基于Ecotect采光分析培養(yǎng)高職學(xué)生科研能力

洪 梅，魏世輝，童德茂

(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 阜陽 236031)

由于目前高職學(xué)校生源的多樣性，學(xué)生的基礎(chǔ)普遍薄弱且參差不齊，并且受到學(xué)校整體環(huán)境制約，高職學(xué)生參與科研項目的機(jī)會很少，更不要提利用科研項目作為抓手來促進(jìn)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)和參加職業(yè)技能競賽。該研究以在研的省級科研項目為載體，選取一個真實的校企合作建筑工程項目作為案例，引導(dǎo)學(xué)生使用建模軟件對其建模并進(jìn)行完整分析，實現(xiàn)讓學(xué)生一邊學(xué)習(xí)，一邊做實際項目的教學(xué)目的。利用參與項目研究積累的實踐經(jīng)驗指導(dǎo)學(xué)生參加安徽省高校建筑信息模型(BIM)設(shè)計大賽，增強(qiáng)學(xué)生對綠色建筑的認(rèn)識，增加學(xué)生綠色建筑方面專業(yè)知識儲備。以探索高職院校以“教師主導(dǎo)，學(xué)生參與”的新模式來開展科研項目和引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，達(dá)到“以科研促賽、以賽促教、以賽促學(xué)”高職人才培養(yǎng)新模式。讓學(xué)生經(jīng)歷項目實戰(zhàn)全過程從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，愛上學(xué)習(xí)，培養(yǎng)高職學(xué)生養(yǎng)成獨立探索習(xí)慣、應(yīng)用新方法和新技能的能力，更利于激發(fā)學(xué)生專業(yè)創(chuàng)新意識、專業(yè)創(chuàng)新潛能、專業(yè)創(chuàng)造靈感進(jìn)而培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 綠色建筑與模擬軟件概述

綠色建筑指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間與自然和諧共生的建筑物。綠色建筑技術(shù)注重低耗、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、集成與優(yōu)化，是人與自然、現(xiàn)在與未來之間的利益共享，是可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)手段[1]。綠色建筑中光環(huán)境設(shè)計是建筑方案設(shè)計的重要指標(biāo)，由于光線、照明和環(huán)境的綜臺作用，會對人的心理情緒產(chǎn)生不同的影響[2]。生態(tài)光環(huán)境是人們正常生活、學(xué)習(xí)及工作的必要條件，更是綠色生態(tài)建筑設(shè)計要探討基本內(nèi)容之一。自然采光是連接室內(nèi)外環(huán)境最重要的一種形式，建筑自然采光是室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良的最佳表現(xiàn)[3]。

隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計工具的功能越來越強(qiáng)大，可以精確的對建筑體物理性能進(jìn)行定量分析，有利于綠色建筑節(jié)能評價，維持地球整體的生態(tài)過程和諧，從而為人們提供更為舒適的居住、工作和休閑活動的場所[4]，解決綠色建筑方案優(yōu)化的難題。Ecotect analysis是一種可視化生態(tài)建筑設(shè)計軟件，目前已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于建筑工程實踐，尤其是太陽輻射、日照、遮陽、采光、照明燈等方面的模擬分析。

Ecotect analysis軟件是一款功能全面的可持續(xù)設(shè)計及分析工具，其中包含應(yīng)用廣泛的仿真和分析功能，能夠提高現(xiàn)有建筑和新建筑設(shè)計的性能，將在線能效、水耗及碳排放分析功能與桌面工具相集成，能夠可視化及仿真真實環(huán)境中的建筑性能。用戶可以利用強(qiáng)大的三維表現(xiàn)功能進(jìn)行交互式分析，模擬日照、陰影、發(fā)射和采光等因素對環(huán)境的影響。文章采用ecotect analysis生態(tài)建筑設(shè)計軟件，引導(dǎo)學(xué)生參與到“計算機(jī)模擬技術(shù)在綠色建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究”項目研究中，結(jié)合阜陽地區(qū)的光氣候特點，對研究選取的代表性戶型室內(nèi)的自然采光設(shè)計及建筑節(jié)能進(jìn)行模擬分析，為建筑的自然采光設(shè)計及節(jié)能評價研究提供參考和幫助。

