前沿技术在建筑学设计教学中的应用探索

高小宇　胡莹　吴珊珊　孙嘉麟

［摘 要］面对信息技术日新月异的发展和国家战略新部署，建筑设计产、学、研各个环节都在寻求转型和突破，其中教学思维、内容、手段的滞后使得教改迫在眉睫。在城市更新战略背景下，教学团队将增强现实和智能建造技术积极应用于建筑学专硕的设计课题中，重点在体验和建造层面探索新技术应用的可能性和模式路径，拓展传统教学和设计的维度，激发学生的探索欲和积极性。

［关键词］建筑学；设计课程；城市更新；增强现实；智能建造

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）04-0080-05

近年，我国城市发展由“增量扩张”向“存量挖潜”模式转变。“城市更新”的首次提出是在2019年12月召开的中央经济工作会议上，并于2021年写入了当年的政府工作报告和“十四五”规划文件之中，由此上升至国家战略高度。党的二十大报告指出，要“实施城市更新行动，加强城市基础设施建设，打造宜居、韧性、智慧城市”。

2021年11月，蘇州入选住建部发布的全国首批城市更新试点名单，重点探索城市更新统筹谋划机制，探索城市更新可持续模式及探索建立城市更新配套制度政策等。苏州科技大学（以下简称苏科大）作为具有优势建筑类学科的高校，正积极以“智库”身份研究城市更新、参与城市更新，同时推进相关教学改革。学校以较为灵活的建筑学研究生课程为教改试点，增加了城市更新类设计课题的比重，并重点探索前沿技术在设计课程中的应用，取得了良好的教学效果。

一、教学问题与改革方向

（一）课程概况

苏科大建筑学专硕的课程（环节）分学位课（环节）和非学位课（环节）两类。学位课（环节）分为公共课、基础理论和专业技术课、实践教学三个部分，其中，实践教学包含3个课程设计（建筑与城市设计课程）和1个专业实践（半年校外实习）。课程设计环节是近年教学改革的重点，也是新教学方法、新行业技术应用的试验田。

（二）教学难点

1.传统教学思维惯性较强

苏科大从事研究生设计课教学的教师皆承担本科生的设计课教学工作，本科一年级为建筑设计基础A（一、二），二到四年级为建筑设计（一～五）和居住区规划与住宅设计、城市设计。教学任务和评价标准较固定，空间、形式、建构、场地关系等建筑设计本体问题是教学的重点，建筑设计类型多为常见的民用建筑，多以传统结构选型（钢筋混凝土框架结构等）作为基础的新建建筑设计手法。建筑设计基础课程以物质空间意识培养为导向，多关注从较简单的环境条件和任务出发，通过复杂建筑形态、空间等本体要素从无到有的生成训练，重点培养学生的发散性思维，以及空间想象力、关联性分析和逻辑推导能力[1]，以及动手低技营建能力[2]。长期从事本科教学工作的教师在研究生设计课程中有较强的思维惯性，在任务书的制订和教学方法上大多延续本科程式化教学的思维，没有根据新需求进行充分的调整转变。

2.教学与社会需求脱节

建筑学虽然是一门古老的学科，但学科知识的发展也应与社会需求紧密结合。建筑行业在瞬息万变的市场大环境下不断调整变化，设计教学也应当推陈出新，以增强学科和毕业生的市场竞争力。但目前教学改革明显滞后于时代发展，传统关注建筑本体、三维实体二维表达、静态化、抽象化的设计教学已经很难满足日新月异的社会需求。特别是想基于建筑设计跨学科发展的学生，在开展相关专业深造或相近行业工作时普遍发现所学的本专业知识过窄、过旧，延展性不足。

随着经济增速放缓、新建项目锐减、建筑整体行业下行以及新兴产业崛起，若教师还继续传授过时的学科知识，忽视前沿技术与建筑行业的对接融合，忽视激发学生探索新事物的好奇心和积极性，那么学生学习设计的状态和就业竞争力必然每况愈下。

（三）改革方向

苏科大建筑学专硕实践教学中的“建筑与城市设计（一、二）”课程为学科统一组织的设计课程，由设计指导小组统一授课、辅导与评分，内容为建筑设计、城市设计。笔者所在的教学团队于2021—2022学年和2022—2023学年分别进行了“建筑与城市设计（一、二）”的教学改革，以国家战略需求为导向[3]，充分研究我国城市化趋势和城市更新需求，分析新技术在传统建筑设计领域的应用现状和扩展可能性，并在体验和建造两个方面制订了改革方案。

在环境体验方面，基于苏州古城保护的常规内容（整体风貌控制、建筑肌理存续、历史建筑活化等），鼓励学生运用AR技术增加设计维度，从实体空间体验向元宇宙体验拓展，探索创新技术、创意产业助力古城保护向“活保护”和有机更新转变的方法和路径。在建筑建造方面，以第九届“紫金奖·建筑及环境设计大赛”为契机组织教学改革，鼓励学生在京杭运河滨水空间中运用新型建造方式、结构形式，以微介入的城市更新方式塑造当代文化空间，推动世界文化遗产保护。两个课程设计环节既相互独立又相互联系。

