建筑性能模擬軟件在綠色建筑設(shè)計(jì)不同階段的應(yīng)用效果比較

謝曉歡

賈倍思

一、引言

綠色建筑評(píng)估體系提出了一系列與定量相關(guān)的建筑性能指標(biāo)。這些指標(biāo)強(qiáng)制要求將建筑物的環(huán)境和能耗性能與基準(zhǔn)建筑進(jìn)行模擬和比較，這些指標(biāo)要求需要將建筑設(shè)計(jì)與模擬分析同步化，以及通過(guò)復(fù)雜計(jì)算來(lái)量化設(shè)計(jì)。在美國(guó)綠色建筑評(píng)估體系LEED（Leadership in Energy & Environmental Design）中，提出了一系列的性能指標(biāo)。這些指標(biāo)與傳統(tǒng)的描述性指標(biāo)不同，建筑師不能根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)估計(jì)能否實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)要求，這些性能指標(biāo)不僅包括關(guān)于氣候，建筑系統(tǒng)和建筑外表皮的復(fù)雜計(jì)算，還包括建筑物的運(yùn)行情況、使用率、用戶(hù)的使用習(xí)慣等因素。這些性能指標(biāo)包括照明、能耗、室內(nèi)熱舒適等方面的內(nèi)容只有通過(guò)模擬手段才能獲得定量結(jié)果[1]。綠色建筑評(píng)估體系中的量化性能指標(biāo)要求將模擬軟件與設(shè)計(jì)過(guò)程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些模擬軟件使建筑團(tuán)隊(duì)始終關(guān)注建筑的性能表現(xiàn)，從而影響設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇適宜的建筑設(shè)計(jì)策略。在不同的建筑設(shè)計(jì)階段，量化的模擬結(jié)果需要及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)這些結(jié)果認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)策略的有效性和需要在哪些方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[2]。一些文章也提出了通過(guò)性能模擬方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化方法指導(dǎo)設(shè)計(jì)，就是運(yùn)用不同的優(yōu)化算法和多目標(biāo)權(quán)衡的方式來(lái)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)策略的選擇[3]。

目前已有相關(guān)的研究對(duì)建筑模擬軟件進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比[4]，同時(shí)也有專(zhuān)門(mén)針對(duì)某一項(xiàng)建筑性能（包括日照、熱舒適性和建筑表皮）的研究[5]，這些研究提供了針對(duì)不同的項(xiàng)目如何選擇合適的模擬軟件的途徑和看法。目前這些模擬軟件涵蓋了室內(nèi)外的采光模擬，室外太陽(yáng)陰影分析，室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境分析，室內(nèi)噪聲分析，室內(nèi)熱舒適分析和整體建筑能耗分析等方面。許多綠色建筑評(píng)估體系的分值也涉及能耗指標(biāo)、室內(nèi)照度指標(biāo)、室內(nèi)外風(fēng)速指標(biāo)等量化要求，這些要求決定了獲得綠色建筑認(rèn)證需要整個(gè)建筑團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用這些模擬軟件同時(shí)得到適宜的數(shù)值來(lái)提交報(bào)告[6]。

這種以建筑性能為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)流程需要模擬分析師的全程參與和協(xié)作，提供有效的模擬結(jié)果來(lái)幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)修改和優(yōu)化方案[7]。因此綠色建筑項(xiàng)目除了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員的參與外，還需要模擬分析師（聲光電熱），綠色建筑咨詢(xún)師的加入[8].也就是說(shuō)一個(gè)成功的綠色建筑項(xiàng)目不僅僅需要一個(gè)具備完整技能的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)同時(shí)也要求他們按照一個(gè)合適的工作流程進(jìn)行工作[9]。根據(jù)美國(guó)綠色建筑評(píng)估體系LEED中所提到的14個(gè)不同的專(zhuān)業(yè)人士，包括建筑師、客戶(hù)、土木工程師、結(jié)構(gòu)工程師、設(shè)備管道工程師、室內(nèi)設(shè)計(jì)師、物業(yè)管理人員、承包商、綠色顧問(wèn)、模擬分析師、照明顧問(wèn)、成本估算師、景觀(guān)設(shè)計(jì)師和調(diào)試人員。在綠色建筑的項(xiàng)目中，這些工種都需要不同程度的參與到設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中來(lái)，以使項(xiàng)目順利地獲得綠色建筑認(rèn)證。在LEED的能耗表現(xiàn)，室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)等分值中，至少需要10個(gè)以上專(zhuān)家的參與才能獲得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)[6]。這些專(zhuān)家需要在一起協(xié)同工作，為一系列的模擬提供參考數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證建筑設(shè)計(jì)方案的各種性能狀況。特別是模擬分析師，他們的工作是在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中提供有效的關(guān)于模擬軟件的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)協(xié)助建筑師選擇適宜的設(shè)計(jì)策略并保證建筑設(shè)計(jì)能達(dá)到量化的性能指標(biāo)[10]。

本研究試圖通過(guò)兩個(gè)綠色建筑案例的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程分析去探索建筑模擬軟件在建筑設(shè)計(jì)中的使用情況和各專(zhuān)家協(xié)同工作對(duì)建筑方案設(shè)計(jì)的影響情況；同時(shí)也探討建筑師對(duì)模擬軟件的效用評(píng)價(jià)及他們對(duì)新的工作方式的滿(mǎn)意程度。

