建筑師和計(jì)算機(jī)模擬

摘 要：計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是讀圖時(shí)代綠色建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)有效的媒介工具。他對(duì)建筑師提出了更高的要求。本文概述了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的歷史和在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，并以此為基礎(chǔ)通過案例分析，解析了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)介入方案設(shè)計(jì)對(duì)建筑師提出的四點(diǎn)基本要求。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)模擬； 媒介； 建筑師； 知識(shí)結(jié)構(gòu)

Abstract:Computer simulation is an efficacious media tool for ecological architecture in the in the Era of Pictures Reading. It requires much more knowledge than before as an architect. This article provides an overview of the history of computer simulation and the use of simulation in the process of the architecture design. Then through the case studies， the article proposes fore fundamental points to the architects about the architecture design with the help of computer simulation.

Keywords:computer simulation；media；architect; structure of knowledge

中圖分類號(hào)：TU201.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0422（2009）06-0054-03

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，我們的社會(huì)已經(jīng)步入了讀圖時(shí)代。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是讀圖時(shí)代下綠色建筑設(shè)計(jì)的新媒介，它的出現(xiàn)對(duì)建筑師提出了新的要求，建筑師的知識(shí)結(jié)構(gòu)亟待更新。時(shí)代呼喚“升級(jí)版建筑師”。

1計(jì)算機(jī)模擬出現(xiàn)的時(shí)代背景

20世紀(jì)中期，能源、環(huán)境成為了全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。一部著作——《成長的極限》、兩次能源危機(jī)，打破了歐伯羅斯的神話，自然給人類敲醒了警鐘。作為全球能耗大戶的建筑行業(yè)開始反思對(duì)自身對(duì)環(huán)境的影響，節(jié)能、環(huán)保成為了當(dāng)代建筑師共同肩負(fù)的社會(huì)責(zé)任。

建筑設(shè)計(jì)中，能源、環(huán)境是建筑師和工程師都必須考慮的因素。20世紀(jì)60年代，一些工程師嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)將不可見的環(huán)境、能源因素可視化，并希望通過理性的科學(xué)分析與大量的數(shù)據(jù)計(jì)算使建筑物理環(huán)境的設(shè)計(jì)更加精準(zhǔn)化，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)就是這種時(shí)代背景下的產(chǎn)物。最早計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)主要用于照明、暖通空調(diào)、通風(fēng)等方面的節(jié)能模擬。第二次石油危機(jī)過后，對(duì)節(jié)能的激勵(lì)減弱了，加之電腦技術(shù)的局限，計(jì)算機(jī)模擬一段時(shí)間內(nèi)銷聲匿跡。90年代初期，個(gè)人電腦的計(jì)算能力和儲(chǔ)存能力增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)模擬得以發(fā)展普及，并越來越多地引起了建筑師的關(guān)注。于是在建筑和自然之間，計(jì)算機(jī)成了一種新的更為便捷的設(shè)計(jì)媒介工具，它通過對(duì)建筑信息、環(huán)境信息、計(jì)算模型的設(shè)計(jì)與運(yùn)算，將不可見的物理環(huán)境通過圖示顏色等可視化方式表現(xiàn)出來，綠色建筑也步入了“讀圖時(shí)代”。

2計(jì)算機(jī)模擬的類型及其在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著模擬技術(shù)的日趨成熟，建筑物理環(huán)境的模擬已經(jīng)成為綠色建筑設(shè)計(jì)過程中不可或缺的媒介工具，環(huán)境模擬正在從工程師的“專利技術(shù)”變?yōu)榻ㄖ煹谋貍渌刭|(zhì)。目前，眾多模擬技術(shù)中能夠直接介入設(shè)計(jì)易操作的主要以下幾種（見圖表2）。這些模擬軟件按其在建筑設(shè)計(jì)中的作用不同可以分為參考性模擬和評(píng)價(jià)性模擬兩種。參考性模擬主要應(yīng)用在建筑設(shè)計(jì)的過程，其主要作用是預(yù)測建筑周邊的物理環(huán)境并使之圖示化。參考性模擬的主要目的是為建筑師提供設(shè)計(jì)依據(jù)，避免由建筑設(shè)計(jì)原因?qū)е碌摹安皇孢m”環(huán)境，如CFD風(fēng)環(huán)境模擬軟件、ECOTECH建筑環(huán)境分析軟件等等。評(píng)價(jià)性模擬的應(yīng)用有兩類，一是對(duì)重大項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段結(jié)束之后施工階段開始之前，尤其是對(duì)建筑物理環(huán)境有特殊要求的建筑進(jìn)行物理環(huán)境的準(zhǔn)確模擬。其主要作用是對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)性評(píng)價(jià)，在施工之前提出合理化改進(jìn)意見。二是對(duì)已建成建筑進(jìn)行能耗模擬分析，其主要作用是對(duì)建筑做出合理評(píng)價(jià)，提取有效數(shù)據(jù)，為以后的建筑設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。這些模擬技術(shù)介入設(shè)計(jì)全過程，他們?cè)趦?yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)對(duì)建筑師在建筑物理環(huán)境方面的基本修養(yǎng)提出了更高的要求。