二、增强现实技术的应用

（一）课程目标

课题“苏州古城49号街坊南园河以北区域城市设计”选址于苏州古城东南部的49号街坊内，基地内传统民居、老旧住区众多，又有大量玉石产业街区整体搬迁后留存的存量空间。本课题旨在引导学生通过城市更新的方式，营造古城“未来社区”，构建完整居住社区和多样化场景内核，使其能够更好地满足人们的生活与精神需求；探索社区作为社会赋能引擎的可能性；尝试跳出传统设计工具和思维限制，创造出智慧、绿色、生态、和谐、人文、便利和安全的未来生活图景。

（二）城市更新中的AR技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是一种将虚拟信息叠加到真实环境中的技术，可为建筑设计提供新的视觉体验和交互方式。AR主要包含三个特征：虚拟与现实结合、实时互动、基于三维的定位[4]。AR技术可以在设计领域通过虚拟空间对现实空间进行扩展、再定义，可以增加使用者的体验维度，提升设计效率。

目前，由硬件、底层算法、应用平台、场景等组成的AR产业链逐渐成熟，并在广告、游戏、社交、制造业等领域实现商业化的应用，但是在城市更新中目前尚未对其进行系统化的技术探索和商业模式普及。在教学方面，同济大学于2015年初开始建设国家级“建筑规划景观虚拟仿真实验教学中心”，以“内容制作”为中心，触及了大量的本科与研究生教学环节[5]。

在城市更新中，可利用AR技术智慧化提升基础设施和公共服务设施水平，并引入AR相关创意产业入驻社区，激活存量空间。同时，结合AR技术的特点对体验路径、公共空间、建筑内部空间进行梳理、整合设计，并利用AR三维测量技术辅助逆向设计，即数字化处理复杂的现场环境，生成供设计的环境几何模型，从而省去城市更新前期大量的现场调研和环境复现工作。

（三）教学内容和环节

教学内容由两部分组成，一是对实体空间的更新改造，二是基于AR技术的虚拟空间设计，这也是教学环节的前后部分。

实体空间更新改造的教学内容主要包括古城风貌保护与延续的建筑类型学方法，以及建筑改造再利用、功能分区、交通组织、公共空间营造等有机更新策略，旨在形成新旧共融的整体风貌，促进街区功能环境的整体提升。同时，研究信息时代下古城未来社区新需求催生出的新设施、新空间，为AR的应用架构出一套新的实体空间场景。基于AR的虚拟空间设计的教学主要包括智能互动装置系统展示、虚拟世界框架搭建、虚拟漫游路径和虚拟交流系统交互设计等，鼓励学生跳出传统CAD+SU/Rhino工具框架，学习Unity等新工具。

在题为《智享生活·赛博游历》（作者：文泽华、王恒毅、严雪羽）的学生作业中，针对原场地内部环境不佳、基础设施落后、立面陈旧、共享区域不足、老龄化严重等问题，建设地下轨道、空中轨道，利用大数据技术优化社区智能物流系统、传输系统、信息系统，并利用AR技术使有限面积的社区变成两重社区，一为现实世界的社区（表世界），二为虚拟世界的社区（里世界），由此加大了场地深度。学生们设置了空中探索、游园、商业、滨河路径等虚拟漫游路径，在重要节点设置了全息投影互动装置、交流小站等模块，并发掘苏州历史文化和城市记忆元素，构建丰富的角色信息和故事情节，对应居民与游客对当地“城市意象”的不同感知，并把社区服务信息传递给居民、商户，提供社区内外人员的交互信息世界，创造了可享、可玩、可游的未来智能社区（见图1）。

在城市更新的教学中，实体空间的物质更新为AR提供了现实基础，虚拟空间的介入又拓展了实体空间的设计内容和维度。AR技术通过交互终端（AR眼镜/头显）和AR app，为使用者带来了非静态、多元、可自由选择的体验世界，赋予了存量空间更多的内涵。

三、智能建造技术的应用

（一）课程目标

本课题围绕竞赛主题“千年运河·活力家园”进行教学研究。学生可自主选择京杭大运河沿岸的合适地块进行城市更新设计，设计条件较为灵活，所要解决的问题及其思路也较为开放。面对文化丰富且生态敏感的滨水空间，教学团队鼓励学生在设计中采用智能建造相关技术，以明确的建构模式回应开放的选题，加大設计理念落地生根的可能性，促进学生对建筑本体要素的理解。本课题既是前一个课题的延续，又与前一个课题相互补充，虚实结合。

（二）城市更新中的智能建造技术

智能建造技术是指利用BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、3D打印、人工智能、物联网、大数据等技术，实现建筑策划、设计、制造、施工、运维等过程数字化、网络化、自动化、智能化的技术，对于提升建设水平、推动建筑业高质量发展具有重要意义。根据《关于推进江苏省智能建造发展的实施方案（试行）》，不同类型企业的技术侧重点不同，设计企业侧重“BIM+数字一体化设计”，施工企业侧重“智能施工管理+智慧工地”，总承包企业侧重“基于BIM平台的设计+施工”，部品部件生产企业侧重“部品部件智能生产线”。城市更新涉及各类型企业全周期的工作，在智能设计阶段主要有如下应用场景：

