- 相關(guān)推薦
數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑方案設(shè)計策略論文
摘要：本文首先闡述數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑方案設(shè)計的優(yōu)勢并分類具體歸納其技術(shù)、流程，而后從組團(tuán)、體量、細(xì)部三個層級展開介紹數(shù)字技術(shù)介入下的綠色建筑設(shè)計策略、思路，對新技術(shù)繼承傳統(tǒng)綠色建筑設(shè)計的方法進(jìn)行了探討和歸納。
關(guān)鍵詞：綠色建筑設(shè)計；數(shù)字技術(shù)；方案設(shè)計研究
作者簡介：翟炳博，北京市建筑設(shè)計研究院有限公司創(chuàng)作中心建筑師，徐衛(wèi)國，清華大學(xué)建筑學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師
關(guān)于數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計，國外學(xué)界在其理論基礎(chǔ)及技術(shù)路線等方面已有一定討論。該領(lǐng)域可被看作是設(shè)計方法的另一切入點，對我國目前推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方針和建筑領(lǐng)域語匯的多樣性來說均具有切實意義。
一、數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計的理論基礎(chǔ)
1．傳統(tǒng)綠色建筑設(shè)計特征
傳統(tǒng)的綠色建筑設(shè)計，建筑師無法僅從經(jīng)驗或?qū)徝纴砼袛喾桨傅墓?jié)能與否，因此使用相關(guān)軟件平臺以模擬分析的方式對方案進(jìn)行評測成為了綠色設(shè)計的關(guān)鍵之一。[1]綠色建筑設(shè)計的一般技術(shù)路線，往往是通過專業(yè)軟件進(jìn)行建筑室內(nèi)外物理環(huán)境（如風(fēng)、光、熱、能耗等）的模擬，并將結(jié)果數(shù)值量化對比，以此評估方案的生態(tài)合理性。然而，有關(guān)生態(tài)性能的評測一般在整體設(shè)計的后期開展，如節(jié)能計算多在施工圖設(shè)計階段應(yīng)用。[2]因此綠色建筑設(shè)計中的“模擬”環(huán)節(jié)完全淪為方案完成后的評價與檢驗工序，并未將其有機(jī)地納入設(shè)計前期，性能評測工具失去了對建筑方案應(yīng)有的指導(dǎo)意義，[3]使生態(tài)設(shè)計效率變得較低。尼爾斯·拉森（NilesLarsson）在GreenbuildingChallenge2000中提到一種建筑設(shè)計同性能評測模擬相結(jié)合的工作流程，[4]其中建筑初步設(shè)計被描繪成一種循環(huán)往復(fù)的過程—概念模型的各類能耗模擬及結(jié)構(gòu)、機(jī)電工程師的評價意見等形成一系列“反饋信息”來對方案提出修正建議。此過程經(jīng)多次反復(fù)，可被看作是一種“循環(huán)設(shè)計”，其本質(zhì)在于強(qiáng)調(diào)“數(shù)據(jù)反饋”的重要性。
2．?dāng)?shù)字技術(shù)特征
較有代表性的參數(shù)化技術(shù)，核心在于“關(guān)聯(lián)模型”（抽象的機(jī)器）[5]的構(gòu)建。一般來講，Rhino、Maya等參數(shù)化軟件在其早期開發(fā)時都定義了一種被稱作“記錄建構(gòu)歷史（recordhistory）”的功能，可被看作是“關(guān)聯(lián)性”的體現(xiàn)和參數(shù)化技術(shù)的早期雛形。當(dāng)幾何體在軟件中被描述時，不同維度間往往遵循這樣一種規(guī)則—“低維構(gòu)建高維，高維提取低維①”，所謂“記錄建構(gòu)歷史”記錄的則是這種規(guī)則下的具體“關(guān)系”。當(dāng)模型建立過程中每一步“關(guān)系”均被記錄時，改變初始幾何信息而最終結(jié)果相應(yīng)變化，這就是參數(shù)化系統(tǒng)基礎(chǔ)所體現(xiàn)的“關(guān)聯(lián)性”。