建筑學有別于傳統(tǒng)意義上的工科，包含自然科學和社會科學等多領域知識范疇，與文、理、工等學科有廣泛交集。建筑學教育應更注重各層級知識與物質現實的多維度作用，培養(yǎng)學生知識素養(yǎng)的寬闊度和多樣性，關注設計對象與動態(tài)環(huán)境的關聯，強調創(chuàng)造行為在物質空間的合理性[1]。傳統(tǒng)建筑學設計教學圍繞課程任務書展開，學生設計能力發(fā)展受課程既定目標、教師教學方法和教師自身專業(yè)素質等因素影響，不利于培養(yǎng)學生學習的自主能動性。相比之下，基于問題學習（Problem-based Learning）的模式主張學生與教師共同構建知識，引導學生成為知識的發(fā)現者和傳輸者[2]。參與式行動研究（Participatory Action Research,PAR）是基于問題學習的一種方法，以結構化的“邊學邊做”策略開展實驗研究，并建立以學生為中心的學習環(huán)境，模糊師生界限[3]。在過去5年里，筆者相繼參與了香港中文大學和蘇州大學針對基于問題學習的設計教學模式探索，以彈性網殼和張拉膜等大跨度輕型結構為教學樣本，結合力學找形技術和物理模型實驗，引導學生通過不斷試錯與修正增進相關設計知識。

Linda Groat和David Wang定義建筑學PAR模式是通過實驗研究和設計迭代產生并積累知識[3]。據此，Christiane Herr進一步提出PAR模式有助于學者突破傳統(tǒng)自然科學和社會科學的研究方法，以貼近設計學自然屬性的方式達到實驗目的[4]。PAR模式下建筑設計教學以學生為中心，學生的主觀決策和主觀能動性成為設計研究發(fā)展的驅動力，引導其逐步認知、反思和積累相關專業(yè)知識，尋求設計問題的解決策略。

建筑學實踐特性決定了設計探索無法脫離材料、力學和結構等物質現實獨立開展，而現實局限性時常會對建筑學認識產生沖擊，左右設計創(chuàng)造方向。PAR模式強調學生針對特定設計問題展開分析，通過試錯調整設計方向、策略和技法，在設計知識的過程中形成最終方案。行動研究包含“計劃”（plan）、“執(zhí)行”（act）、“觀察”（observe）和“反饋”（reflect)4個循環(huán)式學習步驟（圖1）。其中“計劃”和“執(zhí)行”強調通過實踐對現狀做出改變與提升，以“試錯”方式發(fā)現設計問題，提出潛在修正方案。“觀察”和“反饋”是構建循環(huán)式學習機制的關鍵，倡導學生針對當下設計實驗進行剖析（self-analysis）、評估（evaluate）和解讀（interpret)[5,6]。

隨著建構主義（Tectonism）思想逐漸深入建筑設計教學，從結構理性和材料性能出發(fā)培養(yǎng)學生對建構美學的認知，訓練數字化設計的能力，已成為部分建筑院校教學改革的重點。大跨度建筑結構體系邏輯鮮明，功能布局相較獨立，便于學生針對結構設計問題和設計變量進行研究探索[7,8]。教師基于PAR模式的反思性實踐特點，引導學生邊做邊學，通過循環(huán)式學習得到合理的結構形式。

筆者參與的大跨度建筑教學分別面向碩士一年級和本科三、四年級學生。課程以大跨度建筑結構為主要教學目標，將“作用力”和“材料”作為關鍵詞，旨在培養(yǎng)學生運用物理模擬引擎（Physics Simulation Engine）結構找形，依據結構受力邏輯選擇適當材料，并制作比例實體模型開展行動研究和反思性實踐。通過反復比對數字模型和實體模型之間的形態(tài)差異，逐步熟知材料特性和結構性能，掌握大跨度建筑結構的空間設計技法。

圍繞“作用力”和“材料”兩個關鍵詞，課程教學分三個階段性目標（圖2）：第一階段為結構原型認知，弱化建筑功能設計，基于對結構形式的前期研究制作一系列比例實體模型，增加學生對材料、結構形體和空間的基礎性了解。第二階段為數字化流程構建，培養(yǎng)學生使用參數化設計工具Rhinoceros Grasshopper、物理模擬引擎Kangaroo和有限元分析工具Karamba3D的能力。整合力學找形、結構分析以及模型制作數據輸出的相應步驟，構建完整的數字化“設計—制作”流程。第三階段為建筑設計探索，學生結合前期研究成果開展設計迭代實驗，探索結構形式、性能、材料與建筑空間、造型、功能之間的耦合方式，最終完成課程設計任務。三個階段性教學目標為開展PAR模式下的循環(huán)式學習搭建框架，引導學生自主發(fā)現和反思設計問題，通過試錯修正相應的解決方案。

