計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用綜述

張睿智

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

1 概述

隨著工業(yè)的繁榮與城市的發(fā)展，人類(lèi)利用自然和改造自然的進(jìn)程加大，在社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境危機(jī)，溫室效應(yīng)、資源短缺以及土地沙化都是亟待解決的難題。而房屋建設(shè)作為城市化進(jìn)程的主角之一，越來(lái)越為人們所期待成為轉(zhuǎn)型的主力軍，因此“綠色建筑”的理念產(chǎn)生了。同時(shí)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)入成熟階段，其在綠色建筑設(shè)計(jì)過(guò)程、評(píng)估、模擬和實(shí)現(xiàn)中所體現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)使得CAD最終成為綠色建筑設(shè)計(jì)不可或缺的工具之一。介于“CAD在綠色建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用”這一議題日益為人們所關(guān)注，相關(guān)的文獻(xiàn)資料也層出不窮，這其中宏微兼具，乏善可陳，本文主要將對(duì)2001年～2013年國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)做出綜合論述，羅列重要觀點(diǎn)、觀點(diǎn)的相關(guān)性、可靠性以及重要實(shí)例并做出相應(yīng)的評(píng)價(jià)與建議，以達(dá)到為廣大同僚奠定理論基礎(chǔ)、提供延伸契機(jī)的目的。這一時(shí)期內(nèi)，文獻(xiàn)整體呈現(xiàn)出從微觀走向宏觀、國(guó)內(nèi)國(guó)際步調(diào)不一致的特點(diǎn)，本綜述將采用從觀點(diǎn)的宏觀性到微觀性的組織次序，見(jiàn)圖1。

圖1 綜述思維導(dǎo)圖

2 CAD在綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域綜述

2.1 三個(gè)主要的歷史發(fā)展階段

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)誕生于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，1973年，致力于滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)師需求的CAD(計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì))作為其分支應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)70年代～90年代之間，計(jì)算機(jī)在建筑設(shè)計(jì)方面的使用日趨合理化、實(shí)用化，特別是在建筑設(shè)計(jì)的進(jìn)程中得到相當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)。一個(gè)重要的應(yīng)用是CAD繪圖技術(shù)，它幫助建筑設(shè)計(jì)師從繁雜的工作當(dāng)中解放出來(lái)，例如計(jì)算機(jī)繪制建筑草圖和透視圖的應(yīng)用。21世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像信息處理和仿真模擬技術(shù)日趨成熟，特別是其模擬功能在對(duì)象成形和處理以及虛實(shí)同步上顯示出的優(yōu)越性使得CAD越來(lái)越體現(xiàn)出其重要性。與此同時(shí)，綠色建筑理念、生態(tài)建設(shè)以及建筑環(huán)境一體化也逐漸進(jìn)入人們的視線(xiàn)。計(jì)算機(jī)輔助模擬仿真因此被應(yīng)用到綠色建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并在促進(jìn)生態(tài)建筑的實(shí)踐和研究方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

從近3年中文文獻(xiàn)中可知，宏觀上來(lái)看，綠色建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程反復(fù)多變的特點(diǎn)決定了計(jì)算機(jī)在其輔助設(shè)計(jì)中顯現(xiàn)出階段——整體性和循環(huán)性，每一階段有明確目標(biāo)和方法論，階段間有層次關(guān)系，將不同階段結(jié)合成為整體;而階段本身需要不斷修改和完善又是其循環(huán)性的體現(xiàn)［3］。另一方面，節(jié)能減排應(yīng)為設(shè)計(jì)過(guò)程中貫徹始終的主要目的，也正是仿真模擬應(yīng)用的主要平臺(tái)［1］。我國(guó)最早涉足此領(lǐng)域在2006年，根據(jù)GB/T 50378-2006綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照CASBEE(Comprehensive Assessment System for Building Environmental Efficiency，日本研制的綠色建筑評(píng)價(jià)系統(tǒng))為2008奧運(yùn)會(huì)開(kāi)發(fā)的《綠色奧運(yùn)建筑評(píng)估體系》，在此之前國(guó)際上已有諸多較為成熟的評(píng)價(jià)系統(tǒng)如 LEEDTM，NABER，GBC等［2］。計(jì)算機(jī)輔助的綠色評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)則為宏觀循環(huán)性提供了切實(shí)可行的手段，是綠色建筑設(shè)計(jì)反復(fù)修正的根據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。就國(guó)際上的形勢(shì)來(lái)看，目前較為先進(jìn)的評(píng)估體系主要運(yùn)用在房屋采光和供暖上，如TRNSYS(動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件)即被應(yīng)用在評(píng)估水平遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)當(dāng)中［4］。為計(jì)算機(jī)評(píng)估綠色建筑設(shè)計(jì)體系提供有力支撐的當(dāng)屬計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的模擬仿真技術(shù)，全方位的BIM(建筑信息建模)、首創(chuàng)的精確定量以及具有極大參考價(jià)值的知識(shí)庫(kù)體系共同完善和升級(jí)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的模擬功能。