傳統(tǒng)的建模軟件平臺即使擁有記錄建構(gòu)歷史的功能，也相對局限，當(dāng)今普及最廣的參數(shù)化平臺Grasshopper，其前身名為ExplicitHistory，意為“清晰完整的歷史”，即構(gòu)建完整的“關(guān)聯(lián)模型”。因此，參數(shù)化技術(shù)可以被概括為“關(guān)聯(lián)模型”（圖2），模型一端提供各類輸入數(shù)據(jù)，被用于指導(dǎo)不同類型的操作并在記錄關(guān)聯(lián)的前提下不斷傳遞，最終輸出一系列設(shè)計結(jié)果。該“關(guān)聯(lián)模型”的核心即“關(guān)聯(lián)性”（as-sociative），其在對“過程”和“數(shù)據(jù)”的控制方面體現(xiàn)較大優(yōu)勢。
3．?dāng)?shù)字技術(shù)運(yùn)用于綠色建筑設(shè)計的優(yōu)勢
綠色建筑設(shè)計可被看作一個信息不斷反饋、循環(huán)的過程（圖3）。這種循環(huán)的兩端分別是建筑設(shè)計和評測體系（軟件性能模擬、工程師建議），一方面建筑師提供多種可能的預(yù)選方案并傳遞給評測系統(tǒng)，另一方面評測系統(tǒng)將運(yùn)算、模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋。在這種“循環(huán)設(shè)計”過程的操作下，建筑方案被不斷分析、評價、反饋、選擇并最終得到優(yōu)化。理論上看，這種性能評測同建筑方案相結(jié)合的“循環(huán)設(shè)計”形成了一種完整統(tǒng)一的“綠色建筑設(shè)計”技術(shù)路線，但在實際方案推進(jìn)中，建筑設(shè)計同綠色技術(shù)評價兩部分仍是互相脫節(jié)。無論是單一方案模擬評測還是多方案對比，建筑設(shè)計同技術(shù)分析兩者間存在的僅是操作上的先后關(guān)系。數(shù)字技術(shù)在綠色建筑設(shè)計領(lǐng)域的介入則從根本上消解了方案設(shè)計同測評分析間的“時滯性②”，對其“循環(huán)設(shè)計”過程和數(shù)據(jù)的傳遞進(jìn)行更為有效、高效的控制。在參數(shù)化關(guān)聯(lián)模型中，“數(shù)據(jù)”本身可由“循環(huán)設(shè)計”中的評測體系反饋得來并被不斷驅(qū)動和傳遞，同時通過關(guān)聯(lián)模型對原有方案進(jìn)行優(yōu)化或生成新的設(shè)計備選方案。關(guān)于評測體系反饋得來的數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為目前其同參數(shù)化關(guān)聯(lián)模型結(jié)合有三類思路。
二、數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計的技術(shù)歸納
1．性能評測數(shù)據(jù)的“可視分析”
實質(zhì)是在參數(shù)化關(guān)聯(lián)模型中加入“生態(tài)評價模塊③”并鏈接各類生態(tài)分析軟件，提取評測結(jié)果數(shù)據(jù)并將之反饋至關(guān)聯(lián)模型，以“數(shù)據(jù)可視化”（如色彩過渡等）的方式對方案進(jìn)行反饋和評估，設(shè)計師可依此調(diào)整方案。嚴(yán)格來說，參數(shù)化平臺的結(jié)果數(shù)據(jù)可視化并不能完全體現(xiàn)數(shù)字技術(shù)介入的優(yōu)勢，一是目前絕大多數(shù)性能評測軟件均具有分析數(shù)據(jù)后處理（可視化）的功能，二是即使數(shù)據(jù)在參數(shù)化平臺可視化，但其并未納入關(guān)聯(lián)模型系統(tǒng)，無法體現(xiàn)數(shù)字技術(shù)對信息傳遞的控制。然而，在Grasshopper等參數(shù)化平臺中的確存在一部分插件來實現(xiàn)生態(tài)模擬數(shù)據(jù)的可視化，其意義是“統(tǒng)一平臺界面④”。同直接使用評測軟件進(jìn)行生態(tài)分析相比，參數(shù)化平臺下的結(jié)果可視化有利于設(shè)計師對方案的直觀判斷。因其可在設(shè)計推敲的同時得到相應(yīng)的生態(tài)分析視覺化結(jié)果，在方案初期給使用者較為充分的性能改進(jìn)建議，所以該類型亦可被看作數(shù)字技術(shù)同綠色建筑設(shè)計的“弱鏈接”。
