基于性能驱动的数字化建筑设计教学模式实践研究

杨阳 刘莹

摘要：将数字技术应用于优化建筑性能可以有效提升建筑设计的科学品质，相关理念的引入也为促进数字化建筑设计教育教学的深化改革提供了有效途径。文章首先阐述了数字技术与性能驱动方法应用于当前建筑设计、研究与教育的现状及特征，提出建构基于性能驱动的数字化建筑设计教学模式的必要性;随后以哈尔滨工业大学建筑学院针对建筑设计课程的改革与实践为例，提出课程实践研究的目标、思路与课程体系，并对课程实践中的具体教学模式和相关教学成果进行分析和总结。

关键词：性能驱动;数字技术;建筑设计教学

一、背景

近年来，随着计算机软硬件技术的高速发展，数字技术不断改进建筑设计的手段和方法，从简单的辅助绘图工具演变成设计参与者的角色，其直观、高效的特点为设计分析的科学化、理性化提供了前所未有的突破。尤其是近20年来，参数化设计、虚拟现实等新理论与方法以及建筑信息模型、性能化模拟等新技术的探索正在国际建筑设计与教育界蓬勃开展，并日益受到我国建筑界的重视。建筑学对于物理、能耗和安全等性能的日益关注，加之数字技术在建筑设计优化性能中更高层次、更深内涵上的应用，提升了建筑设计的科学品质，推动了设计中科学定量化分析的发展，具有重要意义。因而，如何高效、科学地基于性能驱动进行数字化建筑设计与优化成为一个需要探索的重要课题。

基于性能驱动的建筑设计是以建筑性能为出发点，以定量的科学模拟与测量为数据支持，以规范化的标准与评估体系为准则，精确地设计建筑具体性能的设计方法，近年来在建筑界具有越来越重要的影响。这种设计方法的整个流程是在明确的性能目标的引导下，采用不同于以往的科学定量的设计方法来进行的。当下，新的技术背景对建筑设计提出了新的要求，以讲授命令为主的传统建筑教学模式已脱离学生的实际需要。这使得高校教育者不得不在实践教学中进行与时俱进的探索，在专业教学工作中引入“优化设计性能”的概念，从教育理念、教学内容、教学方法与手段、教学评价体系等方面进行革新，构建新型教学模式，将数字化建筑设计更好地引向实践，以实现设计的高性能目标。

二、现状分析

国外数字技术在建筑设计中的应用实践起步较早，并逐步发展为建筑设计实践中不可或缺的一部分。20世纪90年代以来，在部分数字先锋建筑师如彼得·埃森曼、伯纳德·屈米、弗兰克·盖里、扎哈·哈迪德等的推动下，以及伴随着一些能够熟练运用数字设计理论与技术的青年数字建筑师和事务所的涌现，利用计算机研究建筑形态的探索得到了长足的发展和进步，极大地丰富了数字化建筑设计实践。

数字建筑设计的教育方面，美国哈佛大学、麻省理工学院、宾夕法尼亚大学、英国建筑联盟学院、瑞士苏黎世联邦理工学院等高校均分别成立专门的实验室，利用数字技术进行建筑设计与建造实验，以探索新的设计方法和建造途径。随后，国内的各个高校也开展了相应的课程教学活动。2005年以来，清华大学、东南大学、同济大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等多家重点院校在本科生三年级至毕业设计阶段开设了非线性数字化建筑设计课程，且部分高校还建立重点实验室，进行数字化建筑设计与建造的研究与实践。自2007年起，全国高等学校建筑学学科专业指导委员会每年都组织举办“Revit杯全国大学生可持续建筑设计竞赛”，以促进建筑信息模型技术在高校的普及;2010年后，该竞赛又增加了用Ecotect进行节能分析的要求。每年一届的全国建筑院系建筑数字技术教学研讨会也加强了高校师生及设计单位之间的学术交流。2013年9-10月，中国建筑学会建筑师分会数字建筑设计专业委员会在北京举办一系列主题为“数字渗透”的数字建筑展览。这些教学实践活动表明，国内建筑教育界正在积极应对数字技术发展带来的挑战，并对建筑学专业教学改革进行思考。

性能驱动设计方面，在建筑设计领域，以实现高效科学的性能化建筑方案设计为目标，许多学者开展了一系列研究。如在建筑消防安全领域的研究，是根据功能使用完成基本疏散设计后，采用计算机模型推算建筑内火势蔓延和人员疏散过程，找出瓶颈位置调整疏散设计以保证人员安全。经过多年的发展，很多发达国家已经建立较成熟的性能化设计流程及技术标准并以法规形式进行推广。建筑设计性能与分析优化方法现已成为国际建筑教育界关注的热点，国外多所建筑类知名院校面向建筑学及相关专业开设性能化与优化分析方法方面的专业课程，国内高等院校也应及时调整，使其教学模式适应行业的发展趋势。

