數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的建筑專業(yè)教學(xué)思考

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建筑學(xué)需要在設(shè)計(jì)圖紙上體現(xiàn)較好的創(chuàng)意和較深的藝術(shù)造詣，才能得到業(yè)主的認(rèn)可，反映在圖學(xué)課程上，就是其它專業(yè)的圖紙每個(gè)學(xué)生畫出來(lái)基本是一致的，而建筑學(xué)的學(xué)生作業(yè)則各不相同。同樣的內(nèi)容不同的人畫，會(huì)有不同的構(gòu)圖和制圖方式，甚至很多建筑師的制圖也體現(xiàn)其設(shè)計(jì)水平和能力。由此可見(jiàn)，建筑學(xué)的圖學(xué)教育不能照搬一般工程類學(xué)科的教學(xué)范式，需要根據(jù)課程體系的特點(diǎn)，作更多的思索。武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院建筑系所設(shè)課程有較多在教學(xué)中與圖學(xué)緊密相關(guān)，圖學(xué)及其數(shù)字技術(shù)可以或多或少地加入到教學(xué)中，但相關(guān)的程度和方式相互有所不同，如表1所示。目前數(shù)字圖學(xué)技術(shù)在建筑學(xué)教學(xué)中有以下3個(gè)使用層次：1）輔助設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)表現(xiàn)能力。主要應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)、專題設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程中。在這些課程中，圖學(xué)主要起到設(shè)計(jì)表現(xiàn)、場(chǎng)景虛擬、空間表達(dá)等作用。學(xué)生主要使用圖學(xué)的軟件，對(duì)建筑的平面、立面、三維造型進(jìn)行描述，代替徒手表達(dá)，展現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，用以跟老師交流方案。2）輔助思維，促進(jìn)創(chuàng)意生成。主要應(yīng)用在建筑藝術(shù)表現(xiàn)、模型制作等課程，在第一層次的設(shè)計(jì)類課程中也有應(yīng)用。利用目前比較前沿的參數(shù)化數(shù)字設(shè)計(jì)等軟件來(lái)進(jìn)行形體塑造、空間設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者不再像以往在大腦中想好一個(gè)形式，再將其在電腦上表現(xiàn)出來(lái)，更多的是設(shè)計(jì)者制定符合某種邏輯過(guò)程的設(shè)計(jì)思路，將基本形體單元數(shù)字化后，按照這種邏輯編程來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步演化。最終形成的形體完全由計(jì)算機(jī)生成，設(shè)計(jì)者可能在前期都不能完全想象出最后形體的圖學(xué)表現(xiàn)形式。這種數(shù)字圖學(xué)方法尤其適合于創(chuàng)造新型形體、復(fù)雜形體的設(shè)計(jì)。在這個(gè)層次中，計(jì)算機(jī)深入到建筑造型的過(guò)程中來(lái)，把以往不可能實(shí)現(xiàn)的型體利用計(jì)算機(jī)數(shù)字設(shè)計(jì)方式進(jìn)行表現(xiàn)。3）輔助評(píng)估，完善全壽命周期及建筑環(huán)境評(píng)價(jià)。目前的建筑學(xué)要求在設(shè)計(jì)中能考慮到建筑全壽命周期的評(píng)價(jià)，并更多地考慮節(jié)能、環(huán)境保護(hù)等全方位知識(shí)體系的結(jié)合。比如建筑師在設(shè)計(jì)階段就要分析建筑所使用的原材料的節(jié)能特性、建筑設(shè)計(jì)中對(duì)環(huán)境、運(yùn)行成本等問(wèn)題的思考。以往的數(shù)字圖學(xué)技術(shù)僅僅只是作圖功能，無(wú)法滿足更深層次的要求。圖學(xué)的新一代數(shù)字技術(shù)中整合了這些評(píng)價(jià)模塊或是軟件，使得建筑師在設(shè)計(jì)階段完成數(shù)字建模后，就可以模擬了解到建筑建成后的物理環(huán)境和能源消耗，如基于ECOTECT的物理環(huán)境模擬軟件、基于PHOENICS的通風(fēng)條件模擬軟件等[5]。通過(guò)這些新型的圖學(xué)數(shù)字技術(shù)，可以在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生了解整個(gè)建筑從材料設(shè)計(jì)施工，到建筑長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的狀況，全面評(píng)估自己的設(shè)計(jì)，使學(xué)生更好地滿足現(xiàn)代建筑學(xué)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求。

