關(guān)于數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑方案設(shè)計(jì)的研究

胡吉愷

(內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

1 數(shù)字技術(shù)與綠色建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)特征

1.1 數(shù)字技術(shù)特征

數(shù)字技術(shù)是典型的參數(shù)化技術(shù)，其核心在于構(gòu)建相應(yīng)的“關(guān)系模型”。目前，部分參數(shù)化軟件在早期開發(fā)過程中，均被賦予了“記錄建構(gòu)歷史”的功能特性，其中最具代表的軟件就是Rhino、Maya等，此類軟件也是早期關(guān)聯(lián)性技術(shù)和參數(shù)化技術(shù)的具體體現(xiàn)。當(dāng)軟件在描述建筑設(shè)計(jì)中各幾何體結(jié)構(gòu)時(shí)，自始至終堅(jiān)持“高維提取低維，低維構(gòu)建高維”的理念原則。但從某種角度來看，“記錄建構(gòu)歷史”主要所記錄內(nèi)容為各種規(guī)則下的具體“關(guān)系”，如，模型建立“關(guān)系”，并且通過對(duì)原始幾何信息相關(guān)結(jié)果的有效更改，可在某種程度上強(qiáng)化參數(shù)化系統(tǒng)內(nèi)部“關(guān)聯(lián)性”。由于傳統(tǒng)建模軟件平臺(tái)中Record History實(shí)際功能存在某種限制，目前，“Grasshopper”參數(shù)化平臺(tái)是應(yīng)用最為廣泛的關(guān)系模型軟件。

因而，參數(shù)化技術(shù)又被認(rèn)為是一種“關(guān)聯(lián)模型”，相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出主要由模型一端所負(fù)責(zé)，可有效指導(dǎo)不同類型的系統(tǒng)操作，并在對(duì)關(guān)聯(lián)記錄后進(jìn)行傳遞，最終形成對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的有效輸出。而該“關(guān)聯(lián)模型”的核心就是“關(guān)聯(lián)性”，可以有效控制相關(guān)“過程”和“數(shù)據(jù)”。

1.2 傳統(tǒng)綠色建筑設(shè)計(jì)特征

從傳統(tǒng)綠色建筑設(shè)計(jì)來看，具體方案的節(jié)能與否無法憑借設(shè)計(jì)師自身經(jīng)驗(yàn)和審美判斷，而以數(shù)字技術(shù)為平臺(tái)所建立的各種數(shù)據(jù)模擬技術(shù)可以對(duì)建筑綠色設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)。所以綠色建筑所采取的設(shè)計(jì)路線為常規(guī)設(shè)計(jì)，即運(yùn)用專業(yè)軟件模擬建筑室內(nèi)外風(fēng)、光、熱、能耗等物理環(huán)境，并圍繞結(jié)果數(shù)值進(jìn)行量化比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)方案節(jié)能與能耗的有效評(píng)估。

一般情況下，建筑設(shè)計(jì)方案的生態(tài)性測(cè)評(píng)活動(dòng)需在前期所有設(shè)計(jì)工作完成后開展，如施工圖設(shè)計(jì)完成后方可進(jìn)行節(jié)能計(jì)算。因此，綠色建筑設(shè)計(jì)的“模擬”也是一種評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)方案的流程，而并非全部納入設(shè)計(jì)前期。若綠色設(shè)計(jì)工具在建筑方案中無法發(fā)揮自身作用和效應(yīng)，將對(duì)生態(tài)設(shè)計(jì)整體效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。Niles Larsson在GBC2000中提出一種全新的工作流程，即：綠色技術(shù)+建筑設(shè)計(jì)模式。其中，在建筑的初步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，能耗模擬、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及設(shè)備設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容被設(shè)計(jì)為一個(gè)循環(huán)體，可將工程師相關(guān)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)意見進(jìn)行總結(jié)和統(tǒng)計(jì)，生成系列化的“反饋信息”，進(jìn)而對(duì)初始方案進(jìn)行修繕和更新。該過程也被視為循環(huán)設(shè)計(jì)，主要目的在于突出“數(shù)據(jù)反饋”的重要地位。

