楊陽 劉瑩

摘要：將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)化建筑性能可以有效提升建筑設(shè)計的科學(xué)品質(zhì)，相關(guān)理念的引入也為促進數(shù)字化建筑設(shè)計教育教學(xué)的深化改革提供了有效途徑。文章首先闡述了數(shù)字技術(shù)與性能驅(qū)動方法應(yīng)用于當前建筑設(shè)計、研究與教育的現(xiàn)狀及特征，提出建構(gòu)基于性能驅(qū)動的數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)模式的必要性;隨后以哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院針對建筑設(shè)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(xué)模式和相關(guān)教學(xué)成果進行分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：性能驅(qū)動;數(shù)字技術(shù);建筑設(shè)計教學(xué)

一、背景

近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)不斷改進建筑設(shè)計的手段和方法，從簡單的輔助繪圖工具演變成設(shè)計參與者的角色，其直觀、高效的特點為設(shè)計分析的科學(xué)化、理性化提供了前所未有的突破。尤其是近20年來，參數(shù)化設(shè)計、虛擬現(xiàn)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(shù)的探索正在國際建筑設(shè)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(xué)對于物理、能耗和安全等性能的日益關(guān)注，加之數(shù)字技術(shù)在建筑設(shè)計優(yōu)化性能中更高層次、更深內(nèi)涵上的應(yīng)用，提升了建筑設(shè)計的科學(xué)品質(zhì)，推動了設(shè)計中科學(xué)定量化分析的發(fā)展，具有重要意義。因而，如何高效、科學(xué)地基于性能驅(qū)動進行數(shù)字化建筑設(shè)計與優(yōu)化成為一個需要探索的重要課題。

基于性能驅(qū)動的建筑設(shè)計是以建筑性能為出發(fā)點，以定量的科學(xué)模擬與測量為數(shù)據(jù)支持，以規(guī)范化的標準與評估體系為準則，精確地設(shè)計建筑具體性能的設(shè)計方法，近年來在建筑界具有越來越重要的影響。這種設(shè)計方法的整個流程是在明確的性能目標的引導(dǎo)下，采用不同于以往的科學(xué)定量的設(shè)計方法來進行的。當下，新的技術(shù)背景對建筑設(shè)計提出了新的要求，以講授命令為主的傳統(tǒng)建筑教學(xué)模式已脫離學(xué)生的實際需要。這使得高校教育者不得不在實踐教學(xué)中進行與時俱進的探索，在專業(yè)教學(xué)工作中引入“優(yōu)化設(shè)計性能”的概念，從教育理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段、教學(xué)評價體系等方面進行革新，構(gòu)建新型教學(xué)模式，將數(shù)字化建筑設(shè)計更好地引向?qū)嵺`，以實現(xiàn)設(shè)計的高性能目標。

二、現(xiàn)狀分析

國外數(shù)字技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用實踐起步較早，并逐步發(fā)展為建筑設(shè)計實踐中不可或缺的一部分。20世紀90年代以來，在部分數(shù)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(shù)字設(shè)計理論與技術(shù)的青年數(shù)字建筑師和事務(wù)所的涌現(xiàn)，利用計算機研究建筑形態(tài)的探索得到了長足的發(fā)展和進步，極大地豐富了數(shù)字化建筑設(shè)計實踐。

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

性能驅(qū)動設(shè)計方面，在建筑設(shè)計領(lǐng)域，以實現(xiàn)高效科學(xué)的性能化建筑方案設(shè)計為目標，許多學(xué)者開展了一系列研究。如在建筑消防安全領(lǐng)域的研究，是根據(jù)功能使用完成基本疏散設(shè)計后，采用計算機模型推算建筑內(nèi)火勢蔓延和人員疏散過程，找出瓶頸位置調(diào)整疏散設(shè)計以保證人員安全。經(jīng)過多年的發(fā)展，很多發(fā)達國家已經(jīng)建立較成熟的性能化設(shè)計流程及技術(shù)標準并以法規(guī)形式進行推廣。建筑設(shè)計性能與分析優(yōu)化方法現(xiàn)已成為國際建筑教育界關(guān)注的熱點，國外多所建筑類知名院校面向建筑學(xué)及相關(guān)專業(yè)開設(shè)性能化與優(yōu)化分析方法方面的專業(yè)課程，國內(nèi)高等院校也應(yīng)及時調(diào)整，使其教學(xué)模式適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展趨勢。

