建筑環境性能模擬技術在建筑熱工與光環境課程教學中的應用

摘 要：建筑熱工與光環境是建筑技術設計中的重要內容，能夠讀懂建筑熱工和光環境的性能模擬結果并依此調整設計方案已經成為建筑師的一項基本技能。但建筑熱工與光環境的傳統教學中主要進行理論概念和設計經驗的教學，較少涉及如何在建筑設計中應用建筑環境性能模擬技術。因此，本文以培養學生將建筑熱工與光環境知識應用于建筑設計的實踐能力為導向，在課程教學中引入建筑環境性能模擬技術，培養學生在建筑光、熱環境營造中應用模擬技術進行建筑優化設計的能力。

關鍵詞：建筑技術;建筑物理;參數化;綠色建筑;教學改革

一、概述

建筑環境性能模擬技術是綠色建筑設計過程中普遍應用的工具，隨著我國綠色建筑數量的增長，必然要求建筑師具有將性能模擬技術整合到建筑設計實踐中的能力。因此，正確解讀建筑環境性能模擬結果并根據模擬結果優化建筑設計，也將是建筑學專業學生應當掌握的能力之一。但在建筑系的本科教學中，專門開設建筑環境性能模擬課程的院校較少，而建筑物理課程是與建筑環境性能模擬最相關的課程，因此可以在建筑物理課程的教學中融入部分建筑性能模擬的內容，以彌補建筑環境性能模擬課程的缺失。建筑物理包括建筑熱工學、建筑光學和建筑聲學三個部分的內容，重點內容是圍繞建筑光、聲、熱環境營造的理論和技術。

作為綠色建筑課程體系的核心課程，建筑物理是建筑學本科教學中的重要內容[1-6]。其中，建筑熱環境和光環境的營造是建筑設計中既矛盾又統一的兩個設計目標，兩者相互影響又相互制約，為培養學生光、熱環境營造的系統理念，廈門大學將建筑物理中建筑熱工和建筑光學的內容整合為一門建筑熱工與光環境課程。在傳統課程教學內容中，建筑熱工與光環境往往過于注重理論知識的講授，與建筑設計之間的結合不緊密，抽象枯燥的理論教學導致學生將相關知識運用于建筑空間造型設計的能力不足。特別是在建筑節能、綠色建筑、被動式建筑、性能化建筑設計和參數化設計等設計理念盛行的背景下，如果學生對建筑熱工與光環境的基本原理模糊不清，對使用計算軟件進行建筑光、熱性能模擬的結果也一知半解，也難以將相關理念方法用于優化建筑設計。因此，建筑熱工與光環境課程的教學實效顯得尤為重要。

國內許多院校已分別針對建筑熱工學[7-9]和建筑光環境[10-12]課程的教學體系和教學方法等不同方面進行了不同程度的探索和實踐，取得了很好的效果，為筆者的教學實踐提供了很好的參考。在此基礎上，筆者在建筑熱工與光環境的教學中引入了建筑環境性能模擬工具，基于教學認識論中“用以致學”的理念[13]，以建筑環境性能模擬技術的“用”為先，在“用”中學習建筑熱工與光環境的相關理論知識，以確保學生所獲得的學習成果可直接用于建筑設計實踐。

相比于傳統理論概念講授為主的教學內容，建筑熱工與光環境的教學中引入建筑環境性能模擬技術的方式，克服傳統知識型教學僵化、乏味、與設計相脫節的弊端，整合理論知識和設計技能，使學生通過實踐過程掌握建筑熱工與光環境相關知識。性能模擬技術的引入有利于學生在理解掌握建筑熱工與光環境基本知識點的基礎上，在多樣化的建筑設計實踐中運用相關知識，這不僅有助于學生理解所學知識的本質和價值、掌握相關知識，同時還有利于培養學生解決問題、批判反思、創新創造等素質能力。

要確保學生經過課程教學能夠將掌握的建筑熱工與光環境知識點運用于基于性能模擬結果的建筑優化設計中，課程的教學內容和教學形式也需要進行適當調整。因此，本文將圍繞建筑環境性能模擬技術應用于建筑熱工與光環境課程的教學實踐過程，從課程教學內容和教學方式兩個方面進行闡述。