數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的教學(xué)原則和方式

可以看到，建筑學(xué)與圖學(xué)之間的聯(lián)系緊密而有層次，甚至可以在大部分領(lǐng)域和設(shè)計(jì)階段起到非常重要的作用。但建筑學(xué)類的圖學(xué)課程教學(xué)如何進(jìn)行，怎樣把現(xiàn)代數(shù)字圖學(xué)技術(shù)融入到已有專業(yè)課程體系中，需要進(jìn)一步思考和認(rèn)識(shí)，也需要更好地發(fā)揮教師和學(xué)生的創(chuàng)造力。首先，現(xiàn)有的傳統(tǒng)圖學(xué)教學(xué)方式需要進(jìn)行改革。學(xué)生比較反感手把手式教學(xué)，上課過(guò)程中通過(guò)簡(jiǎn)單羅列講授出來(lái)的指令集也很難記憶，希望學(xué)習(xí)能有一定的自主性。他們一直和軟件打交道，學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)，上課也經(jīng)常以電腦作圖作為主要交流的方式。因此，在數(shù)字軟件的學(xué)習(xí)上比較主動(dòng)，更希望能夠自己選擇適合的數(shù)字方法。另外，學(xué)生特別喜歡與設(shè)計(jì)相結(jié)合的教學(xué)方式，希望在解決問(wèn)題中學(xué)習(xí)。通過(guò)解決一到兩個(gè)實(shí)際數(shù)字案例，從中熟練掌握相應(yīng)的應(yīng)用軟件。“墻怎么畫、曲線怎么畫”等純粹基礎(chǔ)的軟件教學(xué)，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果較差。這就要求教師在實(shí)際教學(xué)中掌握學(xué)生的特點(diǎn)，謹(jǐn)慎尋找能夠較大程度的覆蓋軟件主要功能的案例。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)未涉及的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。其次，在制圖中需要考慮建筑學(xué)的技術(shù)內(nèi)容。建筑學(xué)不僅需要制圖來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)思想和空間特點(diǎn)，也需要表達(dá)對(duì)建筑特定技術(shù)問(wèn)題的處理方式。建筑學(xué)存在著較多的專業(yè)門類，這些知識(shí)也需要借助圖學(xué)的方法，進(jìn)行表達(dá)和與學(xué)生交流。因此，要求圖學(xué)可以進(jìn)行帶有較強(qiáng)技術(shù)性的環(huán)境分析。數(shù)字技術(shù)在其中是一個(gè)重要的媒介和評(píng)估平臺(tái)。例如目前的圖學(xué)軟件也已經(jīng)與環(huán)境設(shè)計(jì)問(wèn)題的相關(guān)軟件整合起來(lái)，能夠?qū)崟r(shí)評(píng)估環(huán)境的狀態(tài)。比如設(shè)計(jì)一座房間，將其數(shù)字模型導(dǎo)入相關(guān)軟件中即可以獲得相應(yīng)的建筑物理指標(biāo)分析報(bào)告。如果設(shè)計(jì)師對(duì)房間的性能不太滿意，還可以改變參數(shù)。當(dāng)條件改變時(shí)，相關(guān)的環(huán)境狀態(tài)和物理指標(biāo)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。最終在設(shè)計(jì)階段就能在體型、結(jié)構(gòu)、材料等方面對(duì)建筑方案有一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，避免了學(xué)生設(shè)計(jì)只注重外觀，而忽視實(shí)際建筑性能的問(wèn)題，使其符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)師高水準(zhǔn)的培養(yǎng)需要。再者，圖學(xué)應(yīng)考慮支持建筑學(xué)的特色設(shè)計(jì)領(lǐng)域的教學(xué)。建筑是以圖說(shuō)話的學(xué)科，把諸如歷史保護(hù)設(shè)計(jì)、景觀設(shè)計(jì)等專業(yè)的領(lǐng)域和相關(guān)知識(shí)體系轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖形語(yǔ)言，就能最大化發(fā)揮圖學(xué)的作用，如在建筑歷史教學(xué)中，讓學(xué)生用數(shù)字化方式將歐洲古典柱式、中國(guó)傳統(tǒng)屋頂，用電腦作圖的方式畫出來(lái)，具有一舉多得的作用。既訓(xùn)練了學(xué)生數(shù)字化制圖的能力，又利用制圖過(guò)程讓學(xué)生體會(huì)了歷史經(jīng)典建筑構(gòu)件的建造比例關(guān)系，同時(shí)了解其內(nèi)在設(shè)計(jì)邏輯和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。由此讓學(xué)生既進(jìn)行了圖學(xué)的訓(xùn)練，又能夠增進(jìn)對(duì)建筑歷史領(lǐng)域的深入理解。最后，教師需要在建筑學(xué)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中把圖學(xué)作為重要的交流作用來(lái)使用，幫助學(xué)生進(jìn)行形象化的空間設(shè)計(jì)。在以往的教學(xué)中，并沒(méi)有將數(shù)字軟件的應(yīng)用考慮到其中，教師與學(xué)生通過(guò)手繪圖進(jìn)行交流。這種方式歷史悠久，固然有其合理的方面，但表達(dá)不準(zhǔn)確，常常是手稿畫好了，而輸入電腦正式制圖時(shí)又出現(xiàn)新的問(wèn)題。更重要的是數(shù)字圖學(xué)技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，特別是用以設(shè)計(jì)復(fù)雜的形體，這就不是光用手稿就可以很好地進(jìn)行交流。比如參數(shù)化設(shè)計(jì)等方式，一定需要專用數(shù)字軟件，按照制圖邏輯來(lái)形成方案，傳統(tǒng)的交流手段無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的圖面交流。但是新的數(shù)字技術(shù)則可以打破上述界限。例如使用REVIT平面繪圖軟件，在畫平面圖的時(shí)候就同時(shí)生成立體空間的情況，學(xué)生在完成平面圖繪制以后就可以得到立體空間的數(shù)字化模擬狀況，極大地方便學(xué)生和老師的交流。修改和進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)也很方便，平面上的修改可以實(shí)時(shí)地反映在立面和三維圖上，避免了將精力浪費(fèi)在簡(jiǎn)單重復(fù)的修改設(shè)計(jì)之上。而且以往的設(shè)計(jì)制圖中，往往將平立面分別完成，但是修改的時(shí)候會(huì)因?yàn)檫z忘或是對(duì)修改內(nèi)容的錯(cuò)誤理解而導(dǎo)致平立剖面出現(xiàn)不同的表達(dá)內(nèi)容。現(xiàn)在的REVIT軟件，自動(dòng)進(jìn)行立面和剖面的修改，避免了人為造成的錯(cuò)誤。這也是圖學(xué)數(shù)字化發(fā)展的新趨勢(shì)——交互式設(shè)計(jì)方式。將其應(yīng)用在教學(xué)中，將極大的提高課堂教學(xué)效率，讓師生的交流更多的集中到設(shè)計(jì)本身，也讓制圖表達(dá)更加準(zhǔn)確和規(guī)范。

