从“图解—建构”到“性能—生成”的融合式教学研究<br/>——湖南大学四年级建筑设计教学

从“图解—建构”到“性能—生成”的融合式教学研究
——湖南大学四年级建筑设计教学

2022-09-13刘尔希LiuErxi

华中建筑 2022年9期

刘尔希 | Liu Erxi

1 线性教学模式的局限

在以往的高年级建筑设计教学中，一种较为传统的方法是从总图关系开始，在总图及环境中推敲体量关系，之后依据任务书，以房间为单位块布置建筑内部功能[1]，然后建筑根据平面生成三维体量，设计由平面推演阶段进入造型推敲阶段，这是一种线性发展的教学模式；另一种线性路径则从概念造型出发，得到一个比较理想的形式再将功能、结构与之匹配，也就是在已确定的外壳中塞进功能及结构的做法。两种方式能得到普及，说明它有一定的优势，并可适应某些特定的设计任务，看似合理高效却忽略了设计教学中的复杂性。这类方法将生态、结构等技术要素作为被动的检验手段，而无法使其成为形式和空间生成的原生动力；其次，建筑设计一般需要有一个在多类问题之间不停来回推导解决路径的过程，如果将设计中所面对的元素过于分裂地对待，容易导致设计结果难以达到多方完美的状态[1]。从结果上来看，呈现出实用主义和奇观主义的倾向，前者使建筑过度简化和受限，后者过度娱乐和戏剧化。因而这两种模式并不适用于以技术综合为特点的大型复杂建筑设计，高年级建筑设计教学需要全面而系统的非线性方法指导。

2 湖南大学建筑学院四年级教学特点

2.1 在教学序列中的位置及课程特点

在湖南大学建筑学院四年级建筑设计的前序课程围绕建筑设计教学为中心轴“一轴两翼”的模式展开（图1）。一年级的形式与认知、二年级的空间与环境、三年级的建构与营造，四年级的教学主题是技术与综合，教学分为上学期的高层建筑设计与下学期的大跨度观演建筑设计。两类建筑有相似和互补之处。首先都具有复杂的功能和流线，特殊的空间和特定的技术难度，强调综合能力的培养。设计要应对功能、城市、规范、规划条件等诸多挑战，消除建筑空间概念与制约条件之间的矛盾。其次，大体量建筑对于生态、能耗等环境响应也有较高要求。再次，向高空发展的高层建筑和水平延展的大跨度建筑都具有超常尺度，在考虑建筑空间形态的创意及美感的同时，结构的可行性与经济性也不可忽视。在过往的教学中，结合结构建筑学知识，制作大尺度建构模型，强化建筑与结构的概念融合以及通过结构创新去推动建筑形态创新逐步形成四年级建筑设计教学的特色。

图1 湖南大学建筑学院“一轴两翼”专业课程体系及课程包

2.2 教学改革的出发点

以四年级下学期大跨度观演建筑为例，在2006年—2016年近十年教学中，将跨度为16周的建筑设计课程分为两个阶段，大跨度模型建构设计占8周，观演建筑设计占8周。第一阶段要求学生选择某类大跨结构，设计如世博会场馆等无复杂功能的大跨建筑空间。第二阶段中，学生要在第一阶段的成果上，按照特定任务书要求，完成一座剧院或体育馆设计[2]。第一阶段大跨度空间设计虽然一定程度上开拓了学生的思维，却停留在创意和视觉表现力的表层，并非完整综合的建筑；第二阶段观演建筑设计成果在深度和完整度上欠缺。在近四年的改革中尝试两个阶段合一，从构思之初即要求学生整体考虑命题在空间、结构和功能等各种制约条件。随着问题复杂度和知识范畴的增大，传统线性教学思维暴露出如下弊端：①设计中亟待解决的各类矛盾使得学生常常顾此失彼，比如关注平面功能合理性却忽视了形态和空间的美感与新意，或是仅关注建筑外部环境而失去对室内空间的把控等；②概念构想转译为空间语言的过程中缺乏系统的方法指引，无法兼顾结构和生态技术创新与概念的协调性；③对结构和生态的分析限于表层主观判定，缺乏量化数据支撑，依赖直觉经验的做法常产生误判；④单向式的方案推进模式，限制了对方案的反复比照和对最优方案的探索，一旦方案基本形成，学生就很难再去探索其他设计路径；⑤构思受结构条件束缚，探索形态和结构创新遭遇瓶颈。因此在教学改革过程中，尝试打破以总图—各层平面—立面—三维为顺序的单向进阶设计流程，破除各学科间的壁垒，采用往复渐进融合式教学模式，消解建筑本体与结构、生态等技术要素间的断层，开拓形态和空间探索的领域。以图解—建构，性能—生成的模式，形成从原型原理出发到直觉培养再回到理性探究的循环（图2）。