二、研究方法

本文主要采用的研究方法是個(gè)案分析。個(gè)案分析是建筑學(xué)中常用的分析方法?；趯?duì)一系列的綠色建筑項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)定條件的篩選，本文選擇了兩個(gè)具有代表性的案例。它們分別代表了不同工作方式，其中天津文體中心的案例，是模擬與設(shè)計(jì)共同并行的工作方式，也就是模擬的早期介入；另一個(gè)是深圳蛇口希爾頓酒店的案例，它是在方案設(shè)計(jì)完成后才開(kāi)始進(jìn)行模擬的。這兩個(gè)方案都獲得了最高級(jí)的綠色建筑認(rèn)證。天津文體中心的是由天津市建筑設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的，而希爾頓酒店是由境外設(shè)計(jì)公司W(wǎng)ATG承擔(dān)方案設(shè)計(jì)，后期深化和施工部分是由廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)。不同的合作方式導(dǎo)致了不同的綠色建筑設(shè)計(jì)流程。本文主要針對(duì)這兩個(gè)案例的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的研究，包括它們使用模擬軟件的情況，人員協(xié)作的情況，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的滿(mǎn)意度情況等。這些數(shù)據(jù)主要來(lái)源于該建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程文件，申報(bào)綠色建筑評(píng)估體系的項(xiàng)目文件及對(duì)建筑師和綠色咨詢(xún)師的兩次采訪(fǎng)。

三、兩個(gè)案例

1.案例一早期模擬介入

1）項(xiàng)目背景

天津文體中心位于天津解放南路，它獲得了LEED白金和中國(guó)綠色三星標(biāo)識(shí)。它占地10,000 平方米，總建筑面積為11500平方米，建筑總高度是23.78米。這個(gè)建筑竣工于2013年3月，建筑的基本功能是為附近的居民提供閱讀、運(yùn)動(dòng)和休閑的場(chǎng)所。它設(shè)有會(huì)議室、學(xué)習(xí)室、象棋室、游泳館、乒乓球室，羽毛球館等。根據(jù)中國(guó)對(duì)全國(guó)熱工設(shè)計(jì)分區(qū)天津位于寒冷氣候區(qū)，因此建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)抵抗低溫，避免強(qiáng)風(fēng)雪，還需要充分利用太陽(yáng)輻射; 在夏季，建筑應(yīng)考慮采用自然通風(fēng)和保溫設(shè)計(jì)。這個(gè)建筑的定位是零能耗建筑，它的目標(biāo)是每年能耗為50～70 千瓦·時(shí)/平方米，比在相同地區(qū)的普通建筑節(jié)能60%以上。它的碳排放目標(biāo)是每年42.7～60千克二氧化碳/平方米，比相同地區(qū)的普通建筑減少了50%左右。設(shè)計(jì)采用了很多被動(dòng)式的設(shè)計(jì)策略，包括合適的窗墻比、自然通風(fēng)、自然采光、中庭采光、優(yōu)化建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、遮陽(yáng)和提高建筑氣密性等方面。這些技術(shù)都是經(jīng)過(guò)模擬軟件分析和驗(yàn)證過(guò)它們對(duì)降低能耗的功能和效果。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)優(yōu)先考慮了被動(dòng)式技術(shù)后，才決定采用主動(dòng)技術(shù)。主要使用的主動(dòng)技術(shù)包括：地源熱泵、地板送風(fēng)系統(tǒng)、高效照明系統(tǒng)、低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、太陽(yáng)能與風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)等。

2）設(shè)計(jì)流程

在本項(xiàng)目中，所有的關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策都經(jīng)過(guò)量化模擬的檢驗(yàn)，在整個(gè)過(guò)程中建筑師與綠色咨詢(xún)師，模擬分析師密切合作，共同推進(jìn)反映當(dāng)?shù)貧夂虻慕ㄖO(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)流程依賴(lài)BIM (Building Information Modeling) 建筑信息模型的軟件對(duì)項(xiàng)目的各階段進(jìn)行有效地管理，這種可視化的建筑信息模型技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段提供各類(lèi)確切的信息,協(xié)助設(shè)計(jì)人員作出準(zhǔn)確的判斷。在這個(gè)平臺(tái)上，建筑師可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中輕易獲得各種信息，包括建筑性能表現(xiàn)、能耗分析、建造成本估算、空間利用率、符合建筑規(guī)范與否等。同時(shí)這個(gè)平臺(tái)可以促進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)的使用率和鼓勵(lì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在同一界面下討論各種關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策提高設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。這種設(shè)計(jì)方式與傳統(tǒng)的個(gè)人為主的設(shè)計(jì)決策方式和線(xiàn)性的工作順序完全不同。在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分為四個(gè)組各自提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，包括三角柱形、半圓形、z形和L形（圖1）。

