數字圖學技術的建筑專業教學思考

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建筑學需要在設計圖紙上體現較好的創意和較深的藝術造詣，才能得到業主的認可，反映在圖學課程上，就是其它專業的圖紙每個學生畫出來基本是一致的，而建筑學的學生作業則各不相同。同樣的內容不同的人畫，會有不同的構圖和制圖方式，甚至很多建筑師的制圖也體現其設計水平和能力。由此可見，建筑學的圖學教育不能照搬一般工程類學科的教學范式，需要根據課程體系的特點，作更多的思索。武漢大學城市設計學院建筑系所設課程有較多在教學中與圖學緊密相關，圖學及其數字技術可以或多或少地加入到教學中，但相關的程度和方式相互有所不同，如表1所示。目前數字圖學技術在建筑學教學中有以下3個使用層次：1）輔助設計，提高設計表現能力。主要應用在建筑設計、專題設計、建筑設計基礎等課程中。在這些課程中，圖學主要起到設計表現、場景虛擬、空間表達等作用。學生主要使用圖學的軟件，對建筑的平面、立面、三維造型進行描述，代替徒手表達，展現設計思想，用以跟老師交流方案。2）輔助思維，促進創意生成。主要應用在建筑藝術表現、模型制作等課程，在第一層次的設計類課程中也有應用。利用目前比較前沿的參數化數字設計等軟件來進行形體塑造、空間設計。設計者不再像以往在大腦中想好一個形式，再將其在電腦上表現出來，更多的是設計者制定符合某種邏輯過程的設計思路，將基本形體單元數字化后，按照這種邏輯編程來進行進一步演化。最終形成的形體完全由計算機生成，設計者可能在前期都不能完全想象出最后形體的圖學表現形式。這種數字圖學方法尤其適合于創造新型形體、復雜形體的設計。在這個層次中，計算機深入到建筑造型的過程中來，把以往不可能實現的型體利用計算機數字設計方式進行表現。3）輔助評估，完善全壽命周期及建筑環境評價。目前的建筑學要求在設計中能考慮到建筑全壽命周期的評價，并更多地考慮節能、環境保護等全方位知識體系的結合。比如建筑師在設計階段就要分析建筑所使用的原材料的節能特性、建筑設計中對環境、運行成本等問題的思考。以往的數字圖學技術僅僅只是作圖功能，無法滿足更深層次的要求。圖學的新一代數字技術中整合了這些評價模塊或是軟件，使得建筑師在設計階段完成數字建模后，就可以模擬了解到建筑建成后的物理環境和能源消耗，如基于ECOTECT的物理環境模擬軟件、基于PHOENICS的通風條件模擬軟件等[5]。通過這些新型的圖學數字技術，可以在教學中指導學生了解整個建筑從材料設計施工，到建筑長時間運行的狀況，全面評估自己的設計，使學生更好地滿足現代建筑學對可持續發展的要求。