图2 设计思维过程的解析与教学步骤的对应

3 各阶段操作方法和技术路线

3.1 图解

图解（Diagram）是基于图像说明来分析设计要素内在关系的系统[3]。设计教学先从设计问题的图解开始，要求包括对问题原型的提取、转译、推演、异化，问题的解决办法也以图解表达，始终关注核心问题，并确保逻辑推演的合理与连贯。

教学上将图解的内容分解为4个部分：形态、主要空间、受力分析、人的体验（图3）。形态图解以轴测图方式表达；主要空间以透视和轴测表达；受力分析以剖面和静力学图解表达；人的体验以叙事性剧本展开，以插画拼贴方式表达，要简约抽象避免具象。图解使得设计面临的众多问题能以简洁直观的方式呈现，便于梳理问题彼此间的关联，找到可以兼顾各方诉求的解决途径，是对综合与提炼能力的训练（表1）。

图3 观演建筑设计中的空间图解

表1 图解内容及要求

图解的4个部分需与概念与功能匹配，相互之间也密切关联。比如由外部形态与室内空间的连续性，空间形态和结构受力的合理性。体验是形态、空间、结构等外部要素结合建筑的功能用途经过人体感知后的心理投射。人们习惯于将空间与其承载的生活体验作为一个集合整体来考察[4]。因而体验设计是空间设计的终极目标。图解表达的重点在于设计的推演和过程，避免直接输出结果。图解教学应强调过程，使图解成为空间推演和思考的工具，而不是事后的解析与说明（图3）。

3.2 建构

此阶段以图解阶段的成果为基础进行实体模型搭建，通过模型实验调整改进方案。建构模型应真实反映建筑的受力原理和空间关系，比如节点应体现出受拉或是受压不同受力状态下的不同构造措施。通过对建构模型施力，观察其形变和破坏，调整受力薄弱位置的构件使其达到模型整体受力的稳定和强度。模拟搭建可以暴露绘图表达容易忽略的问题，如：建造方法、节点措施、材料性能、力学作用、尺度比例、动态构件等（图4～5）。

图4 大跨度剧院屋顶悬带结构受力原理分析，实物建构验证及节点建构模拟

图5 伞状可活动开启遮阳表皮建构（左：模拟效果中：图解分析右：1∶10模型建构）

3.3 性能

建筑性能化设计将高年级建筑设计教学与建筑物理以及建筑设备相关知识点联系起来。要求将结构体系、风环境、光环境、遮阳构件、太阳辐射、视线分析、噪声分析等技术知识灵活运用与设计，并通过定量到定性的分析佐证。在设计课的前5周同步开设可持续建筑技术和生态建筑模拟软件课，使学生掌握ANSYS CFX（Fluent）、Ecotect、Cadna/a、Grasshopper等工具软件,扫除软件使用障碍。优化的过程还可与参数化模型的形态生成和自动调整相关联，形成“性能—生成”的连贯操作（图6）。

图6 大跨度剧院通过图解产生的空间意向，进一步模拟计算不同屋面形式下屋面风压力和风吸力的压差变化，对大跨度建筑屋面分割的大小、角度及高度优化，生成最终形态

3.4 生成

在当前的生成性设计实践中，由于计算的普遍性和计算机辅助设计的进步，将性能行为集成到生成性模型中已成为一种前景[5]。将方案成型后被动的性能校验转变为主动的性能生形使得技术与方案的结合更为紧密。采用一个集合的参数化模型，利用Grasshopper下的各类模拟插件来获取实时性能数据反馈。比如通过力流路径自动生形（图7），建立体素（Voxelization）模型，在确定的顶部曲面荷载和平面落地支座位置条件下，程序自动计算力流传递路径，得出材料密度分布。抽离材料密度小的区域形成建筑内部空间，生成满足建筑使用和建筑外形要求的理想结构空间。进一步验算结构杆件的内力分布，对超过许用应力值的杆件加大截面尺寸，对应力值过小的杆件则缩小截面或直接消减。最终得到满足材料强度、挠度以及经济用钢量要求的多目标优化方案。还可利用Octopus遗传算法插件找寻多个设计目标的帕累托最优解，实现程序自动生形。