大跨度建筑設計教學從“執(zhí)行”入手，學生通過制作結構原型模型，認知結構內部作用力與材料性能關系，挖掘結構形式的設計潛力。第一階段教學包括結構控制變量的認知環(huán)節(jié)和結構形態(tài)的測試環(huán)節(jié)。以彈性網殼結構為例，該階段的設計教學弱化建筑功能和場地。教師要求學生采用竹材制作一系列幾何形式單一的殼體原型模型（圖3），研究不同截面竹材的彎曲性能、桿件節(jié)點以及桿件與地面的固定方式；同時測試網殼表面曲率與材料極限的關系、網殼幾何形式與固定邊界的聯系、網殼表面開洞對殼體結構強度的影響等。通過“觀察”不同結構形式的利弊，反思和總結設計問題。第二階段的數字化流程教學包括結構模擬找形環(huán)節(jié)和模型制作數據輸出環(huán)節(jié)，是關聯各階段教學目標以及推動學生PAR循環(huán)式學習的關鍵。該階段教師輔導學生將前期實體模型實驗積累“反饋”為數字模型，明確數字化設計流程的邏輯思路和相應參數變量種類；利用有限元分析工具優(yōu)化結構形式，以此“計劃”下一輪實驗方案，并相應導出實體模型制作所需相關數據。

學生會在前兩個階段教學中經歷一系列的“執(zhí)行”失敗，比如材料損壞或結構失效。這正是循環(huán)式學習的必經之路，通過“觀察”和“反饋”積累的設計知識與技能將為第三階段設計探索教學開展鋪墊。該階段教學注重引導學生解決具體建筑設計問題，憑借前期結構設計經驗和數字化設計平臺，探討建筑形式、結構與功能的耦合，深化場地環(huán)境與構造細部。設計探索階段學生的“試錯”周期相對較長，通過不斷比對建筑數字模型和實體模型之間差異，優(yōu)化結構力學找形的精度。隨著學生熟練掌握大跨度建筑結構設計要點，教師角色逐漸淡化，從引導學生設計實驗轉變?yōu)獒槍�具體設計問題答疑探討，由學生主導設計走向。

蘇州大學大跨度建筑教學課程面向三年級本科生，以蘇州大學獨墅湖校區(qū)二期為設計場地，擬面向在校師生建設一座占地面積約7000m2的多功能館，建筑功能自定。任務書要求學生從大跨度結構選型出發(fā)，研究殼體、張拉膜、折板和空間網架等大跨度建筑結構形式的受力及模型制作要點，掌握不同類型大跨度建筑的空間創(chuàng)造技法，契合大跨度建筑特有結構形式梳理功能空間，規(guī)劃場地、景觀等設計要素。本文以學生作業(yè)中的彈性網殼和張拉膜結構為例，著重介紹建筑設計探索階段PAR模式下的教學過程。

在設計探索階段，從“力學模擬找形”到相應“實體模型制作”為一個學習循環(huán)。學生基于結構找形算法，結合設計意象、平面功能排布和場地規(guī)劃等因素，詳盡結構形態(tài)和相應控制參數。其中，彈性網殼和張拉膜結構的力學模擬找形使用Grasshopper Kangaroo。前者結構形態(tài)的主要控制參數包括平面網格的尺寸和朝向，以及作為網殼固定邊界的建筑外輪廓線。以此調控彈性網殼的幾何形式、表面曲率和結構高度。后者主要的控制參數包括張拉膜彈性系數、懸掛點和地面錨點三維坐標，由張拉膜重力和彈性共同作用形成連續(xù)順滑的曲面。圖4展示了以彈性網殼為結構的劇院方案和以張拉膜為結構的體育館方案力學找形界面。通過數字化模擬迭代，認知結構形式與建筑空間的關系。

在力學找形流程中加入結構分析步驟，將有助于縮短循環(huán)式學習的周期。學生采用有限元分析工具Karamba3D作為網殼結構找形的輔助工具，可視化網殼桿件內部所受拉力和壓力、桿件曲率以及結構不同部位產生的形變量大小等。參數化模型“牽一發(fā)動全身”的特性有助于學生觀察結構體系各控制參數間的相互作用關系，并根據結構分析工具反饋結果排除一部分非理性方案，降低實體模型制作難度。

