建筑自然采光教學改革的探索與實踐

覃圣杰, 歐陽金龍, 莫文生, 王春苑

(四川大學 建筑與環境學院, 四川 成都 610065)

良好的建筑自然采光設計,不僅可以節省照明用電,還可以營造一個動態舒適的室內光環境,形成比人工照明系統更好的視覺工作環境,有益于身心健康[1]。首先,分析了傳統“理論+實驗”教學模式的弊端；然后,順應建筑學學生的學習特點,提出了“理論+實驗+模擬”教學模式[2]。同時,為了配合這種教學模式,拓展了建筑自然采光模型的類型以實現多樣化的實驗教學需求。最后,通過教學改革實踐,檢驗了這種新教學模式的有效性。

1 傳統“理論+實驗”教學模式的弊端

傳統上,由教師帶領學生完成建筑自然采光的理論與實驗學習過程,以“教師講授,學生接受”為主。隨著我國建筑行業的迅猛發展和社會分工的日益精細,整個行業對建筑師的藝術修養要求越來越高。相應地,在建筑師的職業培養過程中,越來越傾向于強化藝術而弱化技術。經過兩三年的大量藝術素質培養,建筑學學生更善于利用圖紙、圖像而非公式、數字來表達自己的設計方案與思想。

傳統的實驗教學大多數為驗證性實驗,結果單一、千篇一律,往往只是讓學生按部就班地學會使用照度計、亮度計等進行簡單的測試,難以總結出各種因素影響建筑采光的規律,更別說提高學生的設計能力。為了改善實驗教學效果,很多高校紛紛推出了“建筑采光實測”之類的實驗項目[3-8]。然而,由于這種模式的天然弊端,即沒有順應學生的學習特點,難以激發學生的學習興趣,調動學生的主動性、積極性和創造性。

2 “理論+實驗+模擬”教學模式的介紹

在總結分析了大量建筑光學教改經驗后,提出了“理論+實驗+模擬”的教學模式,引入“計算機輔助模擬”,拓展實驗平臺的功能,實現理論設計、模擬分析與實驗驗證的交互融合。

2.1 模擬軟件的選取

隨著計算機科學的發展,仿真模擬技術更加廣泛地應用于指導建筑光環境設計與分析[9-11],相關軟件如Ecotect、Radiance、EnergyPlus等。因而,在一些教改實踐中,鼓勵學生在建筑設計作業創作中,利用模擬量化分析建筑設計方案中的聲、光、熱環境的實際效果[6]；鼓勵建筑光學實驗與數字技術相融合,教學手段不僅形象生動,而且簡化了計算過程,結果更加準確直觀。通過模擬軟件的學習和使用,學生也學會了更實用、更快捷的設計方法,動手能力、綜合能力得到鍛煉和提高[3, 11-13]。Ecotect常被選為建筑學本科教學和“綠色建筑設計”之類競賽中采用的綠色建筑分析軟件,其原因有3點:

(1) 權威性、全面性。Ecotect是一款全面的建筑環境分析輔助設計軟件,采用權威的核心算法,不僅可以模擬建筑光環境,也可模擬建筑熱環境(室溫、日照、遮陽等)、聲環境。

(2) 界面友好、兼容性好。與Radiance、POV Ray、EnergyPlus、HTB2等環境分析軟件均有導入導出接口,而且與建筑師常用的輔助設計軟件Sketch Up、3DMAX、AutoCAD有很好的兼容性。能夠提升設計師的方案設計理念,尤其和Sketch Up的配合使用,可以充分體現設計師作品向生態建筑方向的延伸[14]。

(3) 簡單易學?？蓪碗s的自然采光計算公式轉換為簡單的數字運用,且可輸出可視化的數字分析結果圖,結果直觀明了,非常適合建筑學學生學習使用。

另外,還由于Ecotect中建筑模型的最小精度可以設置到1mm,保證了普通空間的建筑實物可以等比例縮小10倍以上后,還可在Ecotect中建模且模擬計算出模型內采光系數等,實現與實驗模型的同步縮小,方便實驗驗證。因此,選取Ecotect作為新教學模式的模擬分析軟件。