1)BIM。高集成化的BIM融合了各種相關(guān)工程數(shù)據(jù)，可兼容多種相關(guān)建筑模型軟件如ECOTECT和GBS等，從而成為仿真模擬技術(shù)的中堅(jiān)優(yōu)勢(shì)［1］。一方面，其可視化建筑模型在綠色建筑設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中不僅將建筑物本身的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)直觀體現(xiàn)，還將周邊環(huán)境的信息攝入處理，直接實(shí)現(xiàn)建筑環(huán)境一體虛擬成形，摒除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)論、不可重復(fù)的弊病。另一方面，由于BIM的專(zhuān)業(yè)化、集成化，大量的建筑設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)信息的部分或整體模型大大減輕了建筑設(shè)計(jì)師的工作量，也一定程度上實(shí)現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)的模塊化。由于BIM乃計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型，其開(kāi)發(fā)維護(hù)也需要不斷更新完善。意大利研究者F.Gugliermetti和 F.Bisegna于2006年簡(jiǎn)化完備了外部遮陽(yáng)設(shè)備的算法，加快了運(yùn)行速度，極其注重節(jié)能隔熱效果更加體現(xiàn)環(huán)境友好的意義［5］。

2)精確定量。傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)方法難于解決精確定量的問(wèn)題，也就無(wú)從談起模擬技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理能力首先將人類(lèi)社會(huì)環(huán)境數(shù)字化，如溫度、光照、濕度等，不僅記錄了歷史數(shù)據(jù)，而且生成均值、預(yù)測(cè)值、經(jīng)驗(yàn)值直接模擬應(yīng)用進(jìn)入建筑設(shè)計(jì)場(chǎng)景。例如SUNTOOL模擬某年某日的光照在虛擬建筑物內(nèi)形成光照域并得出精確值反饋給設(shè)計(jì)者［5］。更加值得注意的是，定量模擬同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了模擬的動(dòng)態(tài)化，它可以根據(jù)錄入的時(shí)間軸和力學(xué)模型，直接改變對(duì)象角度或依據(jù)理論記錄對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡及其物理特征，得到綠色建筑物的最終使用效果。

3)知識(shí)庫(kù)體系。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)利用其驚人的存儲(chǔ)和調(diào)用能力，建立起具有巨大參考意義的知識(shí)庫(kù)體系，知識(shí)庫(kù)集結(jié)了除像BIM等模塊化工程數(shù)據(jù)外的又一大專(zhuān)家案例庫(kù)，從一定程度上實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化［2］。知識(shí)庫(kù)體系可以被直接運(yùn)用于兩大方式:等級(jí)化，這種方式體現(xiàn)了軟件友好型的特點(diǎn)，通過(guò)人機(jī)交互的方式，設(shè)計(jì)師根據(jù)自身要求自選等級(jí)，避免僵化;模板化，體現(xiàn)軟件智能的特點(diǎn)，易上手，根據(jù)已有的知識(shí)庫(kù)生成模板供設(shè)計(jì)師參考或直接使用，解放勞動(dòng)力，利于批量生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的迅猛發(fā)展和其在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)突出的革命性，使CAD以及配套軟件必將在綠色建筑設(shè)計(jì)舞臺(tái)上生輝。就目前國(guó)際趨勢(shì)來(lái)看，BIM和知識(shí)庫(kù)體系正在逐步走向簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和環(huán)境友好化，為更高層次的模擬仿真奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的升級(jí)不斷滿(mǎn)足數(shù)據(jù)量化的需求，綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)估體系也在向著動(dòng)態(tài)評(píng)估的方向發(fā)展。CAD的全方位提升意味著此技術(shù)不但將會(huì)充分配合建筑設(shè)計(jì)的階段——整體性和循環(huán)性，還將突破現(xiàn)有認(rèn)識(shí)進(jìn)入到綠色建筑設(shè)計(jì)的調(diào)研勘測(cè)階段［6］，真正做到全面輔助行業(yè)發(fā)展。

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