基于環(huán)境性能的建筑形態(tài)生成與建構(gòu)方法

李麟學(xué) 葛康寧 張琪

同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

業(yè)主：河南省科技館

建設(shè)地點(diǎn)：河南省鄭州市

建筑設(shè)計(jì)：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司麟和建筑工作室

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：李麟學(xué)

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)：吳杰、周凱鋒、劉旸、吳琦

總建筑面積：105 000m2

設(shè)計(jì)時(shí)間：2017.05～2018.10

項(xiàng)目狀態(tài)：在建

建筑性能是一個(gè)長(zhǎng)久的建筑學(xué)科命題。班納姆在《環(huán)境調(diào)控的建筑學(xué)》中將建筑比喻為“環(huán)境調(diào)控的機(jī)器”，認(rèn)為建筑發(fā)展史是一部環(huán)境調(diào)控的歷史，將建筑中的環(huán)境調(diào)控提升到與結(jié)構(gòu)、材料和空間設(shè)計(jì)同樣重要的地位。從環(huán)境調(diào)控到環(huán)境性能，體現(xiàn)了當(dāng)代建筑學(xué)科的重要理論發(fā)展。建筑環(huán)境性能關(guān)注物理因素如風(fēng)、光、熱等要素對(duì)建筑空間布局和形態(tài)的影響，隨著環(huán)境模擬技術(shù)的跨越式發(fā)展以及數(shù)字技術(shù)的引入，環(huán)境性能研究逐漸從定性向定量發(fā)展。

環(huán)境和能量是相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)主題，威廉·布雷厄姆教授在《建筑與能量：性能與風(fēng)格》一書中從環(huán)境性能優(yōu)化入手，闡釋了能耗如何影響建筑的性能與形式。目前關(guān)于建筑節(jié)能的研究主要有兩方面：一是主動(dòng)技術(shù)，即高效利用建筑設(shè)備調(diào)控建筑室內(nèi)環(huán)境；二是有意識(shí)地將自然通風(fēng)和自然采光相結(jié)合，以被動(dòng)方式減少能源消耗。將數(shù)字技術(shù)和工具應(yīng)用于建筑時(shí)，可以對(duì)建筑物的節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的計(jì)算和模擬，但是這種方法目前仍存在諸多誤區(qū)，如“回溯性”驗(yàn)算使建筑本體設(shè)計(jì)邊緣化，造成建筑師無(wú)力觸及能量議題的內(nèi)核。

環(huán)境、能量與建筑息息相關(guān)，對(duì)建筑物中能量運(yùn)行機(jī)制的科學(xué)分析可以為建筑物的形式、功能、空間等的組織提供有力支持，實(shí)現(xiàn)從形體到構(gòu)造的整合。本文以河南省科技館新館為例，通過(guò)使用數(shù)字工具進(jìn)行環(huán)境參數(shù)模擬，從而實(shí)現(xiàn)建筑形態(tài)的生成與建構(gòu)。

1 環(huán)境性能與能量協(xié)同

從建筑能量系統(tǒng)的角度來(lái)看，與建筑有關(guān)的所有能量流動(dòng)可以分為三類：能量隔離、能量引導(dǎo)和能量整合。

能量隔離是指最大程度地減少建筑與環(huán)境之間的能量交換，并將建筑內(nèi)部視為完全受控的能源系統(tǒng)。洞穴和雪屋是傳統(tǒng)建筑中典型的能量隔離案例，在現(xiàn)代建筑中，有效的外部隔熱、窗戶氣密性與遮陽(yáng)系統(tǒng)的改善也可有效實(shí)現(xiàn)能量隔離。

建筑和環(huán)境中的能量引導(dǎo)以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行。能量流的方向由空間中的能量勢(shì)差決定，并且能量總是從高能勢(shì)傳遞到低能勢(shì)。能量引導(dǎo)是要有依據(jù)地在建筑物內(nèi)合理分配能源。自然通風(fēng)就是一種典型的能源引導(dǎo)。

