跨學科背景下綠色建筑模擬技術(shù)教學方法研究

黨睿

摘要：在綠色建筑快速發(fā)展和建筑技術(shù)科學專業(yè)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(shù)多樣性等原因，傳統(tǒng)教學方法很難使研究生在培養(yǎng)計劃內(nèi)掌握綠色建筑數(shù)字化模擬技術(shù)。天津大學建筑技術(shù)科學研究所基于教學實踐，通過制定跨學科基本素質(zhì)、跨學科模擬技能、跨學科實踐能力3個階段培養(yǎng)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(guān)鍵詞：跨學科；綠色建筑；模擬技術(shù)；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(gòu)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(shù)科學，它在綠色建筑中起著至關(guān)重要的作用，是提高室內(nèi)物理環(huán)境品質(zhì)和實現(xiàn)建筑節(jié)能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[1]，也擔負著為綠色建筑培養(yǎng)專業(yè)人才的責任。特別是近年來數(shù)字化模擬技術(shù)在建筑技術(shù)科學領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對綠色建筑的設(shè)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(yè)教學工作中的重點內(nèi)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(shù)連年增加。但目前中國除重慶大學等少數(shù)高校外，大部分學校尚未開設(shè)建筑技術(shù)科學專業(yè)的本科教育。因此，跨學科招生是本專業(yè)研究生教育模式的一大特色。由于學生專業(yè)背景較為復雜，他們的知識體系、思維方式、專業(yè)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(yǎng)，使他們在研究生學習階段具備較為完善的知識結(jié)構(gòu)體系，能夠熟練運用數(shù)字化平臺進行綠色建筑的模擬、優(yōu)化、評估全流程設(shè)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(yè)教學工作的重點和難點。

一、現(xiàn)存問題

（一）學生專業(yè)背景差異大

在跨學科招生背景下，雖然目前建筑技術(shù)科學研究生專業(yè)背景較為復雜，但總體上可分為建筑設(shè)計等建筑學專業(yè)和結(jié)構(gòu)工程等理工科非建筑學專業(yè)。前者建筑基礎(chǔ)好，思維活躍，想象力豐富，繪圖表現(xiàn)能力強，處理問題多采用定性分析和經(jīng)驗參照，但這類學生缺乏數(shù)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(shù)理基礎(chǔ)，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(xiàn)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(qū)別。

而建筑技術(shù)科學是研究如何通過建筑與規(guī)劃手段來改善建筑物的風、光、熱、聲等物理環(huán)境，并在保證舒適度的基礎(chǔ)上節(jié)約建筑能耗。自身專業(yè)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(chuàng)造能力，也需要推理計算等理性分析能力。因此，如何根據(jù)學生不同的專業(yè)背景進行教學是待解決的首個問題。

（二）學生對數(shù)字化模擬技術(shù)掌握程度不一

數(shù)字化模擬技術(shù)對綠色建筑設(shè)計起到了革命性的改變，在科研和工程領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。綠色建筑性能主要包括室內(nèi)環(huán)境舒適度和節(jié)約建筑能耗2個層面，因此相應(yīng)的模擬軟件也可歸為兩大類：第一類是物理環(huán)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(huán)境分析軟件，用于廳堂音質(zhì)和噪聲的ODEON、CHAOS、Sound PLAN等聲環(huán)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(fā)現(xiàn)學生在進行數(shù)字化模擬技術(shù)應(yīng)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(guī)范、邊界條件設(shè)置不明確、參數(shù)設(shè)定不合理，這使得同一軟件在不同使用者手中其最終結(jié)果差別很大。

第二，建筑類學生對于前期的建筑性質(zhì)分析和模型建立過程較為順利，但后期的邊界條件設(shè)定、參數(shù)分析、數(shù)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(guān)鍵是如何保證真實性和準確性，而這必須與現(xiàn)場檢測技術(shù)相結(jié)合，通過實測數(shù)據(jù)校正軟件參數(shù)設(shè)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(jié)果難以衡量綜合權(quán)重，常常造成設(shè)計方案的取舍困難，同時缺乏“模擬結(jié)果—優(yōu)化措施”的聯(lián)動經(jīng)驗，學生很難將專業(yè)的模擬結(jié)果直接轉(zhuǎn)化為設(shè)計層面的優(yōu)化措施。

（三）教學方法過于傳統(tǒng)，不利于學生學習現(xiàn)代技術(shù)