2.2 實驗平臺的拓展

通常綜合性、設計性實驗比驗證性實驗更能激發學生的學習興趣,更能培養學生各方面的能力。雖然“建筑采光實測”之類的實驗,方便學生利用肉眼去直觀感受采光環境,并與定量的光學計量聯系起來,但只能限定在一些房間內進行,且無法驗證分析各因素對采光環境的影響規律,更難以達到綜合性、設計性實驗的高度。

“人工天穹+建筑模型”是傳統的建筑自然采光實驗平臺(見圖1),可以實驗驗證在全陰天模式下不同類型采光口、不同室內反光率等因素對建筑模型室內采光系數的影響規律。在一些建筑采光實驗教改實踐中,將原有“人工天穹+建筑模型”改造為設計性實驗,學生可以根據自己的設計自制模型,測試開口形狀、位置、大小以及室內反光對采光系數的影響[2,14]。盡管嚴格意義上這只是改良版的驗證性實驗,且自制模型耗時長。不過,這些實踐卻提示可以通過拓展建筑自然采光模型,為學生搭建綜合性、設計性的實驗實踐平臺。因而,通過精心設計和制作,拓展后的建筑自然采光模型,不僅可以用來完成驗證性實驗,還可以作為學生的設計實踐平臺。

圖1 建筑自然采光實驗平臺“人工天穹建筑模型”的示意圖

可根據不同要求,按1∶10比例,利用標準螺絲將標準桿件和各種面板組裝不同空間的建筑模型,具有標準化、模塊化、可調整、易拆裝等特點?？蚣軛U件預制有5種尺寸,分別是300 mm、450 mm、580 mm、680 mm、880 mm、1 080 mm,也可進行自定義切割。桿件四面都帶有溝槽,方便面板的拆裝和固定。面板組成模型的圍護結構,部分面板上開口,開口部位或裝輕質有機玻璃片,或制成各種特殊形式的開口,面板兩側可以粘貼不同反光率的面層,因此通過更換面板即可改變采光口類型、面積、數量、位置、內壁面反光率等。如圖2所示,建筑自然采光模型的制作變得更加快捷方便,種類多樣,可實現不同實驗教學要求。

圖2 拓展后建筑自然采光模型的組成與拆裝示意圖

利用這些模型,配以多通道照度測試儀,在人工天穹或室外環境下,學生可以快速驗證開窗面積、開窗形式、開窗數量、開窗位置、透光材料、內壁面反光率、室內空間等因素對天窗、側窗的采光性能的影響規律。另外,也可通過調整照度計傳感器支架的高度,改變工作面高度。學生還可以在理論知識和模擬分析的指導下,利用實驗平臺驗證自己設計的準確性。

2.3 教學思路

在新的教學模式中,建筑自然采光的教學可以分為4個步驟:

首先,由教師簡明扼要地講授建筑光學、自然采光等基本知識,引導學生認識建筑自然采光的作用、影響因素及其對建筑采光環境的影響規律；

其次,要求學生自學Ecotect軟件,通過模擬分析各因素對給定尺寸的建筑模型自然采光效果,總結影響規律,驗證課本中的理論知識；

然后,引導學生認識、掌握建筑自然采光模型實驗平臺和多通道照度測試儀的作用及使用方法后,要求各組學生編制驗證實驗計劃,并分組利用拓展后的實驗平臺,在人工天穹或者室外環境下,通過實驗驗證模擬結果,實現理論、實驗與模擬的相互驗證；

最后,由教師給定建筑采光要求(如規定尺寸建筑模型的采光系數、均勻度等),要求學生在理論知識的基礎上,自主設計、組裝建筑模型(包括采光口類型、面積、位置、室內飾面反光率等),并模擬分析,最后實驗驗證,如果不符合要求需要重新設計驗證。