2 數(shù)字技術(shù)輔助綠色建筑設(shè)計(jì)的策略

2.1 組團(tuán)層級(jí)

從宏觀層面來看，傳統(tǒng)聚落、居住區(qū)域以及城市設(shè)計(jì)等的綠色生態(tài)設(shè)計(jì)主要可以從兩個(gè)關(guān)系著手：建筑與建筑的關(guān)系、建筑與環(huán)境的關(guān)系。

在各建筑體系之間，需要綜合規(guī)劃和設(shè)計(jì)建筑群落整體朝向、建筑與街道、建筑樓間距以及建筑與開放空地等建筑組團(tuán)布局；而在建筑與環(huán)境關(guān)系中，則需要考慮自然環(huán)境中各個(gè)不同要素與建筑之間的關(guān)系，如，光照、風(fēng)、土地、地形、水源和植被等。從整體上來看，以組團(tuán)形式為主的生態(tài)策略，重點(diǎn)在于優(yōu)化建筑整體布局的形態(tài)和關(guān)系，進(jìn)而從根本上提高對(duì)室外風(fēng)環(huán)境、自然采光以及陽光輻射等自然資源的有效利用。

依托相關(guān)數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行關(guān)聯(lián)模型的建立，以便于對(duì)群組形態(tài)及空間關(guān)系的系統(tǒng)描述，通過有效輸入建筑相關(guān)參數(shù)，如，形態(tài)、高度、數(shù)量以及疏密等等，合理調(diào)節(jié)建筑最終所呈現(xiàn)效果。從評(píng)測(cè)體系所設(shè)定待優(yōu)化目標(biāo)來看，室外風(fēng)環(huán)境、熱環(huán)境、容積率以及建筑采光優(yōu)劣等均可借助性能模擬所獲結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“反饋優(yōu)化”，進(jìn)而從根本上確保建筑組團(tuán)布局的生態(tài)性與科學(xué)性。

城市生成。該策略主要在一些國際性城市設(shè)計(jì)競(jìng)賽或數(shù)字城市設(shè)計(jì)研究中較為常見，其生成主要是為了進(jìn)一步確定建筑整體形態(tài)結(jié)構(gòu)的原型，而相關(guān)性能模型則可在一定程度上為城市群落的生成，提供“中間數(shù)據(jù)”支撐。相較于其他形式，這種在城市設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新與探索，極富建筑設(shè)計(jì)色彩，并且在參數(shù)關(guān)聯(lián)模型的相關(guān)控制之下，因此可生成更具整體性、有機(jī)性、純粹性的城市結(jié)構(gòu)和城市形態(tài)。

反饋優(yōu)化。該策略主要在一些已經(jīng)確定城市片區(qū)或居住區(qū)的建筑群組結(jié)構(gòu)中較為常見，通過單個(gè)目標(biāo)或多個(gè)目標(biāo)的設(shè)定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各建筑單體朝向、層高、布局和開間進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。該策略在工程實(shí)踐過程中發(fā)揮著十分重要的作用，可以在建筑師介入的情況下對(duì)群組空間結(jié)構(gòu)、形態(tài)等進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，出于對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和要求的考慮，再加上“行列式”等現(xiàn)存參考模式，數(shù)字化技術(shù)的統(tǒng)籌應(yīng)用能夠在一定程度上促使該尺度層級(jí)設(shè)計(jì)效率的全面提升。

2.2 體量層級(jí)

