建筑环境性能模拟技术在建筑热工与光环境课程教学中的应用

2022-06-26洪晓强

科技风 2022年15期

摘要：建筑热工与光环境是建筑技术设计中的重要内容，能够读懂建筑热工和光环境的性能模拟结果并依此调整设计方案已经成为建筑师的一项基本技能。但建筑热工与光环境的传统教学中主要进行理论概念和设计经验的教学，较少涉及如何在建筑设计中应用建筑环境性能模拟技术。因此，本文以培养学生将建筑热工与光环境知识应用于建筑设计的实践能力为导向，在课程教学中引入建筑环境性能模拟技术，培养学生在建筑光、热环境营造中应用模拟技术进行建筑优化设计的能力。

关键词：建筑技术;建筑物理;参数化;绿色建筑;教学改革

一、概述

建筑环境性能模拟技术是绿色建筑设计过程中普遍应用的工具，随着我国绿色建筑数量的增长，必然要求建筑师具有将性能模拟技术整合到建筑设计实践中的能力。因此，正确解读建筑环境性能模拟结果并根据模拟结果优化建筑设计，也将是建筑学专业学生应当掌握的能力之一。但在建筑系的本科教学中，专门开设建筑环境性能模拟课程的院校较少，而建筑物理课程是与建筑环境性能模拟最相关的课程，因此可以在建筑物理课程的教学中融入部分建筑性能模拟的内容，以弥补建筑环境性能模拟课程的缺失。建筑物理包括建筑热工学、建筑光学和建筑声学三个部分的内容，重点内容是围绕建筑光、声、热环境营造的理论和技术。

作为绿色建筑课程体系的核心课程，建筑物理是建筑学本科教学中的重要内容[1-6]。其中，建筑热环境和光环境的营造是建筑设计中既矛盾又统一的两个设计目标，两者相互影响又相互制约，为培养学生光、热环境营造的系统理念，厦门大学将建筑物理中建筑热工和建筑光学的内容整合为一门建筑热工与光环境课程。在传统课程教学内容中，建筑热工与光环境往往过于注重理论知识的讲授，与建筑设计之间的结合不紧密，抽象枯燥的理论教学导致学生将相关知识运用于建筑空间造型设计的能力不足。特别是在建筑节能、绿色建筑、被动式建筑、性能化建筑设计和参数化设计等设计理念盛行的背景下，如果学生对建筑热工与光环境的基本原理模糊不清，对使用计算软件进行建筑光、热性能模拟的结果也一知半解，也难以将相关理念方法用于优化建筑设计。因此，建筑热工与光环境课程的教学实效显得尤为重要。

国内许多院校已分别针对建筑热工学[7-9]和建筑光环境[10-12]课程的教学体系和教学方法等不同方面进行了不同程度的探索和实践，取得了很好的效果，为笔者的教学实践提供了很好的参考。在此基础上，笔者在建筑热工与光环境的教学中引入了建筑环境性能模拟工具，基于教学认识论中“用以致学”的理念[13]，以建筑环境性能模拟技术的“用”为先，在“用”中学习建筑热工与光环境的相关理论知识，以确保学生所获得的学习成果可直接用于建筑设计实践。

相比于传统理论概念讲授为主的教学内容，建筑热工与光环境的教学中引入建筑环境性能模拟技术的方式，克服传统知识型教学僵化、乏味、与设计相脱节的弊端，整合理论知识和设计技能，使学生通过实践过程掌握建筑热工与光环境相关知识。性能模拟技术的引入有利于学生在理解掌握建筑热工与光环境基本知识点的基础上，在多样化的建筑设计实践中运用相关知识，这不仅有助于学生理解所学知识的本质和价值、掌握相关知识，同时还有利于培养学生解决问题、批判反思、创新创造等素质能力。

要确保学生经过课程教学能够将掌握的建筑热工与光环境知识点运用于基于性能模拟结果的建筑优化设计中，课程的教学内容和教学形式也需要进行适当调整。因此，本文将围绕建筑环境性能模拟技术应用于建筑热工与光环境课程的教学实践过程，从课程教学内容和教学方式两个方面进行阐述。

二、课程教学内容

建筑热工与光环境课程的教学内容中引入了基于环境性能模拟技术的建筑能耗和光环境模拟内容，以国外主流的建筑气象数据分析软件之——Ladybug&Honeybee为平台，讲授建筑环境性能模拟和分析方法。课程以厦门大学参加两届中国国际太阳能十项全能竞赛（SD）的获奖作品“Sunny Inside”（图1）和“Nature Between”（图2）为例，课程任务要求学生任选一栋建筑，以降低建筑能耗和提高室内光环境为目标，基于建筑环境性能模拟技术对所选取建筑进行改造，并分析比较不同的改造设计策略。之后课堂中分别对两栋建筑的建筑能耗计算模型和建筑采光计算模型进行教学讲解，教学内容以建筑师在不同设计阶段对建筑光、热环境控制的设计策略为主线，将分散在建筑热工学和建筑光学中的知识点进行整合，分别讲授建筑布局、建筑单体、围护结构设计中的建筑光、热环境调控设计策略。最后的实验教学中，这两栋实际建成的示范建筑成为建筑光、热环境的舒适度感受体验和物理参数测试平台，学生可以通过实际操作加深对知识的理解，同时还可供学生进行实验测试数据与实际感受的对比，并通过实际观察发现问题，对问题进行分析判断和推理，强化学生的逻辑思维能力。

