计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程教学中的应用

冯　潇　祁舒翔　程文宇

(北京林业大学园林学院，北京　100083)



计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程教学中的应用

冯潇祁舒翔程文宇

(北京林业大学园林学院，北京100083)

摘要：计算机辅助建造技术是利用计算机技术和三维成型技术进行辅助生产和建造的一系列技术的统称。首先对当前较为普及的计算机辅助建造技术进行了介绍，阐述了计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程中应用的优势。其次，针对“风景园林规划设计”课程的教学现状，探讨了计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程教学中的应用途径：首先应培养学生具备运用计算机辅助建造技术的综合能力；其次，计算机辅助建造技术的讲授应遵循由简入繁的原则，即循序渐进地设置课题，根据学生兴趣设置专项课题，由浅入深地安排专项课题任务。计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程教学中应用后，使学生掌握了新的数字化设计工具、强化了学生的逻辑思维和科学推理能力、提升了学生的三维空间设计能力和动手能力、激发了学生的创造力。

关键词：风景园林；规划设计；计算机辅助建造技术

一、计算机辅助建造技术的内涵与特点

计算机辅助建造技术是指利用计算机技术和三维成型技术进行辅助生产和建造的一系列技术的统称，包括激光雕刻、数控机床和3D打印等。

(一)激光雕刻

激光雕刻是以数控技术为基础、激光加工为媒介，对板材进行二维轮廓切割和雕刻的技术。激光雕刻运作的原理是首先通过电力产生激光束，激光束经透镜聚焦后照射到板材表面，处在激光焦点位置的板材因急剧升温而迅速融化，当激光头沿一定路径运动时，即可在板材表面雕刻出图案或完成板材切割。激光头在加工过程中不与加工材料有物理接触，激光头根据灼烧时间的长短，可在板材上划线或直接切割，非常适合薄板的加工。

作为应用时间较长的一种输出工具，激光雕刻技术在“建筑学”和“城乡规划学”课程中的运用已经相当成熟，是许多高校和模型公司加工制作模型的主要输出工具。由于激光雕刻主要适用于平面板材的切割和图案雕刻，因此它主要是一种二维平面输出设备，见图1。

(二)数控机床

数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。该系统能够处理具有控制编码的程序，并将其转化成为工序动作，进行材料加工，是一种三维实体输出设备。数控机床运作的方式是一个对材料做减法的过程，其工作原理是通过具有3轴或4轴的夹具和铣削刀具，按照设计好的刀路进行有先后顺序的粗雕及精雕，逐步切削材料直至达到设计目标要求。

图1　激光雕刻机

大型数控机床成本昂贵，操作流程繁琐，很难适应市场的需求。近年随着市场对数控机床需求的增加，促成了数控机床小型化及民用化的趋势。瑞士苏黎世联邦理工学院建筑系的LVML实验室、德国安哈尔特应用技术大学都开发出数控机床“迷你机”，它造价低廉，既便携，可移动，又不需要较多的操作经验，可以适用于学校和设计工作室，用以探索风景园林的参数化设计以及复杂多样的空间结构[1]，见图2。

(三)3D打印

3D打印是近几年发展最为迅猛的计算机辅助建造技术，它以数字模型为基础，通过逐层打印的方式来构造模型，这种技术几乎可以输出任何形状的三维模型。

图2　数控机床

3D打印机采用了分层加工、堆叠成型的原理来完成三维实体打印，即根据打印的精度，3D打印机将数字模型切割为0.05～0.2mm的层，从最底层开始，根据截面信息，逐层打印，当打印完当前层后，模型相应下移，再打印上一层，以此循环直至打印完成。

3D打印能够实现整体打印一次成型，有着数控机床及激光雕刻不能比拟的便捷性。目前市面上小型化的3D打印机已经相当普及，耗材的价格也很低廉，可以说3D打印机已经进入了平民化时代，完全可以在高校和设计机构中推广和普及，见图3。

