回馈式绿色建筑教学体系研究

随着人们对能源紧缺和环境意识的提高，绿色建筑教育成为建筑设计教育的核心内容之一。而计算机辅助建筑设计是绿色建筑教学体系的重要部分。绿色建筑的教学不仅要求能使建筑方案设计直观地展示三维形体，更需要对建筑的环境性能和节能状态进行评估，因此需要更新的教学模式。研究首先回顾了国内建筑设计教育的几个阶段模式，并结合绿色建筑的教学需要提出基于环境评估及模拟的回馈式图学教学体系。也通过使用Designbuilder软件进行示范农宅的评估和改造具体展示该教学模式的特点。研究表明该回馈式的教学模式不仅体现了对当今可持续发展的教学要求，更让学生能更好地体验建筑建成后的环境状态，为计算机图学技术在绿色建筑教学体系中的应用提供思路。

一、引言

能源与环境问题是目前世界范围内普遍存在的焦点问题，联合国环境署可持续建筑促进组织（UNEP-SBCI）2009年公布的《建筑与气候变化：决策者摘要》报告指出建筑能耗占全球能源消费的40%。[1]因此，目前国内建筑专业的教育，意识到了绿色和可持续发展的重要作用，在高校建筑学专业普遍增加对绿色建筑的设计教学。但是目前理论类课程开展得比较多，绿色设计类的课程因为缺乏相应的图学教学手段，发展得还不够充分。使用与环境评估相关的图学软件，注重图学软件回馈式的教育和学习模式，是一种新的设计及后评估方式。

图学软件不再仅仅是“绘图工具”，而是引导学生随时与设计方案进行对话，掌握其能耗及环境友好的程度，这与目前国家大力提倡“可持续发展”的需求是紧密结合的，也是图学技术在新时期的深入应用。国内的CAD教学目前已有一些交互式的应用和理论。如程亚宾认为要使计算机在辅助建筑设计构思上发挥更大的作用，则应加强软件方面的深层次的学习和应用。[2]杨丽提出计算机技术的发展帮助设计师在各设计阶段中利用计算机的特点来处理逻辑描述与分析，而让建筑师有更多的时间去处理创造性问题。[3]杨宇振提出动态、逼真、真实场景模拟是计算机的长项，需要配套的设备和先进的软件。[4]这些研究都提出了计算机辅助过程中的交互问题，但是缺乏对建筑专业的具体指导。

美国劳伦斯•伯克利国家实验室及其他单位共同开发的建筑全能耗模拟引擎Energyplus软件可模拟空调系统和建筑设备的运行能耗，但存在的问题是用户界面不够友好、操作复杂、推广应用难度较大。[5]该软件也不适合作为设计课程中间学生普遍使用的图学软件。综上所述，目前建筑学专业的绿色设计教学需要在理论的教学模式方面和实践的图学软件教学案例方面都加入更新一层面的体系引导。本文将首先根据时代发展带来的教学模式的进步介绍基于环境评估的回馈式绿色建筑教学体系的特点。其后使用Designbuilder软件介绍满足回馈式评估设计要求的教学案例。Designbuilder软件被认为拥有当前功能最为完备的用户友好界面。[6]通过该软件，学生在设计过程中可以对自己的方案进行基于环境评估的回馈体验。

二、交流式教学模式的发展阶段

建筑学的设计教育一直强调交流。传统的设计教育模式，即采用手工制作模型和绘制图纸为基础的初步交流模式。教师与学生是交流的主体，主要通过交谈及草图的绘制完成设计方案的探讨。这种传统交流式教学方式强调师生的当面交流，能够充分体现双方的想法，因此，至今仍保持并被广泛应用。但是这样的传统教学方式也有弊端。首先，使用这种方法，老师和学生必须具备比较好的手绘能力和专业的空间表达能力。粗糙的草图和模型会给双方带来交流困难。

其次，这样的交流指导方法也不适应当前的建筑教育发展需要。比如目前建筑学领域非常强调邀请主流设计师直接参与学校的设计课教学，但是这些设计师的教学很多时候需要通过网络等远程教学方式来补充，而传统的模型和图纸在适应网络电子化方面存在着先天的不足。最后，这种类似“纸上谈兵”的方式无法解决诸如“建筑节能”“可持续设计”方面的要求，对于绿色建筑的教学尤其如此。第二个发展阶段的教学模式是一种基于图学软件的电子化教学方式，大力推进电脑软件的直接应用。

