作为基础教学的建筑参数化“设计-建造”课程研究与实践

陈中高　于英　张晓云

【摘 要】设计与建造是建筑学的核心与根本，共同驱动着建筑形式的生成和发展。参数化“设计-建造”课程将参数化技术与建筑设计基础教学相结合，通过结构可视化、空间可操作和构造可加工的不同模块训练，引导学生从结构空间的生成到建筑空间的转化再到实体搭建的亲身体验，逐步理解建筑形式不同驱动要素的内在关联性，建立起对建筑整体的正确认知与设计观念，以期培养学生面对纷繁变化的建筑需求的思辨能力。

【关键词】建筑基础教学; 参数化设计与建造; 结构图解; 建筑空间; 实体搭建

【中图分类号】G642.0【文献标志码】A

建筑設计与建造彼此依赖和制约，一直被视为建筑学的核心与根本。随着数字技术与建筑学科融合的深入，设计与建造正经历着信息化转型并不断革新，既推动了性能化设计、算法设计、互动设计等新的建筑设计思维产生，又因引入机械臂、3D打印等数控设备使得建造能力进一步升级，并在这两方面的共同作用下，促使建筑教学需持续探索新的方法和内容。而对数字化“设计-建造”思维的知识讲授，无疑是建筑专业教育适应信息化时代的重要内容。本文以烟台大学建筑学专业的参数化“设计-建造”课程为例，探索在建筑设计基础教学中引入参数化技术，促使学生掌握影响建筑形式生成的种种驱动要素，进而逐步理解建筑设计与建造的内在关联性，最终建立起对建筑整体的正确认知与设计观念。

1 课程解读

建筑设计基础课程教授对象为一二年级的低年级学生，旨在使学生掌握建筑设计的基本问题、方法和操作手段，实现建筑设计的入门。总的来说，国内现有基础课程大都围绕建筑形式的设计与建造两方面展开教学，前者以“空间研究”为核心整合概念、功能、审美等设计要素，引导学生培养塑造空间的操作能力[1]，后者以“模型制作”为手段融入材料、结构、构造等建造要素，让学生在实践搭建中体验建筑的真实性[2]。尽管上述教学通过专题化的训练模式，使得题目设置和训练内容均较有针对性，但不可否认的是，这一模式也割裂了本应衔接的“设计-建造”流程，而容易导致学生对建筑形式缺乏全面而系统的认知，在高年级专业设计中出现重造型轻构造、建筑空间与结构不匹配等问题。因此，作为建筑设计的入门教学，建筑设计基础课程必然有需要整合不同目标的单一训练，以引导学生完整地建构对建筑形式的正确理解。

参数化作为一种设计方法，可通过计算机算法描述设计中空间、结构和构造等不同逻辑，并基于可视化图解生成几何形体，更为关键的是，它能同时将几何形体进行数字化输出，直接与数控加工对接，从而模糊了设计与建造的界限[3]。相比于高年级已经大规模开展的参数化“设计-建造”教学[4]，建筑设计基础教学中则尚未有成熟的尝试。事实上，参数化方法具有可视化、实时反馈、易操作等特点，将其引入到建筑设计基础课程中，不仅能拓展低年级学生对建筑形式的操控能力，关注和解决空间、结构、构造等基本问题，而且在这一过程中，能够让学生更加深入的理解设计与建造的互动关系，形成完备的知识积累。

2 课程目的和教学策略

参数化“设计-建造”课程是烟台大学建筑学院建筑学专业二年级中的一门主干课，共32课时。作为该年级的最后一个设计题目，课程基于“设计-建造”的整体来思考建筑基础问题，起着承上启下的作用，即整合先前所训练的单一维度知识，并为之后衔接的高年级专业设计奠定更为全面的设计思维基础。