圖1：四個(gè)概念建筑設(shè)計(jì)方案

根據(jù)周?chē)淖匀画h(huán)境和各方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)四個(gè)方案分別進(jìn)行四組量化模擬分析，分析內(nèi)容包括：圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量分析、室內(nèi)外自然通風(fēng)利用率分析、室內(nèi)自然采光分析、室外太陽(yáng)陰影分析等（圖2）。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用STARCCM+軟件分析冬季和夏季的各個(gè)建筑立面的得熱,分析得出三角柱形和半圓形的設(shè)計(jì)在冬季的建筑墻體得熱多，而在夏季建筑墻體得熱少；Z形和L形的設(shè)計(jì)方案，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)相對(duì)較差。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用CFD軟件進(jìn)行模擬分析，計(jì)算各方案的立面風(fēng)壓差，評(píng)估各方案自然通風(fēng)利用的效果。分析得到Z形和L形的設(shè)計(jì)在過(guò)渡季時(shí)受風(fēng)面積大，自然通風(fēng)表現(xiàn)較好。同時(shí)CFD軟件還用于分析建筑周?chē)娘L(fēng)環(huán)境狀況，對(duì)建筑室外的使用場(chǎng)地進(jìn)行模擬分析，得到較合理的室外場(chǎng)地布置。通過(guò)軟件的定量化分析，三角柱形和半圓形的方案室外空間的通風(fēng)效果較好，建筑周?chē)鸁o(wú)明顯渦流，利于室內(nèi)污染物擴(kuò)散。針對(duì)自然采光分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用了STARCCM+軟件，計(jì)算外窗表面輻射量換算為亮度，對(duì)室內(nèi)亮度進(jìn)行估算，得到各方案的采光情況。另外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)希望盡量少的房間不朝北向，可以獲得更多的日照時(shí)間數(shù)，三角柱形與半圓形可以使盡量少的房間不朝北面。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用Ecotect軟件對(duì)建筑產(chǎn)生的太陽(yáng)陰影進(jìn)行分析，分析結(jié)果可以看出建筑對(duì)周?chē)h(huán)境所產(chǎn)生的遮擋，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行室外活動(dòng)空間規(guī)劃設(shè)計(jì)。

圖2：四組量化模擬分析

圖3：一層到四層增加天窗前后的自然采光表現(xiàn)

針對(duì)四個(gè)方案的量化評(píng)分方式 表1

在這個(gè)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)建立了一套評(píng)估方式對(duì)四個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選。評(píng)分的內(nèi)容包括：自然通風(fēng)、自然采光、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱情況、體形系數(shù)、窗墻比、對(duì)周?chē)墓猸h(huán)境和風(fēng)環(huán)境的影響、平面布局的合理性、與地形的適合度、與被動(dòng)設(shè)施的整合度，綜合以上10項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分，綜合評(píng)選出最優(yōu)的方案。在上述10項(xiàng)指標(biāo)中，除了被動(dòng)設(shè)施的整合度這個(gè)選項(xiàng)是主觀(guān)評(píng)分外，其余9項(xiàng)都是根據(jù)量化數(shù)據(jù)分析得出的評(píng)分。被動(dòng)設(shè)施整合度這項(xiàng)評(píng)分是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)美學(xué)和建筑設(shè)計(jì)的功能布局進(jìn)行主觀(guān)打分的，引入這個(gè)評(píng)分項(xiàng)也是出于對(duì)過(guò)分量化結(jié)果的一種平衡。1,2,3,4的分值分別代表各方案在各個(gè)評(píng)分內(nèi)容表現(xiàn)情況的排序，1代表差，2代表一般，3代表良，4代表優(yōu)。最后經(jīng)過(guò)各項(xiàng)評(píng)分和權(quán)衡，初步評(píng)選出半圓形的方案具有綜合的優(yōu)勢(shì)。

在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選取了半圓形方案之后，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。出于對(duì)建筑使用功能的考慮，建筑師將半圓形的方案優(yōu)化為折線(xiàn)形。對(duì)方案進(jìn)行修改后，建筑師需要和模擬分析師合作對(duì)優(yōu)化的方案重新進(jìn)行評(píng)估。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)建筑各立面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱和建筑設(shè)備的采暖和供冷進(jìn)行綜合評(píng)估，分析經(jīng)過(guò)調(diào)整后的設(shè)計(jì)是否能與調(diào)整前的圍護(hù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)和能耗表現(xiàn)類(lèi)似。另一個(gè)重要部分是對(duì)自然采光進(jìn)行模擬。在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要確認(rèn)的是建筑需滿(mǎn)足采光系數(shù)2.2%的功能區(qū)域占全樓面積的75%以上，方能滿(mǎn)足綠色建筑評(píng)估體系的基本要求。為了獲取更好的自然采光表現(xiàn)，建筑需要滿(mǎn)足90%的樓面采光。因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在原本的設(shè)計(jì)上增加了建筑中庭，并沿中庭的各層走廊布置功能性房間，使更多的空間能獲得自然光。修改方案后進(jìn)行了采光模擬計(jì)算，模擬分析圖（圖3）反映了增加天窗后的室內(nèi)采光的情況，并證實(shí)了修改后的建筑方案能滿(mǎn)足綠色建筑評(píng)估體系的優(yōu)選分值的要求。針對(duì)建筑室內(nèi)通風(fēng)的方面，室內(nèi)熱量可以集中到中庭的附近并由天窗拔風(fēng)排出室外，同時(shí)通過(guò)模擬分析也被證實(shí)了增加天窗可以獲得更好的通風(fēng)效果（圖4）。