3建筑師與計(jì)算機(jī)模擬

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的介入更新了傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的流程，除了在方案功能、流線、形體、結(jié)構(gòu)、材料和經(jīng)驗(yàn)性環(huán)境預(yù)測等方面反復(fù)推敲外，設(shè)計(jì)流程多了計(jì)算機(jī)這一相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)要素（設(shè)計(jì)流程如圖表4）。然而，計(jì)算機(jī)模擬猶如建筑師手中的歐伯羅斯魔杖，如何能夠使其發(fā)揮積極作用，給建筑師提出了更高的要求。

首先，建筑師必須對(duì)建筑周邊環(huán)境的進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研分析?；卣{(diào)研是建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，更是將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)。建筑師必須根據(jù)建筑所在環(huán)境的背景資料，氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出項(xiàng)目必須解決和重點(diǎn)考慮的環(huán)境問題，決定是否需要進(jìn)行模擬，具體運(yùn)用什么軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。下圖是筆者在一次國際生態(tài)住宅設(shè)計(jì)競賽中的獲獎(jiǎng)方案。該方案選址在馬來西亞的一個(gè)小鎮(zhèn)?；貧夂蚪K年濕熱，降水豐富，地處靜風(fēng)區(qū)，除偶遇臺(tái)風(fēng)外，年均風(fēng)速小于5m/s。在這里解決生態(tài)的關(guān)鍵問題是風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)，良好的自然通風(fēng)有利于潮濕空氣蒸發(fā)，從而帶走部分熱量。因而方案從規(guī)劃到單體，十分注重通風(fēng)環(huán)境的設(shè)計(jì)，并運(yùn)用CFD軟件分別對(duì)整體規(guī)劃的風(fēng)環(huán)境和單體建筑室內(nèi)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬，借此優(yōu)化建筑微環(huán)境。

其次，建筑師應(yīng)該對(duì)建筑物理環(huán)境的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)有所了解，也就是說建筑師要能讀圖、讀懂圖。在還沒有出現(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)以前，建筑師關(guān)注自然環(huán)境，通過自己和他人的親身體驗(yàn)，模糊的定義建筑物理環(huán)境的好壞。這種情況下建筑師通過長期的生活體驗(yàn)，能夠直觀地對(duì)建筑微環(huán)境的物理指標(biāo)給出感性評(píng)價(jià)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)出現(xiàn)后，冷、熱、干、濕等一系列形容詞一下子變成了色塊和阿拉伯?dāng)?shù)字。建筑師能否正確的、適當(dāng)?shù)亟庾x模擬圖的含義成為計(jì)算機(jī)模擬能否物盡其用的關(guān)鍵因素。下圖是對(duì)某生態(tài)建筑屋頂遮陽的計(jì)算機(jī)模擬，分析不同的遮陽形式對(duì)大廳室內(nèi)各層熱舒適狀況的影響。該項(xiàng)目所用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）推薦的標(biāo)準(zhǔn)有效溫度SET，其可表示人在太陽輻射條件下對(duì)應(yīng)的冷熱感覺及健康狀況。當(dāng)SET大于30℃的時(shí)候，一般認(rèn)為不舒適。建筑師只有對(duì)模擬圖充分理解，計(jì)算機(jī)模擬才能夠?qū)ㄖO(shè)計(jì)真正起到指導(dǎo)作用。

