前沿技術在建筑學設計教學中的應用探索

高小宇　胡瑩　吳珊珊　孫嘉麟

［摘 要］面對信息技術日新月異的發展和國家戰略新部署，建筑設計產、學、研各個環節都在尋求轉型和突破，其中教學思維、內容、手段的滯后使得教改迫在眉睫。在城市更新戰略背景下，教學團隊將增強現實和智能建造技術積極應用于建筑學專碩的設計課題中，重點在體驗和建造層面探索新技術應用的可能性和模式路徑，拓展傳統教學和設計的維度，激發學生的探索欲和積極性。

［關鍵詞］建筑學；設計課程；城市更新；增強現實；智能建造

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）04-0080-05

近年，我國城市發展由“增量擴張”向“存量挖潛”模式轉變。“城市更新”的首次提出是在2019年12月召開的中央經濟工作會議上，并于2021年寫入了當年的政府工作報告和“十四五”規劃文件之中，由此上升至國家戰略高度。黨的二十大報告指出，要“實施城市更新行動，加強城市基礎設施建設，打造宜居、韌性、智慧城市”。

2021年11月，蘇州入選住建部發布的全國首批城市更新試點名單，重點探索城市更新統籌謀劃機制，探索城市更新可持續模式及探索建立城市更新配套制度政策等。蘇州科技大學（以下簡稱蘇科大）作為具有優勢建筑類學科的高校，正積極以“智庫”身份研究城市更新、參與城市更新，同時推進相關教學改革。學校以較為靈活的建筑學研究生課程為教改試點，增加了城市更新類設計課題的比重，并重點探索前沿技術在設計課程中的應用，取得了良好的教學效果。

一、教學問題與改革方向

（一）課程概況

蘇科大建筑學專碩的課程（環節）分學位課（環節）和非學位課（環節）兩類。學位課（環節）分為公共課、基礎理論和專業技術課、實踐教學三個部分，其中，實踐教學包含3個課程設計（建筑與城市設計課程）和1個專業實踐（半年校外實習）。課程設計環節是近年教學改革的重點，也是新教學方法、新行業技術應用的試驗田。

（二）教學難點

1.傳統教學思維慣性較強

蘇科大從事研究生設計課教學的教師皆承擔本科生的設計課教學工作，本科一年級為建筑設計基礎A（一、二），二到四年級為建筑設計（一～五）和居住區規劃與住宅設計、城市設計。教學任務和評價標準較固定，空間、形式、建構、場地關系等建筑設計本體問題是教學的重點，建筑設計類型多為常見的民用建筑，多以傳統結構選型（鋼筋混凝土框架結構等）作為基礎的新建建筑設計手法。建筑設計基礎課程以物質空間意識培養為導向，多關注從較簡單的環境條件和任務出發，通過復雜建筑形態、空間等本體要素從無到有的生成訓練，重點培養學生的發散性思維，以及空間想象力、關聯性分析和邏輯推導能力[1]，以及動手低技營建能力[2]。長期從事本科教學工作的教師在研究生設計課程中有較強的思維慣性，在任務書的制訂和教學方法上大多延續本科程式化教學的思維，沒有根據新需求進行充分的調整轉變。

2.教學與社會需求脫節

建筑學雖然是一門古老的學科，但學科知識的發展也應與社會需求緊密結合。建筑行業在瞬息萬變的市場大環境下不斷調整變化，設計教學也應當推陳出新，以增強學科和畢業生的市場競爭力。但目前教學改革明顯滯后于時代發展，傳統關注建筑本體、三維實體二維表達、靜態化、抽象化的設計教學已經很難滿足日新月異的社會需求。特別是想基于建筑設計跨學科發展的學生，在開展相關專業深造或相近行業工作時普遍發現所學的本專業知識過窄、過舊，延展性不足。

隨著經濟增速放緩、新建項目銳減、建筑整體行業下行以及新興產業崛起，若教師還繼續傳授過時的學科知識，忽視前沿技術與建筑行業的對接融合，忽視激發學生探索新事物的好奇心和積極性，那么學生學習設計的狀態和就業競爭力必然每況愈下。