首先，在设计思考阶段，利用Sketchup等三维建模软件拉出体块模型；随后利用AUTOCAD等软件，制作相应的平面、立面等二维图纸；最后利用3DMAX、VRay等三维渲染软件进行最终的三维空间形式的设计。这种教学方法很好地解决了传统教学模式中学生表达困难的问题，学生可以使用软件方便地表达自己的三维造型并与老师交流，也解决了远程交流的问题，部分教学内容可以在网上完成。第二阶段的建筑学设计教学充分使用了图学技术和科技发展发展带来的好处，并与专业的教学很好地结合。

但是目前随着学科的进一步发展，对于建筑行业来说还要注意对于可持续发展的关注。节能和环境友好的行业要求已经成为关系国计民生的大事。让学生理解绿色建筑的现实意义，帮助学生了解如何利用绿色技术达到低碳排放和节能的目的，从而提高可持续的意识，成为建筑教育的重大需求。而传统的计算机图学手段只是一个绘图的工具。使用者单向发出绘图指令，软件无法做到对复杂的关于环境性能的反馈。因此在上述的需求中并不能很好地起到作用。

因此，目前需要让建筑设计的教学进入与图学紧密配合的第三阶段，即一种回馈式的图学教学模式，即要求图学软件在教学中能够回馈学生的设计是否满足各种环境要求。尤其是对于绿色建筑教学来说，更需要图学技术的革新。第三阶段依然保留了第二阶段对AUTOCAD、Sketchup等软件的使用步骤。但是在设计的全流程阶段，加入了对绿色建筑的重视和适应性的设计，其中图学教育方面的回馈重点就是对Designbuilder等环境评估软件的应用。首先通过建筑材料的性能设置，让学生理解建筑材料在温室气体排放、建筑全寿命周期中的重要作用，随后通过朝向、位置参数的设置让学生理解环境对于建筑本身的能耗和设计方式有着非常重要的影响。再通过软件对进行环境模拟，对建筑的节能和可持续性能进行评估，看自己所设计的一些绿色技术和节能手段是否能够起到作用，对不合理的设计进行修改。

最终建筑的三维空间和形体不仅仅是为了满足功能和美观的需要，更能体现可持续发展的要求。而且软件的使用过程是一种反复回馈的工作，各种设计是否符合绿色建筑的要求，优化的方案能否达到最优的环境友好型设计结果，都需要反复地进行参数设置和调整。通过这个过程学生也能很好地体会各种环境条件的影响和效果。由此可见这种教学模式更强调图学软件本身进入设计的决策，而且强调老师、学生和软件之间的互动，对于建筑系的教学来说，是一种方法论上的革新。可以看到每个阶段的教学方式都跟图学的发展息息相关，也体现绿色建筑教育从无到有的重视程度。更重要的是，基于环境评估的回馈式教学模式作为符合教学内容日益复杂、强调环境友好的新形势要求的教学体系，具有前面两种教学模式无法比拟的优势。图学辅助设计不再是使用者单向的操作软件工具，更是可以通过参数设置、环境理解、直观模拟展示图等教学引导，回馈反映设计者对建筑节能性能和环境适应性的关注。下面可以通过一个实例，进一步体现这种教学方式的特点。

三、教学实践

以某实验农宅为例，该农宅位于湖北省黄冈市团风县紫金庄村，建于2000年左右，为两层坡屋顶形制，建筑总高度为9.5m（图1）。农宅围护结构主体为180mm砖墙，正立面外挂装饰面砖，其他立面则以石灰砂浆抹面。在教学中要求学生首先对该农宅进行测绘，绘制建筑平面图（图2）。然后对其进行环境评估，根据该建筑的能耗和环境适应性特征，提出优化和改善意见。

1．基于Designbuilder的环境性能评估Designbuilder的界面和命令栏简单直观，各种三维视角和信息栏能够帮助使用者很好地进行理解和操作。[7]Designbuilder可以输出的能耗模拟结果包括：建筑各时间段能耗状况、围护结构的传热性能、建筑的冷热负荷、温室气体排放量等。Designbuilder中可以设置场地的经纬度和建筑的朝向，帮助学生理解环境与建筑之间的关系。在Designbuilder的“con-struction”选项中可以让学生依次设置围护结构的材料及参数。以该实验农宅为例，引导学生采用Designbuilder建模（图3）。

2．能耗分析随后让学生在软件中根据当地居民的一般情况设置每个房间的活动类型，例如卧室默认的人员密度为0.0229人/m2，卫生间的人员密度为0.018人/m2。当夏季下午至夜晚温度高于30℃时，二层的四个卧室和客厅采取空调制冷，将温度调整至26℃，其余房间均无制冷设备。农宅内无电力热水系统，居民洗浴用水主要通过太阳能热水器加热。根据居民的生活习惯，将一层东侧卧室及客厅、二层四个卧室及客厅照明时间段设置在19:00～22:00，一层西侧卧室及辅助用房照明时间段设置为1小时。