一是建筑信息模型。数字化是实现智能建造的关键，而BIM是建设领域数字化建模的支撑，也是行业大数据积累的唯一途径[6]。设计人员可利用BIM存储、可视化既有建筑和场地的信息，并模拟采光、通风等环境情况；在设计过程中，BIM可实时反映建筑、结构、水电等多个专业的信息，可以实现多工种在一个平台上协同设计；新旧构件、管线之间可利用BIM软件进行碰撞检测，同时各构件的参数信息也可集成于BIM并可快速输出，提升了工程设计质量和效率。

二是装配式建筑体系。装配式建筑是指把建筑用的构件和配件在工厂预制完毕，运输到施工现场，通过可靠的连接方式装配安装形成的建筑。本课题期望学生运用轻型装配式技术快速建造，低强度、低成本开发滨水空间，并实现功能的灵活转换。从让·布维（Jean Prouve）到今天的朱竞翔、谢英俊等建筑师对相关技术做了诸多探索，而深圳梅丽小学腾挪校园就是采用轻型钢结构装配式建筑体系的优秀城市更新案例[7]，为学生提供了参考和借鉴。

（三）教学内容和环节

教学内容包括前期分析（基地选址、问题发掘、案例分析、解决路径等）、基于装配式技术的更新设计策略、方案生成与表达方式（Revit等BIM相关软件的使用、机器人建造等操作性教学内容）。前、中、后各环节的比重分配为3∶5∶2，以提升学生分析问题、设计研究和使用现代工具的能力。

基于装配式技术的更新设计策略是本课题的重点，其又可分解为标准化和滨水空间再生两个子课题。标准化（包括部品部件的标准化、建模方法的标准化、模型成果的标准化）是装配式建筑发展的必要条件，BIM可以为标准化提供技术支撑，二者相互促进[8]；滨水空间再生涉及大运河沿岸的历史文化发掘、建筑景观等各门类设计、生态修复等内容，需要结合前期问题分析和装配式技术手段予以综合回应。

在学生正式进行设计之前，教学团队以阿尔多·凡·艾克（Aldo van Eyck）及其所代表的结构主义建筑流派的作品为案例开端，逐渐过渡到当下轻型装配式建筑体系的介绍，让学生明白标准化单元与多元空间塑造、工程技术与文化体验之间不是相互矛盾而是辩证统一的关系。在题为《恍若隔世——基于符号互动论的码头市集重塑》（作者：冯浩宇、孙锦培、王涵宇、李源鑫）的学生作业（见图2）中，学生首先基于调研和文献研究，总结出基于人群互动的文化空间类型；然后以符号学的方法提炼出若干标准化的功能模块（零售、餐饮、书店、儿童娱乐、楼梯等），并开发出标准化的材料、构件清单，设计、建模工作始终在Revit软件里进行；最后在学院数字建造实验室用机械臂模拟装配整个建筑，实现从标准化设计到信息化模型再到装配式建造的无缝衔接。最重要的是，通过智能建造手段让更新后的滨水建筑环境友好而又富有当地民族风情，功能多样且灵活可变，大运河沿岸得以创意再生。

四、结语

“产—学—研”一体化的关键环节是中间的“学”，它是前沿技术向市场化落地的试验田和训练场。本文中的两个课题利用尚未全面普及的前沿技术拓展了城市更新的手段和维度，既相互独立又相互联系。AR和BIM本就密不可分，它们的融合可以在设计中让模型数据与真实世界深入交叠，在虚拟空间中与建筑工地实时交互，完成施工效果预演；在施工中又可以帮助工人和技术人员精准施工、实时检测、实时查看现场进度与计划进度的对比偏差等。

本次教改探索结合技术发展和市场需求，初步建立了城市更新类设计教学的新框架（见图3），拓展了学生学习的视野和深度，并实现了一定的模式积累，是未来苏科大系统性实施高水平建筑设计教学改革的有益探索。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 薛滨夏，周立军，于戈.从真实到概念：“建筑设计基础”课教学中空间意识培养[J].建筑学报，2011（6）：29-31.

[2］ 刘剀.建筑设计基础课程1∶1营建教学[J].建筑学报，2013（2）：110-114.

[3］ 储召生，高毅哲.深入学习宣传贯彻二十大精神  办好人民满意的教育：访教育部党组书记、部长怀进鹏[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］ 孙澄宇，黄一如.同济大学虚拟仿真实验教学2.0建设[J].城市建筑，2015（28）：43-46.

[6］ 张建平，林佳瑞，胡振中，等.数字化驱动智能建造[J].建筑技术，2022，53（11）：1565-1571.

[7］ 朱競翔，韩如意，韩国日，等.校园腾挪的原型开发与集成设计：深圳梅丽小学案例[J].建筑学报，2019（5）：16-22.

[8］ 刘承灵，杨婷，米宗宝，等.BIM技术助力装配式建筑智能建造[J].砖瓦，2022（8）：63-65.

［责任编辑：周侯辰］