建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)在建筑熱工與光環(huán)境課程教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：建筑熱工與光環(huán)境是建筑技術(shù)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，能夠讀懂建筑熱工和光環(huán)境的性能模擬結(jié)果并依此調(diào)整設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成為建筑師的一項(xiàng)基本技能。但建筑熱工與光環(huán)境的傳統(tǒng)教學(xué)中主要進(jìn)行理論概念和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)，較少涉及如何在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)。因此，本文以培養(yǎng)學(xué)生將建筑熱工與光環(huán)境知識(shí)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力為導(dǎo)向，在課程教學(xué)中引入建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生在建筑光、熱環(huán)境營(yíng)造中應(yīng)用模擬技術(shù)進(jìn)行建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力。

關(guān)鍵詞：建筑技術(shù);建筑物理;參數(shù)化;綠色建筑;教學(xué)改革

一、概述

建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)是綠色建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍應(yīng)用的工具，隨著我國(guó)綠色建筑數(shù)量的增長(zhǎng)，必然要求建筑師具有將性能模擬技術(shù)整合到建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中的能力。因此，正確解讀建筑環(huán)境性能模擬結(jié)果并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，也將是建筑學(xué)專業(yè)學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握的能力之一。但在建筑系的本科教學(xué)中，專門開(kāi)設(shè)建筑環(huán)境性能模擬課程的院校較少，而建筑物理課程是與建筑環(huán)境性能模擬最相關(guān)的課程，因此可以在建筑物理課程的教學(xué)中融入部分建筑性能模擬的內(nèi)容，以彌補(bǔ)建筑環(huán)境性能模擬課程的缺失。建筑物理包括建筑熱工學(xué)、建筑光學(xué)和建筑聲學(xué)三個(gè)部分的內(nèi)容，重點(diǎn)內(nèi)容是圍繞建筑光、聲、熱環(huán)境營(yíng)造的理論和技術(shù)。

作為綠色建筑課程體系的核心課程，建筑物理是建筑學(xué)本科教學(xué)中的重要內(nèi)容[1-6]。其中，建筑熱環(huán)境和光環(huán)境的營(yíng)造是建筑設(shè)計(jì)中既矛盾又統(tǒng)一的兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，兩者相互影響又相互制約，為培養(yǎng)學(xué)生光、熱環(huán)境營(yíng)造的系統(tǒng)理念，廈門大學(xué)將建筑物理中建筑熱工和建筑光學(xué)的內(nèi)容整合為一門建筑熱工與光環(huán)境課程。在傳統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容中，建筑熱工與光環(huán)境往往過(guò)于注重理論知識(shí)的講授，與建筑設(shè)計(jì)之間的結(jié)合不緊密，抽象枯燥的理論教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生將相關(guān)知識(shí)運(yùn)用于建筑空間造型設(shè)計(jì)的能力不足。特別是在建筑節(jié)能、綠色建筑、被動(dòng)式建筑、性能化建筑設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)理念盛行的背景下，如果學(xué)生對(duì)建筑熱工與光環(huán)境的基本原理模糊不清，對(duì)使用計(jì)算軟件進(jìn)行建筑光、熱性能模擬的結(jié)果也一知半解，也難以將相關(guān)理念方法用于優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)。因此，建筑熱工與光環(huán)境課程的教學(xué)實(shí)效顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)許多院校已分別針對(duì)建筑熱工學(xué)[7-9]和建筑光環(huán)境[10-12]課程的教學(xué)體系和教學(xué)方法等不同方面進(jìn)行了不同程度的探索和實(shí)踐，取得了很好的效果，為筆者的教學(xué)實(shí)踐提供了很好的參考。在此基礎(chǔ)上，筆者在建筑熱工與光環(huán)境的教學(xué)中引入了建筑環(huán)境性能模擬工具，基于教學(xué)認(rèn)識(shí)論中“用以致學(xué)”的理念[13]，以建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)的“用”為先，在“用”中學(xué)習(xí)建筑熱工與光環(huán)境的相關(guān)理論知識(shí)，以確保學(xué)生所獲得的學(xué)習(xí)成果可直接用于建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐。

相比于傳統(tǒng)理論概念講授為主的教學(xué)內(nèi)容，建筑熱工與光環(huán)境的教學(xué)中引入建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)的方式，克服傳統(tǒng)知識(shí)型教學(xué)僵化、乏味、與設(shè)計(jì)相脫節(jié)的弊端，整合理論知識(shí)和設(shè)計(jì)技能，使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐過(guò)程掌握建筑熱工與光環(huán)境相關(guān)知識(shí)。性能模擬技術(shù)的引入有利于學(xué)生在理解掌握建筑熱工與光環(huán)境基本知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在多樣化的建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐中運(yùn)用相關(guān)知識(shí)，這不僅有助于學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)的本質(zhì)和價(jià)值、掌握相關(guān)知識(shí)，同時(shí)還有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題、批判反思、創(chuàng)新創(chuàng)造等素質(zhì)能力。