2 工程概況

資福寺安置區(qū)位于安徽省阜陽市潁州區(qū)，屬于我國IV類光氣候區(qū)，自然光年平均總照度為24 klx≤Eq?26 klx,全年日照時數(shù)為2 200～3 000 h，年輻射量在1 390～1 630 kW·h/m2，采光資源比較充足。本文的模擬分析對象為資福寺安置區(qū)項目6#住宅樓，該樓位于小區(qū)A地塊的東南角，南面和東面均為市政道路；該樓1—2層為商場，3—14層為住宅，文章選取C戶型進(jìn)行室內(nèi)自然采光模擬模擬。該戶型包括客廳、臥室、廚房等完整的功能空間。

3 模擬分析

3.1 模型參數(shù)設(shè)置

在對建筑進(jìn)行自然采光模擬分析時，氣象條件、建筑材質(zhì)的反射比和工作面高度是影響建筑采光的三個主要因素。

該研究對象“資福寺安置區(qū)項目”位于安徽省阜陽市城區(qū)，分析采用阜陽市的氣象數(shù)據(jù)，為Ⅳ類光氣候區(qū)，選用CIE全陰天天空條件，室外設(shè)計照度值為13 500 lux。不同的建筑材質(zhì)具有不同反射比，進(jìn)而影響到不同建筑空間的采光效果。建筑部位的不同，建筑做法也各存差異。按照實際建筑做法，對建筑材質(zhì)的設(shè)置參數(shù)：雙玻鋁框窗戶玻璃可見光透過率為0.76；墻體反射率為0.75；頂棚反射率為0.78；地板反射率為0.35。

采光分析工作高度選取窗臺高度即900 mm。

分析研究的對象主要光方式為側(cè)窗采光，根據(jù)建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：該研究對象的臥室、客廳、廚房應(yīng)有直接采光且采光系數(shù)宜大于1%。

在模型參數(shù)選定過程中，需要學(xué)生去查詢當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，了解房屋的建筑做法，掌握建筑采光分析理論和相關(guān)建筑采光設(shè)計規(guī)范。在這個階段，需要學(xué)生具備利用網(wǎng)絡(luò)工具進(jìn)行資料的查閱，找到需要的當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于軟件參數(shù)設(shè)置。其次要鍛煉學(xué)生的看圖識圖能力，建筑做法是在建筑施工圖中注明，學(xué)生必須能夠看懂建筑施工圖，才能對照著房屋的不同部位找出對應(yīng)的建筑，進(jìn)而確定不同部位的反射比。最后還要求學(xué)生能夠掌握建筑采光分析的理論，熟悉建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選出合理的分析高度，得出正確的采光結(jié)果。

3.2 分析模型建立

“資福寺安置區(qū)”項目6#住宅樓周邊建筑較多，且樓間距相對較近，在整個小區(qū)中采光最為不利，按照以不利情況為分析對象的原則，本次分析選取6#住宅樓最西頭的C戶型作為研究對象進(jìn)行分析，依據(jù)工程項目圖紙和規(guī)范參數(shù)分別建立建筑三維模型和綠建分析模型，建筑三維模型(見圖1)、綠建分析模型(見圖2)。

圖1 6號樓三維模型

圖2 C戶型模型圖

在模型創(chuàng)建過程中，涉及到專業(yè)圖紙的識讀、比對和建筑軟件的操作應(yīng)用。這個階段，需要加強(qiáng)對學(xué)生建筑施工圖、結(jié)構(gòu)施工圖和設(shè)備施工圖的識讀，要能夠明白各專業(yè)圖紙表達(dá)的內(nèi)容，同時還要進(jìn)行各專業(yè)圖紙間的對比，確保各專業(yè)圖紙之間的一致性，這也可以有效地促進(jìn)學(xué)生建筑識圖課程的學(xué)習(xí)。以實際建筑模型的創(chuàng)建，增強(qiáng)學(xué)生軟件操作的動手能力，提高學(xué)生軟件的應(yīng)用能力，同時通過模型創(chuàng)建也可以反過來加深學(xué)生對圖紙內(nèi)容的理解和認(rèn)識，加深學(xué)生對綠色建筑分析關(guān)注點的了解，促進(jìn)學(xué)生軟件實訓(xùn)課程的學(xué)習(xí)。