在設(shè)計(jì)深化階段，模擬分析師、綠色咨詢(xún)師和建筑師一起協(xié)同工作，繼續(xù)改進(jìn)方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行精確的能耗模擬來(lái)確定項(xiàng)目能達(dá)到預(yù)定的量化目標(biāo)。另外模擬分析不僅僅用以指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)，同時(shí)也用于指導(dǎo)景觀(guān)設(shè)計(jì)和建筑美學(xué)設(shè)計(jì)。例如項(xiàng)目的植物配置設(shè)計(jì)是根據(jù)四季的風(fēng)環(huán)境數(shù)據(jù)分析得出的。由于場(chǎng)地需要阻擋冬季的寒風(fēng)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇在西北及北向種植常綠密實(shí)綠化或綠籬，減少冬季供熱能耗。由于場(chǎng)地需要促進(jìn)夏季的通風(fēng)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇南向種植落葉高大喬木，鼓勵(lì)場(chǎng)地通風(fēng)，同時(shí)減少夏季太陽(yáng)輻射得熱并削弱公路噪聲。由于場(chǎng)地需要促進(jìn)過(guò)渡季的通風(fēng)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇在西南向種植低矮綠植，確保過(guò)渡季的自然通風(fēng)效果。項(xiàng)目外墻的色彩選擇也是根據(jù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量模擬的指引下選擇的?？傊?，在這個(gè)項(xiàng)目中，模擬軟件的使用在指引方案設(shè)計(jì)方面起到了至關(guān)重要的作用。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，建筑師需要根據(jù)模擬分析師的建議、模擬軟件的反饋和綠色建筑評(píng)估體系的量化要求進(jìn)行決策，許多重大的設(shè)計(jì)決策都是在綜合權(quán)衡了各方面的要素和信息之后才確定的。

3）建筑師的反饋

建筑師的訪(fǎng)談結(jié)果可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：一、模擬軟件為被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略提供了強(qiáng)大的量化數(shù)據(jù)支持，由于有了模擬數(shù)據(jù)的支持許多被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略被采用，并在實(shí)際的運(yùn)用中也驗(yàn)證了這些策略的有效性。二、模擬軟件不僅沒(méi)有限制了設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性，還幫助建筑師實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)策略。三、模擬軟件結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)的修改和深化：該項(xiàng)目的出發(fā)點(diǎn)是基于建筑性能的設(shè)計(jì)方針，性能要求在概念設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)結(jié)合到建筑方案設(shè)計(jì)中，所以在實(shí)施模擬軟件的過(guò)程中也沒(méi)有遇到什么障礙，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段都可以運(yùn)用模擬軟件對(duì)這些設(shè)計(jì)策略進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。四、通過(guò)定量標(biāo)磚打分方式來(lái)挑選方案是有效并值得推廣的，在打分系統(tǒng)中可以兼顧到建筑性能要求及建筑設(shè)計(jì)美學(xué)，利用科學(xué)性的權(quán)重指標(biāo)可以反映每個(gè)項(xiàng)目的特點(diǎn)。五、對(duì)建筑師話(huà)語(yǔ)權(quán)并沒(méi)有顯著影響：項(xiàng)目過(guò)程中多了模擬軟件和模擬分析師的參與，這些工具和人員的參與補(bǔ)充和完善了建筑師的知識(shí)，使設(shè)計(jì)作品更完善、更科學(xué)。六、模擬軟件輔助建筑設(shè)計(jì)和多專(zhuān)家研討會(huì)參與設(shè)計(jì)決策是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，建筑師要積極面對(duì)這種變化和發(fā)展。七、項(xiàng)目的缺陷：雖然模擬軟件能為設(shè)計(jì)決策提供很多的幫助，但是也無(wú)法掩蓋它消耗了過(guò)量的時(shí)間和人力成本的弊端。

2.案例2后期模擬驗(yàn)證

1）項(xiàng)目背景

本案例研究的項(xiàng)目是位于深圳蛇口太子路的希爾頓酒店。酒店目前獲得了GBL三星認(rèn)證和LEED白金認(rèn)證。它包含了一個(gè)23,654平方米的區(qū)域，總建筑面積達(dá)到50920平方米，總建筑高度為60.8米，一共有14層。它建于2013年5月，可以為客人提供320間客房、會(huì)議室、宴會(huì)廳、幾家餐廳和游泳池、水療中心等休閑場(chǎng)所。深圳位于亞熱帶氣候區(qū)，這個(gè)區(qū)域的氣候冬暖夏熱。因?yàn)楦邷睾洼p微的季節(jié)性變化，這一區(qū)域的建筑物對(duì)建筑性能的要求一年四季都差不多。在這個(gè)氣候區(qū)中，建筑物的重要被動(dòng)設(shè)計(jì)策略是持續(xù)并且有效的自然通風(fēng)和減濕。同時(shí)合適的遮陽(yáng)系統(tǒng)是保持室內(nèi)舒適必要的策略。此外，適當(dāng)?shù)慕ㄖ误w系數(shù)和高效的墻體隔熱系統(tǒng)對(duì)于減少夏季空調(diào)的使用非常有必要。這個(gè)項(xiàng)目在方案設(shè)計(jì)階段并沒(méi)有考慮對(duì)被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略的使用，建筑的形態(tài)和空間布局等主要考慮如何最大化的體現(xiàn)海景。同時(shí)在這個(gè)建筑的方案設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)理念，建筑造型和立面效果是首要的關(guān)注重點(diǎn)。節(jié)能設(shè)計(jì)僅僅是為了滿(mǎn)足綠色建筑評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的星級(jí)要求進(jìn)行考慮的，主要體現(xiàn)在建筑部品和建筑設(shè)備的優(yōu)選上，對(duì)建筑方案的影響較小。

