數字技術輔助綠色建筑方案設計策略論文

　　摘要：本文首先闡述數字技術輔助綠色建筑方案設計的優勢并分類具體歸納其技術、流程，而后從組團、體量、細部三個層級展開介紹數字技術介入下的綠色建筑設計策略、思路，對新技術繼承傳統綠色建筑設計的方法進行了探討和歸納。

　　關鍵詞：綠色建筑設計；數字技術；方案設計研究

　　作者簡介：翟炳博，北京市建筑設計研究院有限公司創作中心建筑師，徐衛國，清華大學建筑學院教授，博士生導師

　　關于數字技術輔助綠色建筑設計，國外學界在其理論基礎及技術路線等方面已有一定討論。該領域可被看作是設計方法的另一切入點，對我國目前推進可持續發展方針和建筑領域語匯的多樣性來說均具有切實意義。

　　一、數字技術輔助綠色建筑設計的理論基礎

　　1．傳統綠色建筑設計特征

　　傳統的綠色建筑設計，建筑師無法僅從經驗或審美來判斷方案的節能與否，因此使用相關軟件平臺以模擬分析的方式對方案進行評測成為了綠色設計的關鍵之一。[1]綠色建筑設計的一般技術路線，往往是通過專業軟件進行建筑室內外物理環境（如風、光、熱、能耗等）的模擬，并將結果數值量化對比，以此評估方案的生態合理性。然而，有關生態性能的評測一般在整體設計的后期開展，如節能計算多在施工圖設計階段應用。[2]因此綠色建筑設計中的“模擬”環節完全淪為方案完成后的評價與檢驗工序，并未將其有機地納入設計前期，性能評測工具失去了對建筑方案應有的指導意義，[3]使生態設計效率變得較低。尼爾斯·拉森（NilesLarsson）在GreenbuildingChallenge2000中提到一種建筑設計同性能評測模擬相結合的工作流程，[4]其中建筑初步設計被描繪成一種循環往復的過程—概念模型的各類能耗模擬及結構、機電工程師的評價意見等形成一系列“反饋信息”來對方案提出修正建議。此過程經多次反復，可被看作是一種“循環設計”，其本質在于強調“數據反饋”的重要性。

　　2．數字技術特征

　　較有代表性的參數化技術，核心在于“關聯模型”（抽象的機器）[5]的構建。一般來講，Rhino、Maya等參數化軟件在其早期開發時都定義了一種被稱作“記錄建構歷史（recordhistory）”的功能，可被看作是“關聯性”的體現和參數化技術的早期雛形。當幾何體在軟件中被描述時，不同維度間往往遵循這樣一種規則—“低維構建高維，高維提取低維①”，所謂“記錄建構歷史”記錄的則是這種規則下的具體“關系”。當模型建立過程中每一步“關系”均被記錄時，改變初始幾何信息而最終結果相應變化，這就是參數化系統基礎所體現的“關聯性”。傳統的建模軟件平臺即使擁有記錄建構歷史的功能，也相對局限，當今普及最廣的參數化平臺Grasshopper，其前身名為ExplicitHistory，意為“清晰完整的歷史”，即構建完整的“關聯模型”。因此，參數化技術可以被概括為“關聯模型”（圖2），模型一端提供各類輸入數據，被用于指導不同類型的操作并在記錄關聯的前提下不斷傳遞，最終輸出一系列設計結果。該“關聯模型”的核心即“關聯性”（as-sociative），其在對“過程”和“數據”的控制方面體現較大優勢。

　　3．數字技術運用于綠色建筑設計的優勢

　　綠色建筑設計可被看作一個信息不斷反饋、循環的過程（圖3）。這種循環的兩端分別是建筑設計和評測體系（軟件性能模擬、工程師建議），一方面建筑師提供多種可能的預選方案并傳遞給評測系統，另一方面評測系統將運算、模擬結果數據進行反饋。在這種“循環設計”過程的操作下，建筑方案被不斷分析、評價、反饋、選擇并最終得到優化。理論上看，這種性能評測同建筑方案相結合的“循環設計”形成了一種完整統一的“綠色建筑設計”技術路線，但在實際方案推進中，建筑設計同綠色技術評價兩部分仍是互相脫節。無論是單一方案模擬評測還是多方案對比，建筑設計同技術分析兩者間存在的僅是操作上的先后關系。數字技術在綠色建筑設計領域的介入則從根本上消解了方案設計同測評分析間的“時滯性②”，對其“循環設計”過程和數據的傳遞進行更為有效、高效的控制。在參數化關聯模型中，“數據”本身可由“循環設計”中的評測體系反饋得來并被不斷驅動和傳遞，同時通過關聯模型對原有方案進行優化或生成新的設計備選方案。關于評測體系反饋得來的數據，筆者認為目前其同參數化關聯模型結合有三類思路。

　　二、數字技術輔助綠色建筑設計的技術歸納

　　1．性能評測數據的“可視分析”

