高 路 李嘉軍 林國(guó)誠(chéng)

(上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司，上海 200041)

1 研究背景

正如大家所知，傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)的方法過(guò)程及主要特點(diǎn)是一種單向線性的建筑設(shè)計(jì)構(gòu)思，以圖示信息為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式針對(duì)不同設(shè)計(jì)階段、不同的具體對(duì)象，存在著不同程度的抽象化。

如今，數(shù)字化技術(shù)發(fā)展如火如荼，憑借當(dāng)前強(qiáng)大的數(shù)字建模技術(shù)、通用集成模型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)作等手段，數(shù)字化技術(shù)為建筑師提供了新的起點(diǎn)。使用這項(xiàng)技術(shù)可以使設(shè)計(jì)真正回歸三維空間和整體性的信息模型之中，也只有在這個(gè)層次上，數(shù)字技術(shù)才能真正做到輔助設(shè)計(jì)而非輔助表現(xiàn)。

正如建筑大師弗蘭克·蓋里的設(shè)計(jì)方法，數(shù)字化技術(shù)不僅被采納到他們的設(shè)計(jì)過(guò)程中，而且正戲劇性地改變了它。在他們那里，以電腦圖示為表象的CAAD技術(shù)踏入了設(shè)計(jì)的核心地帶，建筑的空間形式有些已很難用傳統(tǒng)的平、立、剖面圖加以表現(xiàn)了。由此可見(jiàn)，數(shù)字化技術(shù)特別是新興的BIM技術(shù)在許多方面正以不可阻擋之勢(shì)改變著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和過(guò)程，它將會(huì)給我們提供了更高的工作效率。

伴隨著數(shù)字化技術(shù)的快速化發(fā)展，城市建筑也正在以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)般快速的建設(shè)著，然而代價(jià)卻是我們的生活環(huán)境沒(méi)有得到更好的改善。作為建筑師的我們，這一切一切的發(fā)生都值得我們認(rèn)真的思考，要為改善生存環(huán)境，進(jìn)行綠色低碳的建筑貢獻(xiàn)自己的一份力量。

這就需要建筑師一方面要熟悉建筑的低碳技術(shù)，進(jìn)行低碳建筑的設(shè)計(jì)，另一方面，在數(shù)字化技術(shù)的繁榮背景下，似乎建筑師可以利用諸如BIM那樣先進(jìn)的技術(shù)手段去推進(jìn)低碳建筑的實(shí)施。

2 研究方法

首先，通過(guò)調(diào)研學(xué)習(xí)英國(guó)貝丁頓社區(qū)(世界第一個(gè)零能耗社區(qū))，大致得到低碳建筑設(shè)計(jì)手法有如下10種。

表1 低碳建筑設(shè)計(jì)手法

應(yīng)該說(shuō)，以上的低碳建筑設(shè)計(jì)手法是頗具典型性的，那么數(shù)字化技術(shù)在中間又有何作為呢?通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，首先數(shù)字化手段的介入能讓建筑師更為理性的考慮其中的設(shè)計(jì)要素，如:通過(guò)數(shù)字化的手法，設(shè)計(jì)前期的調(diào)研信息可以更理性化，更有利于建筑展開(kāi)對(duì)自然資源使用的思考。與此同時(shí)，似乎建筑師在進(jìn)行低碳建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候有了一套新的設(shè)計(jì)手法，以下圖表總結(jié)了在設(shè)計(jì)不同階段，建筑師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手法和數(shù)字化設(shè)計(jì)手法的相同和不同之處。

通過(guò)以上這個(gè)表格，我想我們可以清楚的看到，有了這些數(shù)字化軟件，我們至少在建筑建成前已經(jīng)對(duì)建筑各種性能進(jìn)行了模擬，同時(shí)我們利用BIM技術(shù)已經(jīng)在計(jì)算機(jī)中虛擬了真實(shí)建筑的各種情況，并提前對(duì)建筑的二氧化碳排放量進(jìn)行模擬和估計(jì)。

所以可以看出，數(shù)字化輔助低碳建筑的最大作用就是構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的“虛擬模型庫(kù)”和進(jìn)行“性能模擬”。關(guān)于這兩大方面又可以總結(jié)為以下幾對(duì)范疇:

2.1 建筑裝配體系和數(shù)字化建筑構(gòu)件簇庫(kù)的創(chuàng)建

低碳建筑的裝配式體系采用以及合適的材料選擇可以減少大量的CO2，但“結(jié)構(gòu)合理化”應(yīng)該是宏觀上首先要考慮的，北京國(guó)家大劇院造價(jià)30億人民幣，平均每個(gè)座位造價(jià)近50萬(wàn)人民幣。建筑設(shè)計(jì)在歌劇院、音樂(lè)廳和戲劇院三棟建筑之外再重復(fù)興建了一個(gè)超大結(jié)構(gòu)外殼，整個(gè)穹頂?shù)奈蓓斆娣e是上海大劇院的3倍，加上運(yùn)營(yíng)時(shí)的能耗，這帶來(lái)的整個(gè)CO2是相當(dāng)龐大的。有了數(shù)字化技術(shù)，建筑方案出現(xiàn)的以上問(wèn)題就可以通過(guò)信息化模型BIM虛擬的搭建出來(lái)，在信息化模型中查看結(jié)構(gòu)是否合理，這需要建筑師平時(shí)做項(xiàng)目的時(shí)候，積累裝配式構(gòu)件的虛擬模型庫(kù)，在Revit中就是“簇”，如果有了長(zhǎng)時(shí)間的積累，不光可以使得虛擬建筑的搭建效率更高，而且這些“簇”經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗(yàn)和跟現(xiàn)實(shí)生活中廠家的溝通，低碳建筑的各部分構(gòu)件也會(huì)更加可靠和成熟。

