物理分析在建筑设计教学中的作用和措施探索

石 栋，顾海燕

(盐城工学院 土木学院，江苏 盐城 224051)

建筑的物理环境变化包括地理条件、气候、时间等因素以及建筑所处环境中的地质条件、水文条件、材料特性等随时间和空间的变化[1]。相关变化会对建筑内部人体的视听观感、居住舒适度、仪器仪表的工作性能表现产生直观影响[2-4]。建筑物理分析是对建筑中的日照、温度、环境流场、声学和碳排放等单一或者多个物理量对建筑的影响进行的探究和分析工作[5-8]。传统的研究过程中，多采用物理实验的方法进行，但是由于物理实验需要耗费的成本较高，在计算机技术发展到一定程度后，利用计算机技术对建筑环境进行物理计算分析成为一种省时省力的有效手段[7，8]。

在高等学校教育过程中《建筑设计》是建筑专业的核心课程。在建筑设计过程中，声、光、热等物理环境对建筑的影响是设计的第一考虑要素，设计中需要对建筑的物理环境的变化进行合理的分析计算，找出其变化规律，并进行协调设计，使建筑和环境达到完美的统一[9-13]。物理分析技术为设计中的物理变化提供必要的支持。在教学过程中，让学生掌握相关分析方法，可以加深学生对物理环境的理解，通过对建筑物理环境分析可以加深学生对建筑设计的理解，让学生更全面地考虑建筑设计的细节，培养卓越工程师品质[14，15]。

1 建筑中物理分析的主要内容

建筑设计过程中所考虑的光环境、风环境、声环境、水环境、温度和热辐射等都属于建筑物理的范畴，其变化过程中包含了一系列物理量的变化，在实际建筑设计过程中将上述物理因素变化对建筑及人居环境影响的研究过程称为建筑物理分析。通常，建筑物理分析的内容包含：

(1)热分析，即对不同气候条件下室内外热环境、建筑材料的热工性能和围护结构的保温效率，日照、通风条件下的温度变换开展研究；

(2)光分析，即对日照及采光，光照舒适度、室内外照明措施展开的研究；

(3)声环境分析，包括室内外声音的传播模式和人体舒适度要求，建筑及材料吸声和反射，噪音和振动控制，室内混响及音质的分析。

2 物理分析在建筑设计的必要性

2.1 建筑物理分析是建筑设计必要前提

通过物理分析，设计人员可以依据建筑的使用要求，配合既有建筑场地条件进行合理的建筑造型、建筑设备和建筑环境因素的设计，做到有的放矢。在建筑功能要求满足的情况下合理利用物理技术措施满足建筑环境要求。

2.2 建筑物理分析是建筑符合人体舒适的可靠技术保障

已有研究在对颐和园典型彩画进行实时监测后,提取彩画色坐标及亮度参数后得出亮度随时间的衰变曲线，显示光照是造成彩画色彩衰变的主要因素，并影响参观者的心情[16]。说明建筑物理环境可以影响建筑物体的使用性能并影响人体感官。优秀的建筑方案可以满足体验者在听觉、视觉、触觉和平衡感觉等感官上的舒适性的需求，并使建筑物达到和人体舒适性要求相匹配的最佳状态。因此，建筑物理分析可以让建筑及室内环境和人体舒适性要求更加匹配，设计者必须要对拟设计建筑进行建筑物理分析，并根据分析结果对建筑进行技术优化。

3 结合建筑物理分析的《建筑设计》课程教学措施

《建筑设计》建筑学专业的核心课程，包含多种功能不同的建筑的设计理论和设计实践，注重空间布局、功能分区、流线分析等内容。在设计过程中，结合建筑舒适性的要求对建筑物理进行专项分析，可以更好地优化建筑功能，提升人在设计空间中身体和精神上的舒适性，课程的教学成果更能契合对学生专业能力和素养的培养要求。

为了更好地做到设计和建筑物理分析的完美契合，培养学生良好的工程品质，教师在备课过程中应做好相关准备：(1)给定的教学任务书中有明确的拟设计建筑物的场地信息，使学生通过相关信息查找当地的地址、水文和环境信息，为方案设计做好准备；(2)教学设计任务书中应明确建筑的功能和相关建筑节能要求，通过相关要求可以使学生在技术方案准备阶段做好准备，做到技术方案设计有的放矢。

在授课过程中，教师还应当在设计过程中实时将环境舒适的概念贯穿于教学始终。从温度、湿度、光照等因素出发提出相应要求，使学生将这些物理因素融入设计中，从建筑方案、建筑构造、建筑技术层面进行专项设计。从建筑能耗角度出发，利用合理的节能措施，保障建筑内部的物理环境和建筑功能适应。利用多环节教学培养学生在设计中融合环境物理需求的理念。

4 结合建筑物理分析的建筑设计课程思政建设

《建筑设计》是建筑学及相关专业的一门重要的专业技能课，通过相关课程的学习，培养学生卓越工程师的品质和职业素养。建筑物理分析是建筑设计中必须考虑的一个重要环节，是决定建筑品质的关键因素。设计的过程中还能够培养学生耐心细致的工作作风，培养学生对设计的全局把控能力，这些也都是培养学生卓越工程师品质的重要建设目标[17]。

纵观中建史，我国古代凝聚劳动人民智慧结晶的诸多工程中，都包含着建筑物理的元素，例如：云南曹溪寺的匠人利用光沿直线传播的原理巧妙设计窗户的位置，使得秋分时节月光由圆窗射入并照在佛像的腹部,月光像一面圆形的镜子，嵌在大佛的胸前形成“曹溪映月宝镜悬”的奇妙景观[18]。在没有系统的天文、物理、光学等知识的古代，能够创造出这样的奇观，足以看出我国古代匠人高超的本领和别出心裁的建筑设计理念，同时也反映了我国古代建筑所特有的精巧设计。要做到如上设计，必须要对建筑的物理环境充分了解，并在此基础上对物理环境中的关系进行分析，方可进行设计，可得到意想不到的效果。

5 教学案例——建筑中的声学设计

现代剧院利用多种现代化的音响设备和墙壁造型为观众带来良好的视听享受，我国古代就已经有“响彻云霄”“遏云”“金声玉振”“鱼龙出听”等措施实现民众的视听需求[19，20]。为了提升课堂效果，在教学中进行如下设计：(1)精心备课，充分准备教学内容；(2)运用课程思政的方法对课程进行优化，激发学生的民族自豪感和工程师的责任感；(3)讲解透彻，从声学原理和运用技巧层面讲解声学和人体舒适之间的联系。具体流程见图1。

图1 教学案例设计

经过合理的设计，融入声光电等先进技术，建筑可以发挥出独特的魅力。例如北京天坛的回声壁，通过合理的几何线性布置建筑表面的材质处理，达到了特有的音响效果。这种音响效果一旦应用到某些特殊的建筑场景将会带来特殊的效果。基于上述背景进行如下教学案例设计。

6 结 语

《建筑设计》课程教学是一门综合全专业教学的课程，是建筑课程体系教学成果综合运用的体现，也是后期学生从事本专业工作的必要准备。通过建筑物理分析，建筑师可以更好地了解建筑的多种物理性能参数的变化，为使用者提供更加舒适的体验。

本文立足课程教学角度，提倡在《建筑设计》课程中设置建筑物理分析的教学内容，并分析了建筑物理对建筑的有利影响，并对建筑设计中涵盖物理分析的课程思政元素进行解释。在课程思政思想指引下，对剧场声环境分析教学进行了专门教学设计，也验证了相关课程教学的可行性，强调对学生进行全面培养。