图3　3D打印机

二、计算机辅助建造技术应用于“风景园林规划设计”课程教学的优势

(一)通过计算机辅助建造技术输出的物理模型可以清晰再现场地信息

计算机辅助建造技术能够从设计的初始阶段就充分展示设计场地的信息，设计者通过大尺度3D扫描和无人机航拍等技术可以获得设计场地的基础数据，生成三维虚拟模型后，设计者即可通过计算机辅助建造技术输出设计场地的三维实体模型，这使得设计者在进行设计之前就能够掌握足够的设计场地的基本信息，直观地了解现场条件，精心规划设计方案，使设计与场地充分融合，从而保持生态和地理上的合理性。

(二)设计者根据计算机辅助建造技术输出的物理模型可以进行直观的手工设计操作

设计者根据计算机辅助建造技术在第一时间建立的物理模型，利用类似沙盒之类的工具开展三维实体模型的推敲。在三维实体模型的建造推敲过程中，设计者能够直观考量和分析三维场地的基本信息，从而建立更加精确的空间参照系，对设计过程进行直观的控制。实践证明，人们面对三维实物时往往能够发挥更强大的创造力，手工操作能够直接表达设计师对于空间的直觉反应。

(三)设计者利用计算机辅助建造技术输出的三维实体模型可以对设计规划进行快速的分析验证

风景园林需要处理的场地信息错综复杂，要想做出更加科学的设计，就必须对场地的自然地理信息和社会学特性做出合理的分析，才能形成明晰的设计逻辑。计算机辅助建造技术能够使设计分析渗透到规划设计过程的各个阶段，三维实体模型能够对设计的阶段性成果进行实时的验证与分析，如流体分析、生态分析、舒适度分析等，从而在设计阶段就能对设计规划方案做出科学的评估，并进行合理的调整。

(四)设计者通过计算机辅助建造技术可以快速制作设计方案的实物表现模型

一个设计方案的感染力在很大程度上取决于设计成果的表现手段，不同于在二维屏幕上展示的效果图和虚拟动画，实物表现模型所具备的全面的表现力和直观的视觉冲击力不言而喻。在计算机辅助建造技术未普及的时代，实物表现模型往往由设计机构委托专业模型公司进行制作，除去模型公司高昂的制作费用和拖沓的制作周期，设计师在很大程度上丧失了对模型的控制力。随着计算机辅助建造技术的普及，设计机构已有能力自己制作实物表现模型。在计算机辅助建造输出的实物表现模型的表面，设计者可以通过手工处理来进一步刻画细节，更好地传递细部信息，使计算机辅助建造模型在科学与艺术之间找到一个平衡点。

三、计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程教学中的应用

(一)培养学生具备运用计算机辅助建造技术的综合能力

1.熟悉计算机辅助建造技术相关软件和硬件的应用方法

学生首先需要熟练地利用计算机辅助软件生成三维虚拟模型以还原风景园林设计中复杂的场地信息。之后对三维虚拟模型进行转码，使之成为计算机辅助建造机器的工序代码，以指导机器制作加工三维实体模型。同时学生还应掌握利用三维虚拟模型对设计场地进行可视化分析。

其次，从数据采集整理到设计方案的可视化输出，学生需要使用大尺度3D扫描仪来获取场地的地理信息，或使用小型无人机来拍摄场地的航空影像，再将所得到的信息进行整理汇总。学生利用CNC数控机床、激光切割机、3D打印等设备将三维虚拟模型输出为三维实体模型，并将处理后的三维实体模型用3D扫描仪重新输入到计算机中进行进一步修改。

2.熟知计算机辅助建造技术相关材料的性能

学生应熟知不同材料的性能特点，结合不同的模型要求和仪器特性，选择合适的材料，进行实物模型的制作。不同的材料可以满足不同模型的多样需求，如使用木材等持久性较好的材料可以制作初始地形或实物表现模型；雕刻时间短的泡沫板更适合来完成阶段性三维实体模型等。学生需要对不同材质的结构属性有深刻的了解，才能针对不同的材质设置适应的刀路和雕刻方式，创造性地建立更有表现力的实物表现模型。