综合国外高校的成功经验和当下建筑行业的需求可以看出，基于性能驱动的数字化建筑设计教学模式应具备如下特征：结合物理、计算机等不同学科，强调跨学科知识的综合运用;课程设置需将知识讲授与设计专题相结合，以使理论与设计实践相互巩固，实现技术与设计更好的结合。

三、基于性能驱动的数字化建筑设计教学模式

立足于建筑设计发展的学术前沿，自2013年开始，哈尔滨工业大学建筑学院开始对性能驱动下的数字化建筑设计教学改革与实践的探索，并开展一系列相关理论与设计课程，借助课程训练帮助学生掌握与性能驱动和数字化设计相关的知识及各类技巧，逐步促进数字化建筑设计教学的深化改革。

（一）教学模式建构要求

基于性能驱动的数字化建筑设计教学改革实践运用了现代建筑设计教育的理论和思想，形成以优化设计性能为导向的教学设计理论。为提高课程和教学质量，保证教学内容的先进性、前沿性和科学性，教学模式的建构满足以下要求：

1.自主性转变教师教学理念和学生学习方式，培养学生通过自学方式掌握软件命令的学习能力和学习习惯，以及从方案设计阶段开始主动考虑建筑性能的设计思维模式;

2.系统性探索性能导向在实践教学中的定位，制定以性能为目标，设计初期介入优化设计流程、方法和支撑技术，性能化理论、优化技术与设计实践教学相辅相成的教学计划，保证课程之间的逻辑性和有机性;

3.层次性从讲授命令为主的软件教学转变到以讲授软件组合使用和数字化设计方法相结合的教学模式，并根据学生层次的不同设置相应的课程，逐步实现将建筑数字技术与建筑设计教学有机结合。

（二）教学实践探索方案

依据教学模式改革的要求和原则，对教学实践的探索分为不同的阶段。初步探索阶段完成基础性工作，主要任务有利用课堂教学、实践活动等开展课题实施与研究;如实记录研究过程中的各种相关现象、数据和问题;定期请专家指导，开展课题研讨，解决教学中的实际问题等。深化提高阶段则需完成以下目标，如融会中外先进教学思想和方法，进一步展开课题实施与研究;优化课堂教学过程，深化已有成果，构建体现性能化思想的教学模式;加强理论学习，深入学生实际，不断探索，最终实现新型教学模式。

参考不同实践阶段的目标与要求，将相关课程设置为基础理论类、设计应用类以及研究探索类三种。基础理论课有本科三年级的数字化设计概论;设计应用课有本科四年级春季学期的开放设计和夏季学期的联合设计，硕士研究生的课程设计;研究探索类为本科生的创新研究项目和硕士研究生毕业论文的相关研究（表1）。

课程体系建构在原有基础上进行补充和完善，结合性能模拟的需求，将相关技术理论与应用教学融合到传统教学模式中，使学生真正掌握性能驱动下的数字化建筑设计方法。

（三）教学实践成果

1.本科生创新研究项目

本科生创新研究项目旨在强化项目学习对本科生综合研究素质与创新能力的训练，采用课程学习和项目学习并重的教学方式，遵循“兴趣驱动、自主实验、重在过程”的原则，鼓励思路新颖、目标明确、具有创新性、研究方案及技术路线可行、实施条件可靠的项目。

研究针对北方某高校图书馆室内光环境进行了模拟分析，实地考察了图书馆利用率最高的二层自习室和阅览室在不同天气和时段的使用情况（图1、图2）[1]，向现场学生发放300份调查问卷，总结分析室内光环境现状及存在问题，提出室内光照强度、光源数量、内部格局与光源位置、自然光照与人工照明等影响光环境质量的主要方面。根据测绘数据利用Ecotect软件对两个房间进行虚拟建模和光环境模拟（图3），将光照分布不均区域的光源数量、位置及室内布局进行合理调整，并对优化后方案进行二次模拟检验（图4），达到有效利用自然光照、各区域光照分布均匀且强度充足的效果，更好地满足高校图书馆的使用要求。

2.本科开放设计——冰雪展览馆设计

开放式研究型设计是建筑学专业本科四年级课程，学生自由选择课题组，三人一组完成设计方案，冰雪文化展览馆设计组旨在借助参数化生成设计平台来探讨数字时代的地域文化表达，鼓励学生在探索建筑空间特征的同时，自主研究数字平台的应用可能[2]。

