数字图学技术的建筑专业教学思考

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建筑学需要在设计图纸上体现较好的创意和较深的艺术造诣，才能得到业主的认可，反映在图学课程上，就是其它专业的图纸每个学生画出来基本是一致的，而建筑学的学生作业则各不相同。同样的内容不同的人画，会有不同的构图和制图方式，甚至很多建筑师的制图也体现其设计水平和能力。由此可见，建筑学的图学教育不能照搬一般工程类学科的教学范式，需要根据课程体系的特点，作更多的思索。武汉大学城市设计学院建筑系所设课程有较多在教学中与图学紧密相关，图学及其数字技术可以或多或少地加入到教学中，但相关的程度和方式相互有所不同，如表1所示。目前数字图学技术在建筑学教学中有以下3个使用层次：1）辅助设计，提高设计表现能力。主要应用在建筑设计、专题设计、建筑设计基础等课程中。在这些课程中，图学主要起到设计表现、场景虚拟、空间表达等作用。学生主要使用图学的软件，对建筑的平面、立面、三维造型进行描述，代替徒手表达，展现设计思想，用以跟老师交流方案。2）辅助思维，促进创意生成。主要应用在建筑艺术表现、模型制作等课程，在第一层次的设计类课程中也有应用。利用目前比较前沿的参数化数字设计等软件来进行形体塑造、空间设计。设计者不再像以往在大脑中想好一个形式，再将其在电脑上表现出来，更多的是设计者制定符合某种逻辑过程的设计思路，将基本形体单元数字化后，按照这种逻辑编程来进行进一步演化。最终形成的形体完全由计算机生成，设计者可能在前期都不能完全想象出最后形体的图学表现形式。这种数字图学方法尤其适合于创造新型形体、复杂形体的设计。在这个层次中，计算机深入到建筑造型的过程中来，把以往不可能实现的型体利用计算机数字设计方式进行表现。3）辅助评估，完善全寿命周期及建筑环境评价。目前的建筑学要求在设计中能考虑到建筑全寿命周期的评价，并更多地考虑节能、环境保护等全方位知识体系的结合。比如建筑师在设计阶段就要分析建筑所使用的原材料的节能特性、建筑设计中对环境、运行成本等问题的思考。以往的数字图学技术仅仅只是作图功能，无法满足更深层次的要求。图学的新一代数字技术中整合了这些评价模块或是软件，使得建筑师在设计阶段完成数字建模后，就可以模拟了解到建筑建成后的物理环境和能源消耗，如基于ECOTECT的物理环境模拟软件、基于PHOENICS的通风条件模拟软件等[5]。通过这些新型的图学数字技术，可以在教学中指导学生了解整个建筑从材料设计施工，到建筑长时间运行的状况，全面评估自己的设计，使学生更好地满足现代建筑学对可持续发展的要求。