（三）改革方向

蘇科大建筑學專碩實踐教學中的“建筑與城市設計（一、二）”課程為學科統一組織的設計課程，由設計指導小組統一授課、輔導與評分，內容為建筑設計、城市設計。筆者所在的教學團隊于2021—2022學年和2022—2023學年分別進行了“建筑與城市設計（一、二）”的教學改革，以國家戰略需求為導向[3]，充分研究我國城市化趨勢和城市更新需求，分析新技術在傳統建筑設計領域的應用現狀和擴展可能性，并在體驗和建造兩個方面制訂了改革方案。

在環境體驗方面，基于蘇州古城保護的常規內容（整體風貌控制、建筑肌理存續、歷史建筑活化等），鼓勵學生運用AR技術增加設計維度，從實體空間體驗向元宇宙體驗拓展，探索創新技術、創意產業助力古城保護向“活保護”和有機更新轉變的方法和路徑。在建筑建造方面，以第九屆“紫金獎·建筑及環境設計大賽”為契機組織教學改革，鼓勵學生在京杭運河濱水空間中運用新型建造方式、結構形式，以微介入的城市更新方式塑造當代文化空間，推動世界文化遺產保護。兩個課程設計環節既相互獨立又相互聯系。

二、增強現實技術的應用

（一）課程目標

課題“蘇州古城49號街坊南園河以北區域城市設計”選址于蘇州古城東南部的49號街坊內，基地內傳統民居、老舊住區眾多，又有大量玉石產業街區整體搬遷后留存的存量空間。本課題旨在引導學生通過城市更新的方式，營造古城“未來社區”，構建完整居住社區和多樣化場景內核，使其能夠更好地滿足人們的生活與精神需求；探索社區作為社會賦能引擎的可能性；嘗試跳出傳統設計工具和思維限制，創造出智慧、綠色、生態、和諧、人文、便利和安全的未來生活圖景。

（二）城市更新中的AR技術

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）技術是一種將虛擬信息疊加到真實環境中的技術，可為建筑設計提供新的視覺體驗和交互方式。AR主要包含三個特征：虛擬與現實結合、實時互動、基于三維的定位[4]。AR技術可以在設計領域通過虛擬空間對現實空間進行擴展、再定義，可以增加使用者的體驗維度，提升設計效率。

目前，由硬件、底層算法、應用平臺、場景等組成的AR產業鏈逐漸成熟，并在廣告、游戲、社交、制造業等領域實現商業化的應用，但是在城市更新中目前尚未對其進行系統化的技術探索和商業模式普及。在教學方面，同濟大學于2015年初開始建設國家級“建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心”，以“內容制作”為中心，觸及了大量的本科與研究生教學環節[5]。

在城市更新中，可利用AR技術智慧化提升基礎設施和公共服務設施水平，并引入AR相關創意產業入駐社區，激活存量空間。同時，結合AR技術的特點對體驗路徑、公共空間、建筑內部空間進行梳理、整合設計，并利用AR三維測量技術輔助逆向設計，即數字化處理復雜的現場環境，生成供設計的環境幾何模型，從而省去城市更新前期大量的現場調研和環境復現工作。

（三）教學內容和環節

教學內容由兩部分組成，一是對實體空間的更新改造，二是基于AR技術的虛擬空間設計，這也是教學環節的前后部分。

實體空間更新改造的教學內容主要包括古城風貌保護與延續的建筑類型學方法，以及建筑改造再利用、功能分區、交通組織、公共空間營造等有機更新策略，旨在形成新舊共融的整體風貌，促進街區功能環境的整體提升。同時，研究信息時代下古城未來社區新需求催生出的新設施、新空間，為AR的應用架構出一套新的實體空間場景?；贏R的虛擬空間設計的教學主要包括智能互動裝置系統展示、虛擬世界框架搭建、虛擬漫游路徑和虛擬交流系統交互設計等，鼓勵學生跳出傳統CAD+SU/Rhino工具框架，學習Unity等新工具。

