建筑自然采光教学改革的探索与实践

覃圣杰, 欧阳金龙, 莫文生, 王春苑

(四川大学 建筑与环境学院, 四川 成都 610065)

良好的建筑自然采光设计,不仅可以节省照明用电,还可以营造一个动态舒适的室内光环境,形成比人工照明系统更好的视觉工作环境,有益于身心健康[1]。首先,分析了传统“理论+实验”教学模式的弊端；然后,顺应建筑学学生的学习特点,提出了“理论+实验+模拟”教学模式[2]。同时,为了配合这种教学模式,拓展了建筑自然采光模型的类型以实现多样化的实验教学需求。最后,通过教学改革实践,检验了这种新教学模式的有效性。

1 传统“理论+实验”教学模式的弊端

传统上,由教师带领学生完成建筑自然采光的理论与实验学习过程,以“教师讲授,学生接受”为主。随着我国建筑行业的迅猛发展和社会分工的日益精细,整个行业对建筑师的艺术修养要求越来越高。相应地,在建筑师的职业培养过程中,越来越倾向于强化艺术而弱化技术。经过两三年的大量艺术素质培养,建筑学学生更善于利用图纸、图像而非公式、数字来表达自己的设计方案与思想。

传统的实验教学大多数为验证性实验,结果单一、千篇一律,往往只是让学生按部就班地学会使用照度计、亮度计等进行简单的测试,难以总结出各种因素影响建筑采光的规律,更别说提高学生的设计能力。为了改善实验教学效果,很多高校纷纷推出了“建筑采光实测”之类的实验项目[3-8]。然而,由于这种模式的天然弊端,即没有顺应学生的学习特点,难以激发学生的学习兴趣,调动学生的主动性、积极性和创造性。

2 “理论+实验+模拟”教学模式的介绍

在总结分析了大量建筑光学教改经验后,提出了“理论+实验+模拟”的教学模式,引入“计算机辅助模拟”,拓展实验平台的功能,实现理论设计、模拟分析与实验验证的交互融合。

2.1 模拟软件的选取

随着计算机科学的发展,仿真模拟技术更加广泛地应用于指导建筑光环境设计与分析[9-11],相关软件如Ecotect、Radiance、EnergyPlus等。因而,在一些教改实践中,鼓励学生在建筑设计作业创作中,利用模拟量化分析建筑设计方案中的声、光、热环境的实际效果[6]；鼓励建筑光学实验与数字技术相融合,教学手段不仅形象生动,而且简化了计算过程,结果更加准确直观。通过模拟软件的学习和使用,学生也学会了更实用、更快捷的设计方法,动手能力、综合能力得到锻炼和提高[3, 11-13]。Ecotect常被选为建筑学本科教学和“绿色建筑设计”之类竞赛中采用的绿色建筑分析软件,其原因有3点:

(1) 权威性、全面性。Ecotect是一款全面的建筑环境分析辅助设计软件,采用权威的核心算法,不仅可以模拟建筑光环境,也可模拟建筑热环境(室温、日照、遮阳等)、声环境。

(2) 界面友好、兼容性好。与Radiance、POV Ray、EnergyPlus、HTB2等环境分析软件均有导入导出接口,而且与建筑师常用的辅助设计软件Sketch Up、3DMAX、AutoCAD有很好的兼容性。能够提升设计师的方案设计理念,尤其和Sketch Up的配合使用,可以充分体现设计师作品向生态建筑方向的延伸[14]。

(3) 简单易学。可将复杂的自然采光计算公式转换为简单的数字运用,且可输出可视化的数字分析结果图,结果直观明了,非常适合建筑学学生学习使用。

另外,还由于Ecotect中建筑模型的最小精度可以设置到1mm,保证了普通空间的建筑实物可以等比例缩小10倍以上后,还可在Ecotect中建模且模拟计算出模型内采光系数等,实现与实验模型的同步缩小,方便实验验证。因此,选取Ecotect作为新教学模式的模拟分析软件。

2.2 实验平台的拓展

通常综合性、设计性实验比验证性实验更能激发学生的学习兴趣,更能培养学生各方面的能力。虽然“建筑采光实测”之类的实验,方便学生利用肉眼去直观感受采光环境,并与定量的光学计量联系起来,但只能限定在一些房间内进行,且无法验证分析各因素对采光环境的影响规律,更难以达到综合性、设计性实验的高度。

“人工天穹+建筑模型”是传统的建筑自然采光实验平台(见图1),可以实验验证在全阴天模式下不同类型采光口、不同室内反光率等因素对建筑模型室内采光系数的影响规律。在一些建筑采光实验教改实践中,将原有“人工天穹+建筑模型”改造为设计性实验,学生可以根据自己的设计自制模型,测试开口形状、位置、大小以及室内反光对采光系数的影响[2,14]。尽管严格意义上这只是改良版的验证性实验,且自制模型耗时长。不过,这些实践却提示可以通过拓展建筑自然采光模型,为学生搭建综合性、设计性的实验实践平台。因而,通过精心设计和制作,拓展后的建筑自然采光模型,不仅可以用来完成验证性实验,还可以作为学生的设计实践平台。

图1 建筑自然采光实验平台“人工天穹建筑模型”的示意图

可根据不同要求,按1∶10比例,利用标准螺丝将标准杆件和各种面板组装不同空间的建筑模型,具有标准化、模块化、可调整、易拆装等特点。框架杆件预制有5种尺寸,分别是300 mm、450 mm、580 mm、680 mm、880 mm、1 080 mm,也可进行自定义切割。杆件四面都带有沟槽,方便面板的拆装和固定。面板组成模型的围护结构,部分面板上开口,开口部位或装轻质有机玻璃片,或制成各种特殊形式的开口,面板两侧可以粘贴不同反光率的面层,因此通过更换面板即可改变采光口类型、面积、数量、位置、内壁面反光率等。如图2所示,建筑自然采光模型的制作变得更加快捷方便,种类多样,可实现不同实验教学要求。