二、課程教學內容

建筑熱工與光環境課程的教學內容中引入了基于環境性能模擬技術的建筑能耗和光環境模擬內容，以國外主流的建筑氣象數據分析軟件之——Ladybug&Honeybee為平臺，講授建筑環境性能模擬和分析方法。課程以廈門大學參加兩屆中國國際太陽能十項全能競賽（SD）的獲獎作品“Sunny Inside”（圖1）和“Nature Between”（圖2）為例，課程任務要求學生任選一棟建筑，以降低建筑能耗和提高室內光環境為目標，基于建筑環境性能模擬技術對所選取建筑進行改造，并分析比較不同的改造設計策略。之后課堂中分別對兩棟建筑的建筑能耗計算模型和建筑采光計算模型進行教學講解，教學內容以建筑師在不同設計階段對建筑光、熱環境控制的設計策略為主線，將分散在建筑熱工學和建筑光學中的知識點進行整合，分別講授建筑布局、建筑單體、圍護結構設計中的建筑光、熱環境調控設計策略。最后的實驗教學中，這兩棟實際建成的示范建筑成為建筑光、熱環境的舒適度感受體驗和物理參數測試平臺，學生可以通過實際操作加深對知識的理解，同時還可供學生進行實驗測試數據與實際感受的對比，并通過實際觀察發現問題，對問題進行分析判斷和推理，強化學生的邏輯思維能力。

具體教學內容與課程安排如下：

（1）緒論。介紹建筑活動對環境的影響和可持續發展的價值觀體系，講述綠色建筑、低能耗建筑、被動房等概念，了解建筑環境性能模擬技術在提高建筑光環境和降低建筑能耗中的應用途徑。讓學生認識到建筑節能和綠色建筑的設計出發點和發展目標，教育學生在設計實踐中貫徹和踐行綠色發展理念。

（2）SD競賽參賽歷程及案例介紹。介紹廈門大學團隊參加兩屆SD競賽的歷程，布置任選一棟建筑以降低建筑能耗和提高室內光環境為目標進行改造設計的課程任務。同時基于“Nature Between零能耗建筑VR仿真”“Sunny Inside建筑節能設計虛擬仿真”“建筑群體風環境虛擬仿真”“室內光環境分析虛擬仿真”等虛擬仿真實驗項目（表1），開展內容（3）至（9）的教學。

（3）建筑室外環境與我國建筑熱工設計分區。介紹我國的氣候特征、建筑熱工分區和光氣候分區，講解使用Ladybug&Honeybee為工具分析不同城市室外氣象條件的方法。通過分析我國不同地區的氣候特點，使學生了解我國的地形特點、區域特征、熱工區劃和光氣候分區的影響因素。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1

（4）建筑傳熱過程與能量平衡方程。分析不同氣候條件下的建筑傳熱過程并建立相應的能量平衡方程，使學生掌握不同建筑熱工設計分區下對建筑設計的基本要求，了解不同設計參數對建筑傳熱過程的影響。同時演示“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建筑的建筑能耗模型在Ladybug&Honeybee中的建立過程和邊界條件設置方法，將計算模型發送給學生，學生可通過參數的調整查看模擬結果，使學生理解不同參數的設置值對建筑能耗計算模擬結果的影響。

（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算方法。同時講授適應氣候條件的建筑布局設計方法，除了日照分析之外，還另外介紹了不同氣候區的冬季防風保溫或夏季通風防熱的建筑布局方式。

（6）建筑單體優化。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，學生拿到計算模型后，可自行計算并討論建筑形體對建筑能耗和光環境的影響，同時重點介紹天然采光的基本知識以及不同采光性能指標的概念。通過計算體形系數對建筑能耗的影響，使學生掌握寒冷或大風地區對建筑體型和形態的要求，同時在此基礎上介紹濕熱地區底層架空、屋面遮陽、室外檐廊等防熱策略。通過采光模擬計算，比較建筑窗洞口布置和房間進深對采光效果的影響，使學生掌握窗臺高度與空間自然采光有效進深的關系，同時介紹自然通風效果對房間單元進深的要求。

（7）非透明圍護結構和半透明圍護結構的優化設計。非透明圍護結構部分介紹保溫、隔熱的基礎知識和構造措施，通過能耗模擬軟件計算非透明圍護結構的傳熱系數和比熱容等參數變化對能耗的影響關系。半透明圍護結構部分介紹門窗保溫、氣密性、分光譜輻射調控的基礎知識和構造措施，通過能耗模擬軟件計算半透明圍護結構傳熱系數和光學參數對建筑能耗的影響。最后介紹窗戶遮陽基本方式，并通過能耗模擬計算遮陽對室內光熱環境的影響。

（8）建筑物理實驗。結合SD太陽能十項全能競賽作品“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟已建成的建筑實物開展實驗教學，使學生掌握建筑光、熱物理環境實驗測試的基本方法，同時比較實驗測試結果與基于Ladybug & Honeybee的模擬計算結果進行初步比較，分析誤差原因。