在題為《智享生活·賽博游歷》（作者：文澤華、王恒毅、嚴雪羽）的學生作業中，針對原場地內部環境不佳、基礎設施落后、立面陳舊、共享區域不足、老齡化嚴重等問題，建設地下軌道、空中軌道，利用大數據技術優化社區智能物流系統、傳輸系統、信息系統，并利用AR技術使有限面積的社區變成兩重社區，一為現實世界的社區（表世界），二為虛擬世界的社區（里世界），由此加大了場地深度。學生們設置了空中探索、游園、商業、濱河路徑等虛擬漫游路徑，在重要節點設置了全息投影互動裝置、交流小站等模塊，并發掘蘇州歷史文化和城市記憶元素，構建豐富的角色信息和故事情節，對應居民與游客對當地“城市意象”的不同感知，并把社區服務信息傳遞給居民、商戶，提供社區內外人員的交互信息世界，創造了可享、可玩、可游的未來智能社區（見圖1）。

在城市更新的教學中，實體空間的物質更新為AR提供了現實基礎，虛擬空間的介入又拓展了實體空間的設計內容和維度。AR技術通過交互終端（AR眼鏡/頭顯）和AR app，為使用者帶來了非靜態、多元、可自由選擇的體驗世界，賦予了存量空間更多的內涵。

三、智能建造技術的應用

（一）課程目標

本課題圍繞競賽主題“千年運河·活力家園”進行教學研究。學生可自主選擇京杭大運河沿岸的合適地塊進行城市更新設計，設計條件較為靈活，所要解決的問題及其思路也較為開放。面對文化豐富且生態敏感的濱水空間，教學團隊鼓勵學生在設計中采用智能建造相關技術，以明確的建構模式回應開放的選題，加大設計理念落地生根的可能性，促進學生對建筑本體要素的理解。本課題既是前一個課題的延續，又與前一個課題相互補充，虛實結合。

（二）城市更新中的智能建造技術

智能建造技術是指利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、3D打印、人工智能、物聯網、大數據等技術，實現建筑策劃、設計、制造、施工、運維等過程數字化、網絡化、自動化、智能化的技術，對于提升建設水平、推動建筑業高質量發展具有重要意義。根據《關于推進江蘇省智能建造發展的實施方案（試行）》，不同類型企業的技術側重點不同，設計企業側重“BIM+數字一體化設計”，施工企業側重“智能施工管理+智慧工地”，總承包企業側重“基于BIM平臺的設計+施工”，部品部件生產企業側重“部品部件智能生產線”。城市更新涉及各類型企業全周期的工作，在智能設計階段主要有如下應用場景：

一是建筑信息模型。數字化是實現智能建造的關鍵，而BIM是建設領域數字化建模的支撐，也是行業大數據積累的唯一途徑[6]。設計人員可利用BIM存儲、可視化既有建筑和場地的信息，并模擬采光、通風等環境情況；在設計過程中，BIM可實時反映建筑、結構、水電等多個專業的信息，可以實現多工種在一個平臺上協同設計；新舊構件、管線之間可利用BIM軟件進行碰撞檢測，同時各構件的參數信息也可集成于BIM并可快速輸出，提升了工程設計質量和效率。

二是裝配式建筑體系。裝配式建筑是指把建筑用的構件和配件在工廠預制完畢，運輸到施工現場，通過可靠的連接方式裝配安裝形成的建筑。本課題期望學生運用輕型裝配式技術快速建造，低強度、低成本開發濱水空間，并實現功能的靈活轉換。從讓·布維（Jean Prouve）到今天的朱競翔、謝英俊等建筑師對相關技術做了諸多探索，而深圳梅麗小學騰挪校園就是采用輕型鋼結構裝配式建筑體系的優秀城市更新案例[7]，為學生提供了參考和借鑒。