数字图学技术的教学原则和方式

可以看到，建筑学与图学之间的联系紧密而有层次，甚至可以在大部分领域和设计阶段起到非常重要的作用。但建筑学类的图学课程教学如何进行，怎样把现代数字图学技术融入到已有专业课程体系中，需要进一步思考和认识，也需要更好地发挥教师和学生的创造力。首先，现有的传统图学教学方式需要进行改革。学生比较反感手把手式教学，上课过程中通过简单罗列讲授出来的指令集也很难记忆，希望学习能有一定的自主性。他们一直和软件打交道，学习能力很强，上课也经常以电脑作图作为主要交流的方式。因此，在数字软件的学习上比较主动，更希望能够自己选择适合的数字方法。另外，学生特别喜欢与设计相结合的教学方式，希望在解决问题中学习。通过解决一到两个实际数字案例，从中熟练掌握相应的应用软件。“墙怎么画、曲线怎么画”等纯粹基础的软件教学，难以引起学生的学习兴趣，教学效果较差。这就要求教师在实际教学中掌握学生的特点，谨慎寻找能够较大程度的覆盖软件主要功能的案例。在此基础上，进一步对未涉及的教学内容进行补充。其次，在制图中需要考虑建筑学的技术内容。建筑学不仅需要制图来表达设计思想和空间特点，也需要表达对建筑特定技术问题的处理方式。建筑学存在着较多的专业门类，这些知识也需要借助图学的方法，进行表达和与学生交流。因此，要求图学可以进行带有较强技术性的环境分析。数字技术在其中是一个重要的媒介和评估平台。例如目前的图学软件也已经与环境设计问题的相关软件整合起来，能够实时评估环境的状态。比如设计一座房间，将其数字模型导入相关软件中即可以获得相应的建筑物理指标分析报告。如果设计师对房间的性能不太满意，还可以改变参数。当条件改变时，相关的环境状态和物理指标会发生相应的改变。最终在设计阶段就能在体型、结构、材料等方面对建筑方案有一个完整的设计，避免了学生设计只注重外观，而忽视实际建筑性能的问题，使其符合现代设计师高水准的培养需要。再者，图学应考虑支持建筑学的特色设计领域的教学。建筑是以图说话的学科，把诸如历史保护设计、景观设计等专业的领域和相关知识体系转化为数字化图形语言，就能最大化发挥图学的作用，如在建筑历史教学中，让学生用数字化方式将欧洲古典柱式、中国传统屋顶，用电脑作图的方式画出来，具有一举多得的作用。既训练了学生数字化制图的能力，又利用制图过程让学生体会了历史经典建筑构件的建造比例关系，同时了解其内在设计逻辑和结构受力特点。由此让学生既进行了图学的训练，又能够增进对建筑历史领域的深入理解。最后，教师需要在建筑学设计课程教学中把图学作为重要的交流作用来使用，帮助学生进行形象化的空间设计。在以往的教学中，并没有将数字软件的应用考虑到其中，教师与学生通过手绘图进行交流。这种方式历史悠久，固然有其合理的方面，但表达不准确，常常是手稿画好了，而输入电脑正式制图时又出现新的问题。更重要的是数字图学技术应用到设计中，特别是用以设计复杂的形体，这就不是光用手稿就可以很好地进行交流。比如参数化设计等方式，一定需要专用数字软件，按照制图逻辑来形成方案，传统的交流手段无法进行准确的图面交流。但是新的数字技术则可以打破上述界限。例如使用REVIT平面绘图软件，在画平面图的时候就同时生成立体空间的情况，学生在完成平面图绘制以后就可以得到立体空间的数字化模拟状况，极大地方便学生和老师的交流。修改和进一步完善设计也很方便，平面上的修改可以实时地反映在立面和三维图上，避免了将精力浪费在简单重复的修改设计之上。而且以往的设计制图中，往往将平立面分别完成，但是修改的时候会因为遗忘或是对修改内容的错误理解而导致平立剖面出现不同的表达内容。现在的REVIT软件，自动进行立面和剖面的修改，避免了人为造成的错误。这也是图学数字化发展的新趋势——交互式设计方式。将其应用在教学中，将极大的提高课堂教学效率，让师生的交流更多的集中到设计本身，也让制图表达更加准确和规范。