數字圖學技術的教學原則和方式

可以看到，建筑學與圖學之間的聯系緊密而有層次，甚至可以在大部分領域和設計階段起到非常重要的作用。但建筑學類的圖學課程教學如何進行，怎樣把現代數字圖學技術融入到已有專業課程體系中，需要進一步思考和認識，也需要更好地發揮教師和學生的創造力。首先，現有的傳統圖學教學方式需要進行改革。學生比較反感手把手式教學，上課過程中通過簡單羅列講授出來的指令集也很難記憶，希望學習能有一定的自主性。他們一直和軟件打交道，學習能力很強，上課也經常以電腦作圖作為主要交流的方式。因此，在數字軟件的學習上比較主動，更希望能夠自己選擇適合的數字方法。另外，學生特別喜歡與設計相結合的教學方式，希望在解決問題中學習。通過解決一到兩個實際數字案例，從中熟練掌握相應的應用軟件。“墻怎么畫、曲線怎么畫”等純粹基礎的軟件教學，難以引起學生的學習興趣，教學效果較差。這就要求教師在實際教學中掌握學生的特點，謹慎尋找能夠較大程度的覆蓋軟件主要功能的案例。在此基礎上，進一步對未涉及的教學內容進行補充。其次，在制圖中需要考慮建筑學的技術內容。建筑學不僅需要制圖來表達設計思想和空間特點，也需要表達對建筑特定技術問題的處理方式。建筑學存在著較多的專業門類，這些知識也需要借助圖學的方法，進行表達和與學生交流。因此，要求圖學可以進行帶有較強技術性的環境分析。數字技術在其中是一個重要的媒介和評估平臺。例如目前的圖學軟件也已經與環境設計問題的相關軟件整合起來，能夠實時評估環境的狀態。比如設計一座房間，將其數字模型導入相關軟件中即可以獲得相應的建筑物理指標分析報告。如果設計師對房間的性能不太滿意，還可以改變參數。當條件改變時，相關的環境狀態和物理指標會發生相應的改變。最終在設計階段就能在體型、結構、材料等方面對建筑方案有一個完整的設計，避免了學生設計只注重外觀，而忽視實際建筑性能的問題，使其符合現代設計師高水準的培養需要。再者，圖學應考慮支持建筑學的特色設計領域的教學。建筑是以圖說話的學科，把諸如歷史保護設計、景觀設計等專業的領域和相關知識體系轉化為數字化圖形語言，就能最大化發揮圖學的作用，如在建筑歷史教學中，讓學生用數字化方式將歐洲古典柱式、中國傳統屋頂，用電腦作圖的方式畫出來，具有一舉多得的作用。既訓練了學生數字化制圖的能力，又利用制圖過程讓學生體會了歷史經典建筑構件的建造比例關系，同時了解其內在設計邏輯和結構受力特點。由此讓學生既進行了圖學的訓練，又能夠增進對建筑歷史領域的深入理解。最后，教師需要在建筑學設計課程教學中把圖學作為重要的交流作用來使用，幫助學生進行形象化的空間設計。在以往的教學中，并沒有將數字軟件的應用考慮到其中，教師與學生通過手繪圖進行交流。這種方式歷史悠久，固然有其合理的方面，但表達不準確，常常是手稿畫好了，而輸入電腦正式制圖時又出現新的問題。更重要的是數字圖學技術應用到設計中，特別是用以設計復雜的形體，這就不是光用手稿就可以很好地進行交流。比如參數化設計等方式，一定需要專用數字軟件，按照制圖邏輯來形成方案，傳統的交流手段無法進行準確的圖面交流。但是新的數字技術則可以打破上述界限。例如使用REVIT平面繪圖軟件，在畫平面圖的時候就同時生成立體空間的情況，學生在完成平面圖繪制以后就可以得到立體空間的數字化模擬狀況，極大地方便學生和老師的交流。修改和進一步完善設計也很方便，平面上的修改可以實時地反映在立面和三維圖上，避免了將精力浪費在簡單重復的修改設計之上。而且以往的設計制圖中，往往將平立面分別完成，但是修改的時候會因為遺忘或是對修改內容的錯誤理解而導致平立剖面出現不同的表達內容。現在的REVIT軟件，自動進行立面和剖面的修改，避免了人為造成的錯誤。這也是圖學數字化發展的新趨勢——交互式設計方式。將其應用在教學中，將極大的提高課堂教學效率，讓師生的交流更多的集中到設計本身，也讓制圖表達更加準確和規范。