“逻辑游戏”以参观人群的运动路径为驱动因子，将其近似抽象为展览空间中自由运动的粒子进行模拟，并为展览空间排布和组合赋予概率逻辑依据，设计出不同的展览馆空间。模拟实验假设：人是具有动能的粒子，人空间中的运动抽象为粒子在空间中进行有能量消耗的运动;假设每次粒子从出发到碰撞点之间消耗能量相同;将单一展厅内的参观路线近似抽象为直线运动;根据展区空间自由度较高的特性，将空间原型抽象为圆;设定人的运动由给定尺寸的展区开始，即从展区入口位置开始进行碰撞运动。模拟实验步骤为：使粒子在假定圆形平面内随机碰撞至能量为零，即完成一个粒子的一次实验;对每个粒子进行实验，将获得的碰撞点数据叠加;选取高概率点群中最优点作为该空间与下一个空间的连接点，并作为新实验的起点;由实验结果获得不同的组合方式和空间序列选择（图5）。再根据空间特点和场地限制选择，将二维序列转变成三维空间形式（图6），并最终确定设计方案（图7）。

3.本科联合设计——中心商业街区城市设计

本科四年级夏季学期的联合设计包含与英国建筑联盟学院合作的参数化组，每组3-5人进行设计，要求以“增长的副本”为主题，通过算法编程实现建筑非线性空间设计的动态自组织或自相似过程，以展现不同于传统的静态建筑设计结果[3]。

参数化中心商业街区城市设计通过Processing编程脚本进行一系列实验作为设计的基础。首先通过软件分析研究城市道路的组织机制，然后利用自垂直线切割和挤压长方体，进而形成不同的街区形态，解决原有地块缺少可识别性的问题（图8）。高层建筑的设计时以Processing软件生成的体块为原型，在Rhino中进一步进行立面的处理（图9）。居住建筑的设计采用了模块化生成的方式，利用Rhino和Grasshopper通过调整参数改变UV方向的单元数量，从而生成丰富的体块效果（图10）。该设计过程促使学生运用理性的逻辑规则生成最终的街区设计方案（图11），是对设计过程的一种训练。

4.硕士研究生课程设计——光与图书馆

光与图书馆课程设计从光的物理属性出发，以光环境作为物理驱动因子，将建筑与光的结合作为设计考虑的主题，以对光环境有较高要求的图书馆建筑为载体，采用参数化设计和算法设计的相关理论，着重探讨光在建筑空间设计、形态构成和组合中的设计应用。

设计时根据具体场地中隐含的特殊物理环境规律，利用Ecotect软件对光环境进行模拟分析，并由此建立设计逻辑来控制设计过程（图12）。首先根据光环境关系作为起点，利用算法生成建筑形态（图13）并对采光进行设计，之后再对光环境进行模拟评价和验证分析（图14），得到最终的设计方案（图15），由此探讨一种更为理性科学的设计模式。

研究类教学实践中，本科生创新研究项目获得了校级一等奖，7名硕士研究生完成了论文写作，并发表多篇期刊和会议论文;本科生设计课程作业多次在Revit杯竞赛、中国建筑院校境外交流学生作业展中获得优异成绩。丰富的教学成果显现出实践项目依托科研与教学的教学模式优势，通过学科交叉构建了良好的新型建筑教学体系，在学院教学实践中起到以点带面的作用，并成为以后教学改革的重要方向之一。

四、结语

当下数字技术的介入打破了传统的建筑设计方法，基于性能驱动的数字化建筑设计教学改革是顺应建筑发展趋势的有效手段。建筑学科教学改革立足现实，通过借鉴国内外成功的先进经验，根据不同阶段学生的知识层次设置不同类型的课程，补充了理论知识的不足，同时结合设计与研究项目使理论与实践更好地结合，建构出具有自身特色的建筑设计教学模式，为建筑设计教学实践发展奠定了坚实的基础。

参考文献：

[1]    孙佳琦，刘莹.北方高校图书馆室内光环境模拟分析研究[C].数字设计与建筑：2014年全国建筑院系建筑数字技术教学研讨会论文集，p238-243

[2]    刘莹，罗鹏.引入结构设计与分析的建筑设计教学方法探索[C].全国建筑教育学生研讨会论文集，p301-304

[3]    吴健梅，刘莹，FloraSamuel，邢凯.跨越围墙的学习场——哈尔滨工业大学与英国谢菲尔德大学联合设计教学的其实与思考[J].中国建筑教育，2014（8）：24-30