数字图学教学实例

武汉大学建筑学专业三年级本科生必修课程《建筑物理》课作业，要求学生在自己的设计作品中选择一个典型的房间。利用数字图学软件分析其光学性能，并对光学设计不合理的地方进行修改。作业所选择的软件为ECOTECT，是一款建筑物理评估软件，提供了交互式研究手段，集成了热、光、声等物理环境的综合分析，并具有数据格式适应性好、环境评估过程完整、结果图像化等特点[6]。该软件可以像传统数字图学软件一样，画出建筑的三维模型，再进行建筑物理环境指标的模拟并以直观的图示方式表达出来。课程中，根据学生反馈的情况，在原来的设计过程中，多是从美观等设计角度出发，并未考虑到室内光学环境是否达到国家标准，因此，普遍存在室内采光不足或采光过量的情况。利用软件发现问题以后，学生着手利用软件本身进行修改。采光不足的房间增加开窗的数量或增大窗户面积；对于采光过量的房间，采用设置遮阳板、降低窗户玻璃透明度等方式进行改变。经过修改后的数字模型再进入模拟阶段进行光学环境的模拟。经过这种修改后，显示其建筑的光环境性能得到了很好地改善，在这个过程中，学生掌握了ECOTECT软件，并脱离了只会操作命令的初步阶段，更多的学会了利用数字图学软件深入修改自己的方案，并用以指导设计。同时，也通过这个过程，加强了学生对采光系数、窗地比等建筑物理概念的理解，了解了它们在实际设计中的重要作用。另一个尝试是安排在研究生课程《绿色建筑技术》中。要求研究生使用ECOTECT软件完成能耗分析图，并用以指导设计，如图1所示。分析图模拟建筑在建成以后的热物理性能，并对节能设计方案进行重新模拟，分析其耗能的改善程度。完成的学生主要为建筑设计方向的研究生，其节能设计方案包括更改墙体材料、改变房间能耗类型、设置屋顶形式等方面，通过模拟的情况再结合设计选择最适合的节能手段。在这样的一个作业过程中，通过图学软件的学习过程，学生深刻了解了上述这些节能方式对建筑能耗改善的重要影响。

发展方向探讨

数字图学技术始终处于加速发展的过程中，因此，把握数字图学技术未来发展方向，提出与建筑专业教学结合的新方式，非常迫切和需要。1）摆脱纯粹制图工具的定位。传统工程图学主要以制图和表现为主，主要是满足图形图像的需要。图学数字化在相当长的历史时期起到了重要的作用，摆脱了设计师的手工图纸作业、人为的误差和修改的繁琐，也使工程类图纸更加精确、修改更便捷，对推动图学相关专业的进步起到了重要的作用。随着社会的发展，要求现代图学能够更好地为各类学科服务。因此，不仅是设计思路的表达，更多的是帮助绘图人员扩展思路，更好地激发灵感。图学不再是单纯的画图工具，更多的应该带有辅助设计的特点，帮助建筑师完善不成熟的设计创意，对不合理的设计进行修改。2）图学软件应该更加智能化、交互化。图学的应用多年来一直是单向的表达与图像绘制。但是在目前信息化的大背景下，越来越强调制图软件的交互化和智能化。通过交互的方式，能够更好地反映制图人的需要，而智能化的需要则是使图学软件更好的满足绘图人员的创意，尤其是对特殊的制图部位，制图软件能够很好地理解设计师的意图，并按照制图人的想法去实现。3）数字图学技术要将最新的图学手段和建筑技术融入教学中。随着科技的日新月异，越来越多的新设计手段都在以数字的方式表现出来。比如更符合人脑思维方式的数字虚拟技术、将语法结构作为过程逻辑的ShapeGrammar设计方法[7]、还有作参数设计的Rhino等软件[8]。这些数字方法并不仅仅只是表达制图的需要，更代表了一种设计思想或是方法论，因此，具有更为重要的意义。对学生开展的这类教学，也是通过图学的作用让学生了解了建筑前沿领域所探索的方向和内容。4）图学的教学不是纯软件的教学。而是以相关的软件为媒介，让学生理解数字图学在自己专业学习中的作用，学习这些软件可以在哪些方面能够起到提高设计能力、改变思维方式的效果。要培养学生明白不能单纯为了应用某种软件而去无端地应用，或者仅仅以会用某种软件为最终目的，而要选择适合的数字技术作为自己的有效设计工具。

小结

由此可见，发挥好数字图学技术的作用，与建筑的设计过程紧密结合，可以对建筑学专业的学生培养发挥重要的作用。图学发展迅猛，教学体系和教师难以在短时间内连续进行适应和调整。图学是否能够起到较好的辅助设计的作用，并达到改善教学质量的效果，也是需要不断进行调查研究，这有待建筑和图学教育工作者进一步思考。

作者：李鹍单位：武汉大学城市设计学院