數字圖學教學實例

武漢大學建筑學專業三年級本科生必修課程《建筑物理》課作業，要求學生在自己的設計作品中選擇一個典型的房間。利用數字圖學軟件分析其光學性能，并對光學設計不合理的地方進行修改。作業所選擇的軟件為ECOTECT，是一款建筑物理評估軟件，提供了交互式研究手段，集成了熱、光、聲等物理環境的綜合分析，并具有數據格式適應性好、環境評估過程完整、結果圖像化等特點[6]。該軟件可以像傳統數字圖學軟件一樣，畫出建筑的三維模型，再進行建筑物理環境指標的模擬并以直觀的圖示方式表達出來。課程中，根據學生反饋的情況，在原來的設計過程中，多是從美觀等設計角度出發，并未考慮到室內光學環境是否達到國家標準，因此，普遍存在室內采光不足或采光過量的情況。利用軟件發現問題以后，學生著手利用軟件本身進行修改。采光不足的房間增加開窗的數量或增大窗戶面積；對于采光過量的房間，采用設置遮陽板、降低窗戶玻璃透明度等方式進行改變。經過修改后的數字模型再進入模擬階段進行光學環境的模擬。經過這種修改后，顯示其建筑的光環境性能得到了很好地改善，在這個過程中，學生掌握了ECOTECT軟件，并脫離了只會操作命令的初步階段，更多的學會了利用數字圖學軟件深入修改自己的方案，并用以指導設計。同時，也通過這個過程，加強了學生對采光系數、窗地比等建筑物理概念的理解，了解了它們在實際設計中的重要作用。另一個嘗試是安排在研究生課程《綠色建筑技術》中。要求研究生使用ECOTECT軟件完成能耗分析圖，并用以指導設計，如圖1所示。分析圖模擬建筑在建成以后的熱物理性能，并對節能設計方案進行重新模擬，分析其耗能的改善程度。完成的學生主要為建筑設計方向的研究生，其節能設計方案包括更改墻體材料、改變房間能耗類型、設置屋頂形式等方面，通過模擬的情況再結合設計選擇最適合的節能手段。在這樣的一個作業過程中，通過圖學軟件的學習過程，學生深刻了解了上述這些節能方式對建筑能耗改善的重要影響。

發展方向探討

數字圖學技術始終處于加速發展的過程中，因此，把握數字圖學技術未來發展方向，提出與建筑專業教學結合的新方式，非常迫切和需要。1）擺脫純粹制圖工具的定位。傳統工程圖學主要以制圖和表現為主，主要是滿足圖形圖像的需要。圖學數字化在相當長的歷史時期起到了重要的作用，擺脫了設計師的手工圖紙作業、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，對推動圖學相關專業的進步起到了重要的作用。隨著社會的發展，要求現代圖學能夠更好地為各類學科服務。因此，不僅是設計思路的表達，更多的是幫助繪圖人員擴展思路，更好地激發靈感。圖學不再是單純的畫圖工具，更多的應該帶有輔助設計的特點，幫助建筑師完善不成熟的設計創意，對不合理的設計進行修改。2）圖學軟件應該更加智能化、交互化。圖學的應用多年來一直是單向的表達與圖像繪制。但是在目前信息化的大背景下，越來越強調制圖軟件的交互化和智能化。通過交互的方式，能夠更好地反映制圖人的需要，而智能化的需要則是使圖學軟件更好的滿足繪圖人員的創意，尤其是對特殊的制圖部位，制圖軟件能夠很好地理解設計師的意圖，并按照制圖人的想法去實現。3）數字圖學技術要將最新的圖學手段和建筑技術融入教學中。隨著科技的日新月異，越來越多的新設計手段都在以數字的方式表現出來。比如更符合人腦思維方式的數字虛擬技術、將語法結構作為過程邏輯的ShapeGrammar設計方法[7]、還有作參數設計的Rhino等軟件[8]。這些數字方法并不僅僅只是表達制圖的需要，更代表了一種設計思想或是方法論，因此，具有更為重要的意義。對學生開展的這類教學，也是通過圖學的作用讓學生了解了建筑前沿領域所探索的方向和內容。4）圖學的教學不是純軟件的教學。而是以相關的軟件為媒介，讓學生理解數字圖學在自己專業學習中的作用，學習這些軟件可以在哪些方面能夠起到提高設計能力、改變思維方式的效果。要培養學生明白不能單純為了應用某種軟件而去無端地應用，或者僅僅以會用某種軟件為最終目的，而要選擇適合的數字技術作為自己的有效設計工具。

小結

由此可見，發揮好數字圖學技術的作用，與建筑的設計過程緊密結合，可以對建筑學專業的學生培養發揮重要的作用。圖學發展迅猛，教學體系和教師難以在短時間內連續進行適應和調整。圖學是否能夠起到較好的輔助設計的作用，并達到改善教學質量的效果，也是需要不斷進行調查研究，這有待建筑和圖學教育工作者進一步思考。

作者：李鹍單位：武漢大學城市設計學院