基于性能驅動的數字化建筑設計教學模式實踐研究

楊陽 劉瑩

摘要：將數字技術應用于優化建筑性能可以有效提升建筑設計的科學品質，相關理念的引入也為促進數字化建筑設計教育教學的深化改革提供了有效途徑。文章首先闡述了數字技術與性能驅動方法應用于當前建筑設計、研究與教育的現狀及特征，提出建構基于性能驅動的數字化建筑設計教學模式的必要性;隨后以哈爾濱工業大學建筑學院針對建筑設計課程的改革與實踐為例，提出課程實踐研究的目標、思路與課程體系，并對課程實踐中的具體教學模式和相關教學成果進行分析和總結。

關鍵詞：性能驅動;數字技術;建筑設計教學

一、背景

近年來，隨著計算機軟硬件技術的高速發展，數字技術不斷改進建筑設計的手段和方法，從簡單的輔助繪圖工具演變成設計參與者的角色，其直觀、高效的特點為設計分析的科學化、理性化提供了前所未有的突破。尤其是近20年來，參數化設計、虛擬現實等新理論與方法以及建筑信息模型、性能化模擬等新技術的探索正在國際建筑設計與教育界蓬勃開展，并日益受到我國建筑界的重視。建筑學對于物理、能耗和安全等性能的日益關注，加之數字技術在建筑設計優化性能中更高層次、更深內涵上的應用，提升了建筑設計的科學品質，推動了設計中科學定量化分析的發展，具有重要意義。因而，如何高效、科學地基于性能驅動進行數字化建筑設計與優化成為一個需要探索的重要課題。

基于性能驅動的建筑設計是以建筑性能為出發點，以定量的科學模擬與測量為數據支持，以規范化的標準與評估體系為準則，精確地設計建筑具體性能的設計方法，近年來在建筑界具有越來越重要的影響。這種設計方法的整個流程是在明確的性能目標的引導下，采用不同于以往的科學定量的設計方法來進行的。當下，新的技術背景對建筑設計提出了新的要求，以講授命令為主的傳統建筑教學模式已脫離學生的實際需要。這使得高校教育者不得不在實踐教學中進行與時俱進的探索，在專業教學工作中引入“優化設計性能”的概念，從教育理念、教學內容、教學方法與手段、教學評價體系等方面進行革新，構建新型教學模式，將數字化建筑設計更好地引向實踐，以實現設計的高性能目標。

二、現狀分析

國外數字技術在建筑設計中的應用實踐起步較早，并逐步發展為建筑設計實踐中不可或缺的一部分。20世紀90年代以來，在部分數字先鋒建筑師如彼得·埃森曼、伯納德·屈米、弗蘭克·蓋里、扎哈·哈迪德等的推動下，以及伴隨著一些能夠熟練運用數字設計理論與技術的青年數字建筑師和事務所的涌現，利用計算機研究建筑形態的探索得到了長足的發展和進步，極大地豐富了數字化建筑設計實踐。

數字建筑設計的教育方面，美國哈佛大學、麻省理工學院、賓夕法尼亞大學、英國建筑聯盟學院、瑞士蘇黎世聯邦理工學院等高校均分別成立專門的實驗室，利用數字技術進行建筑設計與建造實驗，以探索新的設計方法和建造途徑。隨后，國內的各個高校也開展了相應的課程教學活動。2005年以來，清華大學、東南大學、同濟大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學等多家重點院校在本科生三年級至畢業設計階段開設了非線性數字化建筑設計課程，且部分高校還建立重點實驗室，進行數字化建筑設計與建造的研究與實踐。自2007年起，全國高等學校建筑學學科專業指導委員會每年都組織舉辦“Revit杯全國大學生可持續建筑設計競賽”，以促進建筑信息模型技術在高校的普及;2010年后，該競賽又增加了用Ecotect進行節能分析的要求。每年一屆的全國建筑院系建筑數字技術教學研討會也加強了高校師生及設計單位之間的學術交流。2013年9-10月，中國建筑學會建筑師分會數字建筑設計專業委員會在北京舉辦一系列主題為“數字滲透”的數字建筑展覽。這些教學實踐活動表明，國內建筑教育界正在積極應對數字技術發展帶來的挑戰，并對建筑學專業教學改革進行思考。

性能驅動設計方面，在建筑設計領域，以實現高效科學的性能化建筑方案設計為目標，許多學者開展了一系列研究。如在建筑消防安全領域的研究，是根據功能使用完成基本疏散設計后，采用計算機模型推算建筑內火勢蔓延和人員疏散過程，找出瓶頸位置調整疏散設計以保證人員安全。經過多年的發展，很多發達國家已經建立較成熟的性能化設計流程及技術標準并以法規形式進行推廣。建筑設計性能與分析優化方法現已成為國際建筑教育界關注的熱點，國外多所建筑類知名院校面向建筑學及相關專業開設性能化與優化分析方法方面的專業課程，國內高等院校也應及時調整，使其教學模式適應行業的發展趨勢。