數(shù)字圖學(xué)教學(xué)實(shí)例

武漢大學(xué)建筑學(xué)專業(yè)三年級(jí)本科生必修課程《建筑物理》課作業(yè)，要求學(xué)生在自己的設(shè)計(jì)作品中選擇一個(gè)典型的房間。利用數(shù)字圖學(xué)軟件分析其光學(xué)性能，并對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行修改。作業(yè)所選擇的軟件為ECOTECT，是一款建筑物理評(píng)估軟件，提供了交互式研究手段，集成了熱、光、聲等物理環(huán)境的綜合分析，并具有數(shù)據(jù)格式適應(yīng)性好、環(huán)境評(píng)估過(guò)程完整、結(jié)果圖像化等特點(diǎn)[6]。該軟件可以像傳統(tǒng)數(shù)字圖學(xué)軟件一樣，畫出建筑的三維模型，再進(jìn)行建筑物理環(huán)境指標(biāo)的模擬并以直觀的圖示方式表達(dá)出來(lái)。課程中，根據(jù)學(xué)生反饋的情況，在原來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，多是從美觀等設(shè)計(jì)角度出發(fā)，并未考慮到室內(nèi)光學(xué)環(huán)境是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此，普遍存在室內(nèi)采光不足或采光過(guò)量的情況。利用軟件發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以后，學(xué)生著手利用軟件本身進(jìn)行修改。采光不足的房間增加開(kāi)窗的數(shù)量或增大窗戶面積；對(duì)于采光過(guò)量的房間，采用設(shè)置遮陽(yáng)板、降低窗戶玻璃透明度等方式進(jìn)行改變。經(jīng)過(guò)修改后的數(shù)字模型再進(jìn)入模擬階段進(jìn)行光學(xué)環(huán)境的模擬。經(jīng)過(guò)這種修改后，顯示其建筑的光環(huán)境性能得到了很好地改善，在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生掌握了ECOTECT軟件，并脫離了只會(huì)操作命令的初步階段，更多的學(xué)會(huì)了利用數(shù)字圖學(xué)軟件深入修改自己的方案，并用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也通過(guò)這個(gè)過(guò)程，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)采光系數(shù)、窗地比等建筑物理概念的理解，了解了它們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中的重要作用。另一個(gè)嘗試是安排在研究生課程《綠色建筑技術(shù)》中。要求研究生使用ECOTECT軟件完成能耗分析圖，并用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，如圖1所示。分析圖模擬建筑在建成以后的熱物理性能，并對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新模擬，分析其耗能的改善程度。完成的學(xué)生主要為建筑設(shè)計(jì)方向的研究生，其節(jié)能設(shè)計(jì)方案包括更改墻體材料、改變房間能耗類型、設(shè)置屋頂形式等方面，通過(guò)模擬的情況再結(jié)合設(shè)計(jì)選擇最適合的節(jié)能手段。在這樣的一個(gè)作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)圖學(xué)軟件的學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生深刻了解了上述這些節(jié)能方式對(duì)建筑能耗改善的重要影響。