3.掌握基于计算机辅助建造技术的设计方法

计算机辅助建造技术不仅仅是一种更直观的可视化的设计手段，更重要的是给人们提供了一种三维的思考模式。计算机辅助建造技术是一个动态的设计过程，这个过程使人们的设计思维与数据、机械和材料完美结合。因此，任课教师在教授计算机辅助建造技术的设计流程中，应该注重调动学生的主观能动性，鼓励学生积极探索设计方法而不是机械地学习软件的操作和设备的使用方法。在规划设计中，计算机辅助建造技术只是作为设计的工具而存在，学生可以利用这种工具来体验风景园林设计的微妙之处，但仍要给手工制作留有一定的的空间，

(二)计算机辅助建造技术的讲授应遵循由简入繁的教学原则

1．遵循循序渐进原则设置学习课题

“风景园林规划设计”课程内容涉及了竖向、水文、植被、生态境、社会条件等错综复杂的基础信息，要建立精确的计算机辅助建造技术模型并完成对其设计和分析，必须对各类信息进行仔细研究和分析，这是一个由简入繁的过程。

如在“建模软件”章节的学习中，学生需要掌握从最基本的直线到曲线，从曲线到曲面，直到逐步掌握建立复杂场地模型的步骤。在“模型制作”章节中也是如此。学生先要掌握使用单一材料制作相对简单的地形模型，再逐步接触更多的材料，进行模型的制作。其次，针对场地特性和设计过程的表达需求来选择计算机辅助建造技术的输出设备、调整比例尺度、使用合适的材料完成模型的制作。第三，针对完成后的实物表现模型再进行后期的手工加工。每个课题看似独立，实际上却是循序渐进的过程，能够不断挖掘学生的潜力和创造力。

2．根据学生的兴趣设置专项课题

由于学生有着不同的学术背景和技术基础，要使每个学生都能熟练掌握计算机辅助建造技术是十分困难的。因此，任课教师可以考虑将学生按其感兴趣的领域分成小组，每一小组对特定的课题可以做更深入的研究探索。例如调研小组专门负责基础数据的收集和可视化集成分析，掌握大尺度3D扫描仪的操控方法，学习无人机的操作并考取驾驶证，能使用图像识别软件对所得到的影像进行分析处理；建模小组主要结合3D扫描的数据，建立场地三维虚拟模型；而其他平行小组可以专注研究数控机床模型的制作和优化处理及后期分析等具体的课题。

根据学生兴趣设置专项课题可以使学生在数字化建造模型的每个阶段都能有所侧重的做出更深入的探索，在系统地掌握数字化建造基本设计流程的基础上，最大程度地发挥学生的主动性和创新性。

3．由浅入深地安排专项课题任务

(1)收集基础数据

本课题训练的目的在于让学生学习使用基本的仪器搜集场地基础信息。学生除了要学习获取地形数据外，还应学会通过运用无人机和大尺度3D扫描仪来捕捉空间的基础数据。此外，学生还要掌握运用图像识别软件和其他相关软件对现场照片或3D扫描生成的模型进行后期处理，见图4。

注：源引自http：//girot.arch.ethz.ch/landscape-education/chair-structure/landscape-visualization-lab。图4　大尺度3D扫描及其生成的数字模型

(2)建立三维虚拟模型

本课题中，学生需要用Rhino和GIS软件来建立三维虚拟模型。Rhino软件具备强大的复杂曲面建模能力，尤其适合风景园林地形的建模，而且Rhino软件拥有良好的交互性，能够便捷地的与其他软件进行数据交互，Rhino平台还简单易学，虽然大部分学生都不曾掌握高级的建模程序，但他们对Rhino软件的操作非常熟练。

(3)制作三维实体模型

在前两个课题的基础上，学生将对数字模型进行整理，并将其转化成为计算机辅助建造工序代码(G代码)，并在此基础上探究实体模型的输出。学生需要学习通过调整G代码来完成不同精度的模型，学会灵活地在虚拟与现实之间进行空间思维的切换，自主地运用CAM技术来输出三维实体模型、演绎自己的设计思维。