（9）學生設計成果匯報。學生在廈門大學參加兩屆中國國際太陽能十項全能競賽（SD）的獲獎作品“Sunny Inside”和“Nature Between”中任選一棟建筑，基于建筑環境性能模擬平臺Ladybug&Honeybee建立的建筑能耗和建筑采光模擬計算模型（由教師建立并發送給學生），以降低建筑能耗和提高室內光環境為目標，對所選取建筑提出改造策略，分析優化結果并進行匯報。

三、課程教學方式

長期以來，建筑熱工學和建筑光學的教學中往往以基礎理論的傳授為主，基礎理論中抽象復雜的理論概念與設計實踐相脫節的授課方式導致學生因學無所用而學習興趣較低，教學效果不夠理想。設計課是傳統的建筑學教育中的核心課程，但其核心教學內容中很少涉及建筑光、熱環境、建筑能耗等建筑物理性能對建筑設計的影響。隨著綠色建筑設計中對建筑環境性能模擬工具應用的普及程度越來越高，在建筑熱工與光環境中引入建筑性能模擬工具應用的內容，既能解決傳統建筑物理教學中理論教學與設計實踐脫節的教學痛點，又能在建筑學教學體系中補充建筑環境性能模擬技術的相關內容。課程內容增加的同時教學課時卻沒有變化，因此教學方式上也需要做相應調整，縮短了理論知識講授的時間，課堂中增加問題討論、軟件操作、示范房參觀、建筑環境實測、課堂匯報等教學方式。

課程的教學圍繞“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建筑的建筑物理環境性能的分析與優化設計展開，首先將基于Ladybug&Honeybee建立的計算模型發送給學生，演示并指導學生如何使用建筑環境性能模擬工具進行建筑性能分析，在此過程中穿插相關的建筑熱工與光環境知識點。問題討論中主要圍繞不同的設計策略對建筑節能與光環境的影響展開，引導學生發現原先設計中存在的問題，學會從宏觀系統的角度理解建筑環境營造對建筑設計的要求及其復雜性，并嘗試對問題進行分析、找到解決問題的方法。通過問題討論的方式，可以更好地激發學生的學習熱情，提高學生作為學習主體的主觀能動性。

本課程同時還利用“Sunny Inside”和“Nature Between”兩棟建成建筑，并改造為可供教學使用的示范房，可提供參觀學習和物理環境實測的場地。通過示范房參觀、建筑環境實測等體驗式教學的方式，使學生掌握建筑光、熱環境實驗測試的基本方法，直觀體驗熱舒適、光舒適對建筑環境營造的重要性，了解改善建筑環境的基本方法。

課堂匯報與評圖是建筑學學生熟悉的教學形式，學生根據分組情況對所選取的示范房進行建筑光環境和能耗進行分析，并對其提出相應的改造策略，并分析優化設計結果。通過實踐，使學生掌握建筑環境性能模擬結果的物理意義，了解建筑設計策略對建筑環境性能的影響趨勢，能將建筑熱工與建筑光學的相關知識應用于設計實踐中。另一方面，通過建筑設計案例的實踐分析，還能培養學生團隊協作的能力。

結語

將建筑環境性能模擬技術引入建筑熱工與光環境的課程教學中，有助于建筑學學生了解建筑設計中涉及的各種建筑物理現象，強化對建筑設計如何影響室內環境、居住者舒適度和建筑能耗的理解，同時引入示范房的實測鞏固相關認知。基于此，本文從教學內容和教學方式兩個方面對建筑熱工與光環境的教學進行改革，重新梳理知識點，整合教學內容，結合SD國際太陽能十項全能競賽等案例的參觀、學習、仿真、實測與討論，加強建筑光、熱物理知識在建筑設計中的實踐應用，提高學生環境分析與應用設計能力，使學生能真正將相關知識應用到設計實踐中。ED419DAA-1C34-455F-8A91-D85E28ECEBE1

另一方面，教學中同時也發現建筑學學生普遍覺得建筑性能模擬軟件很難學，一個學期的課程學習時間很難同時掌握建筑熱工與光環境的理論知識和建筑性能模擬方法，因此兩者在教學時間的分配上應進行權衡，應注意教學中是應用建筑性能模擬技術進行建筑熱工與光環境的教學，而不是建筑性能模擬技術的教學。總體而言，將建筑性能模擬技術應用于建筑熱工與光環境的教學中，在激發學生學習建筑物理相關知識的興趣方面起到了很好的效果，同時也有利于相關理論知識的理解掌握。

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