2．性能評測數(shù)據(jù)的“控制深化”
實質(zhì)是將生態(tài)模擬結(jié)果作為過程數(shù)據(jù)參與關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建并指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計生成。如通過模擬得出方案幾何體表面每片區(qū)域的陽光輻射量數(shù)值，以此控制其開窗、遮陽的生成等。該類型特點在于，所涉及方案的前一階段（如體量、界面等）已確定，而評測數(shù)據(jù)能夠同關(guān)聯(lián)模型對應(yīng)，并基于現(xiàn)存的幾何體量對方案的后續(xù)深化進(jìn)行控制（如開窗大小和多少、遮陽構(gòu)件形態(tài)等）。由此，設(shè)計本身與評測數(shù)據(jù)間建立了直接且相互呼應(yīng)的關(guān)系：陽光輻射模擬數(shù)值較大的區(qū)域相應(yīng)開窗較小或遮陽出挑較多，抑或維護(hù)結(jié)構(gòu)較厚等，因此方案的立面或細(xì)節(jié)處理將更具合理性。
3．性能評測數(shù)據(jù)的“反饋優(yōu)化”
實質(zhì)是在參數(shù)化關(guān)聯(lián)模型中加入“優(yōu)化算法模塊”，能以生態(tài)評測中的某一個或幾個指標(biāo)為優(yōu)化方向，并反向調(diào)節(jié)初始的輸入?yún)?shù)組合，來使輸出結(jié)果在滿足生態(tài)評測標(biāo)準(zhǔn)的前提下較為優(yōu)化。特點在于，所涉及方案前一階段（如體量、界面等）并未確定，模擬數(shù)據(jù)所起的作用即反饋并協(xié)助獲取方案初期較優(yōu)化的結(jié)果。該類型中，概念方案由關(guān)聯(lián)模型控制，一系列不同的輸入?yún)?shù)可生成眾多的設(shè)計備選。關(guān)聯(lián)模型中的“生態(tài)評價模塊”用以評測這些潛在的備選方案，并得到相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)；“優(yōu)化算法模塊”（例如“遺傳算法”）則將評測結(jié)果數(shù)據(jù)作為設(shè)計發(fā)展方向，通過反饋調(diào)整初期的眾多輸入?yún)?shù)，來將其協(xié)調(diào)配比并得到較優(yōu)化方案。
4．相關(guān)工具歸納
基于Grasshopper平臺，應(yīng)用于綠色建筑設(shè)計的輔助工具歸納。
三、數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計的策略展開
1．組團(tuán)層級
（1）概述
宏觀層面的城市設(shè)計、居住區(qū)或傳統(tǒng)聚落，其生態(tài)策略可從建筑與環(huán)境間關(guān)系、建筑與建筑間關(guān)系兩個角度展開。對于建筑與環(huán)境，應(yīng)考慮如何有效利用建筑所處的地域資源，即合理調(diào)節(jié)陽光、風(fēng)、地形、土地、水源、綠化等要素同建筑間關(guān)系；對于建筑與建筑，則需探討建筑的組團(tuán)布局，即合理規(guī)劃建筑群落整體朝向、建筑間縫隙、街道或開放空地等。總體來說，組團(tuán)層級的生態(tài)策略主要體現(xiàn)在建筑整體布局的關(guān)系及形態(tài)上的優(yōu)化，從而達(dá)到對室外風(fēng)環(huán)境、自然采光、陽光輻射等方面的利用或防控。
�。�2）數(shù)字技術(shù)介入