在模型創(chuàng)建過程中，從圖紙識讀到模型建立和參數(shù)設(shè)置均讓學(xué)生參與其中，能夠顯著地提高學(xué)生的識圖能力和軟件應(yīng)用能力。

3.3 自然采光模擬結(jié)果

依據(jù)《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB/T-50033—2013的要求[5-6]，分析對象為住宅樓客廳、臥室、書房、廚房等主要使用空間住宅建筑采光標(biāo)準(zhǔn)，[5,7]居住建筑物自然采光參數(shù)的具體要求參照表1。

表1 居住建筑的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

3.3.1 設(shè)置分析網(wǎng)格和采光計算參數(shù)

Ecotect軟件分析需要首先設(shè)置分析網(wǎng)格。在analysis grid(分析網(wǎng)格)中點擊”grid management(網(wǎng)格管理)”按鈕，打開分析網(wǎng)格管理器對話框，在numbers of cells中填入合適的X、Y、Z數(shù)值。

分析網(wǎng)格設(shè)置完成后，根據(jù)阜陽地區(qū)氣象資料依次設(shè)定分析參數(shù)，進(jìn)行采光分析參數(shù)設(shè)置。

分析網(wǎng)格的設(shè)置和采光計算參數(shù)的選定，是進(jìn)行綠色建筑指標(biāo)分析的關(guān)鍵一步。網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度直接影響分析計算的速度和分析結(jié)果的合理性，計算參數(shù)的選定則是直接影響分析計算結(jié)果的可靠性。在此階段，不僅要引導(dǎo)學(xué)生注重對ecotect軟件應(yīng)用的練習(xí)，增強(qiáng)ecotect軟件的應(yīng)用能力；還要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)建筑綠色節(jié)能分析的相關(guān)規(guī)范，增加知識儲備，提升專業(yè)認(rèn)知。

3.3.2 計算結(jié)果

選取以采光系數(shù)和室內(nèi)天然光照度作為建筑物采光設(shè)計指標(biāo)，以采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值和室內(nèi)天然光照度標(biāo)準(zhǔn)值來計算參考平面上平均值。

建筑室內(nèi)的采光系數(shù)C，可按公式(1)計算:

(1)

式中:En—室內(nèi)照度,lux；

Ew—室外照度,lux。

建筑室內(nèi)天然光照度U，可按公式(2)計算：

U=C×Es

(2)

式中:C—建筑室內(nèi)的采光系數(shù),%；

Es—建筑室外天然光設(shè)計照度值,lux。

Ecotect采光計算結(jié)果可以按數(shù)值大小以不同的顏色顯示在分析網(wǎng)格上，也可以顯示網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)值。將每個房間的計算結(jié)果(采光系數(shù)和天然光照度)相加與房間面積相比，即可得到房間的采光系數(shù)和天然光照度。C戶型自然采光模擬結(jié)果(見圖3—4)。

圖3 C戶型采光系數(shù)(%)

圖4 C戶型天然光照度(lux)

根據(jù)ecotect軟件的自然采光模擬分析結(jié)果顯示，雖然該戶型部分空間的自然采光存在不足，但是各主要功能房間的采光系數(shù)模擬分析值(見表2)和天然光照度模擬分析值(見表3)均滿足要求。

表2 各主要功能空間采光系數(shù)統(tǒng)計表

表3各主要功能空間天然光照度統(tǒng)計表

主要功能空間名稱實際天然采光照度/lux天然采光照度標(biāo)準(zhǔn)值/lux結(jié)論主臥室470300滿足次臥室610300滿足書房544300滿足客廳594300滿足廚房740300滿足