要確保學(xué)生經(jīng)過(guò)課程教學(xué)能夠?qū)⒄莆盏慕ㄖ峁づc光環(huán)境知識(shí)點(diǎn)運(yùn)用于基于性能模擬結(jié)果的建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中，課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式也需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。因此，本文將圍繞建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)應(yīng)用于建筑熱工與光環(huán)境課程的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程，從課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

二、課程教學(xué)內(nèi)容

建筑熱工與光環(huán)境課程的教學(xué)內(nèi)容中引入了基于環(huán)境性能模擬技術(shù)的建筑能耗和光環(huán)境模擬內(nèi)容，以國(guó)外主流的建筑氣象數(shù)據(jù)分析軟件之——Ladybug&Honeybee為平臺(tái)，講授建筑環(huán)境性能模擬和分析方法。課程以廈門大學(xué)參加兩屆中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽（SD）的獲獎(jiǎng)作品“Sunny Inside”（圖1）和“Nature Between”（圖2）為例，課程任務(wù)要求學(xué)生任選一棟建筑，以降低建筑能耗和提高室內(nèi)光環(huán)境為目標(biāo)，基于建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)對(duì)所選取建筑進(jìn)行改造，并分析比較不同的改造設(shè)計(jì)策略。之后課堂中分別對(duì)兩棟建筑的建筑能耗計(jì)算模型和建筑采光計(jì)算模型進(jìn)行教學(xué)講解，教學(xué)內(nèi)容以建筑師在不同設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑光、熱環(huán)境控制的設(shè)計(jì)策略為主線，將分散在建筑熱工學(xué)和建筑光學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，分別講授建筑布局、建筑單體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑光、熱環(huán)境調(diào)控設(shè)計(jì)策略。最后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這兩棟實(shí)際建成的示范建筑成為建筑光、熱環(huán)境的舒適度感受體驗(yàn)和物理參數(shù)測(cè)試平臺(tái)，學(xué)生可以通過(guò)實(shí)際操作加深對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)還可供學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際感受的對(duì)比，并通過(guò)實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析判斷和推理，強(qiáng)化學(xué)生的邏輯思維能力。

具體教學(xué)內(nèi)容與課程安排如下：

（1）緒論。介紹建筑活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響和可持續(xù)發(fā)展的價(jià)值觀體系，講述綠色建筑、低能耗建筑、被動(dòng)房等概念，了解建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)在提高建筑光環(huán)境和降低建筑能耗中的應(yīng)用途徑。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到建筑節(jié)能和綠色建筑的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)和發(fā)展目標(biāo)，教育學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)踐中貫徹和踐行綠色發(fā)展理念。

（2）SD競(jìng)賽參賽歷程及案例介紹。介紹廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)參加兩屆SD競(jìng)賽的歷程，布置任選一棟建筑以降低建筑能耗和提高室內(nèi)光環(huán)境為目標(biāo)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)的課程任務(wù)。同時(shí)基于“Nature Between零能耗建筑VR仿真”“Sunny Inside建筑節(jié)能設(shè)計(jì)虛擬仿真”“建筑群體風(fēng)環(huán)境虛擬仿真”“室內(nèi)光環(huán)境分析虛擬仿真”等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（表1），開(kāi)展內(nèi)容（3）至（9）的教學(xué)。

（3）建筑室外環(huán)境與我國(guó)建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)。介紹我國(guó)的氣候特征、建筑熱工分區(qū)和光氣候分區(qū)，講解使用Ladybug&Honeybee為工具分析不同城市室外氣象條件的方法。通過(guò)分析我國(guó)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，使學(xué)生了解我國(guó)的地形特點(diǎn)、區(qū)域特征、熱工區(qū)劃和光氣候分區(qū)的影響因素。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1

（4）建筑傳熱過(guò)程與能量平衡方程。分析不同氣候條件下的建筑傳熱過(guò)程并建立相應(yīng)的能量平衡方程，使學(xué)生掌握不同建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)下對(duì)建筑設(shè)計(jì)的基本要求，了解不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)建筑傳熱過(guò)程的影響。同時(shí)演示“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建筑的建筑能耗模型在Ladybug&Honeybee中的建立過(guò)程和邊界條件設(shè)置方法，將計(jì)算模型發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生可通過(guò)參數(shù)的調(diào)整查看模擬結(jié)果，使學(xué)生理解不同參數(shù)的設(shè)置值對(duì)建筑能耗計(jì)算模擬結(jié)果的影響。