3 教學改革實踐

3.1 模擬、實驗與理論的相互驗證

需要模擬分析及實驗驗證的理論知識內容很多,因此僅借用學生的部分成果來展示模擬、實驗與理論的相互驗證情況,主要是通過模擬、實驗驗證平天窗面積和側窗窗臺高度對室內采光的影響規律。

模擬和實驗采用同樣的建筑模型,內表面都采用白色,反光率約0.88,洞口處不設透光材料。3種不同規格及位置的平天窗見圖3,3種不同窗臺高度的側窗見圖4。限于篇幅,且為了比較方便,圖3與圖4同時分別表述了相應的模擬分析與實驗測試結果。從圖3和圖4可看出:模擬分析與實驗測試結果基本上一致,且表現出的規律也與理論知識相符。

3.2 建筑自然采光設計

以上驗證實驗可提高學生的實驗動手能力及模擬分析能力。之后進一步開展設計性實驗,以提高學生的設計能力。假定設計任務為:一間位于頂層的9.0 m(進深)×6.0 m(寬)×4.5 m(高)的房間,兩側與其他房間相鄰,室內工作面高750 mm。由于進深大,除了側窗,也要考慮安裝天窗,提高室內采光均勻度。因此,在不考慮透光材料及其他遮擋的情況下,要求室內自然采光系數達到10%,均勻度0.7以上。

圖3 平天窗面積及分布對室內采光的影響的模擬分析及實驗測試結果

圖4 側窗窗臺高度對室內采光的影響的模擬分析及實驗測試結果

圖5為學生在理論知識的指導下,設計了多種方案,并利用Ecotect不斷模擬分析、比較和優化，再選擇幾種典型方案,按照1∶10比例制作建筑模型,通過實驗測試驗證。若實驗與模擬結果相近,則任務完成，否則需要反思、糾錯,重新設計、模擬優化、實驗驗證。由圖5中3種方案的比較可以看出,該房間的自然采光方案應采用第3種才能達到要求。

圖5 學生設計方案

4 討論分析

通過一兩屆學生的教學改革實踐,新教學模式和實驗平臺也在不斷完善,比如教學時間的調整、模型邊縫的處理等。總體上,雖然教學過程更加復雜,學生需要利用更多的課余時間,但學生大都表現出濃厚的興趣和積極的學習態度,取得了非常好的教學效果。

新模式以縮尺模型為設計實踐平臺,3種方式交互融合(如圖6所示),理論上比傳統模式更能有效提高學生的采光設計能力。雖然不是真實的工程實踐,但有了這段學習經歷,必將提高學生運用建筑自然采光理論知識和模擬軟件的能力,在未來自然采光設計工作中,增強學生對自己設計方案的信心。

圖6 傳統與新的教學模式的對比

相對于傳統模式,新模式弱化了“以教師講授,學生接受”的理論教學,強化了“以學生為主體,教師為主導”的實驗與模擬教學。前述教學步驟中，除了第1步,其余3步都要求學生整理模擬、實驗、設計等結果,制作成課件,實施反轉教學。在整個教學過程中,教師主要起引導、指導作用,當然這并不意味著教學任務的減輕,反而對教師的要求更高,需要隨時解答學生在自學、自主模擬、自主實驗、自主設計過程中的各種“創意”問題,以免學生走“彎路”,耽擱有限的教學時間。

5 結語

綜合大量建筑光學教改實踐經驗后提出了一種新的教學模式,并應用到建筑學本科的建筑自然采光教學中。與傳統模式相比,新模式引入了模擬分析,提高了學生利用模擬軟件的輔助設計能力,擺脫了晦澀、復雜的理論分析與計算,拓展了建筑采光模型類型,打造了更好的理論聯系實際的設計實踐平臺,避免了單一枯燥的程序式實驗。