通过Design-builder模拟建筑夏季能耗情况（图4）。Designbuilder的模拟结果可以通过曲线图等图形直观地表现包括建筑用电量、通风状况、建筑各房间能耗等数据。这里以该建筑中使用最频繁的二层四间卧室和客厅来进行能耗分析的举例。模拟结果表明，夏季建筑用电消耗主要来自照明和空调制冷两部分。建筑照明日均用电量不超过3KW•H，制冷用电量主要出现在夏季，且日空调制冷能耗最大可达到90KW•H。根据Designbuilder输出的夏季（7月～8月）能耗数值表，照明能耗为173.91KW•H，空调制冷耗电量为4405.41KW•H，该户居民夏季用电总量为4579.32KW•H。Designbuilder中也可以对特定时间段的能耗状况做逐时分析，其生成结果过程与夏季能耗分析过程一致。

3．采光分析点击“Daylighting”选项，对建筑各层的自然采光情况做分析（图5）。从图可以分析，该农宅一层平均采光系数为1.15%，最大采光系数为13.67%，最大照度为1367.0lx，达到采光照度标准的建筑面积比例为16.87%。二层平均采光系数为5.34%，最大采光系数为28.06%，最大照度为2806.7lx，达到采光照度标准的建筑面积比例为53.96%。分析计算结果可以知道，建筑一层的采光状况较差，需要借助人工照明达到舒适的光环境。建筑二层的自然采光较好，但是分布不均匀，房间进深方向采光不理想。

4．流体通风分析点击“CFD”选项，对建筑整体进行通风的流体模拟分析，可输出的模拟结果图包括风速、风温、平均辐射温度和工作温度等。模拟图中颜色的变化表示参数大小的变化，在刻度线上有对应表示（图6）。另外Designbuilder中的切片工具可对建筑内部的X、Y、Z轴线方向进行剖切，并输出剖切面上的流体分布图。通过夏季时段的流体力学分析图，可以看到二层的室内风速要好于第一层的情况，室内温度则好于屋顶区域的情况。

因此室内热环境二层为比较舒适的空间，也是室内的主要卧室所在位置。同时通过模拟图可以看出部分靠近围护结构边缘的房间空间，温度较高而且风速不足。房间的中间是相对较好的空间范围，风速有所提高而且温度较低。由此可见，该农户所使用的深进深的设计模式尽管会造成采光不足，但是从热舒适性的角度来讲是适应当地夏季炎热的气候的。这种做法也是当地农村常采用的建筑平面形式，通过这样的模拟可以让学生充分理解当地农村建筑形态特点的成因。

5．优化设计的评估回馈根据前文的分析结果，引导学生对农宅进行优化设计，优化设计的方向主要针对前述评估结果，进行两方面的改善：降低农宅夏季空调制冷能耗和改善室内采光状况。过程中引导学生采取以下两项措施改善农宅能耗状况：一是通过增加墙体厚度优化墙体热工性能。在180mm砖墙外侧增加120mm砖墙，夏季累计空调制冷能耗由4405.41KW•H降低至4195.37KW•H，与初始模型相比降低5.58%。另一方面是通过将普通窗玻璃置换成双层中空玻璃优化窗户热工性能。该优化方案中，制冷能耗进一步降低至3991.91KW•H，比初始模型降低9.39%。

由此可见，增加墙体厚度和采用双层窗对降低农宅能耗均有一定效果。优化设计的另外一个方向是改善采光状况（图7）。可以采用的优化措施如增大二层房间的现有窗户尺寸。二层窗户的高度均为1.8m，南向两个卧室窗户宽度为2.8m，客厅窗户宽度为3.5m。北向两个卧室窗户宽度为1.5m，楼梯间窗户宽度为3.9m。在保持原有窗户宽度不变的基础上将高度增加至2.4m，二层平均采光系数由5.34%增加至5.35%，改变并不明显。同时农宅夏季空调制冷能耗增加至4730.82KW•H，与初始模型相比增加7.39%。如果在此基础上将普通窗玻璃置换成双层中空玻璃，制冷能耗降低至4529.72KW•H，与初始模型相比增加2.82%，此时二层平均采光系数为4.67%，低于初始采光系数。上述实验说明，提高二层的窗户面积并不能很好地提高室内采光效果，反而会增加制冷能耗。