（5）日照分析與建筑布局。以“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建筑為例介紹Ladybug&Honeybee中考慮周邊建筑影響的建筑日照計(jì)算方法。同時(shí)講授適應(yīng)氣候條件的建筑布局設(shè)計(jì)方法，除了日照分析之外，還另外介紹了不同氣候區(qū)的冬季防風(fēng)保溫或夏季通風(fēng)防熱的建筑布局方式。

（6）建筑單體優(yōu)化。首先演示使用Ladybug&Honeybee為工具建立建筑能耗和建筑采光模型的方法，學(xué)生拿到計(jì)算模型后，可自行計(jì)算并討論建筑形體對(duì)建筑能耗和光環(huán)境的影響，同時(shí)重點(diǎn)介紹天然采光的基本知識(shí)以及不同采光性能指標(biāo)的概念。通過(guò)計(jì)算體形系數(shù)對(duì)建筑能耗的影響，使學(xué)生掌握寒冷或大風(fēng)地區(qū)對(duì)建筑體型和形態(tài)的要求，同時(shí)在此基礎(chǔ)上介紹濕熱地區(qū)底層架空、屋面遮陽(yáng)、室外檐廊等防熱策略。通過(guò)采光模擬計(jì)算，比較建筑窗洞口布置和房間進(jìn)深對(duì)采光效果的影響，使學(xué)生掌握窗臺(tái)高度與空間自然采光有效進(jìn)深的關(guān)系，同時(shí)介紹自然通風(fēng)效果對(duì)房間單元進(jìn)深的要求。

（7）非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和半透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分介紹保溫、隔熱的基礎(chǔ)知識(shí)和構(gòu)造措施，通過(guò)能耗模擬軟件計(jì)算非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和比熱容等參數(shù)變化對(duì)能耗的影響關(guān)系。半透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分介紹門窗保溫、氣密性、分光譜輻射調(diào)控的基礎(chǔ)知識(shí)和構(gòu)造措施，通過(guò)能耗模擬軟件計(jì)算半透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和光學(xué)參數(shù)對(duì)建筑能耗的影響。最后介紹窗戶遮陽(yáng)基本方式，并通過(guò)能耗模擬計(jì)算遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)光熱環(huán)境的影響。

（8）建筑物理實(shí)驗(yàn)。結(jié)合SD太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽作品“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟已建成的建筑實(shí)物開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握建筑光、熱物理環(huán)境實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基本方法，同時(shí)比較實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與基于Ladybug & Honeybee的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行初步比較，分析誤差原因。

（9）學(xué)生設(shè)計(jì)成果匯報(bào)。學(xué)生在廈門大學(xué)參加兩屆中國(guó)國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽（SD）的獲獎(jiǎng)作品“Sunny Inside”和“Nature Between”中任選一棟建筑，基于建筑環(huán)境性能模擬平臺(tái)Ladybug&Honeybee建立的建筑能耗和建筑采光模擬計(jì)算模型（由教師建立并發(fā)送給學(xué)生），以降低建筑能耗和提高室內(nèi)光環(huán)境為目標(biāo)，對(duì)所選取建筑提出改造策略，分析優(yōu)化結(jié)果并進(jìn)行匯報(bào)。

三、課程教學(xué)方式

長(zhǎng)期以來(lái)，建筑熱工學(xué)和建筑光學(xué)的教學(xué)中往往以基礎(chǔ)理論的傳授為主，基礎(chǔ)理論中抽象復(fù)雜的理論概念與設(shè)計(jì)實(shí)踐相脫節(jié)的授課方式導(dǎo)致學(xué)生因?qū)W無(wú)所用而學(xué)習(xí)興趣較低，教學(xué)效果不夠理想。設(shè)計(jì)課是傳統(tǒng)的建筑學(xué)教育中的核心課程，但其核心教學(xué)內(nèi)容中很少涉及建筑光、熱環(huán)境、建筑能耗等建筑物理性能對(duì)建筑設(shè)計(jì)的影響。隨著綠色建筑設(shè)計(jì)中對(duì)建筑環(huán)境性能模擬工具應(yīng)用的普及程度越來(lái)越高，在建筑熱工與光環(huán)境中引入建筑性能模擬工具應(yīng)用的內(nèi)容，既能解決傳統(tǒng)建筑物理教學(xué)中理論教學(xué)與設(shè)計(jì)實(shí)踐脫節(jié)的教學(xué)痛點(diǎn)，又能在建筑學(xué)教學(xué)體系中補(bǔ)充建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。課程內(nèi)容增加的同時(shí)教學(xué)課時(shí)卻沒(méi)有變化，因此教學(xué)方式上也需要做相應(yīng)調(diào)整，縮短了理論知識(shí)講授的時(shí)間，課堂中增加問(wèn)題討論、軟件操作、示范房參觀、建筑環(huán)境實(shí)測(cè)、課堂匯報(bào)等教學(xué)方式。