具体教学内容与课程安排如下：

（1）緒论。介绍建筑活动对环境的影响和可持续发展的价值观体系，讲述绿色建筑、低能耗建筑、被动房等概念，了解建筑环境性能模拟技术在提高建筑光环境和降低建筑能耗中的应用途径。让学生认识到建筑节能和绿色建筑的设计出发点和发展目标，教育学生在设计实践中贯彻和践行绿色发展理念。

（2）SD竞赛参赛历程及案例介绍。介绍厦门大学团队参加两届SD竞赛的历程，布置任选一栋建筑以降低建筑能耗和提高室内光环境为目标进行改造设计的课程任务。同时基于“Nature Between零能耗建筑VR仿真”“Sunny Inside建筑节能设计虚拟仿真”“建筑群体风环境虚拟仿真”“室内光环境分析虚拟仿真”等虚拟仿真实验项目（表1），开展内容（3）至（9）的教学。

（3）建筑室外环境与我国建筑热工设计分区。介绍我国的气候特征、建筑热工分区和光气候分区，讲解使用Ladybug&Honeybee为工具分析不同城市室外气象条件的方法。通过分析我国不同地区的气候特点，使学生了解我国的地形特点、区域特征、热工区划和光气候分区的影响因素。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1

（4）建筑传热过程与能量平衡方程。分析不同气候条件下的建筑传热过程并建立相应的能量平衡方程，使学生掌握不同建筑热工设计分区下对建筑设计的基本要求，了解不同设计参数对建筑传热过程的影响。同时演示“Sunny Inside”和“Nature Between”两栋建筑的建筑能耗模型在Ladybug&Honeybee中的建立过程和边界条件设置方法，将计算模型发送给学生，学生可通过参数的调整查看模拟结果，使学生理解不同参数的设置值对建筑能耗计算模拟结果的影响。

（5）日照分析与建筑布局。以“Sunny Inside”和“Nature Between”两栋建筑为例介绍Ladybug&Honeybee中考虑周边建筑影响的建筑日照计算方法。同时讲授适应气候条件的建筑布局设计方法，除了日照分析之外，还另外介绍了不同气候区的冬季防风保温或夏季通风防热的建筑布局方式。

（6）建筑单体优化。首先演示使用Ladybug&Honeybee为工具建立建筑能耗和建筑采光模型的方法，学生拿到计算模型后，可自行计算并讨论建筑形体对建筑能耗和光环境的影响，同时重点介绍天然采光的基本知识以及不同采光性能指标的概念。通过计算体形系数对建筑能耗的影响，使学生掌握寒冷或大风地区对建筑体型和形态的要求，同时在此基础上介绍湿热地区底层架空、屋面遮阳、室外檐廊等防热策略。通过采光模拟计算，比较建筑窗洞口布置和房间进深对采光效果的影响，使学生掌握窗台高度与空间自然采光有效进深的关系，同时介绍自然通风效果对房间单元进深的要求。

（7）非透明围护结构和半透明围护结构的优化设计。非透明围护结构部分介绍保温、隔热的基础知识和构造措施，通过能耗模拟软件计算非透明围护结构的传热系数和比热容等参数变化对能耗的影响关系。半透明围护结构部分介绍门窗保温、气密性、分光谱辐射调控的基础知识和构造措施，通过能耗模拟软件计算半透明围护结构传热系数和光学参数对建筑能耗的影响。最后介绍窗户遮阳基本方式，并通过能耗模拟计算遮阳对室内光热环境的影响。

（8）建筑物理实验。结合SD太阳能十项全能竞赛作品“Sunny Inside”和“Nature Between”两栋已建成的建筑实物开展实验教学，使学生掌握建筑光、热物理环境实验测试的基本方法，同时比较实验测试结果与基于Ladybug & Honeybee的模拟计算结果进行初步比较，分析误差原因。

（9）学生设计成果汇报。学生在厦门大学参加两届中国国际太阳能十项全能竞赛（SD）的获奖作品“Sunny Inside”和“Nature Between”中任选一栋建筑，基于建筑环境性能模拟平台Ladybug&Honeybee建立的建筑能耗和建筑采光模拟计算模型（由教师建立并发送给学生），以降低建筑能耗和提高室内光环境为目标，对所选取建筑提出改造策略，分析优化结果并进行汇报。