首先，在課堂教學中，仍采用傳統(tǒng)的技能型、記憶型、被動式教學方法，這對于建筑技術(shù)科學這一以多學科知識綜合運用和對最新建筑技術(shù)把握為特點的專業(yè)來講，不利于學生綜合分析、協(xié)調(diào)處理、知識更新等能力的培養(yǎng)，尤其不利于引導學生打破現(xiàn)有思維范式，以提高科技創(chuàng)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(shè)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(shù)路線制定、關(guān)鍵問題分析等重要環(huán)節(jié)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(shù)問題，即仍停留在應(yīng)用層面，創(chuàng)新性明顯不足。而研究生的培養(yǎng)目標是高級專業(yè)人才，創(chuàng)新能力是其應(yīng)具備的素質(zhì)，如何實現(xiàn)由應(yīng)用型人才向創(chuàng)新型人才跨越，如何將創(chuàng)新性成果應(yīng)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(yǎng)改革方案及措施：第一階段是跨學科基本素質(zhì)培養(yǎng)，目的是使不同專業(yè)背景的學生完成跨學科基礎(chǔ)知識和數(shù)字化模擬技術(shù)儲備，形成跨學科思維模式；第二階段是跨學科模擬軟件應(yīng)用技能培養(yǎng)，目的是使學生掌握計算機輔助分析設(shè)計的基本技能；第三階段是跨學科實踐能力培養(yǎng)，目的是提高學生以創(chuàng)新性思維解決實際問題的能力。

（一）跨學科基本素質(zhì)培養(yǎng)

跨學科基本素質(zhì)培養(yǎng)是對學生進行分階段、分專業(yè)的單項知識和技能培訓，使各專業(yè)背景的學生加強綠色建筑的基礎(chǔ)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(yǎng)過程中布置如舒適度參數(shù)計算、建筑能耗評價、實驗過程設(shè)計等作業(yè)。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(guān)鍵問題更無深入了解，因此這類學生的培養(yǎng)重點為彌補建筑基本知識，熟悉綠色建筑相關(guān)內(nèi)容，了解建筑本體、物理環(huán)境舒適度、建筑能耗間的相互關(guān)系，培養(yǎng)過程中安排體形系數(shù)控制、圍護結(jié)構(gòu)分析、遮陽構(gòu)件計算等簡單節(jié)能設(shè)計，在此過程中使學生熟悉設(shè)計的流程和主要方法，并了解設(shè)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(yè)綠色建筑軟件的培訓，因此在建筑技術(shù)科學專業(yè)的研究生理論課程上，由任課教師向?qū)W生簡要介紹與該課程相關(guān)的數(shù)字化平臺。如在綠色照明課程中，教師向?qū)W生介紹RADIANCE、DAYSIM、DIALUX等光環(huán)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(yīng)用技能培養(yǎng)

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(shù)設(shè)置不合理等問題，結(jié)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(gòu)成，這樣可充分發(fā)揮學生各自的優(yōu)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(zhì)選擇、氣象數(shù)據(jù)輸入等研究，優(yōu)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(chǎn)生的物理環(huán)境參數(shù)指標群和能耗參數(shù)指標群，對建筑物理環(huán)境及能耗模擬結(jié)果進行計算和分析。其主要分析照度、亮度、色溫等光學參數(shù)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(shè)置，使建筑在獲得健康舒適光環(huán)境的同時，充分利用天然采光節(jié)約照明能耗；研究溫度、濕度、風速等熱工環(huán)境指標群，進而優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)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(jié)約采暖、制冷和通風能耗。最終形成“風環(huán)境參數(shù)模擬—優(yōu)化措施”、“光環(huán)境參數(shù)模擬—優(yōu)化措施”、“熱環(huán)境參數(shù)模擬—優(yōu)化措施”3套模擬體系。

第三，通過設(shè)定評價指標確定風、光、熱、能耗權(quán)重影響因子，對提出的3套設(shè)計方法進行分析比選。根據(jù)建筑空間功能類型確定物理指標權(quán)重值，協(xié)調(diào)模擬結(jié)果所得到的理想建筑形式與現(xiàn)有相關(guān)標準之間的關(guān)系，實現(xiàn)在滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上達到最佳建筑環(huán)境和節(jié)能效果；以節(jié)能貢獻率、人體舒適度、整體經(jīng)濟性等指標作為比選衡量標準，對方案進行調(diào)整。最終實現(xiàn)與建筑實踐的對接，有效地將模擬技術(shù)轉(zhuǎn)換至建筑設(shè)計操作層面。