綜合國外高校的成功經驗和當下建筑行業的需求可以看出，基于性能驅動的數字化建筑設計教學模式應具備如下特征：結合物理、計算機等不同學科，強調跨學科知識的綜合運用;課程設置需將知識講授與設計專題相結合，以使理論與設計實踐相互鞏固，實現技術與設計更好的結合。

三、基于性能驅動的數字化建筑設計教學模式

立足于建筑設計發展的學術前沿，自2013年開始，哈爾濱工業大學建筑學院開始對性能驅動下的數字化建筑設計教學改革與實踐的探索，并開展一系列相關理論與設計課程，借助課程訓練幫助學生掌握與性能驅動和數字化設計相關的知識及各類技巧，逐步促進數字化建筑設計教學的深化改革。

（一）教學模式建構要求

基于性能驅動的數字化建筑設計教學改革實踐運用了現代建筑設計教育的理論和思想，形成以優化設計性能為導向的教學設計理論。為提高課程和教學質量，保證教學內容的先進性、前沿性和科學性，教學模式的建構滿足以下要求：

1.自主性轉變教師教學理念和學生學習方式，培養學生通過自學方式掌握軟件命令的學習能力和學習習慣，以及從方案設計階段開始主動考慮建筑性能的設計思維模式;

2.系統性探索性能導向在實踐教學中的定位，制定以性能為目標，設計初期介入優化設計流程、方法和支撐技術，性能化理論、優化技術與設計實踐教學相輔相成的教學計劃，保證課程之間的邏輯性和有機性;

3.層次性從講授命令為主的軟件教學轉變到以講授軟件組合使用和數字化設計方法相結合的教學模式，并根據學生層次的不同設置相應的課程，逐步實現將建筑數字技術與建筑設計教學有機結合。

（二）教學實踐探索方案

依據教學模式改革的要求和原則，對教學實踐的探索分為不同的階段。初步探索階段完成基礎性工作，主要任務有利用課堂教學、實踐活動等開展課題實施與研究;如實記錄研究過程中的各種相關現象、數據和問題;定期請專家指導，開展課題研討，解決教學中的實際問題等。深化提高階段則需完成以下目標，如融會中外先進教學思想和方法，進一步展開課題實施與研究;優化課堂教學過程，深化已有成果，構建體現性能化思想的教學模式;加強理論學習，深入學生實際，不斷探索，最終實現新型教學模式。

參考不同實踐階段的目標與要求，將相關課程設置為基礎理論類、設計應用類以及研究探索類三種。基礎理論課有本科三年級的數字化設計概論;設計應用課有本科四年級春季學期的開放設計和夏季學期的聯合設計，碩士研究生的課程設計;研究探索類為本科生的創新研究項目和碩士研究生畢業論文的相關研究（表1）。

課程體系建構在原有基礎上進行補充和完善，結合性能模擬的需求，將相關技術理論與應用教學融合到傳統教學模式中，使學生真正掌握性能驅動下的數字化建筑設計方法。

（三）教學實踐成果

1.本科生創新研究項目

本科生創新研究項目旨在強化項目學習對本科生綜合研究素質與創新能力的訓練，采用課程學習和項目學習并重的教學方式，遵循“興趣驅動、自主實驗、重在過程”的原則，鼓勵思路新穎、目標明確、具有創新性、研究方案及技術路線可行、實施條件可靠的項目。

研究針對北方某高校圖書館室內光環境進行了模擬分析，實地考察了圖書館利用率最高的二層自習室和閱覽室在不同天氣和時段的使用情況（圖1、圖2）[1]，向現場學生發放300份調查問卷，總結分析室內光環境現狀及存在問題，提出室內光照強度、光源數量、內部格局與光源位置、自然光照與人工照明等影響光環境質量的主要方面。根據測繪數據利用Ecotect軟件對兩個房間進行虛擬建模和光環境模擬（圖3），將光照分布不均區域的光源數量、位置及室內布局進行合理調整，并對優化后方案進行二次模擬檢驗（圖4），達到有效利用自然光照、各區域光照分布均勻且強度充足的效果，更好地滿足高校圖書館的使用要求。

2.本科開放設計——冰雪展覽館設計

開放式研究型設計是建筑學專業本科四年級課程，學生自由選擇課題組，三人一組完成設計方案，冰雪文化展覽館設計組旨在借助參數化生成設計平臺來探討數字時代的地域文化表達，鼓勵學生在探索建筑空間特征的同時，自主研究數字平臺的應用可能[2]。

