结合建筑性能模拟的绿色建筑与节能课程教学实践与思考

1 绿色建筑的发展

绿色建筑，又称可持续建筑，是指在建筑的全生命周期内环境友善和资源高效的建筑。这个全生命周期包括建筑的规划、设计、施工、运营、维护、改建直至建筑被拆除的整个过程。通过高性能的规划、设计、施工和后期运营，绿色建筑可在较大程度上减少甚至消除建筑物对于环境的负面影响。根据中国《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）的定义，绿色建筑是在建筑的全生命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑 [1]。绿色建筑的这个定义可简单归纳为“四节两环保”，即节能、节地、节水、节材以及室外环境保护与室内环境质量提升。

环境保护的意识觉醒起源于 20 世纪 60 年代，其划时代作品是蕾切尔·卡逊出版的著作《寂静的春天》[2]。而随着上世纪 70 年代能源危机的爆发，节能意识也开始逐渐深入人心。绿色建筑的发展起源于上世纪90 年代，随着可持续发展理念的逐渐深入，绿色建筑也逐渐走上历史舞台。1990 年，英国建筑研究院创立了 BREEAM 绿色建筑评价系统；1996 年，12 个国家和地区合作制定了 GBTool 绿色建筑评估体系 [3]；1998年，美国绿色建筑委员会设立了 LEED 绿色建筑评价体系。这些绿色建筑评价系统逐渐被建筑行业内从业人员所接受，并进一步被借鉴与开发，绿色建筑在 21 世纪初开始蓬勃发展起来。

2001 年，中建建筑承包公司较早地组织了中国绿色建筑 / 可持续发展建筑国际研讨会，并出版了会议论文集 [4] ，介绍了绿色建筑的设计、施工、绿色建材等相关内容。

2002年，在我国将要举办奥运会的背景条件下，“绿色奥运建筑评估体系研究”课题于 2002 年 10 月立项，由清华大学、中国建筑科学研究院等多家单位联合承担，并发布了《绿色奥运建筑评估体系》[5]。

2006 年，我国第一版《绿色建筑评价标准》[6] 发布，住房和城乡建设部及各地建设厅（委）大力推进绿色建筑，我国绿色建筑发展进入快速发展期。截止到 2016年 9 月，全国共有约 4500 个项目，52 万平方米建筑获得了绿色建筑设计标识 [7]。深圳、北京、苏州等城市已将绿色建筑纳入建筑施工图审查范围。绿色建筑越来越像消防、结构安全、建筑节能一样成为强制要求。随着绿色建筑评价标准的更广泛实施，绿色建筑性能模拟也愈来愈重要。

2 建筑学专业绿色建筑教育与建筑性能模拟现状

随着绿色建筑的快速发展，我国绿色建筑教育与市场及建设量存在一定的滞后情况，建筑行业从业人员和广大学生的相关培养和教育跟不上市场快速发展的需求。除了住房和城乡建设部、中国城市科学研究会、各地建设局（建委）组织定期培训外，其他途径广泛而长期的绿色建筑教育仍然匮乏，而处于建筑类专业的绿色建筑教育则更加薄弱。目前，在建筑行业实际工程中从事绿色建筑设计咨询工作的从业人员中，大部分专业背景为建筑环境与能源应用工程专业（暖通），而建筑学专业作为绿色建筑设计的主力，绿色建筑设计咨询参与程度却不高。据笔者调查，建筑学专业学生的绿色建筑教育存在以下几个待解决的问题：

2.1 课程的设置欠合理

目前，除重点高校由于师资优势设置了较为系统的绿色建筑课程外，许多一般高校还没有设置专门的绿色建筑介绍课程。

2.2 教材的选择难度大

由于绿色建筑内容交叉性强，横跨建筑、设备、给排水、景观、建材等各个专业内容，对于建筑学专业学生来说需要一本与设计紧密相关的绿色建筑技术教材。而这样一本教材在市场上却很难找到。由刘加平院士等编著的《绿色建筑概论》[8] 是一本很好的介绍性的理论教材，但缺少与设计相结合的部分。由欧盟 Asia-Link项目资助，湖南大学张国强教授等编著的《可持续建筑技术》[9] 一书对于建筑环境与能源应用工程的学生来讲是一本很好的教材，但是对于建筑学专业的学生而言却偏于技术讲授而与建筑设计结合不够。

2.3 绿色建筑性能模拟软件难选择

对于绿色建筑的性能模拟是绿色建筑设计与技术结合的一个很重要方面，但市场上缺乏适应学生的能快速上手的模拟软件。目前，国内高校仍然以 Autodesk Ecotect Analysis 作为主要的教学模拟软件。