物理模擬引擎通過算法耦合結構所受重力、荷載及相應材料形變，為學生快速評價結構合理性提供直觀依據。但Kangaroo等力學找形插件模擬精度尚且有限，結構的真實形態(tài)仍需通過實體模型呈現。因此，“實體模型制作”是學生檢驗和修正設計參數的重要手段，最大程度上縮小虛擬與現實模型差異。圖4展示的彈性網殼與張拉膜結構方案分別進行了多輪實體模型實驗，結構復雜性逐漸遞增，方案設計迭代過程中面臨的問題也不盡相同。

其中，彈性網殼結構方案著重探究桿件密度、材料截面尺寸與形狀對曲面成形難度的影響。學生前期選用竹篾作為模型材料，觀察和解析模型制作時遇到的困境，通過調整邊界形狀和局部增設開洞提高模型制作可行性，將實體模型實驗結果反饋回數字模型（圖5）。隨著方案逐輪優(yōu)化，模型制作材料由竹篾改為細竹簽，以此降低雙曲面網殼的制作難度。經過4輪循環(huán)式學習，數字模型和實體模型之間的形體差異逐漸縮小，并增加對網殼構造細部的探討，包括桿件綁扎方式、基礎錨固和邊界強化等方面。大跨度網殼建筑設計方案的最終成果參看圖6。

張拉膜結構方案重點探索結構形式與空間利用率的協調性。其結構成形的特殊性決定了建筑內部大空間，如場館用地和公共區(qū)域等上空需多個懸掛點將屋面張拉膜抬升至必要高度。學生可利用數字模型導出彈性材料拉伸前的裁剪邊界，但所選模型材料的真實彈性性能以及拉伸后的形變量仍需通過實體模型實驗觀察得到。

方案采用直桿件作為懸掛點的支撐構件，以剛性圈梁固定張拉膜的邊界。直桿件與地面鉸接，以固定環(huán)與張拉膜連接，并采用拉索平衡張拉膜產生的側向拉力以達到穩(wěn)態(tài)。除屋面張拉膜的形式之外，直桿件的位置和角度以及相應拉索的數量也與建筑功能性息息相關。因此，該方案也經歷了4輪PAR循環(huán)式學習。圖7展示了循環(huán)式學習過程中的實體模型實驗，涵蓋不同彈性材料對比、懸掛點高度和連接方式測試、屋面收邊及拉索形式探討等方面內容。在每一輪實驗中，學生會對上述控制參數進行調控，觀察和評估結構穩(wěn)定性、空間效率以及設計美學等要素。并將實體模型實驗測得數據反饋回數字模型，分析室內外流線、功能排布和人體尺度等方面設計的合理性，以此指導數字模型的下一輪調整計劃。大跨度張拉膜建筑設計方案的最終成果參看圖8。

除上述兩個案例外，其他結構類型的大跨度建筑設計方案也采用了PAR循環(huán)式學習，學生通過實體模型和數字模型逐步推導符合設計需求的方案。選擇折板結構的同學反復嘗試彎折方式，運用紙模探尋結構形式多樣性與大空間功能合理性的有效結合，將彎折設計語言引入場地，讓下沉空間、地面景觀與建筑維護形成連續(xù)形態(tài)。選擇懸索結構的同學注重承力主拱的創(chuàng)新性，利用兩品桁架交錯構成穩(wěn)定的主體結構。同時研究懸索屋面與建筑邊界的交接方式，加入弧形懸挑屋面和次拱平衡懸索結構產生的縱向和側向拉力。選擇網架結構的同學將體育場大空間與屋頂結構巧妙結合，創(chuàng)造形式上變化平順的上人屋面，緩解巨型結構視線上的壓抑感（圖9）。

參與大跨度建筑設計教學的5年來，筆者所在教學團隊一直致力于推動基于問題學習建筑設計的模式。從大跨度建筑結構類型出發(fā)，引導學生邊做邊學，關注建筑設計的物質現實，針對結構形式、材料特性、空間需求和構造細節(jié)等方面展開探索。PAR模式作為基于問題學習的一種方法，著重培養(yǎng)學生主動發(fā)現設計問題和做出相應設計決策的能力。借助當下數字化設計工具，學生可快速進行結構力學找形，配合以實體模型實驗，觀察反饋建筑設計的約束條件并做相應調整。PAR模式強調循環(huán)式學習，在以往教學實踐中，學生需經過4～5輪數字與實體模型對比實驗方能確定最終方案。該模式下教師角色逐漸淡化，在講授基本結構原理和設計邏輯基礎上，交由學生發(fā)揮自主能動性，通過不斷試錯和修正學習建筑設計知識。