跨學科背景下綠色建筑模擬技術教學方法研究

黨睿

摘要：在綠色建筑快速發展和建筑技術科學專業跨學科招生的背景下，由于知識背景差異性、綠色建筑復雜性、模擬技術多樣性等原因，傳統教學方法很難使研究生在培養計劃內掌握綠色建筑數字化模擬技術。天津大學建筑技術科學研究所基于教學實踐，通過制定跨學科基本素質、跨學科模擬技能、跨學科實踐能力3個階段培養計劃，對該問題進行研究，提出新型教學方法，并通過實際教學案例對該方法的效果進行說明。

關鍵詞：跨學科；綠色建筑；模擬技術；研究生教學

中圖分類號：G6426文獻標志碼：A文章編號：10052909（2014）06010004

近年來綠色建筑受到社會各個方面的高度重視，同時它也是諸多高等院校和科研機構教學和研究的重點。建筑學的3個主要研究方向之一是建筑技術科學，它在綠色建筑中起著至關重要的作用，是提高室內物理環境品質和實現建筑節能的基礎和關鍵[1]，也擔負著為綠色建筑培養專業人才的責任。特別是近年來數字化模擬技術在建筑技術科學領域的廣泛應用，對綠色建筑的設計、分析、評估起到了促進作用，因此計算機模擬分析已成為本專業教學工作中的重點內容。同時，該研究方向也越來越受到學生的喜愛和重視，近年來研究生報考人數連年增加。但目前中國除重慶大學等少數高校外，大部分學校尚未開設建筑技術科學專業的本科教育。因此，跨學科招生是本專業研究生教育模式的一大特色。由于學生專業背景較為復雜，他們的知識體系、思維方式、專業技能均存在很大差異。

綜上所述，如何針對不同學科背景研究生的各自特點進行培養，使他們在研究生學習階段具備較為完善的知識結構體系，能夠熟練運用數字化平臺進行綠色建筑的模擬、優化、評估全流程設計，并可獨立或以團隊合作方式解決綠色建筑中的復雜問題，是目前本專業教學工作的重點和難點。

一、現存問題

（一）學生專業背景差異大

在跨學科招生背景下，雖然目前建筑技術科學研究生專業背景較為復雜，但總體上可分為建筑設計等建筑學專業和結構工程等理工科非建筑學專業。前者建筑基礎好，思維活躍，想象力豐富，繪圖表現能力強，處理問題多采用定性分析和經驗參照，但這類學生缺乏數學等理工科知識，邏輯分析和量化計算能力較差；后者邏輯思維能力強，有扎實的數理基礎，熟悉定量化研究方法和手段，但學生缺乏建筑學知識，空間想象力不足，繪圖和表現能力較差[2]。這些差異導致學生在學習過程中所遇到的問題不同，在遇到問題時所采取的思考方式和解決策略也有很大區別。

而建筑技術科學是研究如何通過建筑與規劃手段來改善建筑物的風、光、熱、聲等物理環境，并在保證舒適度的基礎上節約建筑能耗。自身專業特點決定了它具有很強的學科交叉性，既需要空間想象等感性創造能力，也需要推理計算等理性分析能力。因此，如何根據學生不同的專業背景進行教學是待解決的首個問題。

（二）學生對數字化模擬技術掌握程度不一

數字化模擬技術對綠色建筑設計起到了革命性的改變，在科研和工程領域也得到了廣泛應用。綠色建筑性能主要包括室內環境舒適度和節約建筑能耗2個層面，因此相應的模擬軟件也可歸為兩大類：第一類是物理環境模擬軟件，如基于CFD（計算流體力學Computational Fluid Dynamics）原理的FLUENT、AIRPARK、STREAM等氣流與通風狀況分析軟件，用于采光和照明的RADIANCE、DAYSIM、DIALUX等光環境分析軟件，用于廳堂音質和噪聲的ODEON、CHAOS、Sound PLAN等聲環境分析的軟件；第二類是如ENERGYPLUS、HTB2、BLAST等用于模擬熱工和能耗的軟件。但日常教學中發現學生在進行數字化模擬技術應用時普遍存在如下4個問題。