在設(shè)計(jì)體量層級(jí)建筑主體時(shí)，需綜合考慮兩方面內(nèi)容：一是建筑形態(tài)，二是功能布局。前者對(duì)建筑節(jié)能的影響主要包括以下三種因素，如，建筑體型系數(shù)、庭院設(shè)置以及界面形狀等。另外，形體組合關(guān)系也是影響建筑整體性能的一大重要影響因素。而針對(duì)建筑的不同功能的布局和劃分，需將用戶使用形式和用戶在空間內(nèi)的活動(dòng)量等因素納入考慮方位。在惡劣氣候朝向設(shè)置次要房間，充當(dāng)整個(gè)建筑空間的“生態(tài)緩沖區(qū)”，并通過各機(jī)電設(shè)備進(jìn)行區(qū)域化和集中化布置，進(jìn)而從根本上降低對(duì)建筑能源的過度消耗。

目前，數(shù)字技術(shù)在體量層級(jí)中的滲透與介入，廣大建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚未形成統(tǒng)一的流程。因?yàn)樵诮ㄖ桨笇?shí)際設(shè)計(jì)過程中體量層級(jí)屬于設(shè)計(jì)的第一環(huán)節(jié)，而若要確保建筑設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性與適應(yīng)性，單純的依靠相關(guān)生態(tài)策略和測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)，因此，需不斷優(yōu)化該階段整體生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)格按照方案設(shè)計(jì)相關(guān)流程和步驟開展具體操作。

整體上而言，建筑設(shè)計(jì)需在充分考慮多種因素的基礎(chǔ)上，如，問題分析、場(chǎng)地關(guān)系、背景信息以及功能訴求等，初步制定方案體量相關(guān)解決策略，而后以數(shù)字平臺(tái)中的參數(shù)關(guān)聯(lián)模型加以描述，最終以生態(tài)模擬所獲數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“反饋優(yōu)化”，并確保體量發(fā)展的統(tǒng)一性。比如，為獲取相應(yīng)數(shù)值，可對(duì)不同選項(xiàng)的生態(tài)性能進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，并將數(shù)據(jù)作為目標(biāo)進(jìn)行有效反饋，并不斷優(yōu)化建筑最終體量方案。

2.3 細(xì)部層級(jí)

在討論建筑細(xì)部層級(jí)的綠色設(shè)計(jì)時(shí)，同樣可從兩方面入手：一方面，圍繞設(shè)計(jì)方案中外圍體系的細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)此，方案設(shè)計(jì)的生態(tài)與否很大程度上取決于結(jié)構(gòu)熱工性能的維護(hù)質(zhì)量，通常構(gòu)造層次的傳熱系數(shù)K值越小則綠色化和低碳化越高。而在處理細(xì)部層級(jí)相關(guān)問題時(shí)，為避免某些部位產(chǎn)生“冷熱橋”，如長(zhǎng)期處于裸露的門窗部位等等，引發(fā)的整個(gè)外圍體系性能的降低。另一方面，優(yōu)化開窗、遮陽等建筑外立面元素的設(shè)計(jì)?？v觀建筑外立面整個(gè)維護(hù)體系熱工性能最為薄弱的環(huán)節(jié)就是開窗洞口的布置，無論是開窗大小、位置，還是用材、構(gòu)造均需要充分考慮生態(tài)優(yōu)化因素。而合理遮陽則是整個(gè)建筑被動(dòng)節(jié)能的主要措施之一，可有效阻擋室外陽光輻射，調(diào)節(jié)空間內(nèi)光分布的均勻度，也是建筑外立面設(shè)計(jì)中不可或缺的元素之一。相關(guān)研究顯示，外遮陽元素的節(jié)能效率可達(dá)到10%～24%，而其造價(jià)僅占工程總造價(jià)的2%～5%，可被看作低投入、高效率的建筑被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)典范。

3 結(jié) 語

在建筑設(shè)計(jì)中，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用掀起新一波的改革浪潮，建筑軟件的不斷革新為我們帶來了各種各樣的體驗(yàn)，充分發(fā)揮新技術(shù)的應(yīng)用成效，確保了設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)與合理，將建筑、結(jié)構(gòu)、生態(tài)、節(jié)能和環(huán)保等一系列專業(yè)相互融合，推動(dòng)了建筑設(shè)計(jì)更加符合人們的使用需求。