綜合國外高校的成功經(jīng)驗和當下建筑行業(yè)的需求可以看出，基于性能驅(qū)動的數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)模式應(yīng)具備如下特征：結(jié)合物理、計算機等不同學(xué)科，強調(diào)跨學(xué)科知識的綜合運用;課程設(shè)置需將知識講授與設(shè)計專題相結(jié)合，以使理論與設(shè)計實踐相互鞏固，實現(xiàn)技術(shù)與設(shè)計更好的結(jié)合。

三、基于性能驅(qū)動的數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)模式

立足于建筑設(shè)計發(fā)展的學(xué)術(shù)前沿，自2013年開始，哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院開始對性能驅(qū)動下的數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)改革與實踐的探索，并開展一系列相關(guān)理論與設(shè)計課程，借助課程訓(xùn)練幫助學(xué)生掌握與性能驅(qū)動和數(shù)字化設(shè)計相關(guān)的知識及各類技巧，逐步促進數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)的深化改革。

（一）教學(xué)模式建構(gòu)要求

基于性能驅(qū)動的數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)改革實踐運用了現(xiàn)代建筑設(shè)計教育的理論和思想，形成以優(yōu)化設(shè)計性能為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計理論。為提高課程和教學(xué)質(zhì)量，保證教學(xué)內(nèi)容的先進性、前沿性和科學(xué)性，教學(xué)模式的建構(gòu)滿足以下要求：

1.自主性轉(zhuǎn)變教師教學(xué)理念和學(xué)生學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生通過自學(xué)方式掌握軟件命令的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)習(xí)慣，以及從方案設(shè)計階段開始主動考慮建筑性能的設(shè)計思維模式;

2.系統(tǒng)性探索性能導(dǎo)向在實踐教學(xué)中的定位，制定以性能為目標，設(shè)計初期介入優(yōu)化設(shè)計流程、方法和支撐技術(shù)，性能化理論、優(yōu)化技術(shù)與設(shè)計實踐教學(xué)相輔相成的教學(xué)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(xué)轉(zhuǎn)變到以講授軟件組合使用和數(shù)字化設(shè)計方法相結(jié)合的教學(xué)模式，并根據(jù)學(xué)生層次的不同設(shè)置相應(yīng)的課程，逐步實現(xiàn)將建筑數(shù)字技術(shù)與建筑設(shè)計教學(xué)有機結(jié)合。

（二）教學(xué)實踐探索方案

依據(jù)教學(xué)模式改革的要求和原則，對教學(xué)實踐的探索分為不同的階段。初步探索階段完成基礎(chǔ)性工作，主要任務(wù)有利用課堂教學(xué)、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(guān)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和問題;定期請專家指導(dǎo)，開展課題研討，解決教學(xué)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(xué)思想和方法，進一步展開課題實施與研究;優(yōu)化課堂教學(xué)過程，深化已有成果，構(gòu)建體現(xiàn)性能化思想的教學(xué)模式;加強理論學(xué)習(xí)，深入學(xué)生實際，不斷探索，最終實現(xiàn)新型教學(xué)模式。

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

課程體系建構(gòu)在原有基礎(chǔ)上進行補充和完善，結(jié)合性能模擬的需求，將相關(guān)技術(shù)理論與應(yīng)用教學(xué)融合到傳統(tǒng)教學(xué)模式中，使學(xué)生真正掌握性能驅(qū)動下的數(shù)字化建筑設(shè)計方法。

（三）教學(xué)實踐成果

1.本科生創(chuàng)新研究項目

本科生創(chuàng)新研究項目旨在強化項目學(xué)習(xí)對本科生綜合研究素質(zhì)與創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，采用課程學(xué)習(xí)和項目學(xué)習(xí)并重的教學(xué)方式，遵循“興趣驅(qū)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(chuàng)新性、研究方案及技術(shù)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(nèi)光環(huán)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(xí)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(xiàn)場學(xué)生發(fā)放300份調(diào)查問卷，總結(jié)分析室內(nèi)光環(huán)境現(xiàn)狀及存在問題，提出室內(nèi)光照強度、光源數(shù)量、內(nèi)部格局與光源位置、自然光照與人工照明等影響光環(huán)境質(zhì)量的主要方面。根據(jù)測繪數(shù)據(jù)利用Ecotect軟件對兩個房間進行虛擬建模和光環(huán)境模擬（圖3），將光照分布不均區(qū)域的光源數(shù)量、位置及室內(nèi)布局進行合理調(diào)整，并對優(yōu)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(qū)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(shè)計——冰雪展覽館設(shè)計

