基于Ecotect采光分析培养高职学生科研能力

洪 梅，魏世辉，童德茂

(阜阳职业技术学院，安徽 阜阳 236031)

由于目前高职学校生源的多样性，学生的基础普遍薄弱且参差不齐，并且受到学校整体环境制约，高职学生参与科研项目的机会很少，更不要提利用科研项目作为抓手来促进学生的课程学习和参加职业技能竞赛。该研究以在研的省级科研项目为载体，选取一个真实的校企合作建筑工程项目作为案例，引导学生使用建模软件对其建模并进行完整分析，实现让学生一边学习，一边做实际项目的教学目的。利用参与项目研究积累的实践经验指导学生参加安徽省高校建筑信息模型(BIM)设计大赛，增强学生对绿色建筑的认识，增加学生绿色建筑方面专业知识储备。以探索高职院校以“教师主导，学生参与”的新模式来开展科研项目和引导学生学习，达到“以科研促赛、以赛促教、以赛促学”高职人才培养新模式。让学生经历项目实战全过程从而产生学习兴趣，爱上学习，培养高职学生养成独立探索习惯、应用新方法和新技能的能力，更利于激发学生专业创新意识、专业创新潜能、专业创造灵感进而培养了学生的创新能力。

1 绿色建筑与模拟软件概述

绿色建筑指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源，包括节能、节地、节水、节材等，保护环境和减少污染，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间与自然和谐共生的建筑物。绿色建筑技术注重低耗、高效、经济、环保、集成与优化，是人与自然、现在与未来之间的利益共享，是可持续发展的建设手段[1]。绿色建筑中光环境设计是建筑方案设计的重要指标，由于光线、照明和环境的综台作用，会对人的心理情绪产生不同的影响[2]。生态光环境是人们正常生活、学习及工作的必要条件，更是绿色生态建筑设计要探讨基本内容之一。自然采光是连接室内外环境最重要的一种形式，建筑自然采光是室内光环境质量优良的最佳表现[3]。

随着BIM技术的发展，计算机辅助设计工具的功能越来越强大，可以精确的对建筑体物理性能进行定量分析，有利于绿色建筑节能评价，维持地球整体的生态过程和谐，从而为人们提供更为舒适的居住、工作和休闲活动的场所[4]，解决绿色建筑方案优化的难题。Ecotect analysis是一种可视化生态建筑设计软件，目前已经被广泛地运用于建筑工程实践，尤其是太阳辐射、日照、遮阳、采光、照明灯等方面的模拟分析。

Ecotect analysis软件是一款功能全面的可持续设计及分析工具，其中包含应用广泛的仿真和分析功能，能够提高现有建筑和新建筑设计的性能，将在线能效、水耗及碳排放分析功能与桌面工具相集成，能够可视化及仿真真实环境中的建筑性能。用户可以利用强大的三维表现功能进行交互式分析，模拟日照、阴影、发射和采光等因素对环境的影响。文章采用ecotect analysis生态建筑设计软件，引导学生参与到“计算机模拟技术在绿色建筑设计中的应用研究”项目研究中，结合阜阳地区的光气候特点，对研究选取的代表性户型室内的自然采光设计及建筑节能进行模拟分析，为建筑的自然采光设计及节能评价研究提供参考和帮助。

2 工程概况

资福寺安置区位于安徽省阜阳市颍州区，属于我国IV类光气候区，自然光年平均总照度为24 klx≤Eq⟨26 klx,全年日照时数为2 200～3 000 h，年辐射量在1 390～1 630 kW·h/m2，采光资源比较充足。本文的模拟分析对象为资福寺安置区项目6#住宅楼，该楼位于小区A地块的东南角，南面和东面均为市政道路；该楼1—2层为商场，3—14层为住宅，文章选取C户型进行室内自然采光模拟模拟。该户型包括客厅、卧室、厨房等完整的功能空间。