首先，在數(shù)字平臺中建立關(guān)聯(lián)模型來描述群組的形態(tài)及空間關(guān)系，精確、多樣化的輸入?yún)?shù)（如建筑形態(tài)、高度、數(shù)量、疏密等）能夠?qū)ㄖ旱恼w呈現(xiàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)；其次，評測體系（計算公式或生態(tài)模擬平臺）可將室外風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、建筑采光優(yōu)劣、容積率等作為待優(yōu)化目標(biāo)，通過性能模擬結(jié)果數(shù)據(jù)來“反饋優(yōu)化”，得到組團(tuán)聚落的生態(tài)最優(yōu)方案。具體來說，策略一為城市生成，屬于方案從無到有的“控制深化”過程，多見于國際城市設(shè)計競賽或數(shù)字城市設(shè)計研究等。首先需確定形態(tài)結(jié)構(gòu)原型，而后性能模擬則會為城市群落的生成提供“中間數(shù)據(jù)”或切入點。這類城市設(shè)計探索更具建筑設(shè)計傾向，因其由參數(shù)關(guān)聯(lián)模型整體控制，所生成的城市結(jié)構(gòu)和形態(tài)更加有機(jī)、整體且較純粹。策略二為“反饋優(yōu)化”，多見于建筑群組結(jié)構(gòu)已確定的城市片區(qū)或居住區(qū)，通過設(shè)定單或多目標(biāo)來優(yōu)化各個建筑單體的朝向、開間進(jìn)深、層高和布局等。其在工程實踐中幫助較大，能在建筑師人為介入的前提下對群組空間結(jié)構(gòu)、形態(tài)進(jìn)行可控調(diào)節(jié)。此外，由于眾多設(shè)計規(guī)范（如采光、防火、疏散間距等）的嚴(yán)格限定，加之“行列式”等現(xiàn)存參考模式，數(shù)字技術(shù)的統(tǒng)籌能極大地提高該尺度層級的設(shè)計效率。
2．體量層級
（1）概述
該類型建筑的“主體”設(shè)計層面，包含建筑形態(tài)和功能布局兩方面。建筑體量形態(tài)在諸多方面（如體形系數(shù)、截面形狀、庭院設(shè)置等）與其節(jié)能與否相關(guān)；此外，形體的組合關(guān)系也會影響建筑整體的生態(tài)性能。對于功能布局，可根據(jù)用戶對其使用的形式及活動量劃分，將次要房間作為“生態(tài)緩沖區(qū)”布置在惡劣氣候的朝向，并將機(jī)電設(shè)備運(yùn)行區(qū)集中布置來降低能耗。
�。�2）數(shù)字技術(shù)介入
關(guān)于數(shù)字技術(shù)在體量層級的介入，目前并沒有一個被學(xué)術(shù)或?qū)嵺`界公認(rèn)的一般流程。因為體量階段是方案設(shè)計從無到有的第一步，而生態(tài)策略或評測數(shù)據(jù)自身無法生成具有廣泛適應(yīng)性的優(yōu)化方案植入到具體場所語境的基地中去，所以體量階段的生態(tài)優(yōu)化必須伴隨方案設(shè)計的邏輯操作同步進(jìn)行�？傮w思路是，建筑師首先應(yīng)結(jié)合場地關(guān)系、功能訴求、問題分析、背景信息等對方案體量有一個初步的解決策略或預(yù)設(shè)，而后在數(shù)字平臺利用參數(shù)關(guān)聯(lián)模型對其進(jìn)行描述，最后通過生態(tài)模擬的結(jié)果數(shù)據(jù)來“反饋優(yōu)化”，使體量朝著某一個方向發(fā)展進(jìn)化。例如可以通過關(guān)聯(lián)模型將方案在一定范圍內(nèi)調(diào)整變動（如不同的形體組合、中庭大小或位置等），并通過評測不同可選項的生態(tài)性能（體形系數(shù)、風(fēng)阻大小、整體得熱等）取得相應(yīng)數(shù)值，以該數(shù)據(jù)為目標(biāo)反饋來確定優(yōu)化的建筑體量方案。
3．細(xì)部層級
（1）概述
對于建筑細(xì)部層級的綠色設(shè)計討論同樣可分為兩個方面。一是優(yōu)化設(shè)計方案外圍護(hù)體系的細(xì)部構(gòu)造。對此，維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能好壞決定其生態(tài)與否，一般認(rèn)為構(gòu)造層次的傳熱系數(shù)K值較小則較為綠色低碳，[6]即“墻體越厚越保溫”。而細(xì)部的優(yōu)化處理則為了防止因結(jié)構(gòu)外露及門、窗等處形成“冷熱橋”而降低外圍護(hù)體系的整體性能。二是建筑外立面（如開窗、遮陽等元素）的設(shè)計深化。開窗處往往是維護(hù)體系熱工性能的薄弱環(huán)節(jié)，其大小、位置以及用材、構(gòu)造等都需從生態(tài)優(yōu)化的角度重新定位。遮陽是建筑被動節(jié)能的主要措施之一，其能有效降低進(jìn)入室內(nèi)的陽光輻射，并改善自然采光均勻度，是構(gòu)成建筑外立面的一類重要元素。有研究顯示，外遮陽措施節(jié)能效率可達(dá)10%～24%，而其造價僅占工程總造價的2%～5%，可被看作低投入、高效率的建筑被動式節(jié)能技術(shù)典范。[7]