熱力學(xué)第二定律指出，不可能從單個(gè)熱源提取熱量并將其完全轉(zhuǎn)換成有用功而不產(chǎn)生其他影響。該定律指出了能量流動(dòng)的方向性和不同能量之間的質(zhì)量差異。對(duì)于建筑能源系統(tǒng)，電能和太陽(yáng)輻射是高質(zhì)量的能源，而熱能是低質(zhì)量的能源。能源整合是為了捕獲和重組內(nèi)部的能源，以求更有效地利用建筑中的能源。

2 設(shè)計(jì)路線

2.1 環(huán)境與氣候模擬

設(shè)計(jì)的第一步是收集當(dāng)?shù)氐臍夂蚝吞鞖鈹?shù)據(jù)，并確定相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。使用軟件對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化，提取與建筑物能源直接相關(guān)的重要參數(shù)，包括溫度、濕度、太陽(yáng)輻射、風(fēng)環(huán)境等。

2.2 建筑形態(tài)生成

基于環(huán)境分析和建筑物的規(guī)模和功能要求，建筑師可以在總體規(guī)劃中設(shè)計(jì)建筑物的總體布局，同時(shí)借助模型軟件創(chuàng)建建筑物的粗略體積和形狀、立面開(kāi)口和中庭位置。建筑技術(shù)人員試圖通過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬軟件尋找“環(huán)境響應(yīng)”的建筑物形態(tài)。在不同季節(jié)，外部風(fēng)環(huán)境和對(duì)建筑自然通風(fēng)強(qiáng)度的需求有所不同，因此建筑師需要分別在冬季和夏季進(jìn)行風(fēng)環(huán)境模擬，選擇環(huán)境參數(shù)并根據(jù)反饋優(yōu)化形態(tài)以獲得最終方案。

2.3 表皮建構(gòu)

在建筑設(shè)計(jì)階段，“建筑實(shí)現(xiàn)”常常與建筑表皮形式、結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)造有關(guān)。首先，建筑師應(yīng)充分考慮建筑物外墻材料、顏色、墻面熱阻、比熱容、外門窗和遮光條件，確定表皮的基本類型和形式。建筑表皮對(duì)環(huán)境的響應(yīng)能力可以分為固定、可變和自適應(yīng)三個(gè)級(jí)別。在對(duì)表皮進(jìn)行模擬優(yōu)化后，選出節(jié)能和環(huán)保功能較好的被動(dòng)式建筑表皮構(gòu)件，以增強(qiáng)自然采光和通風(fēng)。最后，當(dāng)被動(dòng)式表皮構(gòu)件不足以提供舒適感時(shí)，需尋求主動(dòng)式技術(shù)的輔助。

當(dāng)代建筑表皮建構(gòu)日益向模塊化設(shè)計(jì)邁進(jìn)。根據(jù)其工作原理和相應(yīng)的氣候要素，表皮建構(gòu)可分為日照模塊、通風(fēng)模塊、熱模塊和能量模塊。表皮設(shè)計(jì)不是單純的拼貼，而應(yīng)考慮能量系統(tǒng)中不同模塊之間的交互作用。不同的建筑表皮可以滿足其特定需求，使表皮與環(huán)境形成積極互動(dòng)。

表1 建筑表皮優(yōu)化和整合進(jìn)程

1 河南科技館新館效果圖

2 鄭州市氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3 鄭州市全年相對(duì)濕度分析

4 鄭州市夏、冬兩季焓濕圖分析

5 鄭州市太陽(yáng)輻射分析

6 鄭州市年風(fēng)環(huán)境分析

3 建筑形態(tài)生成與建構(gòu)——以河南科技館新館為例

3.1 項(xiàng)目概況

河南科技館新館是麟和建筑工作室在建筑領(lǐng)域探索“能量協(xié)同設(shè)計(jì)”的重要實(shí)踐。該項(xiàng)目位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)象湖湖畔，建筑用地面積54 453m2，總建筑面積105 000m2，容積率1.47，建筑高度42m，地上4層，地下1層（圖1）。