　　實質是在參數化關聯模型中加入“生態評價模塊③”并鏈接各類生態分析軟件，提取評測結果數據并將之反饋至關聯模型，以“數據可視化”（如色彩過渡等）的方式對方案進行反饋和評估，設計師可依此調整方案。嚴格來說，參數化平臺的結果數據可視化并不能完全體現數字技術介入的優勢，一是目前絕大多數性能評測軟件均具有分析數據后處理（可視化）的功能，二是即使數據在參數化平臺可視化，但其并未納入關聯模型系統，無法體現數字技術對信息傳遞的控制。然而，在Grasshopper等參數化平臺中的確存在一部分插件來實現生態模擬數據的可視化，其意義是“統一平臺界面④”。同直接使用評測軟件進行生態分析相比，參數化平臺下的結果可視化有利于設計師對方案的直觀判斷。因其可在設計推敲的同時得到相應的生態分析視覺化結果，在方案初期給使用者較為充分的性能改進建議，所以該類型亦可被看作數字技術同綠色建筑設計的“弱鏈接”。

　　2．性能評測數據的“控制深化”

　　實質是將生態模擬結果作為過程數據參與關聯模型構建并指導后續設計生成。如通過模擬得出方案幾何體表面每片區域的陽光輻射量數值，以此控制其開窗、遮陽的生成等。該類型特點在于，所涉及方案的前一階段（如體量、界面等）已確定，而評測數據能夠同關聯模型對應，并基于現存的幾何體量對方案的后續深化進行控制（如開窗大小和多少、遮陽構件形態等）。由此，設計本身與評測數據間建立了直接且相互呼應的關系：陽光輻射模擬數值較大的區域相應開窗較小或遮陽出挑較多，抑或維護結構較厚等，因此方案的立面或細節處理將更具合理性。

　　3．性能評測數據的“反饋優化”

　　實質是在參數化關聯模型中加入“優化算法模塊”，能以生態評測中的某一個或幾個指標為優化方向，并反向調節初始的輸入參數組合，來使輸出結果在滿足生態評測標準的前提下較為優化。特點在于，所涉及方案前一階段（如體量、界面等）并未確定，模擬數據所起的作用即反饋并協助獲取方案初期較優化的結果。該類型中，概念方案由關聯模型控制，一系列不同的輸入參數可生成眾多的設計備選。關聯模型中的“生態評價模塊”用以評測這些潛在的備選方案，并得到相關結果數據；“優化算法模塊”（例如“遺傳算法”）則將評測結果數據作為設計發展方向，通過反饋調整初期的眾多輸入參數，來將其協調配比并得到較優化方案。

　　4．相關工具歸納

　　基于Grasshopper平臺，應用于綠色建筑設計的輔助工具歸納。

　　三、數字技術輔助綠色建筑設計的策略展開

　　1．組團層級

　　（1）概述

　　宏觀層面的城市設計、居住區或傳統聚落，其生態策略可從建筑與環境間關系、建筑與建筑間關系兩個角度展開。對于建筑與環境，應考慮如何有效利用建筑所處的地域資源，即合理調節陽光、風、地形、土地、水源、綠化等要素同建筑間關系；對于建筑與建筑，則需探討建筑的組團布局，即合理規劃建筑群落整體朝向、建筑間縫隙、街道或開放空地等。總體來說，組團層級的生態策略主要體現在建筑整體布局的關系及形態上的優化，從而達到對室外風環境、自然采光、陽光輻射等方面的利用或防控。

　　（2）數字技術介入

　　首先，在數字平臺中建立關聯模型來描述群組的形態及空間關系，精確、多樣化的輸入參數（如建筑形態、高度、數量、疏密等）能夠對建筑群的整體呈現進行調節；其次，評測體系（計算公式或生態模擬平臺）可將室外風環境、熱環境、建筑采光優劣、容積率等作為待優化目標，通過性能模擬結果數據來“反饋優化”，得到組團聚落的生態最優方案。具體來說，策略一為城市生成，屬于方案從無到有的“控制深化”過程，多見于國際城市設計競賽或數字城市設計研究等。首先需確定形態結構原型，而后性能模擬則會為城市群落的生成提供“中間數據”或切入點。這類城市設計探索更具建筑設計傾向，因其由參數關聯模型整體控制，所生成的城市結構和形態更加有機、整體且較純粹。策略二為“反饋優化”，多見于建筑群組結構已確定的城市片區或居住區，通過設定單或多目標來優化各個建筑單體的朝向、開間進深、層高和布局等。其在工程實踐中幫助較大，能在建筑師人為介入的前提下對群組空間結構、形態進行可控調節。此外，由于眾多設計規范（如采光、防火、疏散間距等）的嚴格限定，加之“行列式”等現存參考模式，數字技術的統籌能極大地提高該尺度層級的設計效率。