發(fā)展方向探討

數(shù)字圖學(xué)技術(shù)始終處于加速發(fā)展的過(guò)程中，因此，把握數(shù)字圖學(xué)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，提出與建筑專業(yè)教學(xué)結(jié)合的新方式，非常迫切和需要。1）擺脫純粹制圖工具的定位。傳統(tǒng)工程圖學(xué)主要以制圖和表現(xiàn)為主，主要是滿足圖形圖像的需要。圖學(xué)數(shù)字化在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期起到了重要的作用，擺脫了設(shè)計(jì)師的手工圖紙作業(yè)、人為的誤差和修改的繁瑣，也使工程類圖紙更加精確、修改更便捷，對(duì)推動(dòng)圖學(xué)相關(guān)專業(yè)的進(jìn)步起到了重要的作用。隨著社會(huì)的發(fā)展，要求現(xiàn)代圖學(xué)能夠更好地為各類學(xué)科服務(wù)。因此，不僅是設(shè)計(jì)思路的表達(dá)，更多的是幫助繪圖人員擴(kuò)展思路，更好地激發(fā)靈感。圖學(xué)不再是單純的畫圖工具，更多的應(yīng)該帶有輔助設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，幫助建筑師完善不成熟的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，對(duì)不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。2）圖學(xué)軟件應(yīng)該更加智能化、交互化。圖學(xué)的應(yīng)用多年來(lái)一直是單向的表達(dá)與圖像繪制。但是在目前信息化的大背景下，越來(lái)越強(qiáng)調(diào)制圖軟件的交互化和智能化。通過(guò)交互的方式，能夠更好地反映制圖人的需要，而智能化的需要?jiǎng)t是使圖學(xué)軟件更好的滿足繪圖人員的創(chuàng)意，尤其是對(duì)特殊的制圖部位，制圖軟件能夠很好地理解設(shè)計(jì)師的意圖，并按照制圖人的想法去實(shí)現(xiàn)。3）數(shù)字圖學(xué)技術(shù)要將最新的圖學(xué)手段和建筑技術(shù)融入教學(xué)中。隨著科技的日新月異，越來(lái)越多的新設(shè)計(jì)手段都在以數(shù)字的方式表現(xiàn)出來(lái)。比如更符合人腦思維方式的數(shù)字虛擬技術(shù)、將語(yǔ)法結(jié)構(gòu)作為過(guò)程邏輯的ShapeGrammar設(shè)計(jì)方法[7]、還有作參數(shù)設(shè)計(jì)的Rhino等軟件[8]。這些數(shù)字方法并不僅僅只是表達(dá)制圖的需要，更代表了一種設(shè)計(jì)思想或是方法論，因此，具有更為重要的意義。對(duì)學(xué)生開(kāi)展的這類教學(xué)，也是通過(guò)圖學(xué)的作用讓學(xué)生了解了建筑前沿領(lǐng)域所探索的方向和內(nèi)容。4）圖學(xué)的教學(xué)不是純軟件的教學(xué)。而是以相關(guān)的軟件為媒介，讓學(xué)生理解數(shù)字圖學(xué)在自己專業(yè)學(xué)習(xí)中的作用，學(xué)習(xí)這些軟件可以在哪些方面能夠起到提高設(shè)計(jì)能力、改變思維方式的效果。要培養(yǎng)學(xué)生明白不能單純?yōu)榱藨?yīng)用某種軟件而去無(wú)端地應(yīng)用，或者僅僅以會(huì)用某種軟件為最終目的，而要選擇適合的數(shù)字技術(shù)作為自己的有效設(shè)計(jì)工具。

小結(jié)

由此可見(jiàn)，發(fā)揮好數(shù)字圖學(xué)技術(shù)的作用，與建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程緊密結(jié)合，可以對(duì)建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)發(fā)揮重要的作用。圖學(xué)發(fā)展迅猛，教學(xué)體系和教師難以在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)行適應(yīng)和調(diào)整。圖學(xué)是否能夠起到較好的輔助設(shè)計(jì)的作用，并達(dá)到改善教學(xué)質(zhì)量的效果，也是需要不斷進(jìn)行調(diào)查研究，這有待建筑和圖學(xué)教育工作者進(jìn)一步思考。

作者：李鹍單位：武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院