（三）教學內容和環節

教學內容包括前期分析（基地選址、問題發掘、案例分析、解決路徑等）、基于裝配式技術的更新設計策略、方案生成與表達方式（Revit等BIM相關軟件的使用、機器人建造等操作性教學內容）。前、中、后各環節的比重分配為3∶5∶2，以提升學生分析問題、設計研究和使用現代工具的能力。

基于裝配式技術的更新設計策略是本課題的重點，其又可分解為標準化和濱水空間再生兩個子課題。標準化（包括部品部件的標準化、建模方法的標準化、模型成果的標準化）是裝配式建筑發展的必要條件，BIM可以為標準化提供技術支撐，二者相互促進[8]；濱水空間再生涉及大運河沿岸的歷史文化發掘、建筑景觀等各門類設計、生態修復等內容，需要結合前期問題分析和裝配式技術手段予以綜合回應。

在學生正式進行設計之前，教學團隊以阿爾多·凡·艾克（Aldo van Eyck）及其所代表的結構主義建筑流派的作品為案例開端，逐漸過渡到當下輕型裝配式建筑體系的介紹，讓學生明白標準化單元與多元空間塑造、工程技術與文化體驗之間不是相互矛盾而是辯證統一的關系。在題為《恍若隔世——基于符號互動論的碼頭市集重塑》（作者：馮浩宇、孫錦培、王涵宇、李源鑫）的學生作業（見圖2）中，學生首先基于調研和文獻研究，總結出基于人群互動的文化空間類型；然后以符號學的方法提煉出若干標準化的功能模塊（零售、餐飲、書店、兒童娛樂、樓梯等），并開發出標準化的材料、構件清單，設計、建模工作始終在Revit軟件里進行；最后在學院數字建造實驗室用機械臂模擬裝配整個建筑，實現從標準化設計到信息化模型再到裝配式建造的無縫銜接。最重要的是，通過智能建造手段讓更新后的濱水建筑環境友好而又富有當地民族風情，功能多樣且靈活可變，大運河沿岸得以創意再生。

四、結語

“產—學—研”一體化的關鍵環節是中間的“學”，它是前沿技術向市場化落地的試驗田和訓練場。本文中的兩個課題利用尚未全面普及的前沿技術拓展了城市更新的手段和維度，既相互獨立又相互聯系。AR和BIM本就密不可分，它們的融合可以在設計中讓模型數據與真實世界深入交疊，在虛擬空間中與建筑工地實時交互，完成施工效果預演；在施工中又可以幫助工人和技術人員精準施工、實時檢測、實時查看現場進度與計劃進度的對比偏差等。

本次教改探索結合技術發展和市場需求，初步建立了城市更新類設計教學的新框架（見圖3），拓展了學生學習的視野和深度，并實現了一定的模式積累，是未來蘇科大系統性實施高水平建筑設計教學改革的有益探索。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 薛濱夏，周立軍，于戈.從真實到概念：“建筑設計基礎”課教學中空間意識培養[J].建筑學報，2011（6）：29-31.

[2］ 劉剴.建筑設計基礎課程1∶1營建教學[J].建筑學報，2013（2）：110-114.

[3］ 儲召生，高毅哲.深入學習宣傳貫徹二十大精神? 辦好人民滿意的教育：訪教育部黨組書記、部長懷進鵬[J].新教育，2023（1）：4-6.

[4］ AZUMA R T . A survey of augmented reality[J]. Presence：teleoperators & virtual environments， 1997， 6（4）：355-385.

[5］ 孫澄宇，黃一如.同濟大學虛擬仿真實驗教學2.0建設[J].城市建筑，2015（28）：43-46.

[6］ 張建平，林佳瑞，胡振中，等.數字化驅動智能建造[J].建筑技術，2022，53（11）：1565-1571.

[7］ 朱競翔，韓如意，韓國日，等.校園騰挪的原型開發與集成設計：深圳梅麗小學案例[J].建筑學報，2019（5）：16-22.

[8］ 劉承靈，楊婷，米宗寶，等.BIM技術助力裝配式建筑智能建造[J].磚瓦，2022（8）：63-65.

［責任編輯：周侯辰］