再次，建筑師要擔(dān)當(dāng)起總體把握設(shè)計(jì)方案、理性分析環(huán)境條件、合理選擇技術(shù)手段的重任。一個(gè)建筑是否合理、是否節(jié)能不是單憑計(jì)算機(jī)軟件算出來。優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)是其成為一個(gè)綠色建筑典范的前提。如果方案設(shè)計(jì)理念就有悖于節(jié)能環(huán)保，即使再出色的計(jì)算機(jī)模擬也只能是亡羊補(bǔ)牢。有一段時(shí)期，我國北方出現(xiàn)了大量的全玻璃的綠色建筑。眾所周知，我國北方地區(qū)冬天寒冷，節(jié)能重點(diǎn)在于冬季的保溫隔熱。而一般用于外圍結(jié)構(gòu)的玻璃隔熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土，這決定了玻璃建筑在保溫方面存在天生缺陷。玻璃建筑晶瑩的表皮帶來的是大量的空調(diào)能耗和經(jīng)濟(jì)花銷，而非綠色節(jié)能。近幾年，我國與意大利合作設(shè)計(jì)了一座很有影響力的綠色建筑。下圖是設(shè)計(jì)過程中利用日照軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的模擬圖。勿庸質(zhì)疑，在方案設(shè)計(jì)中該項(xiàng)目運(yùn)用了先進(jìn)的模擬技術(shù)，經(jīng)過了仔細(xì)的計(jì)算與分析。然而再高明的模擬技術(shù)也無法避免通體的玻璃幕墻帶來的空調(diào)能耗和過億的造價(jià)。

最后要說的是一個(gè)態(tài)度問題。建筑師對(duì)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的使用應(yīng)該有一個(gè)科學(xué)的客觀的態(tài)度。當(dāng)代的一些建筑實(shí)踐中，對(duì)建筑模擬有兩種有失偏頗的看法：一種認(rèn)為現(xiàn)階段建筑的設(shè)計(jì)周期短，建筑師要考慮的因素多，計(jì)算機(jī)模擬是對(duì)建筑師提出的額外要求，增加了建筑師的工作量；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的，并且給建筑設(shè)計(jì)提供了有力的科學(xué)依據(jù)，比主觀的審美趣味更具說服力，可以用計(jì)算機(jī)“算”出建筑。這兩種觀點(diǎn)在目前的建筑實(shí)踐中都不是對(duì)計(jì)算機(jī)模擬的客觀評(píng)價(jià)。計(jì)算機(jī)模擬僅僅是一種媒介工具，他的適用性需要建筑師憑借理性分析和經(jīng)驗(yàn)來判定，并且在建筑中始終是輔助設(shè)計(jì)的手段。這很像建筑表現(xiàn)中的透視，精美帥氣的透視圖固然能夠在一定程度上解決建筑的不可實(shí)驗(yàn)性帶來的設(shè)計(jì)困難，從而提高了建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量。但是，透視圖卻無法表現(xiàn)佛羅倫薩的滄桑和愛琴海邊小鎮(zhèn)的寧靜。計(jì)算機(jī)模擬可以成為建筑師設(shè)計(jì)靈感的源泉，但絕不能成為束縛建筑師創(chuàng)造力的韁繩。

4結(jié)語

建筑是藝術(shù)與技術(shù)共同作用的產(chǎn)物。從原始棚屋起，建筑技術(shù)發(fā)展的過程中經(jīng)歷了以拱券結(jié)構(gòu)和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為主要成就，關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)特征的古羅馬時(shí)代，也經(jīng)歷了工業(yè)革命帶來的新材料、新能源的大規(guī)模運(yùn)用，現(xiàn)在又迎來了以計(jì)算機(jī)媒介技術(shù)為主要標(biāo)志的讀圖時(shí)代。模擬技術(shù)展示了以前不可見的環(huán)境和過程因素，建筑改變了他的不可試驗(yàn)性。媒介手段的改善必將會(huì)在設(shè)計(jì)方法、施工方法、設(shè)計(jì)理念等諸多方面打破傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)范式，相應(yīng)地也會(huì)改變建筑師的工作方法和知識(shí)結(jié)構(gòu)。這樣的時(shí)代背景呼喚著兼具節(jié)能工程師和設(shè)計(jì)師雙重能力的建筑師

參考文獻(xiàn)：

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