第一，由于軟件種類較多，各自特點也不盡相同，導致學生對軟件選取較為隨意，而且模擬流程不規范、邊界條件設置不明確、參數設定不合理，這使得同一軟件在不同使用者手中其最終結果差別很大。

第二，建筑類學生對于前期的建筑性質分析和模型建立過程較為順利，但后期的邊界條件設定、參數分析、數值計算等量化過程存在障礙，而理工類學生的情況剛好相反。

第三，模擬的關鍵是如何保證真實性和準確性，而這必須與現場檢測技術相結合，通過實測數據校正軟件參數設定值，不斷改進和完善以達到最佳模擬效果，但學生尚不具備這兩種手段配合使用的能力。

第四，學生對風、光、熱、聲以及能耗等多項模擬結果難以衡量綜合權重，常常造成設計方案的取舍困難，同時缺乏“模擬結果—優化措施”的聯動經驗，學生很難將專業的模擬結果直接轉化為設計層面的優化措施。

（三）教學方法過于傳統，不利于學生學習現代技術

首先，在課堂教學中，仍采用傳統的技能型、記憶型、被動式教學方法，這對于建筑技術科學這一以多學科知識綜合運用和對最新建筑技術把握為特點的專業來講，不利于學生綜合分析、協調處理、知識更新等能力的培養，尤其不利于引導學生打破現有思維范式，以提高科技創新能力。

其次，在實踐教學中，雖然學生能夠參與實際科研項目和工程設計工作，也可將所學基本理論知識運用于實踐，但對于研究框架搭建、技術路線制定、關鍵問題分析等重要環節的把握能力欠缺，這些工作需要由導師完成，學生只能解決具體技術問題，即仍停留在應用層面，創新性明顯不足。而研究生的培養目標是高級專業人才，創新能力是其應具備的素質，如何實現由應用型人才向創新型人才跨越，如何將創新性成果應用于實踐是另一亟待解決的問題。

二、改革方案與措施

基于學生不同學科背景和所面臨的問題，制定了3個階段的培養改革方案及措施：第一階段是跨學科基本素質培養，目的是使不同專業背景的學生完成跨學科基礎知識和數字化模擬技術儲備，形成跨學科思維模式；第二階段是跨學科模擬軟件應用技能培養，目的是使學生掌握計算機輔助分析設計的基本技能；第三階段是跨學科實踐能力培養，目的是提高學生以創新性思維解決實際問題的能力。

（一）跨學科基本素質培養

跨學科基本素質培養是對學生進行分階段、分專業的單項知識和技能培訓，使各專業背景的學生加強綠色建筑的基礎知識儲備，形成初步的跨學科知識體系。對于建筑學背景學生，該階段以加強邏輯思維能力和掌握科學定量化手段為重點，在培養過程中布置如舒適度參數計算、建筑能耗評價、實驗過程設計等作業。對于理工科背景學生，由于在本科階段未接受過建筑學教育，對綠色建筑中的關鍵問題更無深入了解，因此這類學生的培養重點為彌補建筑基本知識，熟悉綠色建筑相關內容，了解建筑本體、物理環境舒適度、建筑能耗間的相互關系，培養過程中安排體形系數控制、圍護結構分析、遮陽構件計算等簡單節能設計，在此過程中使學生熟悉設計的流程和主要方法，并了解設計中遇到的主要問題。

由于所有學生在本科階段均未接受過專業綠色建筑軟件的培訓，因此在建筑技術科學專業的研究生理論課程上，由任課教師向學生簡要介紹與該課程相關的數字化平臺。如在綠色照明課程中，教師向學生介紹RADIANCE、DAYSIM、DIALUX等光環境分析軟件的各自特點、使用范圍、基本流程等，使學生對各類型軟件有基本了解，以提高學習效率和積極性。