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

“邏輯游戲”以參觀人群的運動路徑為驅(qū)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(jù)，設(shè)計出不同的展覽館空間。模擬實驗假設(shè)：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(shè)每次粒子從出發(fā)到碰撞點之間消耗能量相同;將單一展廳內(nèi)的參觀路線近似抽象為直線運動;根據(jù)展區(qū)空間自由度較高的特性，將空間原型抽象為圓;設(shè)定人的運動由給定尺寸的展區(qū)開始，即從展區(qū)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(nèi)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(shù)據(jù)疊加;選取高概率點群中最優(yōu)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(jié)果獲得不同的組合方式和空間序列選擇（圖5）。再根據(jù)空間特點和場地限制選擇，將二維序列轉(zhuǎn)變成三維空間形式（圖6），并最終確定設(shè)計方案（圖7）。

3.本科聯(lián)合設(shè)計——中心商業(yè)街區(qū)城市設(shè)計

本科四年級夏季學(xué)期的聯(lián)合設(shè)計包含與英國建筑聯(lián)盟學(xué)院合作的參數(shù)化組，每組3-5人進行設(shè)計，要求以“增長的副本”為主題，通過算法編程實現(xiàn)建筑非線性空間設(shè)計的動態(tài)自組織或自相似過程，以展現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的靜態(tài)建筑設(shè)計結(jié)果[3]。

參數(shù)化中心商業(yè)街區(qū)城市設(shè)計通過Processing編程腳本進行一系列實驗作為設(shè)計的基礎(chǔ)。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(qū)形態(tài)，解決原有地塊缺少可識別性的問題（圖8）。高層建筑的設(shè)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(shè)計采用了模塊化生成的方式，利用Rhino和Grasshopper通過調(diào)整參數(shù)改變UV方向的單元數(shù)量，從而生成豐富的體塊效果（圖10）。該設(shè)計過程促使學(xué)生運用理性的邏輯規(guī)則生成最終的街區(qū)設(shè)計方案（圖11），是對設(shè)計過程的一種訓(xùn)練。

4.碩士研究生課程設(shè)計——光與圖書館

光與圖書館課程設(shè)計從光的物理屬性出發(fā)，以光環(huán)境作為物理驅(qū)動因子，將建筑與光的結(jié)合作為設(shè)計考慮的主題，以對光環(huán)境有較高要求的圖書館建筑為載體，采用參數(shù)化設(shè)計和算法設(shè)計的相關(guān)理論，著重探討光在建筑空間設(shè)計、形態(tài)構(gòu)成和組合中的設(shè)計應(yīng)用。

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

研究類教學(xué)實踐中，本科生創(chuàng)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(fā)表多篇期刊和會議論文;本科生設(shè)計課程作業(yè)多次在Revit杯競賽、中國建筑院校境外交流學(xué)生作業(yè)展中獲得優(yōu)異成績。豐富的教學(xué)成果顯現(xiàn)出實踐項目依托科研與教學(xué)的教學(xué)模式優(yōu)勢，通過學(xué)科交叉構(gòu)建了良好的新型建筑教學(xué)體系，在學(xué)院教學(xué)實踐中起到以點帶面的作用，并成為以后教學(xué)改革的重要方向之一。

四、結(jié)語

當下數(shù)字技術(shù)的介入打破了傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方法，基于性能驅(qū)動的數(shù)字化建筑設(shè)計教學(xué)改革是順應(yīng)建筑發(fā)展趨勢的有效手段。建筑學(xué)科教學(xué)改革立足現(xiàn)實，通過借鑒國內(nèi)外成功的先進經(jīng)驗，根據(jù)不同階段學(xué)生的知識層次設(shè)置不同類型的課程，補充了理論知識的不足，同時結(jié)合設(shè)計與研究項目使理論與實踐更好地結(jié)合，建構(gòu)出具有自身特色的建筑設(shè)計教學(xué)模式，為建筑設(shè)計教學(xué)實踐發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] ? ?孫佳琦，劉瑩.北方高校圖書館室內(nèi)光環(huán)境模擬分析研究[C].數(shù)字設(shè)計與建筑：2014年全國建筑院系建筑數(shù)字技術(shù)教學(xué)研討會論文集，p238-243

[2] ? ?劉瑩，羅鵬.引入結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析的建筑設(shè)計教學(xué)方法探索[C].全國建筑教育學(xué)生研討會論文集，p301-304

[3] ? ?吳健梅，劉瑩，F(xiàn)loraSamuel，邢凱.跨越圍墻的學(xué)習(xí)場——哈爾濱工業(yè)大學(xué)與英國謝菲爾德大學(xué)聯(lián)合設(shè)計教學(xué)的其實與思考[J].中國建筑教育，2014（8）：24-30