参与式行动研究（PAR）模式下大跨度建筑设计教学探索——以弹性网壳和张拉膜结构为例

王思宁 | Wang Sining

建筑学有别于传统意义上的工科，包含自然科学和社会科学等多领域知识范畴，与文、理、工等学科有广泛交集。建筑学教育应更注重各层级知识与物质现实的多维度作用，培养学生知识素养的宽阔度和多样性，关注设计对象与动态环境的关联，强调创造行为在物质空间的合理性[1]。传统建筑学设计教学围绕课程任务书展开，学生设计能力发展受课程既定目标、教师教学方法和教师自身专业素质等因素影响，不利于培养学生学习的自主能动性。相比之下，基于问题学习（Problem-based Learning）的模式主张学生与教师共同构建知识，引导学生成为知识的发现者和传输者[2]。参与式行动研究（Participatory Action Research，PAR）是基于问题学习的一种方法，以结构化的“边学边做”策略开展实验研究，并建立以学生为中心的学习环境，模糊师生界限[3]。在过去5年里，笔者相继参与了香港中文大学和苏州大学针对基于问题学习的设计教学模式探索，以弹性网壳和张拉膜等大跨度轻型结构为教学样本，结合力学找形技术和物理模型实验，引导学生通过不断试错与修正增进相关设计知识。

1 PAR模式的教学原理

Linda Groat和David Wang定义建筑学PAR模式是通过实验研究和设计迭代产生并积累知识[3]。据此，Christiane Herr进一步提出PAR模式有助于学者突破传统自然科学和社会科学的研究方法，以贴近设计学自然属性的方式达到实验目的[4]。PAR模式下建筑设计教学以学生为中心，学生的主观决策和主观能动性成为设计研究发展的驱动力，引导其逐步认知、反思和积累相关专业知识，寻求设计问题的解决策略。

建筑学实践特性决定了设计探索无法脱离材料、力学和结构等物质现实独立开展，而现实局限性时常会对建筑学认识产生冲击，左右设计创造方向。PAR模式强调学生针对特定设计问题展开分析，通过试错调整设计方向、策略和技法，在设计知识的过程中形成最终方案。行动研究包含“计划”（plan）、“执行”（act）、“观察”（observe）和“反馈”（reflect）4个循环式学习步骤（图1）。其中“计划”和“执行”强调通过实践对现状做出改变与提升，以“试错”方式发现设计问题，提出潜在修正方案。“观察”和“反馈”是构建循环式学习机制的关键，倡导学生针对当下设计实验进行剖析（self-analysis）、评估（evaluate）和解读（interpret）[5-6]。

图1 PAR模式下的循环式学习步骤

2 大跨度建筑设计教学

随着建构主义（Tectonism）思想逐渐深入建筑设计教学，从结构理性和材料性能出发培养学生对建构美学的认知，训练数字化设计的能力，已成为部分建筑院校教学改革的重点。大跨度建筑结构体系逻辑鲜明，功能布局相较独立，便于学生针对结构设计问题和设计变量进行研究探索[7-8]。教师基于PAR模式的反思性实践特点，引导学生边做边学，通过循环式学习得到合理的结构形式。

2.1 教学目标

笔者参与的大跨度建筑教学分别面向硕士一年级和本科三、四年级学生。课程以大跨度建筑结构为主要教学目标，将“作用力”和“材料”作为关键词，旨在培养学生运用物理模拟引擎（Physics Simulation Engine）结构找形，依据结构受力逻辑选择适当材料，并制作比例实体模型开展行动研究和反思性实践。通过反复比对数字模型和实体模型之间的形态差异，逐步熟知材料特性和结构性能，掌握大跨度建筑结构的空间设计技法。

围绕“作用力”和“材料”两个关键词，课程教学分三个阶段性目标（图2）：第一阶段为结构原型认知，弱化建筑功能设计，基于对结构形式的前期研究制作一系列比例实体模型，增加学生对材料、结构形体和空间的基础性了解。第二阶段为数字化流程构建，培养学生使用参数化设计工具Rhinoceros Grasshopper、物理模拟引擎Kangaroo和有限元分析工具Karamba3D的能力。整合力学找形、结构分析以及模型制作数据输出的相应步骤，构建完整的数字化“设计—制作”流程。第三阶段为建筑设计探索，学生结合前期研究成果开展设计迭代实验，探索结构形式、性能、材料与建筑空间、造型、功能之间的耦合方式，最终完成课程设计任务。三个阶段性教学目标为开展PAR模式下的循环式学习搭建框架，引导学生自主发现和反思设计问题，通过试错修正相应的解决方案。