3.2 當(dāng)?shù)丨h(huán)境和氣候分析

鄭州市屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，在太陽(yáng)輻射、地形地質(zhì)、大氣環(huán)流等因素的共同作用下，形成了冷暖適中、四季分明、雨熱同期、干冷同季等氣候特征（圖2）。其中冬季最長(zhǎng)，夏季次之，春秋季較短，年平均溫度維持在14～14.3℃。鄭州的降水量較低，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗少雨，冬季寒冷少雪。年降水量為610mm且主要分布在6～9月，一年中其他季節(jié)雨水較少。

3.2.1 溫濕度分析

借助可視化工具軟件，對(duì)鄭州地區(qū)一天內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行分時(shí)分析，可以看出鄭州夏季溫度和相對(duì)濕度都較高，尤其在午后溫度達(dá)到一天中最高點(diǎn)時(shí)，冬季溫度和相對(duì)濕度較夏季而言都比較低。此外，冬季和夏季常出現(xiàn)極端氣候。分時(shí)段對(duì)一天的氣候變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度最高點(diǎn)都出現(xiàn)在夜間。鄭州全年相對(duì)濕度相較于沿海城市低很多，上午較低，夜間較高，整體較為舒適。相較于其他月份，8月份較為潮濕，平均濕度達(dá)72%以上，在這個(gè)時(shí)期應(yīng)做好適當(dāng)?shù)某凉翊胧▓D3）。

3.2.2 焓濕圖分析

通過(guò)焓濕圖對(duì)鄭州的冬季和夏季氣候進(jìn)行分析，圖中藍(lán)色部分顯示的是鄭州室外氣候集中出現(xiàn)的區(qū)域，而黃色框內(nèi)是人體感到舒適的區(qū)域。藍(lán)色部分遠(yuǎn)離黃色框，可知夏季鄭州氣候呈現(xiàn)高溫高濕的特點(diǎn)，而在冬季則溫度偏低。因此在建筑被動(dòng)式設(shè)計(jì)中最有效的方案為：夏季加強(qiáng)自然通風(fēng)和夜間通風(fēng)，從而覆蓋大量在舒適區(qū)域之外的氣候數(shù)據(jù)，提高舒適性；冬季則利用被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)，覆蓋部分舒適區(qū)域之外的氣候數(shù)據(jù)，同時(shí)配合主動(dòng)式設(shè)計(jì)來(lái)抵御嚴(yán)寒（圖4）。

3.2.3 日照分析

鄭州日照資源較豐富，全年日照時(shí)間約2 400h，最佳日照朝向?yàn)槟掀?.5°，在此情況下可以最大程度獲取冬季陽(yáng)光，同時(shí)降低夏季太陽(yáng)輻射對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響（圖5）。

3.2.4 風(fēng)環(huán)境分析

根據(jù)風(fēng)玫瑰圖顯示，鄭州全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸逼珫|風(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西南風(fēng)。冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)?？紤]到夏季西南風(fēng)和冬季東北風(fēng)對(duì)沖（圖6），在夏季自然通風(fēng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)東南風(fēng)布局風(fēng)道。此外，應(yīng)對(duì)西南方向的風(fēng)進(jìn)行靈活的可開(kāi)閉性設(shè)計(jì)，夏季導(dǎo)風(fēng)，冬季阻風(fēng)。