�。�2）數(shù)字技術(shù)介入
在已經(jīng)確定方案體量的前提之下，數(shù)字技術(shù)在細(xì)部層級的介入主要體現(xiàn)在性能評測結(jié)果數(shù)據(jù)的“控制深化”，例如運(yùn)用參數(shù)化關(guān)聯(lián)模型總體控制建筑表皮的生成，而生態(tài)模擬則為之提供了合理的數(shù)據(jù)來源，即表皮構(gòu)件中各元素遞變的“外力”，用以整體控制、干預(yù)界面的結(jié)構(gòu)形態(tài)和呈現(xiàn)效果。
4．?dāng)?shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計策略歸納
數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計的策略，按照不同層級，可歸納如表3所示。
四、結(jié)語
影響建筑生態(tài)性能的主要策略基本在方案設(shè)計階段確定，即初期的概念設(shè)計成果往往對建筑最終生態(tài)節(jié)能與否有較大影響。[8]無論從國家對建筑節(jié)能的硬性指標(biāo)、國內(nèi)目前的建筑能耗現(xiàn)狀，還是從建筑師所肩負(fù)的社會責(zé)任出發(fā)，推行綠色低能耗設(shè)計都勢在必行。數(shù)字技術(shù)是設(shè)計中的一股革新力量，其并非“宏大敘事”，而是以“局部滲透”的方式影響建筑研究及實踐領(lǐng)域。除新的組織形式、形態(tài)關(guān)系創(chuàng)生外，其在建筑的生態(tài)低碳、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輔助施工等領(lǐng)域也極具潛力。而參數(shù)化技術(shù)將在建筑的綠色可持續(xù)方面發(fā)揮巨大價值，體現(xiàn)出社會及人類發(fā)展的關(guān)懷。
參考文獻(xiàn)
[1]毛鴻霖．淺析計算機(jī)輔助建筑設(shè)計與綠色建筑設(shè)計結(jié)合[J]．科技傳播，2010（12）：191，193．
[2]胡玉梅．面向節(jié)能建筑設(shè)計的計算機(jī)能耗模擬[D]．天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007．
[3]申杰．基于Grasshopper的綠色建筑技術(shù)分析方法應(yīng)用研究[D]．廣州：華南理工大學(xué)，2012．
[4]張承．面向建筑設(shè)計過程的能耗模擬分析—采暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計程序的開發(fā)[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2003．
[5]徐衛(wèi)國．褶子思想，游牧空間—關(guān)于非線性建筑參數(shù)化設(shè)計的訪談[J]．世界建筑，2009（8）：16-17．
[6]張歡，楊斌，由世俊，等．遮陽板在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究[J]．太陽能學(xué)報，2005（3）：14-18．
[7]胡深，冉茂宇，袁炯炯，等．關(guān)于居住建筑遮陽優(yōu)化設(shè)計的探討[J]．建筑科學(xué)，2010（12）：88-91．
[8]夏春海，朱穎心，林波榮．方案設(shè)計階段建筑性能模擬方法綜述[J]．暖通空調(diào)，2007（12）：32-40。
【數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑方案設(shè)計策略論文】相關(guān)文章：
建筑工程方案設(shè)計評價中數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用論文04-23
建筑平面圖方案設(shè)計論文05-11