同時，以核心課程“建筑物理測試技術(shù)”為基礎(chǔ)進行擴容，教學中加入數(shù)字化模擬技術(shù)應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容，基于天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，讓學生掌握檢測設(shè)備的操作技能及操作方法，使軟件模擬和現(xiàn)場測試有機結(jié)合，培養(yǎng)學生利用實測數(shù)據(jù)校正軟件參數(shù)和邊界設(shè)定值的能力。

（三）跨學科實踐能力培養(yǎng)

在完成跨學科基本素質(zhì)和軟件應(yīng)用技能的培養(yǎng)后，不同專業(yè)背景的學生已基本具備了應(yīng)用計算機工具進行綠色建筑設(shè)計和科學研究的能力，因此需要根據(jù)不同培養(yǎng)方向制定側(cè)重點不同的實踐能力教學計劃，使他們以基本素質(zhì)為基礎(chǔ)，以模擬技術(shù)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(yǎng)類型分為兩種：一種是專業(yè)型，即以專業(yè)實踐為導向，重視實踐和應(yīng)用，培養(yǎng)在綠色建筑設(shè)計中的高層次人才，目標是為設(shè)計部門提供高級咨詢師和設(shè)計師；第二種是學術(shù)型，即以學術(shù)研究為導向，偏重理論和實驗，培養(yǎng)在綠色建筑領(lǐng)域的科研人員，目標是為科研院所提供科技骨干。

針對專業(yè)型研究生，側(cè)重工程實踐項目，使學生掌握項目策劃、方案構(gòu)思、技術(shù)設(shè)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(yǎng)學生的方案創(chuàng)新能力、與甲方溝通能力、成本控制能力、團隊協(xié)調(diào)能力。在該過程結(jié)束后，使學生成為能夠帶領(lǐng)團隊完成實際項目的高水平設(shè)計師。針對學術(shù)型研究生，側(cè)重科學研究項目，使學生掌握從國內(nèi)外文獻跟蹤、關(guān)鍵問題提取、技術(shù)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(yǎng)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(shù)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(lǐng)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(yǎng)方法，天津大學建筑技術(shù)科學專業(yè)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(qū)低能耗公共建筑空間設(shè)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(shù)量多、能耗高、節(jié)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(jié)能設(shè)計和優(yōu)化改造，這對學生的綜合能力提出了較高要求。學生通過結(jié)成科研小組和設(shè)計團隊，利用所學知識制定了可行的技術(shù)路線。

首先，學生對位處北方寒冷地區(qū)的京廣線和京滬線上車站進行了深度調(diào)研，基于建筑物理測試技術(shù)對建筑本體特征和室內(nèi)環(huán)境舒適度指標進行了檢測，進而分析調(diào)研測試結(jié)果，總結(jié)普遍特征和共性問題，建立高鐵站的標準建筑數(shù)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(yīng)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(huán)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(xiàn)場不能檢測的指標，二是將模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比并分析異同，不同處研究誤差產(chǎn)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(jiān)測系統(tǒng)，同時能耗指標現(xiàn)場測試較為困難，因此能耗模擬的任務(wù)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(jié)果，分析現(xiàn)存問題應(yīng)用所學知識對既有建筑進行空間和技術(shù)層面的節(jié)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(jié)果進行對比。由于建筑節(jié)能不能以犧牲舒適度為代價，因此首先對比改造后的環(huán)境指標是否比原來有所降低，若降低明顯甚至低于現(xiàn)行國家標準，則重新設(shè)計節(jié)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(jié)能貢獻率。最后，將研究結(jié)果進行歸納總結(jié)，形成北方寒冷地區(qū)高鐵車站空間節(jié)能設(shè)計改造方法。

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

四、結(jié)語

隨著綠色建筑的大規(guī)模推廣和數(shù)字化平臺的廣泛應(yīng)用，對本專業(yè)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(shù)科學跨專業(yè)招生的大環(huán)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(nèi)能夠運用數(shù)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(yǎng)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(zhí)行力?？鐚W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(fā)，運用線性思維的深入性和發(fā)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(zhí)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(zhí)行是以多學科方法解決問題。同時將跨學科思想體現(xiàn)在實踐過程的各個環(huán)節(jié)：在啟動時，以跨學科的角度去審視和發(fā)現(xiàn)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(jié)題時，協(xié)調(diào)考慮各項研究結(jié)果，以跨學科思維找到最優(yōu)化解決方案。最后期望相關(guān)教學經(jīng)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(fā)展現(xiàn)代建筑技術(shù)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(shù)會議論文集[C].廣州： 華南理工大學出版社，2008.