图2 大跨度建筑设计课阶段性教学目标

2.2 教学实验

大跨度建筑设计教学从“执行”入手，学生通过制作结构原型模型，认知结构内部作用力与材料性能关系，挖掘结构形式的设计潜力。第一阶段教学包括结构控制变量的认知环节和结构形态的测试环节。以弹性网壳结构为例，该阶段的设计教学弱化建筑功能和场地。教师要求学生采用竹材制作一系列几何形式单一的壳体原型模型（图3），研究不同截面竹材的弯曲性能、杆件节点以及杆件与地面的固定方式；同时测试网壳表面曲率与材料极限的关系、网壳几何形式与固定边界的联系、网壳表面开洞对壳体结构强度的影响等。通过“观察”不同结构形式的利弊，反思和总结设计问题。第二阶段的数字化流程教学包括结构模拟找形环节和模型制作数据输出环节，是关联各阶段教学目标以及推动学生PAR循环式学习的关键。该阶段教师辅导学生将前期实体模型实验积累“反馈”为数字模型，明确数字化设计流程的逻辑思路和相应参数变量种类；利用有限元分析工具优化结构形式，以此“计划”下一轮实验方案，并相应导出实体模型制作所需相关数据。

图3 弹性网壳结构原型认知

学生会在前两个阶段教学中经历一系列的“执行”失败，比如材料损坏或结构失效。这正是循环式学习的必经之路，通过“观察”和“反馈”积累的设计知识与技能将为第三阶段设计探索教学开展铺垫。该阶段教学注重引导学生解决具体建筑设计问题，凭借前期结构设计经验和数字化设计平台，探讨建筑形式、结构与功能的耦合，深化场地环境与构造细部。设计探索阶段学生的“试错”周期相对较长，通过不断比对建筑数字模型和实体模型之间差异，优化结构力学找形的精度。随着学生熟练掌握大跨度建筑结构设计要点，教师角色逐渐淡化，从引导学生设计实验转变为针对具体设计问题答疑探讨，由学生主导设计走向。

3 教学案例

苏州大学大跨度建筑教学课程面向三年级本科生，以苏州大学独墅湖校区二期为设计场地，拟面向在校师生建设一座占地面积约7000m2的多功能馆，建筑功能自定。任务书要求学生从大跨度结构选型出发，研究壳体、张拉膜、折板和空间网架等大跨度建筑结构形式的受力及模型制作要点，掌握不同类型大跨度建筑的空间创造技法，契合大跨度建筑特有结构形式梳理功能空间，规划场地、景观等设计要素。本文以学生作业中的弹性网壳和张拉膜结构为例，着重介绍建筑设计探索阶段PAR模式下的教学过程。

3.1 力学模拟找形

在设计探索阶段，从“力学模拟找形”到相应“实体模型制作”为一个学习循环。学生基于结构找形算法，结合设计意象、平面功能排布和场地规划等因素，详尽结构形态和相应控制参数。其中，弹性网壳和张拉膜结构的力学模拟找形使用Grasshopper Kangaroo。前者结构形态的主要控制参数包括平面网格的尺寸和朝向，以及作为网壳固定边界的建筑外轮廓线。以此调控弹性网壳的几何形式、表面曲率和结构高度。后者主要的控制参数包括张拉膜弹性系数、悬挂点和地面锚点三维坐标，由张拉膜重力和弹性共同作用形成连续顺滑的曲面。图4展示了以弹性网壳为结构的剧院方案和以张拉膜为结构的体育馆方案力学找形界面。通过数字化模拟迭代，认知结构形式与建筑空间的关系。

图4 弹性网壳结构（上）与张拉膜结构（下）力学模拟找形

在力学找形流程中加入结构分析步骤，将有助于缩短循环式学习的周期。学生采用有限元分析工具Karamba3D作为网壳结构找形的辅助工具，可视化网壳杆件内部所受拉力和压力、杆件曲率以及结构不同部位产生的形变量大小等。参数化模型“牵一发动全身”的特性有助于学生观察结构体系各控制参数间的相互作用关系，并根据结构分析工具反馈结果排除一部分非理性方案，降低实体模型制作难度。