基于二年级学生的学情特点，课程明确以空间作为核心串联结构与构造，并采用阶段性分解练习的教学策略，围绕结构、空间和构造三个不同的训练主题展开教学实践，即结构可视化、空间可操作、构造可加工三个模块，进行深入、全面且有针对性的系统训练。一方面，将设计与建造的多种要素加以分解，更利于教学及学习焦点的明确;另一方面，各模块虽然相对独立，但在思考出发点和最终目的上是相互联系与牵制的。通过上述循序渐进的不同模块设置，挖掘结构空间的生成想象力，有效训练建筑形式的塑造能力，加强真实建造的亲身体验，让学生逐步掌握和综合建筑“设计-建造”的基本关系，从而引导学生从建筑本体出发，建立设计与建造一体化的建筑系统思维。

3 课程教学过程

3.1 结构可视化模块：基于结构图解的空间生成

力学合理性是建筑建造实现的核心目标之一，基于这一共识，结构教学在建筑教育中有着重要地位，但由于一直被视作建筑学中的纯技术课程，不仅无法引起学生足够的兴趣，更是长期以来与设计课程缺乏有效的关联。因此，如何让低年级学生既能避免枯燥复杂的结构原理，又能达到培养建筑结构一体化思维的目的，则成为课程需要首先解决的问题。为此，课程引入参数化软件平台，以直观、动态的结构图解将力学效率直接对应于结构的几何空间，从而让学生在“形”与“力”互动的反馈过程中，有效地观察和理解两者的关联性。为了突出这一训练重点，课程的第一模块为基于结构图解的空间生成，而结构形态如何影响空间生成是该模块需要学生解答的关键问题。

该模块依次分为两个训练阶段，第一阶段为建筑结构一体化的设计理论讲解，通过不同时期、不同类型的经典建筑案例阐述，引导学生理解结构空间与建筑形式的关系，即两者并不是脱离和对立的，而是相辅相成的存在，从而认知到结构空间所能带来的建筑形式创造潜力。第二阶段则为基于结构图解的参数化设计方法教授，该阶段以参数化建模软件Kangaroo为操作工具，以薄壳这一特定结构类型为操作对象，借助可视化的参数化结构图解，使得结构对空间的影响效果变得直观，更为重要的是，能够让学生观察到不同结构约束对应的空间几何形式，从而根据不同的结构约束生成丰富多样的空间形态，而不只是出于美学的考虑。在上述教学的基础上，该阶段最终要求学生对结构约束进行自由组合，以充分挖掘不同的造型可能性（图1），强调结构变化带来空间体验的不同感受，逐步建立基本的力学生形的建筑设计思维方式。

3.2 空间可操作模块：基于结构空间的建筑转化

可操作模块是课程教学中重要的一环，也是进入实质性建筑设计阶段的开始。对于建筑的最终形式而言，它不仅是回应结构对于建筑的挑战，更是如何将结构空间自然地融入到建筑学范畴，并且与建筑概念、功能和审美整合一起的结果，这也是可操作模块重点需要解决的问题。在该模块中，要求学生根据指定任务书完成从结构空间到建筑形式的转化任务，并鼓励学生发展对于尺度、场所、体验等建筑学本质概念的认知，从而将建筑形式和结构空间真正的融合。通过这一模块的训练，旨在让学生理解只有结构与人体尺度、具体功能、空间美学等一系列内容的结合，才是获取建筑形式的真正来源。

在上述新的条件下，对结构空间的讨论也需要重新回到对具体场地和功能的关注。为了突出“设计-建造”整合这一主题，课程任务书简化了其他设计内容，将场地设置为烟台大学校内的一公共广场，要求为其设计用于表演的舞台构筑物，兼顾休憩、停留等简单功能。这一课题既清晰地界定出建筑的功能要求，又留有与结构空间的调整余地，为两者之间的关联和互动提供了良好的契机。课程首先要求学生通过现场调研，以了解场地环境以及周边人群等情况，然后提出确切的设计概念，该概念需结合可视化模块中的结构空间进行综合考虑，并在设计成果中相应表达。在此基础上，学生需要推敲整个形式的空间体验、光影效果等，例如为了行人穿越，需要增加结构空间的高度，同时减少锚固约束;为了获取多样性空间的体验感，则需要变化和组合多种结构约束等等，这种从建筑设计出发，高度整合空间、结构、流线、环境等多个彼此关联的内容，能够帮助学生提出创造性地解决方案，最终实现建筑形式的塑造（图2）。