2.4 绿色建筑性能模拟方法教材较为缺乏

2016 年林波荣教授出版了《绿色建筑性能模拟优化方法》[10] 一书，在绿色建筑性能模拟方面有了一本较好的教材。但针对建筑学本科专业学生而言，不同软件介绍过多而每个软件使用方法内容不够深入，学生可能还需要任课教师的更详细指导才能完成相关课程的建筑性能模拟分析。

3 苏州大学建筑学专业结合建筑性能模拟的绿色建筑教学实践与反思

3.1 苏州大学建筑学专业绿色建筑课程教学内容

笔者于 2012 年开始在苏州大学教授第一届建筑学专业“绿色与节能建筑”本科课程，到目前为止已经过六轮教学实践，积累了一定的教学经验和体会。笔者结合在国外攻读绿色建筑博士期间的课程学习内容以及建筑设计工程顾问公司积累的工程经验，按照学校课程要求的 36 课时，将课程设置为 24 课时的理论课时与 12课时的实验课时。

理论课按照讲座的形式，分为12讲。主要内容包括：1. 绿色建筑背景、现状及发展。2. 建筑室内热环境及人体热舒适。3. 气候与热工计算方法。4. 天然采光与人工照明。5. 被动节能式设计与系统。6. 主动式节能系统与设备。7. 不同气候区绿色建筑案例分析。8. 绿色建筑评价系统。9.ECOTECT、Radiance 软件模拟应用与指导建筑设计。10. 可持续能源系统与太阳能利用。11. 室内空气品质。12. 水资源利用与雨水收集利用。

理论讲授过程中会穿插建筑物性能模拟的实验课程，通过实验课程的形式加强和巩固学生对理论教学内容的理解，并利用实验模拟的过程和模拟结果为学生提供有效的设计指导。

实验课程部分以建筑物性能模拟分析为主线，主要性能模拟实验包括建筑物构造热工模拟、建筑物遮阳分析、建筑物冷热负荷模拟、建筑物天然采光模拟、建筑组群及建筑室内自然通风模拟、可持续能源系统模拟等。

在前期教学中，建筑物性能分析主要依托 Ecotect Analysis 软件。该软件既能进行热、光、声的模拟分析功能，同时又有强大的输出及导入功能，可以将建筑物模型输出到其他软件进行相关计算并导入计算结果以图形呈现计算结果 [11]。如可将建筑物模型输出到 Desktop Radiance 软件进行更精确的天然采光计算并将计算结果导回以图形、图表进行呈现。

在 Ecotect Analysis 软件中，主要让学生熟悉并掌握建筑热工模拟与建筑自然采光模拟。建筑热工模拟利用 Weather Tool ( 气象工具 ) 对建筑所在气候区的气象参数（温湿度范围、主导风向和风速、太阳直接辐射和散热辐射等），通过直观的图形展现加深学生对此前理论讲解部分的理解。通过对建筑围护结构屋顶、墙面的建筑构造等的设置以及建筑热工计算，对建筑窗户性能定义，室内人员、照明与设备等的使用时间表设定以及建筑遮阳系统等对室内热环境的影响，指导学生完成设计作业的建筑冷热负荷计算。同时，为学生讲解建筑冷热负荷与建筑能耗之间的关系与区别，从而让学生通过模拟实践来加深对理论知识的理解（图 1）。

图 1 Ecotect 建筑供热空调负荷学生作业部分分析结果

建筑采光模拟的主要目的是让学生掌握国标要求的全阴天环境下建筑采光系数的模拟和晴天条件下 LEED要求的室内照度模拟两种模拟方法与结果的区别。同时，学生通过 Ecotect 直接模拟与输出到 Desktop Radiance软件中模拟结果对比，了解不同软件的模拟精度及方法的区别（图 2）。