图2 拓展后建筑自然采光模型的组成与拆装示意图

利用这些模型,配以多通道照度测试仪,在人工天穹或室外环境下,学生可以快速验证开窗面积、开窗形式、开窗数量、开窗位置、透光材料、内壁面反光率、室内空间等因素对天窗、侧窗的采光性能的影响规律。另外,也可通过调整照度计传感器支架的高度,改变工作面高度。学生还可以在理论知识和模拟分析的指导下,利用实验平台验证自己设计的准确性。

2.3 教学思路

在新的教学模式中,建筑自然采光的教学可以分为4个步骤:

首先,由教师简明扼要地讲授建筑光学、自然采光等基本知识,引导学生认识建筑自然采光的作用、影响因素及其对建筑采光环境的影响规律；

其次,要求学生自学Ecotect软件,通过模拟分析各因素对给定尺寸的建筑模型自然采光效果,总结影响规律,验证课本中的理论知识；

然后,引导学生认识、掌握建筑自然采光模型实验平台和多通道照度测试仪的作用及使用方法后,要求各组学生编制验证实验计划,并分组利用拓展后的实验平台,在人工天穹或者室外环境下,通过实验验证模拟结果,实现理论、实验与模拟的相互验证；

最后,由教师给定建筑采光要求(如规定尺寸建筑模型的采光系数、均匀度等),要求学生在理论知识的基础上,自主设计、组装建筑模型(包括采光口类型、面积、位置、室内饰面反光率等),并模拟分析,最后实验验证,如果不符合要求需要重新设计验证。

3 教学改革实践

3.1 模拟、实验与理论的相互验证

需要模拟分析及实验验证的理论知识内容很多,因此仅借用学生的部分成果来展示模拟、实验与理论的相互验证情况,主要是通过模拟、实验验证平天窗面积和侧窗窗台高度对室内采光的影响规律。

模拟和实验采用同样的建筑模型,内表面都采用白色,反光率约0.88,洞口处不设透光材料。3种不同规格及位置的平天窗见图3,3种不同窗台高度的侧窗见图4。限于篇幅,且为了比较方便,图3与图4同时分别表述了相应的模拟分析与实验测试结果。从图3和图4可看出:模拟分析与实验测试结果基本上一致,且表现出的规律也与理论知识相符。

3.2 建筑自然采光设计

以上验证实验可提高学生的实验动手能力及模拟分析能力。之后进一步开展设计性实验,以提高学生的设计能力。假定设计任务为:一间位于顶层的9.0 m(进深)×6.0 m(宽)×4.5 m(高)的房间,两侧与其他房间相邻,室内工作面高750 mm。由于进深大,除了侧窗,也要考虑安装天窗,提高室内采光均匀度。因此,在不考虑透光材料及其他遮挡的情况下,要求室内自然采光系数达到10%,均匀度0.7以上。

图3 平天窗面积及分布对室内采光的影响的模拟分析及实验测试结果

图4 侧窗窗台高度对室内采光的影响的模拟分析及实验测试结果

图5为学生在理论知识的指导下,设计了多种方案,并利用Ecotect不断模拟分析、比较和优化，再选择几种典型方案,按照1∶10比例制作建筑模型,通过实验测试验证。若实验与模拟结果相近,则任务完成，否则需要反思、纠错,重新设计、模拟优化、实验验证。由图5中3种方案的比较可以看出,该房间的自然采光方案应采用第3种才能达到要求。

图5 学生设计方案

4 讨论分析

通过一两届学生的教学改革实践,新教学模式和实验平台也在不断完善,比如教学时间的调整、模型边缝的处理等。总体上,虽然教学过程更加复杂,学生需要利用更多的课余时间,但学生大都表现出浓厚的兴趣和积极的学习态度,取得了非常好的教学效果。

新模式以缩尺模型为设计实践平台,3种方式交互融合(如图6所示),理论上比传统模式更能有效提高学生的采光设计能力。虽然不是真实的工程实践,但有了这段学习经历,必将提高学生运用建筑自然采光理论知识和模拟软件的能力,在未来自然采光设计工作中,增强学生对自己设计方案的信心。

图6 传统与新的教学模式的对比

相对于传统模式,新模式弱化了“以教师讲授,学生接受”的理论教学,强化了“以学生为主体,教师为主导”的实验与模拟教学。前述教学步骤中，除了第1步,其余3步都要求学生整理模拟、实验、设计等结果,制作成课件,实施反转教学。在整个教学过程中,教师主要起引导、指导作用,当然这并不意味着教学任务的减轻,反而对教师的要求更高,需要随时解答学生在自学、自主模拟、自主实验、自主设计过程中的各种“创意”问题,以免学生走“弯路”,耽搁有限的教学时间。

5 结语

综合大量建筑光学教改实践经验后提出了一种新的教学模式,并应用到建筑学本科的建筑自然采光教学中。与传统模式相比,新模式引入了模拟分析,提高了学生利用模拟软件的辅助设计能力,摆脱了晦涩、复杂的理论分析与计算,拓展了建筑采光模型类型,打造了更好的理论联系实际的设计实践平台,避免了单一枯燥的程序式实验。