三、课程教学方式

长期以来，建筑热工学和建筑光学的教学中往往以基础理论的传授为主，基础理论中抽象复杂的理论概念与设计实践相脱节的授课方式导致学生因学无所用而学习兴趣较低，教学效果不够理想。设计课是传统的建筑学教育中的核心课程，但其核心教学内容中很少涉及建筑光、热环境、建筑能耗等建筑物理性能对建筑设计的影响。随着绿色建筑设计中对建筑环境性能模拟工具应用的普及程度越来越高，在建筑热工与光环境中引入建筑性能模拟工具应用的内容，既能解决传统建筑物理教学中理论教学与设计实践脱节的教学痛点，又能在建筑学教学体系中补充建筑环境性能模拟技术的相关内容。课程内容增加的同时教学课时却没有变化，因此教学方式上也需要做相应调整，缩短了理论知识讲授的时间，课堂中增加问题讨论、软件操作、示范房参观、建筑环境实测、课堂汇报等教学方式。

课程的教学围绕“Sunny Inside”和“Nature Between”两栋建筑的建筑物理环境性能的分析与优化设计展开，首先将基于Ladybug&Honeybee建立的计算模型发送给学生，演示并指导学生如何使用建筑环境性能模拟工具进行建筑性能分析，在此过程中穿插相关的建筑热工与光环境知识点。问题讨论中主要围绕不同的设计策略对建筑节能与光环境的影响展开，引导学生发现原先设计中存在的问题，学会从宏观系统的角度理解建筑环境营造对建筑设计的要求及其复杂性，并尝试对问题进行分析、找到解决问题的方法。通过问题讨论的方式，可以更好地激发学生的学习热情，提高学生作为学习主体的主观能动性。

本课程同时还利用“Sunny Inside”和“Nature Between”两栋建成建筑，并改造为可供教学使用的示范房，可提供参观学习和物理环境实测的场地。通过示范房参观、建筑环境实测等体验式教学的方式，使学生掌握建筑光、热环境实验测试的基本方法，直观体验热舒适、光舒适对建筑环境营造的重要性，了解改善建筑環境的基本方法。

课堂汇报与评图是建筑学学生熟悉的教学形式，学生根据分组情况对所选取的示范房进行建筑光环境和能耗进行分析，并对其提出相应的改造策略，并分析优化设计结果。通过实践，使学生掌握建筑环境性能模拟结果的物理意义，了解建筑设计策略对建筑环境性能的影响趋势，能将建筑热工与建筑光学的相关知识应用于设计实践中。另一方面，通过建筑设计案例的实践分析，还能培养学生团队协作的能力。

结语

将建筑环境性能模拟技术引入建筑热工与光环境的课程教学中，有助于建筑学学生了解建筑设计中涉及的各种建筑物理现象，强化对建筑设计如何影响室内环境、居住者舒适度和建筑能耗的理解，同时引入示范房的实测巩固相关认知。基于此，本文从教学内容和教学方式两个方面对建筑热工与光环境的教学进行改革，重新梳理知识点，整合教学内容，结合SD国际太阳能十项全能竞赛等案例的参观、学习、仿真、实测与讨论，加强建筑光、热物理知识在建筑设计中的实践应用，提高学生环境分析与应用设计能力，使学生能真正将相关知识应用到设计实践中。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1

另一方面，教学中同时也发现建筑学学生普遍觉得建筑性能模拟软件很难学，一个学期的课程学习时间很难同时掌握建筑热工与光环境的理论知识和建筑性能模拟方法，因此两者在教学时间的分配上应进行权衡，应注意教学中是应用建筑性能模拟技术进行建筑热工与光环境的教学，而不是建筑性能模拟技术的教学。总体而言，将建筑性能模拟技术应用于建筑热工与光环境的教学中，在激发学生学习建筑物理相关知识的兴趣方面起到了很好的效果，同时也有利于相关理论知識的理解掌握。

参考文献：

[1]杨维菊，徐斌，伍昭翰.传承·开拓·交叉·融合——东南大学绿色建筑创新教学体系的研究[J].新建筑，2015（05）：113-117.

[2]董海荣，常征.基于绿色建筑设计能力提升的建筑学专业教学改革探索[J].高等建筑教育，2016，25（04）：95-99.

[3]吴蔚.技术与艺术，孰轻孰重？——绿色建筑设计在建筑技术教学中的应用研究[J].南方建筑，2016（05）：124-127.

[4]何文芳，杨柳，刘加平.绿色建筑技术基础教学体系思考[J].中国建筑教育，2016（02）：38-41.

[5]葛坚，朱笔峰.以绿色建筑教育为导向的建筑技术课程教学改革初探[J].高等建筑教育，2015，24（03）：83-86.

[6]贺丽洁，刘烨，赵立志.以绿色建筑为导向的建筑设计课程教学实践[J].教育教学论坛，2016（22）：134-135.

[7]贾永英，李栋，宫克勤，等.案例式教学法在建筑热物理课程教学中的实践探索[J].教书育人（高教论坛），2018（27）：98-99.

[8]葛坚，李效军.关于建筑热环境参数测定与热舒适分析的探究性实验教学[J].高等建筑教育，2016，25（02）：154-156.

[9]张宇峰.建筑热工学教学新方法初探：第十届全国建筑物理学术会议[J].广州，2008.

[10]郝洛西.“产学研”协力共进下的建筑光环境教学探索与创新实践[J].中国建筑教育，2017（Z1）：134-142.

[11]李卓，张彧辉.建筑光环境课程教学体系的更新与思考[J].灯与照明，2020，44（03）：32-35.