对于建筑组群及建筑物室内自然通风的模拟，笔者在教学过程中发现利用 Ecotect 结合 CFD 软件 WinAir 组合方法效果并不太好，WinAir 软件本身输入不完善，边界条件不容易定义，因此计算输出的结果易出现各种问题。在缺少相关实践经验的条件下，WinAir 模拟计算输出结果容易对学生产生误导，使学生产生错误的理解。在教学后期，笔者采用美国麻省理工学院建筑系开发的 CoolVent 软件对室内自然通风进行模拟。Cool[1]Vent 软件是由美国麻省理工学院建筑学院建筑技术系里昂·格利克斯曼（Leon Glicksman）教授领导开发的一个简单易用的建筑混合通风模拟软件 [12]，主要用于建筑设计初期阶段快速模拟分析。虽然该软件模拟结果的精度在呈现上不如传统的 CFD 软件，输出结果也不如CFD 软件吸引眼球。但由于输入参数简单，不需要定义详细的边界参数，输出结果不易出现较大的偏差，特别适用于建筑设计初期阶段。同时，对于在学习过程中的学生来说，这正是建筑学专业学生在概念设计和方案设计阶段所需要的。因此，较为适应教学需求。学生可利用 CoolVent 软件评估贯流通风时建筑开窗大小是否合适，如何优化室内通风等。由于该软件集成了混合通风措施，学生可以通过软件学习加强自然通风与机械通风结合的理解。

图 2 天然采光室内照度及亮度模拟学生作业

针对可持续能耗系统模拟，笔者在教学过程中采用加拿大自然资源部组织开发的 RETScreen[13] 软件。加拿大自然资源部为该软件开发了包含中文版在内的多国语言版本，是国际上可持续能源管理分析应用最为广泛的软件之一。虽然此软件界面图形化不够突出，输入以下拉式菜单和数据输入为主，但对于建筑学专业学生来说 , 除了特殊的应用场景如建筑物玻璃内嵌光伏发电系统，在可持续能源系统模拟中对建筑设计本身要求不高，对建筑物的风光声热环境影响不大。该软件的分析模拟结果仍可为学生提供有效的可持续能源系统信息和质性的结果对比，帮助学生了解太阳能光热、光电系统等为建筑提供的可持续能源多少。如对一栋建筑来说，需要在设计中设置多少太阳能集热器面积才能满足建筑的生活热水需求。

3.2 教学实践与思考

在六年的教学实践过程中，笔者通过不断总结经验并根据学生反馈的意见调整课程内容，但教学中依然存在之前涉及的一些问题。

3.2.1 缺乏一本实用的案例教材

市场上有关绿色建筑的书籍琳琅满目，但很难选择到合适的课程教材。目前市场上理论讲授部分与建筑物性能分析部分内容兼具的书籍很难找到。根据授课的讲义重新编写一本新教材或许是较好的解决办法，或者在现有的书籍上进行改版，增加相关建筑物性能模拟部分内容。

3.2.2 与建筑学专业相配套的建筑性能模拟软件比较缺乏

目前，国内高校大部分建筑学专业采用 Ecotect Analysis 建筑性能模拟软件进行相关教学。该软件功能强大，建筑热、声、光均能进行相关模拟。另外，建筑建模方法与学生常用的 SketchUp 较为接近，学生容易上手。但 Ecotect Analysis 软件缺点也很明显：热环境模拟结果精度较低，且该软件被 Autodesk 收购后已不再更新，软件内嵌的材质库不适合中国常用材质等。据笔者了解，国外一部分高校建筑学专业选择以 Ener[1]gyPlus 为计算核心的 DesignBuilder 软件 [14] 作为建筑性能模拟软件。经我们尝试后，认为该软件作为建筑学研究生的研究应用较为适宜，不太适合作为建筑学本科教学使用。对于建筑物性能模拟而言，模拟结果的相对准确非常重要，如果输入的数据有问题，那么模拟结果也会有问题，而用有问题的结果去指导设计更会存在问题。这就是行业内经常说到的“输入错误，输出错误”（Garbage In, Garbage Out）。

经过试用和对比，笔者认为将来有三个软件系列可作为有前景的建筑性能模拟教学软件。一个是以建筑BIM 软件为基础，如 Revit 平台下的 Insight 360 模拟软件；第二个是以 Rhino+Grasshpper+Ladybug 平台的系列软件；另外一个是以 Autocad 为基础的绿色建筑性能模拟软件系统。Revit 平台及软件的主要问题在于方案阶段建模过于复杂，信息量过大，而 Revit 性能模拟的 Insight 360 软件还是过于简单，需要有更高层次的功能开发。同时，Insight 360 模拟运行过程是远端网上服务，即时响应不够。Rhino+Grasshpper+Ladybug 平台的系列软件建筑物建模依托 Rhino 平台，加入参数化建模软件 Grasshopper[15]，可集成 Ladybug、Honeybee等风光声热等模拟软件插件进行模拟计算。该平台功能最为强大，也是目前各种网络教学平台中最为火热的软件。但该软件系列对学生学习能力要求较高，并缺少相关学习指导书籍，学生学习较为困难。Autocad 平台的软件，如绿建斯维尔等建筑物性能模拟分析软件的优势在于对建筑物冷热负荷、能耗、采光、通风、声环境等都能进行详细模拟，相关的教学书籍及视频已经出版 [16]或者即将出版。但该系列软件主要问题在于软件声光风热各个功能是分开的，需要学习的软件较多。