4 在職業(yè)技能競賽中的實踐

職業(yè)技能競賽是在緊密結(jié)合課堂教學(xué)或新技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以競賽的方法培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，引導(dǎo)學(xué)生通過完成競賽任務(wù)來發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)及研究的主動性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作意識和創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識的系列化活動[8-10]。通過職業(yè)技能競賽，可讓教師更清楚的認(rèn)識課程體系，提高教師的實踐能力；學(xué)生則通過技能競賽，提高自己動手能力，提高團(tuán)隊合作意識和自主學(xué)習(xí)能力，使理論知識和實踐活動相結(jié)合。

為了檢驗學(xué)生對綠色建筑知識的掌握程度，指導(dǎo)學(xué)生參加了2018年第一屆安徽省高校建筑信息模型(BIM)應(yīng)用大賽。該比賽以“信息化、工業(yè)化、綠色化”為目標(biāo)，確立了“創(chuàng)造、協(xié)作、實踐的空旨”。本次比賽分為了“建筑+綠建”“建筑+結(jié)構(gòu)”“結(jié)果+機(jī)電”“結(jié)構(gòu)+工程管理”4個模塊，其中“建筑+綠建”模塊任務(wù)要求和此次的科研項目內(nèi)容相同，因此主要參加了該模塊的比賽，最終帶領(lǐng)學(xué)生取得了比較理想的成績，提高了學(xué)生對綠色建筑的認(rèn)識，增加了綠建專業(yè)知識儲備，同時也增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力和團(tuán)隊意識。

5 結(jié) 語

通過探索讓學(xué)生參與到科研項目研究中的模式，得到了以下幾個方面的收獲和感悟：

(1)培養(yǎng)了學(xué)生對建筑圖紙的識讀能力。在研究過程中，首先需要看懂圖紙，然后才能根據(jù)圖紙表達(dá)內(nèi)容，建立相應(yīng)的三維分析模型，因此需要學(xué)生能夠正確識讀各專業(yè)建筑圖紙。

(2)鍛煉了學(xué)生對三維建模軟件和綠建分析軟件的應(yīng)用能力。正確的建立模型是進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)，而正確建模的前提是能夠正確的使用建模軟件，這就要求學(xué)生掌握軟件的基本功能，并能正確運(yùn)用軟件進(jìn)行分析模擬。

(3)增強(qiáng)了學(xué)生對相關(guān)建筑規(guī)范的理解能力。由于高職學(xué)生的基礎(chǔ)比較薄弱，在畢業(yè)后走上工作崗位，也很少從事建筑設(shè)計工作，更不要說在上學(xué)期間對建筑規(guī)范學(xué)習(xí)。而在學(xué)生參與項目研究過程中，需要對合理選取相關(guān)參數(shù)和正確判斷分析結(jié)果，這就要求學(xué)生主動去學(xué)習(xí)規(guī)范知識，掌握規(guī)范的要求。

(4)培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，有效提升技能競賽的成績?？蒲泄ぷ餍枰鷮崒嵐ぷ鳎仨殘猿謬?yán)謹(jǐn)踏實的工作作風(fēng)。在學(xué)生參與項目研究過程中，能夠感受到科研的魅力，感受到科研的嚴(yán)謹(jǐn)，感受到科研工作者的踏實、求實，激勵著學(xué)生改掉自己的一些不好的習(xí)慣，從而養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)踏實的作風(fēng)。同時，這種良好的習(xí)慣還可以很好地助推學(xué)生在其他工作中的成功，特別是在技能競賽中。

(5)釋放了教師的部分時間，使教師更好地兼顧教學(xué)，也為改善教學(xué)效果提供了實踐平臺。高校教師往往都承擔(dān)著科研和教學(xué)的雙重任務(wù)，不論是科研工作還是教學(xué)工作均需要教師投入精力用心去做，而如何在科研和教學(xué)中找到一個理想的平衡點，則是非常困難的。而讓學(xué)生在老師的指導(dǎo)下參與到科研項目研究中，讓學(xué)生替老師分擔(dān)一些任務(wù)，則可以讓教師騰出更多的時間和精力投入到教學(xué)中，從而做出精品課堂、精品課程，同時也可以讓學(xué)生在科研中充實和提高自己。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在項目研究中表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在知識方面存在的不足，從而在后續(xù)的教學(xué)中完善和擴(kuò)充課堂教學(xué)內(nèi)容。