（二）跨學科模擬軟件應用技能培養

針對學生在模擬過程中存在的操作流程不清晰、邊界條件不明確、參數設置不合理等問題，結合建筑類和理工類學生各自特點，以小組為單位進行學習，每個小組均由兩類學生構成，這樣可充分發揮學生各自的優勢并彌補自身不足，以團隊合作方式共同解決所面臨的具體問題。

首先，以較為簡單的小型板式辦公建筑為研究對象，通過對方案制定、模型建立、材質選擇、氣象數據輸入等研究，優化模擬過程，使學生掌握該項技能，提高模擬效率及準確性。

其次，基于模擬產生的物理環境參數指標群和能耗參數指標群，對建筑物理環境及能耗模擬結果進行計算和分析。其主要分析照度、亮度、色溫等光學參數指標群，通過修改窗體面積、開窗形式、光源類型、燈具布局等設置，使建筑在獲得健康舒適光環境的同時，充分利用天然采光節約照明能耗；研究溫度、濕度、風速等熱工環境指標群，進而優化圍護結構形式、立面遮陽做法、建筑材料類型，使建筑達到高水平熱舒適度，同時節約采暖、制冷和通風能耗。最終形成“風環境參數模擬—優化措施”、“光環境參數模擬—優化措施”、“熱環境參數模擬—優化措施”3套模擬體系。

第三，通過設定評價指標確定風、光、熱、能耗權重影響因子，對提出的3套設計方法進行分析比選。根據建筑空間功能類型確定物理指標權重值，協調模擬結果所得到的理想建筑形式與現有相關標準之間的關系，實現在滿足規范的基礎上達到最佳建筑環境和節能效果；以節能貢獻率、人體舒適度、整體經濟性等指標作為比選衡量標準，對方案進行調整。最終實現與建筑實踐的對接，有效地將模擬技術轉換至建筑設計操作層面。

同時，以核心課程“建筑物理測試技術”為基礎進行擴容，教學中加入數字化模擬技術應用相關內容，基于天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，讓學生掌握檢測設備的操作技能及操作方法，使軟件模擬和現場測試有機結合，培養學生利用實測數據校正軟件參數和邊界設定值的能力。

（三）跨學科實踐能力培養

在完成跨學科基本素質和軟件應用技能的培養后，不同專業背景的學生已基本具備了應用計算機工具進行綠色建筑設計和科學研究的能力，因此需要根據不同培養方向制定側重點不同的實踐能力教學計劃，使他們以基本素質為基礎，以模擬技術為手段，以思維方式為核心，通過實際項目訓練提升跨學科實踐能力。

目前的研究生培養類型分為兩種：一種是專業型，即以專業實踐為導向，重視實踐和應用，培養在綠色建筑設計中的高層次人才，目標是為設計部門提供高級咨詢師和設計師；第二種是學術型，即以學術研究為導向，偏重理論和實驗，培養在綠色建筑領域的科研人員，目標是為科研院所提供科技骨干。

針對專業型研究生，側重工程實踐項目，使學生掌握項目策劃、方案構思、技術設計、圖紙繪制、性能評估等全流程體系，在滿足建筑使用功能的前提下，培養學生的方案創新能力、與甲方溝通能力、成本控制能力、團隊協調能力。在該過程結束后，使學生成為能夠帶領團隊完成實際項目的高水平設計師。針對學術型研究生，側重科學研究項目，使學生掌握從國內外文獻跟蹤、關鍵問題提取、技術路線制定、實驗模擬分析、研究成果凝練等科研全流程體系，著重培養學生解決科學問題的能力，基于知識儲備和邏輯思維制定科學可行研究技術方案的能力。通過實驗和模擬分析等手段解決問題的能力，使學生達到帶領研究小組并完成科研課題的水平。