在苏州大学最新一轮绿色建筑与节能课程教学中，我们采用绿建斯维尔软件进行了建筑性能模拟的教学活动。主要讲授建筑通风（4 课时 , 包括几何建模）、建筑采光（2 课时）、建筑日照（1 课时）、建筑节能（3课时）及建筑声环境（2 课时）5 个软件，共计 12 课时。如果考虑到对学生进行软件学习指导及学习其他软件如建筑能耗计算，在这种情况下教学时间明显不够。因此，绿色建筑教学课程设置的最后一个问题是教学时间分配问题。按照目前的 36 课时安排是很难在讲授理论知识的同时增加性能模拟内容和课时的。因此，需要调整教学计划，将课程调整为 54 课时，即 24 课时理论教学时间加 30 课时建筑性能模拟实践，来保证有足够的时间学习相应的建筑物性能分析软件。这也是笔者在苏州大学提议实施的课程改革计划。

目前，清华大学、南京大学等院校除开设绿色建筑相关课程之外，在毕业设计中也安排了以绿色建筑为特色的毕业设计内容，对绿色建筑感兴趣的学生可选择相关方面的毕业设计课题，从而可进一步深入学习并完成相关的毕业设计课题与研究。这也是笔者下一步课程改革努力的方向。从建筑学本科毕业生升学、就业和职业规划的情况来看，以前大多数毕业即直接进入设计院（公司）的情况已经发生了变化，我们的专业培养与课程教学及内容也需要进行调整，有针对性地对学生进行能力培养和训练，以适应时代和行业发展的快速变化，满足绿色建筑及建筑性能模拟行业发展对相关人才的需求。

参考文献

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．绿色建筑评价标准 :GB/T50378-2014[S]. 北京 : 中国建筑工业出版社 ,2014.

[2] 蕾切尔·卡逊 . 寂静的春天 [M]. 吕瑞兰，李长生译 . 上海译文出版社，2014.

[3] 田 真 . 可 持 续 建 筑 挑 战 绿 色 建 筑 评价 系 统：SBTOOL. 第九届国际绿色建筑与建筑节能论文集 [D]. 北京：2013.

[4] 中建建筑承包公司编 . 中国绿色建筑 / 可持续发展建筑国际研讨论文集 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社 ,2001.

[5] 绿色奥运建筑研究课题组 . 绿色奥运建筑评估体系 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社 ,2003.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部 , 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．绿色建筑评价标准 :GB/T50378-2006 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社 ,2006.

[7] 绿色建筑评价标识网 . 信息来源：住房和城乡建设部建筑节能与绿色建筑综合信息管理平台 .2018http://www.cngb.org.cn/

[8] 刘加平 , 董靓 , 孙世钧编著 . 绿色建筑概论 [M].北京 : 中国建筑工业出版社 ,2010.

[9] 张国强 , 徐峰 , 周晋等编著 . 可持续建筑技术 [M].北京 : 中国建筑工业出版社 ,2009.

[10] 林波荣 . 绿色建筑性能模拟优化方法 [M]. 北京 :中国建筑工业出版社 ,2016.

[11] 柏慕进业 .Autodesk Ecotect Analysis 应用教程 :美国LEED认证和中国“绿色建筑评价标识”认 证实例 [M].北京：电子工业出版社，2014.

[12] CoolVent, The Natural Ventilation Simulation Tool by MIT

http://coolvent.mit.edu/documentation/

[13] Natural Resource Canada.RETScreen

http://www.nrcan.gc.ca/energy/software-tools/7465

[14] DesignBuilder Software Ltd.DesignBuilder

https://designbuilder.co.uk/

[15] 祁鹏远 . Grasshopper 参数化设计教程 [M]. 北京 :中国建筑工业出版社 ,2017.

[16] 刘琦 , 王德华 . 建筑日照 [M]. 北京：知识产权出-版社 ,2018.

作者

苏州大学金螳螂建筑学院田真

欢迎订阅《建设科技》杂志（半月刊）

国内邮发代号：2-543

账     号：0200049309201072985

单位全称：北京康居认证中心

定     价：15元/本

开户银行：中国工商银行股份有限公司四道口支行

邮     箱：kcpc409@126.com