課程的教學(xué)圍繞“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建筑的建筑物理環(huán)境性能的分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)，首先將基于Ladybug&Honeybee建立的計(jì)算模型發(fā)送給學(xué)生，演示并指導(dǎo)學(xué)生如何使用建筑環(huán)境性能模擬工具進(jìn)行建筑性能分析，在此過(guò)程中穿插相關(guān)的建筑熱工與光環(huán)境知識(shí)點(diǎn)。問(wèn)題討論中主要圍繞不同的設(shè)計(jì)策略對(duì)建筑節(jié)能與光環(huán)境的影響展開(kāi)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)原先設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，學(xué)會(huì)從宏觀系統(tǒng)的角度理解建筑環(huán)境營(yíng)造對(duì)建筑設(shè)計(jì)的要求及其復(fù)雜性，并嘗試對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析、找到解決問(wèn)題的方法。通過(guò)問(wèn)題討論的方式，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主觀能動(dòng)性。

本課程同時(shí)還利用“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建成建筑，并改造為可供教學(xué)使用的示范房，可提供參觀學(xué)習(xí)和物理環(huán)境實(shí)測(cè)的場(chǎng)地。通過(guò)示范房參觀、建筑環(huán)境實(shí)測(cè)等體驗(yàn)式教學(xué)的方式，使學(xué)生掌握建筑光、熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基本方法，直觀體驗(yàn)熱舒適、光舒適對(duì)建筑環(huán)境營(yíng)造的重要性，了解改善建筑環(huán)境的基本方法。

課堂匯報(bào)與評(píng)圖是建筑學(xué)學(xué)生熟悉的教學(xué)形式，學(xué)生根據(jù)分組情況對(duì)所選取的示范房進(jìn)行建筑光環(huán)境和能耗進(jìn)行分析，并對(duì)其提出相應(yīng)的改造策略，并分析優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。通過(guò)實(shí)踐，使學(xué)生掌握建筑環(huán)境性能模擬結(jié)果的物理意義，了解建筑設(shè)計(jì)策略對(duì)建筑環(huán)境性能的影響趨勢(shì)，能將建筑熱工與建筑光學(xué)的相關(guān)知識(shí)應(yīng)用于設(shè)計(jì)實(shí)踐中。另一方面，通過(guò)建筑設(shè)計(jì)案例的實(shí)踐分析，還能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。

結(jié)語(yǔ)

將建筑環(huán)境性能模擬技術(shù)引入建筑熱工與光環(huán)境的課程教學(xué)中，有助于建筑學(xué)學(xué)生了解建筑設(shè)計(jì)中涉及的各種建筑物理現(xiàn)象，強(qiáng)化對(duì)建筑設(shè)計(jì)如何影響室內(nèi)環(huán)境、居住者舒適度和建筑能耗的理解，同時(shí)引入示范房的實(shí)測(cè)鞏固相關(guān)認(rèn)知?；诖耍疚膹慕虒W(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式兩個(gè)方面對(duì)建筑熱工與光環(huán)境的教學(xué)進(jìn)行改革，重新梳理知識(shí)點(diǎn)，整合教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合SD國(guó)際太陽(yáng)能十項(xiàng)全能競(jìng)賽等案例的參觀、學(xué)習(xí)、仿真、實(shí)測(cè)與討論，加強(qiáng)建筑光、熱物理知識(shí)在建筑設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用，提高學(xué)生環(huán)境分析與應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，使學(xué)生能真正將相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)實(shí)踐中。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1

另一方面，教學(xué)中同時(shí)也發(fā)現(xiàn)建筑學(xué)學(xué)生普遍覺(jué)得建筑性能模擬軟件很難學(xué)，一個(gè)學(xué)期的課程學(xué)習(xí)時(shí)間很難同時(shí)掌握建筑熱工與光環(huán)境的理論知識(shí)和建筑性能模擬方法，因此兩者在教學(xué)時(shí)間的分配上應(yīng)進(jìn)行權(quán)衡，應(yīng)注意教學(xué)中是應(yīng)用建筑性能模擬技術(shù)進(jìn)行建筑熱工與光環(huán)境的教學(xué)，而不是建筑性能模擬技術(shù)的教學(xué)?？傮w而言，將建筑性能模擬技術(shù)應(yīng)用于建筑熱工與光環(huán)境的教學(xué)中，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)建筑物理相關(guān)知識(shí)的興趣方面起到了很好的效果，同時(shí)也有利于相關(guān)理論知識(shí)的理解掌握。

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作者簡(jiǎn)介：洪曉強(qiáng)（1989— ），男，漢族，福建漳浦人，博士，助理教授，研究方向：建筑節(jié)能、建筑環(huán)境與性能模擬。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1