3 模拟分析

3.1 模型参数设置

在对建筑进行自然采光模拟分析时，气象条件、建筑材质的反射比和工作面高度是影响建筑采光的三个主要因素。

该研究对象“资福寺安置区项目”位于安徽省阜阳市城区，分析采用阜阳市的气象数据，为Ⅳ类光气候区，选用CIE全阴天天空条件，室外设计照度值为13 500 lux。不同的建筑材质具有不同反射比，进而影响到不同建筑空间的采光效果。建筑部位的不同，建筑做法也各存差异。按照实际建筑做法，对建筑材质的设置参数：双玻铝框窗户玻璃可见光透过率为0.76；墙体反射率为0.75；顶棚反射率为0.78；地板反射率为0.35。

采光分析工作高度选取窗台高度即900 mm。

分析研究的对象主要光方式为侧窗采光，根据建筑采光设计标准：该研究对象的卧室、客厅、厨房应有直接采光且采光系数宜大于1%。

在模型参数选定过程中，需要学生去查询当地的气象资料，了解房屋的建筑做法，掌握建筑采光分析理论和相关建筑采光设计规范。在这个阶段，需要学生具备利用网络工具进行资料的查阅，找到需要的当地的气象资料数据，并应用于软件参数设置。其次要锻炼学生的看图识图能力，建筑做法是在建筑施工图中注明，学生必须能够看懂建筑施工图，才能对照着房屋的不同部位找出对应的建筑，进而确定不同部位的反射比。最后还要求学生能够掌握建筑采光分析的理论，熟悉建筑采光设计标准，选出合理的分析高度，得出正确的采光结果。

3.2 分析模型建立

“资福寺安置区”项目6#住宅楼周边建筑较多，且楼间距相对较近，在整个小区中采光最为不利，按照以不利情况为分析对象的原则，本次分析选取6#住宅楼最西头的C户型作为研究对象进行分析，依据工程项目图纸和规范参数分别建立建筑三维模型和绿建分析模型，建筑三维模型(见图1)、绿建分析模型(见图2)。

图1 6号楼三维模型

图2 C户型模型图

在模型创建过程中，涉及到专业图纸的识读、比对和建筑软件的操作应用。这个阶段，需要加强对学生建筑施工图、结构施工图和设备施工图的识读，要能够明白各专业图纸表达的内容，同时还要进行各专业图纸间的对比，确保各专业图纸之间的一致性，这也可以有效地促进学生建筑识图课程的学习。以实际建筑模型的创建，增强学生软件操作的动手能力，提高学生软件的应用能力，同时通过模型创建也可以反过来加深学生对图纸内容的理解和认识，加深学生对绿色建筑分析关注点的了解，促进学生软件实训课程的学习。

在模型创建过程中，从图纸识读到模型建立和参数设置均让学生参与其中，能够显著地提高学生的识图能力和软件应用能力。

3.3 自然采光模拟结果

依据《建筑采光设计标准》GB/T-50033—2013的要求[5-6]，分析对象为住宅楼客厅、卧室、书房、厨房等主要使用空间住宅建筑采光标准，[5,7]居住建筑物自然采光参数的具体要求参照表1。

表1 居住建筑的采光系数标准值

3.3.1 设置分析网格和采光计算参数

Ecotect软件分析需要首先设置分析网格。在analysis grid(分析网格)中点击”grid management(网格管理)”按钮，打开分析网格管理器对话框，在numbers of cells中填入合适的X、Y、Z数值。

分析网格设置完成后，根据阜阳地区气象资料依次设定分析参数，进行采光分析参数设置。

分析网格的设置和采光计算参数的选定，是进行绿色建筑指标分析的关键一步。网格划分的精细程度直接影响分析计算的速度和分析结果的合理性，计算参数的选定则是直接影响分析计算结果的可靠性。在此阶段，不仅要引导学生注重对ecotect软件应用的练习，增强ecotect软件的应用能力；还要引导学生学习建筑绿色节能分析的相关规范，增加知识储备，提升专业认知。

3.3.2 计算结果

选取以采光系数和室内天然光照度作为建筑物采光设计指标，以采光系数标准值和室内天然光照度标准值来计算参考平面上平均值。

建筑室内的采光系数C，可按公式(1)计算:

(1)

式中:En—室内照度,lux；

Ew—室外照度,lux。

建筑室内天然光照度U，可按公式(2)计算：

U=C×Es

(2)