图7 通过力流路径自动生形方案

4 教学组织及各阶段的难点

4.1 图解阶段难点

首先，如何从具象化的概念原型中抽象提取图式原型和原理，并最大限度地保留特点。困难在于脱离不了具象或是在转译过程中偏离主旨。如高层建筑设计从非洲蚁穴的特征发展出高层建筑的基本通风结构，图解第一步是对复杂蚁穴的空间特征提炼，它需要厘清蚁穴通风的原理，并对细节进行取舍。其二，平衡原型空间与建筑空间的矛盾是图解的第二个难点，小组最初想依循蚁穴的通风原理在中庭垂直通风通道上分出侧旁通风巷道，却会阻断建筑内部水平交通而无法实现，此时就需要对图解进一步调整找到替代方案。其三是对室内空间与体验的图解既缺乏经验又长期忽视。因培养室内外空间的一体化设计意识尤为重要，并以剧本设计的方式进行体验设计，例如在高层建筑中针对不同人群的行为和偏好设计差异体验空间。

4.2 建构阶段难点

实体模型是用来检验结构形态合理性与否的一个很好的媒介。建构强调建造的真实性，尺度、节点和材料应基本遵循真实建造的原则。建构模型的目的不仅是效果呈现而是通过模型发现问题，尤其是受力传力、形变和节点牢固度这类在数字模型中不易发现的问题（图8～9）。这一阶段的难点在于模型应能快速建造和便于调整，从体量到节点的分阶段细化，能区分诸如刚接、铰接等传力差别并忠实地在模型中反映出来，因而需要避免模型对受力状态含混不清的表达，比如越来越多使用全3D打印模型被认为不足以表达建构细节和力学特性而被限制使用。通过手触模型模拟荷载作用时，刚度偏大的模型自重及柔韧性相对较差，意味着结构材料的浪费。相反，刚度偏小的模型结构变形较大，意味着结构材料不足[6]。

图8 通过建构发现悬索的边缘锚固问题，通过拱形结构代替桁架充分发挥出结构优势同时完善建筑形态（左侧为优化后，右侧为优化前）

图9 从平面图解到三维图解再到结构体系建构，通过建构发现支撑杆件应力集中突变的结构不利点

4.3 性能模拟阶段的难点

参数化模型性能模拟的优势在于足够数量的比照样本，形成参数调整—形态生成—模拟计算—比对结果—参数调整的循环。如何通过设计策略解决性能优化的问题是这一阶段的核心，比如同样为了减少日照得热，如果是传统的性能优化后验多通过立面遮阳构件解决，但如将性能优化提前到早期的体量推演阶段，则可通过形体自遮阳、较少受光面等措施解决。此外，性能模拟的结果可能和美学、功能等要求冲突，这需要培养学生判断力，作出取舍，找到平衡矛盾的方法，这正是高年级建筑设计课所需要培养的综合能力。

4.4 生成阶段的难点

由于长期以来对空间美学能力培养的倚重，学生的空间形象思维能力较强，而编程等抽象逻辑思维能力较弱。而以性能为导向的空间生成需要一套运算逻辑。目前我们可以通过一些遗传算法软件来实现计算机辅助形态生成从而避开复杂的编程语言，但如何将决定空间形态的逻辑、功能、行为、美学等诉求变为数理逻辑，这其中所需的思维转换和经验是目前教育背景下建筑学专业学生所欠缺的。

4.5 教学时序的调整

根据教改目标调整了教学进程，以四年级下学期的大跨度观演建筑为例（表2）。教学进程的优化围绕教学目标和效果调整。作业设置由原来的大跨度空间和观演建筑两个题目整合为一个，设计小组以两人组成，设计过程中穿插软件教学、规范知识点考试、中期的结构专家点评。尽量把书本知识点、软件运用、工程经验结合到具体的设计实践中，使学生掌握大型公共建筑的设计要领。