　　2．體量層級

　　（1）概述

　　該類型建筑的“主體”設計層面，包含建筑形態和功能布局兩方面。建筑體量形態在諸多方面（如體形系數、截面形狀、庭院設置等）與其節能與否相關；此外，形體的組合關系也會影響建筑整體的生態性能。對于功能布局，可根據用戶對其使用的形式及活動量劃分，將次要房間作為“生態緩沖區”布置在惡劣氣候的朝向，并將機電設備運行區集中布置來降低能耗。

　　（2）數字技術介入

　　關于數字技術在體量層級的介入，目前并沒有一個被學術或實踐界公認的一般流程。因為體量階段是方案設計從無到有的第一步，而生態策略或評測數據自身無法生成具有廣泛適應性的優化方案植入到具體場所語境的基地中去，所以體量階段的生態優化必須伴隨方案設計的邏輯操作同步進行。總體思路是，建筑師首先應結合場地關系、功能訴求、問題分析、背景信息等對方案體量有一個初步的解決策略或預設，而后在數字平臺利用參數關聯模型對其進行描述，最后通過生態模擬的結果數據來“反饋優化”，使體量朝著某一個方向發展進化。例如可以通過關聯模型將方案在一定范圍內調整變動（如不同的形體組合、中庭大小或位置等），并通過評測不同可選項的生態性能（體形系數、風阻大小、整體得熱等）取得相應數值，以該數據為目標反饋來確定優化的建筑體量方案。

　　3．細部層級

　　（1）概述

　　對于建筑細部層級的綠色設計討論同樣可分為兩個方面。一是優化設計方案外圍護體系的細部構造。對此，維護結構的熱工性能好壞決定其生態與否，一般認為構造層次的傳熱系數K值較小則較為綠色低碳，[6]即“墻體越厚越保溫”。而細部的優化處理則為了防止因結構外露及門、窗等處形成“冷熱橋”而降低外圍護體系的整體性能。二是建筑外立面（如開窗、遮陽等元素）的設計深化。開窗處往往是維護體系熱工性能的薄弱環節，其大小、位置以及用材、構造等都需從生態優化的角度重新定位。遮陽是建筑被動節能的主要措施之一，其能有效降低進入室內的陽光輻射，并改善自然采光均勻度，是構成建筑外立面的一類重要元素。有研究顯示，外遮陽措施節能效率可達10%～24%，而其造價僅占工程總造價的2%～5%，可被看作低投入、高效率的建筑被動式節能技術典范。[7]

　　（2）數字技術介入

　　在已經確定方案體量的前提之下，數字技術在細部層級的介入主要體現在性能評測結果數據的“控制深化”，例如運用參數化關聯模型總體控制建筑表皮的生成，而生態模擬則為之提供了合理的數據來源，即表皮構件中各元素遞變的“外力”，用以整體控制、干預界面的結構形態和呈現效果。

　　4．數字技術輔助綠色建筑設計策略歸納

　　數字技術輔助綠色建筑設計的策略，按照不同層級，可歸納如表3所示。

　　四、結語

　　影響建筑生態性能的主要策略基本在方案設計階段確定，即初期的概念設計成果往往對建筑最終生態節能與否有較大影響。[8]無論從國家對建筑節能的硬性指標、國內目前的建筑能耗現狀，還是從建筑師所肩負的社會責任出發，推行綠色低能耗設計都勢在必行。數字技術是設計中的一股革新力量，其并非“宏大敘事”，而是以“局部滲透”的方式影響建筑研究及實踐領域。除新的組織形式、形態關系創生外，其在建筑的生態低碳、結構優化、輔助施工等領域也極具潛力。而參數化技術將在建筑的綠色可持續方面發揮巨大價值，體現出社會及人類發展的關懷。

　　參考文獻

　　[1]毛鴻霖．淺析計算機輔助建筑設計與綠色建筑設計結合[J]．科技傳播，2010（12）：191，193．

　　[2]胡玉梅．面向節能建筑設計的計算機能耗模擬[D]．天津：河北工業大學，2007．

　　[3]申杰．基于Grasshopper的綠色建筑技術分析方法應用研究[D]．廣州：華南理工大學，2012．

　　[4]張承．面向建筑設計過程的能耗模擬分析—采暖地區居住建筑節能設計程序的開發[D]．西安：西安建筑科技大學，2003．

　　[5]徐衛國．褶子思想，游牧空間—關于非線性建筑參數化設計的訪談[J]．世界建筑，2009（8）：16-17．

　　[6]張歡，楊斌，由世俊，等．遮陽板在建筑節能中的應用研究[J]．太陽能學報，2005（3）：14-18．

　　[7]胡深，冉茂宇，袁炯炯，等．關于居住建筑遮陽優化設計的探討[J]．建筑科學，2010（12）：88-91．

　　[8]夏春海，朱穎心，林波榮．方案設計階段建筑性能模擬方法綜述[J]．暖通空調，2007（12）：32-40。

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