(4)推敲三维实体模型

为了让学生能够掌握在三维实体模型上设计的方法，本课题重点教授沙盒的使用方法。借鉴瑞士苏黎世理工大学的教学经验，学生先将设计基址的地形生成数字三维模型，再将其转化为负向模型并用数控机床雕刻出来。之后，负向模型被倒扣在一个盛满粘性沙子的工作台上，压实后再揭开负向模型，沙子就形成了设计基址的三维实体模型。学生可以在这个三维实体模型的基础上用雕刀和小铲之类的工具进行反复的推敲，以形成理想的设计方案。沙盒上装有小型3D扫描仪，可以将沙子模型随时转化成为数字模型，并且在此基础上利用计算机完成后续设计，通过数控机床设备输出硬质模型[2]，见图5。

注：源引自http：//girot.arch.ethz.ch/landscape-education/chair-structure/landscape-visualization-lab。图5　沙盒模型及其由数控机床输出的硬质模型

(5)制作实物表现模型

最后一个课题是利用计算机辅助建造技术输出设计成果。学生在第三课题中已经掌握了相关设备操作的基础方法，因此本课题重点在于对模型细节进行加工。学生可以根据自身兴趣对实物表现模型进行手工细节的处理，从而直观地表现设计意图。课题借鉴了德国德累斯顿工业大学的经验，首先使用3D打印技术建立精确的实物表现模型，再通过手工处理来刻画诸如岩层结构、雪和径流的时序变化等细节，以更好地传递空间信息[3]。

四、计算机辅助建造技术应用于“风景园林规划设计”课程教学的效果

(一)学生掌握了新的数字化设计工具

计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程中的应用，使学生掌握了新的数字化设计工具。在设计的前期，学生借助多种途径来获取场地基础信息并进行精确的分析，通过直观且具有表现力的数字或实体模型输出基础信息进行结果分析，使设计全程都能在科学的基础上进行。在设计后期，学生能够在基地模型上直观地输入、输出自己的想法，不断对模型和设计进行分析和调整，采用多种可视化手段和输出模型推敲设计过程，通过科学的验证来确保设计的可行性。

(二)强化了学生的逻辑思维能力和科学推理能力

计算机辅助建造技术的应用不仅为学生提供了更多的设计和表现手段，更重要的是使每一个设计流程都建立在科学的基础上。数字化软件和硬件的操作，必须依托精准的数字信息，遵循严谨的逻辑结构。学生经过这种数字化工具训练，其逻辑思维能力和科学推理能力都得到了强化。

(三)提升了学生的三维空间设计能力和动手能力

计算机辅助建造技术使得在三维空间直观操作风景园林规划设计成为可能。在“风景园林规划设计”课程教学过程中，从场地信息的再现、设计的手工操作、设计方案的物理验证到设计成果模型的制作，都是在三维空间中进行直观操作的。这种方式有利于培养学生三维空间的设计思维，提升动手能力。

(四)激发了学生的创造力

数字化的软件和硬件的应用并不是计算机辅助建造技术在“风景园林规划设计”课程中应用的最终目的，让学生运用这些先进的技术来灵活地处理风景园林设计中遇到的实际问题才是根本。因此，任课教师在教学过程中不能用程序化的思维去限制学生的创造力，而应该引导学生，让他们在不同的设计阶段选择合适的数字化工具来解决实际问题。笔者通过实际教学发现，开放式的解决方案能释放学生的创新意识和想象力，从而更加接近设计教育的本源。

资助项目：北京高等学校青年英才计划项目“风景园林数字化辅助分析评价平台运用及教学研究”，项目编号YETP0745。

参考文献

[1]GIROT C，BERNHARD M，EBNOTHER Y.Towards a Meaningful Usage of Digital CNC Tools：Within the field of largescale landscape architecture[C]//Future Cities.Proceedings of the 28th Conference on Education in Computer Aided Architectural Design in Europe.Zurich，Switzerland：Education and research in Computer Aided Architectural Design in Europe，2010：371-378.[2]FRICKER P，GIROT C，MUNKEL G.How to Teach’New Tools’in Landscape Architecture in the Digital Overload[J].Computation and Performance，2014(2)：546-553.[3]WELTER J.Solid Landscape Models in the Twenty-first Century—A Balanced Approach[J].The Cartographic Journal，2013，50(3)：300-304.

(责任编辑王伟)