3.2 实体模型制作

物理模拟引擎通过算法耦合结构所受重力、荷载及相应材料形变，为学生快速评价结构合理性提供直观依据。但Kangaroo等力学找形插件模拟精度尚且有限，结构的真实形态仍需通过实体模型呈现。因此，“实体模型制作”是学生检验和修正设计参数的重要手段，最大程度上缩小虚拟与现实模型差异。图4展示的弹性网壳与张拉膜结构方案分别进行了多轮实体模型实验，结构复杂性逐渐递增，方案设计迭代过程中面临的问题也不尽相同。

其中，弹性网壳结构方案着重探究杆件密度、材料截面尺寸与形状对曲面成形难度的影响。学生前期选用竹篾作为模型材料，观察和解析模型制作时遇到的困境，通过调整边界形状和局部增设开洞提高模型制作可行性，将实体模型实验结果反馈回数字模型（图5）。随着方案逐轮优化，模型制作材料由竹篾改为细竹签，以此降低双曲面网壳的制作难度。经过4轮循环式学习，数字模型和实体模型之间的形体差异逐渐缩小，并增加对网壳构造细部的探讨，包括杆件绑扎方式、基础锚固和边界强化等方面。大跨度网壳建筑设计方案的最终成果参看图6。

图5 弹性网壳结构方案的实验模型

图6 大跨度弹性网壳建筑设计方案的最终模型

张拉膜结构方案重点探索结构形式与空间利用率的协调性。其结构成形的特殊性决定了建筑内部大空间，如场馆用地和公共区域等上空需多个悬挂点将屋面张拉膜抬升至必要高度。学生可利用数字模型导出弹性材料拉伸前的裁剪边界，但所选模型材料的真实弹性性能以及拉伸后的形变量仍需通过实体模型实验观察得到。

方案采用直杆件作为悬挂点的支撑构件，以刚性圈梁固定张拉膜的边界。直杆件与地面铰接，以固定环与张拉膜连接，并采用拉索平衡张拉膜产生的侧向拉力以达到稳态。除屋面张拉膜的形式之外，直杆件的位置和角度以及相应拉索的数量也与建筑功能性息息相关。因此，该方案也经历了4轮PAR循环式学习。图7展示了循环式学习过程中的实体模型实验，涵盖不同弹性材料对比、悬挂点高度和连接方式测试、屋面收边及拉索形式探讨等方面内容。在每一轮实验中，学生会对上述控制参数进行调控，观察和评估结构稳定性、空间效率以及设计美学等要素。并将实体模型实验测得数据反馈回数字模型，分析室内外流线、功能排布和人体尺度等方面设计的合理性，以此指导数字模型的下一轮调整计划。大跨度张拉膜建筑设计方案的最终成果参看图8。

图7 张拉膜结构实体模型实验

图8 大跨度张拉膜建筑设计方案的最终模型

4 教学成果

除上述两个案例外，其他结构类型的大跨度建筑设计方案也采用了PAR循环式学习，学生通过实体模型和数字模型逐步推导符合设计需求的方案。选择折板结构的同学反复尝试弯折方式，运用纸模探寻结构形式多样性与大空间功能合理性的有效结合，将弯折设计语言引入场地，让下沉空间、地面景观与建筑维护形成连续形态。选择悬索结构的同学注重承力主拱的创新性，利用两品桁架交错构成稳定的主体结构。同时研究悬索屋面与建筑边界的交接方式，加入弧形悬挑屋面和次拱平衡悬索结构产生的纵向和侧向拉力。选择网架结构的同学将体育场大空间与屋顶结构巧妙结合，创造形式上变化平顺的上人屋面，缓解巨型结构视线上的压抑感（图9）。

结语

参与大跨度建筑设计教学的5年来，笔者所在教学团队一直致力于推动基于问题学习建筑设计的模式。从大跨度建筑结构类型出发，引导学生边做边学，关注建筑设计的物质现实，针对结构形式、材料特性、空间需求和构造细节等方面展开探索。PAR模式作为基于问题学习的一种方法，着重培养学生主动发现设计问题和做出相应设计决策的能力。借助当下数字化设计工具，学生可快速进行结构力学找形，配合以实体模型实验，观察反馈建筑设计的约束条件并做相应调整。PAR模式强调循环式学习，在以往教学实践中，学生需经过4～5轮数字与实体模型对比实验方能确定最终方案。该模式下教师角色逐渐淡化，在讲授基本结构原理和设计逻辑基础上，交由学生发挥自主能动性，通过不断试错和修正学习建筑设计知识。

资料来源：

文中所有图片均由作者绘制和拍摄。