3.3 构造可加工模块：基于数字模型的实体搭建

不同于高年级的数字化建造教学训练，可加工模块除了贯彻“设计-建造”整合的教学目的，更要考虑低年级学生的实际知识情况，因而必须从建造层面进行简化。在该模块中，以易加工的瓦楞纸作为加工材料，并以基础的激光切割机作为加工工具，从而便于低年级学生的学习与使用。该模块旨在让学生通过亲身参与整个实体的搭建过程，逐步理解数字模型和物质建造之间的融合，进而对设计与建造有一个全面而系统的认识。

可加工模块包含两部分内容，首先是面向建造的数字化三维模型构建，这是由于建筑形式不仅是在虚拟环境中不同需求的操作结果，还受现实物理环境中加工材料与工具的种种约束。在该阶段中，要求学生针对瓦楞纸材料的可能加工方式进行探索，并研究和明确最终实体搭建的类型、材料和构造方式，而这些都必须如实地反映到数字模型上，以便于后续加工與数控设备的直接对接。这一阶段实质是对前两个模块成果的检验，部分方案可能会由于形态过于复杂而需要进行调整，否则无法实现最初的设计概念。其次是最终的实体搭建，将上述建构的数字模型通过参数化输出，直接由激光切割机加工后，由学生亲手完成最终的搭建，这一过程是对设计的真实模拟和现实还原，让学生通过动手真切地获得身体体验，包括心理、空间、尺度、材料等（图3）。

4 结束语

建筑设计是一种多因素介入的智性组织行为，而这与本质为物质生产的建造活动存在矛盾是不可避免的，二者间的互动关系是一种博弈，让学生认识到这一点，正是本次设计基础课程实验的初衷。借助直观、易操作的参数化技术，课程尝试更为本体的“设计-建造”基础教学，对于以建筑类型教学为主导的现行体系是一种有益的补充，能够激发学生专业探索的欲望，为以后更加复杂的建筑设计奠定基础。此外，建立学生思辨思维更是未来课程方案的改革关键，随着科学的发展、技术的进步以及多学科的交叉融合，不断产生的新知识都将给建筑教育带来挑战，在这一现实条件下，面对建筑中彼此关联却常常相互矛盾的种种需求，引导学生对设计成果进行直接检验、反思和调整，并不断拓展知识视野和专业边界，以实现对各种可能性的思辨性表达，或将是提高设计独创性和融入时代的一种有效途径。

参考文献

[1]薛滨夏，周立军，于戈.从真实到概念—“建筑设计基础”课教学中空间意识培养[J].建筑学报，2011（6）：29-31.

[2]王洪海，隋杰礼.一年级教学内容及改革发展方向研究─2013年全国高等学校建筑学专业优秀教案及教学成果比较分析[J].装饰，2014（4）：112-113.

[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]陈中高，吉国华，隋杰礼.建造驱动下的数字化设计教学总结与思考[J].装饰，2017（11）：112-114.

[定稿日期]2021-04-15

[基金项目]山东省社会科学规划项目（项目编号：Z1DWYJ20）;2019年烟台大学教学改革研究项目（项目编号：jyxm2019027）

[作者简介]陈中高（1988～），男，博士，讲师，研究方向为数字建筑与CAAD;于英（1974～），女，博士，副教授，研究方向为城乡规划教育。

[通信作者]张晓云（1989～），女，本科，讲师，研究方向为艺术设计。