2）設(shè)計(jì)流程

希爾頓酒店所采用的是目前中國(guó)最普遍的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)由于該項(xiàng)目需要獲得GBL 三星和LEED 白金，因此在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中增加了綠色建筑咨詢(xún)單位的參與。綠色建筑咨詢(xún)單位的主要工作內(nèi)容是在建筑方案完成之后，這也是普遍的綠色咨詢(xún)公司開(kāi)始參與的設(shè)計(jì)階段。

圖4：增加天窗后對(duì)室內(nèi)通風(fēng)和熱消散的影響

圖5：三個(gè)概念建筑設(shè)計(jì)方案

在概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，三個(gè)擁有極具表現(xiàn)力和吸引力的建筑外觀(guān)和風(fēng)格的建筑設(shè)計(jì)方案被提出（圖5），包括雙L形，Y形和弧形。在三個(gè)方案的篩選過(guò)程中，主要考慮的因素是設(shè)計(jì)理念和建筑造型方面的因素，最終選定了雙L形的方案進(jìn)行深化。這個(gè)方案的寓意為在海邊嬉戲跳躍的雙魚(yú)，兩個(gè)雙L形的面向大海的塔樓是根據(jù)魚(yú)的形象進(jìn)行設(shè)計(jì)的，立面采用陽(yáng)臺(tái)錯(cuò)位和飄板構(gòu)架的組合，展現(xiàn)如魚(yú)鱗般的線(xiàn)條。下面的不規(guī)則的裙房設(shè)計(jì)是體現(xiàn)海邊錯(cuò)落的巖石的效果。這個(gè)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)造型最終獲得了發(fā)展商的認(rèn)可，并選擇了雙L形的方案進(jìn)行深化。

在這個(gè)項(xiàng)目中，建筑模擬軟件的使用和綠色咨詢(xún)師的介入并沒(méi)有影響建筑方案設(shè)計(jì)造成影響，也沒(méi)有對(duì)建筑方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和概念方案優(yōu)選中提供意見(jiàn)。它們的主要作用是為建筑物是否符合綠色建筑評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)提供定量支持。該項(xiàng)目的建筑環(huán)境模擬包括室內(nèi)外通風(fēng)評(píng)估，室內(nèi)外日照模擬和噪聲模擬。

綠色建筑評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)自然通風(fēng)的要求包括如下：包括（1）對(duì)項(xiàng)目周?chē)娘L(fēng)環(huán)境進(jìn)行模擬、評(píng)估和分析，確認(rèn)項(xiàng)目的形體，軸向和布置方式是否有利于自然通風(fēng)，項(xiàng)目是否有影響周?chē)h(huán)境的自然通風(fēng)情況；（2）評(píng)估項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)近地面1.5米處風(fēng)速分布是否合理，主要人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速有無(wú)超出5米/秒；（3）評(píng)估建筑單體的前后風(fēng)壓差情況，較大的風(fēng)壓差有利于單體建筑內(nèi)部的自然通風(fēng)。如圖7所示，在夏季東南風(fēng)盛行的情況下，酒店區(qū)域整體通風(fēng)狀況良好，無(wú)5米/秒以上風(fēng)速區(qū)域；酒店區(qū)域面向主導(dǎo)風(fēng)向形成2個(gè)流暢的通風(fēng)通道，使得區(qū)域內(nèi)整體通風(fēng)狀況較好。建筑前后表面可形成5帕風(fēng)壓，有利于室內(nèi)形成自然通風(fēng)。在冬季東北風(fēng)主導(dǎo)的情況下，即使室外風(fēng)速達(dá)到5米/秒，由于酒店位于較多高層建筑的下風(fēng)側(cè)，經(jīng)模擬分析，其周邊呼吸區(qū)區(qū)域(即距地面1.5米高) 人員活動(dòng)區(qū)域風(fēng)速基本在2.5米/秒以?xún)?nèi)，風(fēng)速放大系數(shù)約為1。模擬結(jié)果滿(mǎn)足綠色建筑評(píng)估體系的要求（圖6）。