3.3 基于環(huán)境性能的建筑形態(tài)生成

3.3.1 風(fēng)環(huán)境模擬

鄭州夏季盛行風(fēng)的主要方向?yàn)闁|南風(fēng)，為促進(jìn)通風(fēng)，建筑布局應(yīng)在一定程度上順應(yīng)風(fēng)向。通過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬軟件的初步模擬，在室外主要人行區(qū)1.5m高度處，場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)場(chǎng)流線順暢，無(wú)氣流死區(qū)，無(wú)明顯的漩渦，風(fēng)速保持在0.5～2.5m/s，基本符合人體舒適度要求。為了深入探究地形對(duì)建筑自然通風(fēng)的影響，在風(fēng)環(huán)境模擬中加入地形因素，結(jié)果顯示，地形對(duì)場(chǎng)地內(nèi)建筑的自然通風(fēng)有著較為明顯的影響，在一定程度上降低了場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)速，但并沒(méi)有形成明顯的渦流或者阻礙（圖7）。

7 夏季風(fēng)環(huán)境模擬

8 冬季風(fēng)環(huán)境模擬

9 建筑形態(tài)生成策略

10 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M裝置

11 表皮結(jié)構(gòu)分析

12 表皮構(gòu)造分析

鄭州冬季盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。經(jīng)過(guò)風(fēng)環(huán)境模擬軟件的初步模擬，我們看到在主要人行區(qū)1.5m高度處，場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)場(chǎng)流線順暢，無(wú)氣流死區(qū)，無(wú)明顯的漩渦，風(fēng)速保持在0.8～2.6m/s，基本符合人體舒適度要求。相較于夏季而言，冬季風(fēng)速略微偏大，故計(jì)劃在風(fēng)速放大區(qū)域種植植被，對(duì)其進(jìn)行一定的阻擋（圖8）。

整個(gè)外墻為“響應(yīng)環(huán)境”采用了流線形設(shè)計(jì)，沒(méi)有明確的邊界和界限，建筑體量呈現(xiàn)三叉形，每一個(gè)分叉都在截面方向扭轉(zhuǎn)了90°，使得建筑部分屋頂和另一部分的外墻處于同一個(gè)曲面，外墻、屋頂和架空樓板融為一體。建筑面對(duì)象湖方向形成了多層次的錯(cuò)落空間，在湖畔綿延展開(kāi)，利用自然高差呈現(xiàn)出階梯狀的立體態(tài)勢(shì)，形成錯(cuò)落流暢的天際線。建筑的整體形態(tài)生成與場(chǎng)地風(fēng)場(chǎng)的最大化契合，使其可以平衡最小化能源的使用和最舒適環(huán)境性能的營(yíng)造（圖9）。

3.3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

河南科技館新館形體基本確定后，在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合環(huán)境參數(shù)化技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)室中，3D打印的剛體模型設(shè)660個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)，通過(guò)細(xì)管傳壓至電子掃描閥，每個(gè)點(diǎn)312次/s掃描測(cè)定點(diǎn)所在的時(shí)空動(dòng)脈特性（圖10），在環(huán)境模擬技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)環(huán)境分析，以1/300的幾何縮尺比模擬了B類風(fēng)場(chǎng)，同時(shí)模擬了位于周邊約850m直徑范圍內(nèi)的主要建筑，得出每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)風(fēng)壓，以此精準(zhǔn)驗(yàn)證建筑形態(tài)與界面設(shè)計(jì)，形隨流定，從而推動(dòng)環(huán)境、能量與建筑的互動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.4 基于環(huán)境性能的表皮建構(gòu)

3.4.1 雙層鋁板幕墻體系

河南科技館新館的外墻采用雙層框架式幕墻體系。外層是帶翻轉(zhuǎn)遮陽(yáng)構(gòu)件的開(kāi)放式銀白色陽(yáng)極氧化鋁板裝飾掛板幕墻，內(nèi)層為框架式玻璃幕墻，雙層幕墻通過(guò)連接構(gòu)件固定在主體結(jié)構(gòu)上。其中，內(nèi)層玻璃幕墻距離主體鋼結(jié)構(gòu)250mm，裝飾面層距離主體鋼結(jié)構(gòu)1 000mm。玻璃幕墻傳熱系數(shù)K≤1.9，玻璃幕墻遮陽(yáng)系數(shù)0.47。外側(cè)的開(kāi)放式陽(yáng)極氧化鋁板幕墻使用鋼框與銀白色陽(yáng)極氧化鋁板裝飾面板，裝飾面板內(nèi)側(cè)防水層采用氧化鋁單板+防水透氣層+保溫層+龍骨+隔音層+室內(nèi)裝飾吸音面層的構(gòu)造做法（圖10）。