式中:C—建筑室内的采光系数,%；

Es—建筑室外天然光设计照度值,lux。

Ecotect采光计算结果可以按数值大小以不同的颜色显示在分析网格上，也可以显示网格节点的数值。将每个房间的计算结果(采光系数和天然光照度)相加与房间面积相比，即可得到房间的采光系数和天然光照度。C户型自然采光模拟结果(见图3—4)。

图3 C户型采光系数(%)

图4 C户型天然光照度(lux)

根据ecotect软件的自然采光模拟分析结果显示，虽然该户型部分空间的自然采光存在不足，但是各主要功能房间的采光系数模拟分析值(见表2)和天然光照度模拟分析值(见表3)均满足要求。

表2 各主要功能空间采光系数统计表

表3各主要功能空间天然光照度统计表

主要功能空间名称实际天然采光照度/lux天然采光照度标准值/lux结论主卧室470300满足次卧室610300满足书房544300满足客厅594300满足厨房740300满足

4 在职业技能竞赛中的实践

职业技能竞赛是在紧密结合课堂教学或新技术应用的基础上，以竞赛的方法培养学生综合能力，引导学生通过完成竞赛任务来发现问题、解决问题，增强学生学习及研究的主动性，培养学生的团队协作意识和创新思维、创新意识的系列化活动[8-10]。通过职业技能竞赛，可让教师更清楚的认识课程体系，提高教师的实践能力；学生则通过技能竞赛，提高自己动手能力，提高团队合作意识和自主学习能力，使理论知识和实践活动相结合。

为了检验学生对绿色建筑知识的掌握程度，指导学生参加了2018年第一届安徽省高校建筑信息模型(BIM)应用大赛。该比赛以“信息化、工业化、绿色化”为目标，确立了“创造、协作、实践的空旨”。本次比赛分为了“建筑+绿建”“建筑+结构”“结果+机电”“结构+工程管理”4个模块，其中“建筑+绿建”模块任务要求和此次的科研项目内容相同，因此主要参加了该模块的比赛，最终带领学生取得了比较理想的成绩，提高了学生对绿色建筑的认识，增加了绿建专业知识储备，同时也增强了学生的动手能力和团队意识。

5 结 语

通过探索让学生参与到科研项目研究中的模式，得到了以下几个方面的收获和感悟：

(1)培养了学生对建筑图纸的识读能力。在研究过程中，首先需要看懂图纸，然后才能根据图纸表达内容，建立相应的三维分析模型，因此需要学生能够正确识读各专业建筑图纸。

(2)锻炼了学生对三维建模软件和绿建分析软件的应用能力。正确的建立模型是进行研究分析的基础，而正确建模的前提是能够正确的使用建模软件，这就要求学生掌握软件的基本功能，并能正确运用软件进行分析模拟。

(3)增强了学生对相关建筑规范的理解能力。由于高职学生的基础比较薄弱，在毕业后走上工作岗位，也很少从事建筑设计工作，更不要说在上学期间对建筑规范学习。而在学生参与项目研究过程中，需要对合理选取相关参数和正确判断分析结果，这就要求学生主动去学习规范知识，掌握规范的要求。

(4)培养了学生严谨的工作作风，有效提升技能竞赛的成绩。科研工作需要扎扎实实工作，必须坚持严谨踏实的工作作风。在学生参与项目研究过程中，能够感受到科研的魅力，感受到科研的严谨，感受到科研工作者的踏实、求实，激励着学生改掉自己的一些不好的习惯，从而养成严谨踏实的作风。同时，这种良好的习惯还可以很好地助推学生在其他工作中的成功，特别是在技能竞赛中。

(5)释放了教师的部分时间，使教师更好地兼顾教学，也为改善教学效果提供了实践平台。高校教师往往都承担着科研和教学的双重任务，不论是科研工作还是教学工作均需要教师投入精力用心去做，而如何在科研和教学中找到一个理想的平衡点，则是非常困难的。而让学生在老师的指导下参与到科研项目研究中，让学生替老师分担一些任务，则可以让教师腾出更多的时间和精力投入到教学中，从而做出精品课堂、精品课程，同时也可以让学生在科研中充实和提高自己。指导教师根据学生在项目研究中表现，发现学生在知识方面存在的不足，从而在后续的教学中完善和扩充课堂教学内容。