圖6：在地面1.5米處通風(fēng)情況

室內(nèi)采光模擬達(dá)到了綠色建筑評(píng)估體系中的要求，即賓館類(lèi)建筑75%以上的主要功能空間室內(nèi)采光系數(shù)2%的限值要求。采光模擬分析對(duì)建筑設(shè)計(jì)起了一定的影響，如對(duì)地下一層的光導(dǎo)管的位置的選取有一定的指導(dǎo)作用。在圖7中可以分析得到，地下一層的車(chē)庫(kù)采用了14套光導(dǎo)管照明，整體區(qū)域內(nèi)可以達(dá)到80%的區(qū)域滿(mǎn)足室內(nèi)天然光臨界照度不低于25勒克斯的要求。針對(duì)酒店各層的公共使用空間的采光也進(jìn)行了模擬，主要的功能區(qū)域都能滿(mǎn)足采光系數(shù)的要求。客房采用外單邊外走廊設(shè)計(jì)方式，標(biāo)準(zhǔn)客房進(jìn)深為11.5米，單側(cè)采光效果良好。在客房采光模擬圖中可以分析出，自然采光的主要功能區(qū)域可以達(dá)到94.8%的區(qū)域滿(mǎn)足采光系數(shù)不低于1%的要求。

圖7：各層室內(nèi)采光模擬圖

圖8：建筑方案優(yōu)化

在建筑方案確定為雙L形后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)及發(fā)展商開(kāi)始對(duì)建筑形體的耗能和實(shí)際效用方面進(jìn)行了考慮。發(fā)展商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)依靠多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為兩個(gè)L形的設(shè)計(jì)使建筑使用空間過(guò)度暴露于太陽(yáng)輻射中而造成夏季供冷負(fù)擔(dān)重的問(wèn)題，而且兩個(gè)建筑塔樓中間依賴(lài)中庭進(jìn)行連接，這種平面布局不利于空間利用；同時(shí)單邊走廊的設(shè)計(jì)雖然令客房享有更好的景觀(guān)資源，但是不利于提高空調(diào)效率，也不利于整個(gè)建筑的空間利用率。因此在后續(xù)的優(yōu)化方案中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)分開(kāi)的形體在前部整合在一起，也就是說(shuō)在塔樓的東南部是雙邊走廊，即相當(dāng)于有一段走廊是有兩邊客房，尾端的走廊依然保留單邊走廊的形式，在保證建筑的雙魚(yú)的形態(tài)滿(mǎn)足建筑師的設(shè)計(jì)理念的同時(shí)也稍微考慮到了建筑節(jié)能的因素（圖8）。這個(gè)調(diào)整是在方案設(shè)計(jì)階段，根據(jù)建筑師的經(jīng)驗(yàn)對(duì)方案作出的節(jié)能修改。

隨后，綠色咨詢(xún)師對(duì)標(biāo)準(zhǔn)客房層進(jìn)行了室外走廊的熱舒適度分析和對(duì)客房層逐月的太陽(yáng)輻射的熱量進(jìn)行了分析。在模擬中發(fā)現(xiàn)由于建筑方案中較大的窗墻比使得走廊的太陽(yáng)輻射量很高，因此綠色咨詢(xún)師建議安裝外遮陽(yáng)設(shè)施。模擬結(jié)果還表明，設(shè)置外遮陽(yáng)可以降低太陽(yáng)輻射得熱量53.8%（圖9）。這個(gè)結(jié)果表明遮陽(yáng)設(shè)備可以顯著減少太陽(yáng)熱輻射，并大幅降低空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗。綠色咨詢(xún)師認(rèn)為在建筑的西北立面做可調(diào)節(jié)式的外遮陽(yáng)板可以起到明顯的節(jié)能效果，但是建筑師認(rèn)為外遮陽(yáng)板會(huì)嚴(yán)重的影響立面美觀(guān)。經(jīng)過(guò)了多次討論后，建筑師最終仍保留了他們的觀(guān)點(diǎn)。作為讓步，建筑師同意在不太影響建筑外觀(guān)的情況下使用少量的固定遮陽(yáng)板。這些遮陽(yáng)板的長(zhǎng)寬都并未符合最佳遮陽(yáng)的效果和要求，它們僅僅是為了獲得綠色建筑認(rèn)證而設(shè)置的。

圖9：走廊有無(wú)外遮陽(yáng)的太陽(yáng)輻射量對(duì)比

在這個(gè)項(xiàng)目中，由于能耗模擬的介入是在方案已經(jīng)確認(rèn)后進(jìn)行的，綠色咨詢(xún)師并未能在建筑方案的設(shè)計(jì)上給予合適的建議，因此在后期即使發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，卻不能以最理想的方式進(jìn)行解決。只能被動(dòng)地根據(jù)問(wèn)題依賴(lài)設(shè)備進(jìn)行修復(fù)。例如：模擬分析師對(duì)酒店一層進(jìn)行熱環(huán)境模擬，模擬的結(jié)果顯示（圖10）：由于靠窗邊全日餐廳幕墻采用高透玻璃，全日餐廳靠近幕墻的8米范圍內(nèi)地面溫度超過(guò)50℃，該區(qū)域很熱，基本無(wú)法就餐，更談不上欣賞室外景觀(guān)。即使在過(guò)渡季節(jié)的下午3點(diǎn)，玻璃內(nèi)側(cè)溫度也達(dá)到45℃以上。這個(gè)不合理的設(shè)計(jì)問(wèn)題雖然被發(fā)現(xiàn)，但是卻無(wú)法對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，設(shè)計(jì)師只能通過(guò)增加空調(diào)風(fēng)口的出風(fēng)量，更改幕墻玻璃的透光系數(shù)，同時(shí)在室內(nèi)增加活動(dòng)卷簾遮陽(yáng)措施。在這個(gè)過(guò)程中，盡管熱環(huán)境模擬的結(jié)果讓建筑師意識(shí)到建筑在投入使用后會(huì)遇到的問(wèn)題，但是已無(wú)法通過(guò)修改設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化方案，僅能通過(guò)材料和設(shè)備來(lái)修正問(wèn)題。