建筑物被連續(xù)的鋁制外殼包裹，形成了能量的界面。根據(jù)白天內(nèi)部功能的不同要求，對(duì)表皮進(jìn)行參數(shù)化控制，通過(guò)一組模塊化系統(tǒng)控制幕墻的打開(kāi)率。不透明部分采用魚鱗狀的鋁板，透明部分根據(jù)鋁板的翻轉(zhuǎn)角度滿足不同的功能需求（圖11，12）。

13 表皮效果圖

14 表皮建構(gòu)模擬和優(yōu)化

15 表皮立面和剖面圖

3.4.2 表皮建構(gòu)

通過(guò)軟件模擬和優(yōu)化，可將面板尺寸模塊化，使整個(gè)建筑曲面轉(zhuǎn)換為一系列平板組件，最大程度地減少曲面面板，從而控制建造成本。幕墻框架安裝在主體結(jié)構(gòu)上，建筑表皮的翻轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)不同的光照環(huán)境自動(dòng)變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的通風(fēng)控制（圖13）。

在設(shè)計(jì)初期，主體鋼結(jié)構(gòu)由水平和垂直框架形成3m×3m的正方形正交網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格支撐四個(gè)鋁板單元。在計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度之后，通過(guò)在正方形網(wǎng)格對(duì)角線方向增加斜桿，將幕墻支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化為更合理的三角形單元。

同時(shí)，表皮的陽(yáng)極氧化鋁板配備了納米技術(shù)防塵自潔涂層，以應(yīng)對(duì)中國(guó)北方的多塵環(huán)境。自潔涂層的使用也可以視為一種“環(huán)境響應(yīng)”的材料選擇（圖14）。

3.5 整合主動(dòng)與被動(dòng)的通風(fēng)系統(tǒng)

河南科技館新館按照LEED白金標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家三星級(jí)綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，考慮到局部空間機(jī)械通風(fēng)的必要性，采用了自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)協(xié)同的設(shè)計(jì)方法。以中庭通風(fēng)為例，中庭通風(fēng)采用了主動(dòng)式與被動(dòng)式協(xié)同的策略。在夏季和冬季，中庭以主動(dòng)式空調(diào)送風(fēng)為主，空調(diào)采用分層送風(fēng)，保證冷熱量均勻分布?？紤]到科技館中庭高大空間送風(fēng)的有效性，經(jīng)與暖通工程師溝通，結(jié)合座椅設(shè)置送風(fēng)口，在滿足送風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，綜合考慮中庭空間的美觀性和舒適度，風(fēng)管需穿越樓板下的桁架空間到達(dá)指定座椅下方的送風(fēng)口。在春秋過(guò)渡季節(jié)，中庭屋頂開(kāi)啟，利用煙囪熱壓效應(yīng)進(jìn)行自然通風(fēng)。

4 總結(jié)

環(huán)境、能量和建筑是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主題?；诮ㄖh(huán)境性能和能量系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，利用技術(shù)平臺(tái)和模擬工具，實(shí)現(xiàn)“材料—能量—形式—性能”之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，是當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)的重要方法。文章以環(huán)境性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以河南科技館新館項(xiàng)目為例，對(duì)如何借助數(shù)字化工具從氣候參數(shù)分析出發(fā)進(jìn)行建筑形態(tài)的生成和建構(gòu)進(jìn)行了闡述，所提出的“環(huán)境響應(yīng)”以及物質(zhì)化的“建造實(shí)現(xiàn)”將成為建筑設(shè)計(jì)發(fā)展的重要機(jī)遇，也是當(dāng)代建筑學(xué)科的重要理論發(fā)展。