“邏輯游戲”以參觀人群的運動路徑為驅動因子，將其近似抽象為展覽空間中自由運動的粒子進行模擬，并為展覽空間排布和組合賦予概率邏輯依據，設計出不同的展覽館空間。模擬實驗假設：人是具有動能的粒子，人空間中的運動抽象為粒子在空間中進行有能量消耗的運動;假設每次粒子從出發到碰撞點之間消耗能量相同;將單一展廳內的參觀路線近似抽象為直線運動;根據展區空間自由度較高的特性，將空間原型抽象為圓;設定人的運動由給定尺寸的展區開始，即從展區入口位置開始進行碰撞運動。模擬實驗步驟為：使粒子在假定圓形平面內隨機碰撞至能量為零，即完成一個粒子的一次實驗;對每個粒子進行實驗，將獲得的碰撞點數據疊加;選取高概率點群中最優點作為該空間與下一個空間的連接點，并作為新實驗的起點;由實驗結果獲得不同的組合方式和空間序列選擇（圖5）。再根據空間特點和場地限制選擇，將二維序列轉變成三維空間形式（圖6），并最終確定設計方案（圖7）。

3.本科聯合設計——中心商業街區城市設計

本科四年級夏季學期的聯合設計包含與英國建筑聯盟學院合作的參數化組，每組3-5人進行設計，要求以“增長的副本”為主題，通過算法編程實現建筑非線性空間設計的動態自組織或自相似過程，以展現不同于傳統的靜態建筑設計結果[3]。

參數化中心商業街區城市設計通過Processing編程腳本進行一系列實驗作為設計的基礎。首先通過軟件分析研究城市道路的組織機制，然后利用自垂直線切割和擠壓長方體，進而形成不同的街區形態，解決原有地塊缺少可識別性的問題（圖8）。高層建筑的設計時以Processing軟件生成的體塊為原型，在Rhino中進一步進行立面的處理（圖9）。居住建筑的設計采用了模塊化生成的方式，利用Rhino和Grasshopper通過調整參數改變UV方向的單元數量，從而生成豐富的體塊效果（圖10）。該設計過程促使學生運用理性的邏輯規則生成最終的街區設計方案（圖11），是對設計過程的一種訓練。

4.碩士研究生課程設計——光與圖書館

光與圖書館課程設計從光的物理屬性出發，以光環境作為物理驅動因子，將建筑與光的結合作為設計考慮的主題，以對光環境有較高要求的圖書館建筑為載體，采用參數化設計和算法設計的相關理論，著重探討光在建筑空間設計、形態構成和組合中的設計應用。

設計時根據具體場地中隱含的特殊物理環境規律，利用Ecotect軟件對光環境進行模擬分析，并由此建立設計邏輯來控制設計過程（圖12）。首先根據光環境關系作為起點，利用算法生成建筑形態（圖13）并對采光進行設計，之后再對光環境進行模擬評價和驗證分析（圖14），得到最終的設計方案（圖15），由此探討一種更為理性科學的設計模式。

研究類教學實踐中，本科生創新研究項目獲得了校級一等獎，7名碩士研究生完成了論文寫作，并發表多篇期刊和會議論文;本科生設計課程作業多次在Revit杯競賽、中國建筑院校境外交流學生作業展中獲得優異成績。豐富的教學成果顯現出實踐項目依托科研與教學的教學模式優勢，通過學科交叉構建了良好的新型建筑教學體系，在學院教學實踐中起到以點帶面的作用，并成為以后教學改革的重要方向之一。

四、結語

當下數字技術的介入打破了傳統的建筑設計方法，基于性能驅動的數字化建筑設計教學改革是順應建筑發展趨勢的有效手段。建筑學科教學改革立足現實，通過借鑒國內外成功的先進經驗，根據不同階段學生的知識層次設置不同類型的課程，補充了理論知識的不足，同時結合設計與研究項目使理論與實踐更好地結合，建構出具有自身特色的建筑設計教學模式，為建筑設計教學實踐發展奠定了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] ? ?孫佳琦，劉瑩.北方高校圖書館室內光環境模擬分析研究[C].數字設計與建筑：2014年全國建筑院系建筑數字技術教學研討會論文集，p238-243

[2] ? ?劉瑩，羅鵬.引入結構設計與分析的建筑設計教學方法探索[C].全國建筑教育學生研討會論文集，p301-304

[3] ? ?吳健梅，劉瑩，FloraSamuel，邢凱.跨越圍墻的學習場——哈爾濱工業大學與英國謝菲爾德大學聯合設計教學的其實與思考[J].中國建筑教育，2014（8）：24-30