圖10：一層公共區(qū)域的熱環(huán)境模擬

雖然這個(gè)項(xiàng)目有非常多建筑性能方面的問(wèn)題，包括一層及客房走廊部分夏季過(guò)熱，空調(diào)負(fù)擔(dān)過(guò)重，大部分區(qū)域都使用主動(dòng)技術(shù)照明和制冷，但經(jīng)過(guò)模擬分析師對(duì)建筑相關(guān)的性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，本項(xiàng)目的熱工性能大致符合綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)的要求，包括建筑形體系數(shù)、窗墻比、傳熱系數(shù)和外窗的遮陽(yáng)系數(shù)等。模擬分析師采用Energyplus軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行整體能耗的模擬和分析。結(jié)果表明，本項(xiàng)目的總能耗比基準(zhǔn)建筑約少75.5%，滿(mǎn)足了綠色建筑評(píng)估體系對(duì)能耗的要求。在這個(gè)項(xiàng)目依然遵循傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，模擬軟件的使用主要發(fā)生在設(shè)計(jì)深化階段和施工圖階段，因此，這些模擬的結(jié)果只能發(fā)揮有限的作用。這些模擬結(jié)果沒(méi)有為方案概念設(shè)計(jì)和優(yōu)選方案提供指導(dǎo)，他們的作用僅僅局限于為項(xiàng)目選擇合適的材料和設(shè)備。在這種現(xiàn)狀下，綠色建筑設(shè)計(jì)被普遍認(rèn)為是指選擇節(jié)能建筑構(gòu)件或高效設(shè)備系統(tǒng)，包括高性能玻璃、節(jié)水器具、高效照明設(shè)備、空調(diào)和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)等。同時(shí)，綠色咨詢(xún)師和模擬分析師的作用僅僅是根據(jù)相關(guān)要求去獲得綠色建筑認(rèn)證，而不是協(xié)助建筑師共同設(shè)計(jì)最適宜氣候的建筑。

3）建筑師的反饋

關(guān)于模擬軟件在這個(gè)項(xiàng)目中的作用和影響，建筑師的訪(fǎng)談結(jié)果可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：一、模擬分析師的作用主要在于驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到綠色建筑評(píng)估體系的要求，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，設(shè)計(jì)過(guò)程與常規(guī)項(xiàng)目之間并沒(méi)有太大差異。二、建筑性能和能耗目標(biāo)是在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和開(kāi)發(fā)商確認(rèn)了方案設(shè)計(jì)之后才被提出的，它們并沒(méi)有顯著改變建筑物的設(shè)計(jì)性能。綠色建筑概念僅僅體現(xiàn)在添加一些綠色技術(shù)和選擇適當(dāng)參數(shù)的建材。三、模擬軟件的作用僅在于為設(shè)計(jì)方案是否符合綠色建筑評(píng)估體系的要求提供定量的參考，模擬結(jié)果并沒(méi)有反饋到設(shè)計(jì)修改中。四、咨詢(xún)師提出的被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略嚴(yán)重的影響了原有的建筑設(shè)計(jì)，建筑方案確定之后，再引入被動(dòng)設(shè)計(jì)策略一般都很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)帶來(lái)方案的重大修改，這是非常耗時(shí)且不經(jīng)濟(jì)的。五、模擬軟件模擬過(guò)程不能與設(shè)計(jì)過(guò)程同步化，量化結(jié)果不能可視化且需要詳細(xì)數(shù)據(jù)才能進(jìn)行分析，因此不能直接用于指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)。六、建筑師不可能掌握這么多的模擬軟件，因此模擬專(zhuān)家必須參與到方案設(shè)計(jì)階段來(lái)，但是設(shè)計(jì)周期短和高強(qiáng)度的工作量決定了這種工作模式很難實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)這兩個(gè)案例設(shè)計(jì)過(guò)程詳細(xì)的研讀及對(duì)項(xiàng)目參與者的訪(fǎng)談，雖然從結(jié)果看它們都獲得了最高水平的綠色建筑認(rèn)證，但是它們的設(shè)計(jì)過(guò)程及所采取的設(shè)計(jì)策略都有巨大的區(qū)別，同時(shí)參與設(shè)計(jì)的建筑師的態(tài)度和評(píng)價(jià)也完全不同。在案例1中，性能模擬對(duì)建筑方案的影響在這個(gè)項(xiàng)目中明顯地反映了出來(lái)。建筑性能模擬在建筑概念設(shè)計(jì)階段就被插入到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，它影響了項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案幾個(gè)重要的方面，包括：建筑形體設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)策略?xún)?yōu)化和建筑系統(tǒng)的選擇等。這個(gè)項(xiàng)目清楚地反映了各種環(huán)境和能源模擬軟件是如何影響和改變了由建筑師的經(jīng)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)商的偏好為主導(dǎo)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中定量模擬分析最突出的表現(xiàn)在于對(duì)建筑方案的選擇。在這個(gè)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了一個(gè)綜合指標(biāo)評(píng)分方法，它通過(guò)對(duì)幾個(gè)模擬分析結(jié)果和建筑主觀(guān)評(píng)價(jià)一起設(shè)定為評(píng)分指標(biāo)并根據(jù)十項(xiàng)指標(biāo)的打分結(jié)果來(lái)選擇合適的設(shè)計(jì)方案。在案例2中，建筑性能模擬和相關(guān)咨詢(xún)沒(méi)有顯著影響建筑的設(shè)計(jì)方案，如建筑形體、朝向、立面和布局等。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將綠色建筑設(shè)計(jì)視為一項(xiàng)附加技術(shù)環(huán)節(jié)，他們只需要增加幾種“綠色”策略來(lái)滿(mǎn)足認(rèn)證要求。在建筑師看來(lái)，綠色咨詢(xún)師和模擬分析師的作用僅僅被雇傭來(lái)進(jìn)行設(shè)備和技術(shù)的選擇，而不是參與指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案。咨詢(xún)的有效性只在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，在這一階段，專(zhuān)家們只能通過(guò)應(yīng)用復(fù)雜的技術(shù)和優(yōu)化建筑材料的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)綠色建筑評(píng)估體系對(duì)建筑性能的要求。

