条件，保证建筑真正能够得以落实。在这一点上，建筑师无疑只能选择妥协。毕竟，一座仅存在于图纸上的建筑是难以体现其价值的。美学和技术作为建筑师能够真正主导的设计内容，也成为建筑类院校开设课程的主要教学方向。两者矛盾的平衡也成为建筑师培养的主要内容之一。

结构选型课正是连接建筑美学和技术的课程。古往今来，在技术上成功而缺乏美感的建筑是常有的，然而在美学角度得到广泛共识的经典建筑，却没有一座在建造技术上是平庸的。优异的技术支持对于建筑的成功不能说是充分条件，但显然是必要的条件之一。建筑师不单是建筑的设计者，也必须是工程实现的监督者。建筑学专业教学过程中将美学设计和结构设计割裂开来，将非常有损于建筑师的培养。因此，建筑学专业结构选型课程必须帮助学生掌握美学形式和结构体系之间的对应关系，并具备为未知形式进行结构概念设计的能力。

作为建筑学和土木工程专业的交叉课程，结构选型课程在内容侧重上有着极大的差异和针对性。对于建筑师而言，熟练掌握结构选型是为了创作新型建筑并把握大致的结构尺度，协调美学和结构设计的冲突。而对于工程师来说，更注重学习结构的合理性判定，对初步设计的结构体系进行量化分析，并确定最终施工的精确数据。由于模型对于结构精确计算的作用不大，模型在土木工程专业结构选型课中的运用极为有限。这也是目前结构选型课中罕见模型教学的原因。对于建筑学专业教学，结构选型课程更偏重于结构形式的直观认知及结构美学的运用，目的是为了培养建筑师在建筑美学设计中联系结构可实施性的能力，同时便于建筑师与结构工程师的交流合作。

三、模型教学在结构选型课中的应用

在结构选型传统教学中普遍认为模型主要用于模拟真实结构，特别是对照平面设计图纸进行立体讲解。这种展示性的模型使用方式较为被动，没有充分发挥模型的课堂价值。模型教学在结构选型课中更为重要的作用是引导学生将抽象概念转化为形象设计，再由形象设计回归抽象创造的过程。基于模型卓越的可操作性以及视触觉信息传达能力，在建筑学专业结构选型课中应有更好的应用。

1.还原抽象结构概念。建筑空间是一个三维系统，作为建筑骨骼的结构构件，在建成建筑后会被内外功能组件和装饰面层或多或少地遮挡起来，抽象的解释说明难以帮助学生理解充分。最佳的教学途径是挑选实际建设过程期间进行参观学习。然而，不可能有足够丰富的各型建筑恰好在建，且建筑工期长久，因此难以进行集中学习。只有通过模型才能全面直观地了解结构形式的全貌，进而进行结构形式的分析。

传统教学过分依赖抽象的信息传递，概念和原理都以语言文字的形式传授给学生。而语言的精确性显然值得怀疑，如果缺乏统一的现象依据，对于原理的理解难免会有差异。根据现象学创始人胡塞尔的研究方法，只有通过“还原”寻求现象的根源，才能对现象进行理解。以课堂教学中的难点——结构受“力”为例：所谓“力”是一个抽象的概念，不能够直接观察到，只有通过结构构件的形变间接观察。尽管模型难以精确量化力的大小，但在具象化力的作用方面依然优势明显。真实结构构件因为建筑刚性需求较高，受力之后往往在可视形变瞬间就被破坏，难以被观察学习。采用模型进行受力分析可以采用韧性材料延长破坏的瞬时过程，清晰演示构件受力特征，进而增进学生对力学的理解。这是一个通过现象推导原理的过程。模型教学是为数不多的能够在课堂提供统一现象标本的方法，也是理解抽象概念和原理的最佳途径。

2.使用模型构建结构直觉。结构选型中的“选”亦是一个创造过程。仅仅教授已有建筑的结构选型经验对于创造新设计是远远不够的。在建筑设计创新的同时，建筑结构也在不断试图突破现有结构体系的束缚。课堂教授结构选型案例可能在学生工作之后已经完全落后了，在实际工作中，学生更多的还是依靠结构直觉联系新的结构体系与美学设计要求进行再设计。因此培养学生的结构直觉是结构选型课的主要目的之一。

模型制作是一个培养学生构建结构直觉的过程，能为原始的直觉创造提供基础训练。在制作模型的过程中增进思考；透过手中材料的形变体会结构的受力；通过模型构架的破坏体会结构的弱点。一系列身体力行的认知活动集合了视觉、触觉等感觉器官，进而为直觉感受奠定了基础。这一过程虽然难以用语言描述，但是记忆时间远长于对于文字性概念和原理的记忆。此类长效、深刻的结构理解和建构活动促使结构直觉的成型，并将长期影响学生日后的创作过程，使其在建筑创作过程中始终综合考量美学设计与结构形式。

3.创造力的检验。结构选型的最终目的是“正确地建造”。这是建筑在美学、结构以及经济性等方面最终平衡的结果，达到这一目的必然会经历多次的失败和调整。建筑创新的同时，意味着可供参照的结构体系乏善可陈。因此结构的选取也成为创作过程的重要组成部分。显而易见，模型制作是建筑创作过程中最有效的设计方法。模型制作实际上是一次小规模的建设尝试，是对建筑可行性的检验。即便是在后期设计过程中，对于建筑尺度的修正，模型也是探讨方案最具效率的方式。

学生的创造力是无穷的。结构选型课授课过程中总会有学生对案例的结构体系提出质疑，甚至提出一些异想天开的解决方案。这些方案富于创造力但缺乏有效的分析。检验这些方案最便捷的方法就是采用模型进行验证。在这一过程中，可以进一步加深学生对于建筑结构体系的理解，并能激发学生的兴趣。

在参考模型进行结构选型的过程中需要注意几个问题：一是不同材料之间的力学性能差异较大，因此应选取与设计构件力学性质较为接近的材料（结合建筑材料课程的内容）制作模型。二是即便采用同种材料，因尺寸差异产生的力学变化并不是成线性分布的，比例模型和真实构件的差异需要说明。方案可行性依然要辅以受力分析和精确计算来进行深入验证。对于个别小规模的建筑结构，在经费允许的情况下可以制作全尺寸模型进行验证，这是最为现实的验证方法，也是欧洲先进国家在实际建设过程中常采用的手段。