三、案例及效果

通過上述培養方法，天津大學建筑技術科學專業取得了較為理想的教學效果。在國家自然科學基金重點項目“寒冷氣候區低能耗公共建筑空間設計理論與方法”中，高鐵客運站作為一種典型的大空間公共建筑，具有數量多、能耗高、節能潛力大等特點，是研究的重點類型，但由于高鐵站自身建筑復雜，也是研究的難點。因此，如何對該建筑類型進行節能設計和優化改造，這對學生的綜合能力提出了較高要求。學生通過結成科研小組和設計團隊，利用所學知識制定了可行的技術路線。

首先，學生對位處北方寒冷地區的京廣線和京滬線上車站進行了深度調研，基于建筑物理測試技術對建筑本體特征和室內環境舒適度指標進行了檢測，進而分析調研測試結果，總結普遍特征和共性問題，建立高鐵站的標準建筑數字化模型。

其次，基于該模型，學生分組對其進行計算機模擬。第1組應用AIRPARK、Sound PLAN、 DAYSIM和DIALUX分別模擬通風、噪聲、采光、照明等建筑物理環境舒適度指標，模擬的作用有2個，一是得到諸如近屋頂處風速等現場不能檢測的指標，二是將模擬結果與現場測試結果進行對比并分析異同，不同處研究誤差產生原因，進而對模擬方法進行校正，使模擬更加準確科學。第2組模擬建筑能耗指標，由于大部分高鐵站尚無能耗監測系統，同時能耗指標現場測試較為困難，因此能耗模擬的任務量較大，主要通過ENERGYPLUS模擬采暖、制冷、通風和照明能耗。

第三，研究模擬結果，分析現存問題應用所學知識對既有建筑進行空間和技術層面的節能改造，建立改造模型后再次模擬其舒適度和能耗指標，進而與首次模擬結果進行對比。由于建筑節能不能以犧牲舒適度為代價，因此首先對比改造后的環境指標是否比原來有所降低，若降低明顯甚至低于現行國家標準，則重新設計節能改造方案，直至滿足舒適度要求。當舒適度達標后對比能耗情況，得到新方案節能貢獻率。最后，將研究結果進行歸納總結，形成北方寒冷地區高鐵車站空間節能設計改造方法。

通過學生在該課題中的實踐表明，經過新型教學方式培養出的研究生在基本素質、應用技能、實踐能力3個方面提升明顯，能夠應用數字化模擬技術進行綠色建筑的研究和設計工作，并具備了解決較為復雜科學問題的能力。

四、結語

隨著綠色建筑的大規模推廣和數字化平臺的廣泛應用，對本專業研究生在這兩個方面的技能掌握提出了更高要求。因此，在目前建筑技術科學跨專業招生的大環境下，如何通過合理的教學方式使不同學科背景學生在2～3年的時間內能夠運用數字化模擬解決綠色建筑中的實際問題，是當前教學中面臨的重要問題。

天津大學通過對新型教學方法的實踐和探索，提出培養學生“一種思維，三種能力”的建議，即跨學科邏輯思維和洞察力、思辨力、執行力。跨學科邏輯思維能夠幫助學生打破原有學科背景的思維束縛，從待解決問題出發，運用線性思維的深入性和發散思維的開闊性，多維度、多角度思考問題解決途徑，并選擇最佳方法深入研究并最終解決問題。洞察力、思辨力和執行力是處理問題的3種必備能力，在跨學科思維的指導下，洞察是以多學科角度審視并提出問題，思辨是以多學科知識體系究其根源，執行是以多學科方法解決問題。同時將跨學科思想體現在實踐過程的各個環節：在啟動時，以跨學科的角度去審視和發現問題；在展開時，以解決問題為核心目標，有機融合專項研究和跨學科綜合研究；在結題時，協調考慮各項研究結果，以跨學科思維找到最優化解決方案。最后期望相關教學經驗能夠為其他院校提供一定的參考。

參考文獻：

[1]吳碩賢.重視發展現代建筑技術科學[J].建筑學報，2009（3）：1-3.

[2]中國建筑學會建筑物理分會.第十屆全國建筑物理學術會議論文集[C].廣州： 華南理工大學出版社，2008.