雖然這兩個(gè)項(xiàng)目都獲得了頂級(jí)的綠色建筑認(rèn)證，僅僅基于建筑物的后期驗(yàn)證結(jié)果很難區(qū)分出模擬軟件在這兩個(gè)項(xiàng)目中多發(fā)揮的作用和影響；但是在經(jīng)過(guò)深入調(diào)查后，明顯地揭示了兩種不同的工作方式導(dǎo)致了完全不同的設(shè)計(jì)策略的選擇。模擬軟件在早期介入的方案可以考慮更多與當(dāng)?shù)貧夂蛳噙m應(yīng)的被動(dòng)式的設(shè)計(jì)策略，而模擬軟件在晚期介入的方案更多地考慮用主動(dòng)技術(shù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑性能的指標(biāo)。而后者在傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)流程的背景下更為普遍。目前，許多咨詢(xún)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)僅僅為了項(xiàng)目能夠獲得綠色建筑認(rèn)證，而建筑的設(shè)計(jì)策略選擇和解決方案僅僅基于易操作性和經(jīng)濟(jì)可行性。案例2就是這樣一種情況，性能目標(biāo)和能效概念不影響建筑方案設(shè)計(jì)，這些目標(biāo)只是被視為獲得綠色建筑認(rèn)證的附加部分。模擬軟件不同的介入時(shí)間也顯著地影響著建筑師對(duì)建筑性能模擬的看法。案例1很好地展示了建筑性能模擬在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的積極影響，建筑師對(duì)在早期設(shè)計(jì)階段采用建筑性能模擬有非常積極的反饋。而在案例2中，建筑師對(duì)模擬軟件能否指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案有較為負(fù)面的看法，他們普遍認(rèn)為選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和材料參數(shù)就能解決建筑性能的問(wèn)題。

本研究也探討了早期模擬軟件的介入對(duì)于選擇設(shè)計(jì)策略的重要作用。實(shí)際上最新版的美國(guó)綠色建筑評(píng)估體系LEED V4已經(jīng)開(kāi)始著手解決這個(gè)問(wèn)題。集成化設(shè)計(jì)評(píng)分要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在早期設(shè)計(jì)階段就對(duì)從能源與水等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)策略的分析。重點(diǎn)在于關(guān)注利用建筑性能模擬的方法來(lái)探討整體建筑系統(tǒng)的協(xié)同性和有效性，而不同于原來(lái)的僅僅關(guān)注量化目標(biāo)的其他LEED的分值。為了獲得這個(gè)分值，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不僅需要提供定量結(jié)果，還必須提供至少有兩種設(shè)計(jì)策略和反映設(shè)計(jì)策略比較過(guò)程的設(shè)計(jì)文件來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。這也證明了綠色建筑評(píng)估體系的主要焦點(diǎn)正在從簡(jiǎn)單地獲得準(zhǔn)確的定量目標(biāo)轉(zhuǎn)變到獲得適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)決策過(guò)程。目前評(píng)估體系的重點(diǎn)也漸漸轉(zhuǎn)移到鼓勵(lì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方案。此外，著重建筑設(shè)計(jì)過(guò)程被認(rèn)為是避免“分值追逐”現(xiàn)象的最有效手段。

圖片來(lái)源

圖1～圖4：天津天津市建筑設(shè)計(jì)院提供設(shè)計(jì)過(guò)程文件

圖5：WATG提供設(shè)計(jì)過(guò)程文件

圖6～圖7：華南理工大學(xué)提供綠色建筑咨詢(xún)過(guò)程文件

圖8：WATG提供設(shè)計(jì)過(guò)程文件

圖9～圖10 ：華南理工大學(xué)提供綠色建筑咨詢(xún)過(guò)程文件