2.2 低碳建筑材料和虛擬材料庫(kù)的創(chuàng)建

低碳建筑材料對(duì)于低碳建筑的重要性是不言而喻的，除了建筑主體結(jié)構(gòu)需要選好以外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)也非常重要，因?yàn)檫@關(guān)系到建筑熱工性能的優(yōu)劣。參考綠色建材的定義，低碳材料大致可以分為四類(lèi):第一類(lèi):無(wú)匱乏危機(jī)的自然材料;第二類(lèi):低逸散性低污染的建材;第三類(lèi):循環(huán)利用的建材;第四類(lèi):廢棄物再生建材。當(dāng)然筆者在本章中指的低碳建材，除了像綠色建材定義的那樣強(qiáng)調(diào)材料本身的環(huán)保特點(diǎn)、還需要知道材料的熱工參數(shù)、構(gòu)造做法等，這些信息的獲取才能讓建筑師對(duì)建筑方案進(jìn)行建筑能耗的模擬。這里，筆者在平時(shí)會(huì)使用Design Builder這個(gè)軟件建立低碳建筑材料的虛擬材料庫(kù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)形式積累起來(lái)，好處是方便能耗的計(jì)算，減少?gòu)?fù)雜的數(shù)據(jù)輸入的過(guò)程(如厚度、材料種類(lèi)、傳熱系統(tǒng)等)。

2.3 建筑太陽(yáng)輻射能利用和數(shù)字化太陽(yáng)輻射分析

低碳建筑非常強(qiáng)調(diào)對(duì)太陽(yáng)輻射跟建筑的關(guān)系，不光建筑屋頂上都能看到太陽(yáng)能光伏板，連建筑本身的形體也是為了充分利用太陽(yáng)能進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此這些建筑都有一個(gè)類(lèi)似的“坡屋頂”。但是這些“坡屋頂”的角度卻不一定是最佳的，很多時(shí)候是根據(jù)建筑師的草圖和經(jīng)驗(yàn)判斷的。這時(shí)候 Ecotect就可以把這些最優(yōu)角度進(jìn)行定量化。圖1所示的案例就是使用Ecotect對(duì)最佳遮陽(yáng)角度的確定(旋轉(zhuǎn)角度以10°為變化)。

2.4 建筑碳排量計(jì)算和能耗模擬軟件

對(duì)于建筑“碳排放量”有兩重理解:一是建筑使用過(guò)程中的排放，主要就是建筑的能源利用;二是建筑全壽命周期的碳排放，包括了土地利用、材料選擇、能源系統(tǒng)配置等。在建筑物整個(gè)壽命周期中，使用過(guò)程的能耗與碳排放在各種損耗中所占比例最大，因此，建筑使用過(guò)程的節(jié)能對(duì)于實(shí)現(xiàn)低碳建筑是至關(guān)重要的。這里，能耗模擬軟件能夠做的就是可以模擬建筑方案在使用過(guò)程當(dāng)中的CO2排放，也就解決了以上關(guān)于“碳排放量”理解中最重要的部分(圖2)。

3 研究小結(jié)

以上幾對(duì)低碳建筑與數(shù)字建筑相輔相成的范疇是筆者實(shí)踐后的一點(diǎn)小心得，處理好這些范疇對(duì)于使用數(shù)字化技術(shù)輔助低碳建筑設(shè)計(jì)比較關(guān)鍵。不過(guò)建筑師要完成一個(gè)低碳建筑設(shè)計(jì)的流程，除了需要掌握一定的軟件使用方法、還要充分做好大量的前期設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。本章開(kāi)頭已經(jīng)介紹了建筑構(gòu)件庫(kù)(如:Revit的簇庫(kù))、虛擬材料庫(kù)的作用。其實(shí)建筑師的準(zhǔn)備工作還需要有一個(gè)相對(duì)完善的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)(Ecotect中有部分?jǐn)?shù)據(jù)，其他需要的氣象數(shù)據(jù)可以從美國(guó)能源部網(wǎng)站 http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data下載)，另外、建筑師需要經(jīng)常留意可持續(xù)方面最新的技術(shù)和產(chǎn)品，這樣這個(gè)庫(kù)可以為建筑設(shè)計(jì)低碳建筑提供不少思路和相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)。

數(shù)字化技術(shù)輔助低碳建筑設(shè)計(jì)的常用方法涉及到的技術(shù)點(diǎn)和軟件非常龐雜，所以筆者對(duì)利用數(shù)字化技術(shù)初步探索低碳建筑設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性方法以流程圖的形式表達(dá)出來(lái)，更簡(jiǎn)明的表達(dá)設(shè)計(jì)方法中的相互關(guān)系。(如圖3)特別需要說(shuō)明的是，這個(gè)流程圖中標(biāo)明的軟件只是筆者覺(jué)得最為常用的，建筑師在具體設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)軟件分類(lèi)挑選習(xí)慣的就行(如建筑策略中的Sketchup也可以是體量推導(dǎo)軟件中的Rhino、Cinema4D 等)。

當(dāng)然，這里本人總結(jié)的這個(gè)設(shè)計(jì)流程和方法一是基于對(duì)BEDZED的思考，二是對(duì)本人熟悉的一些數(shù)字化軟件的總結(jié)和思考，或許在今后由于社會(huì)方方面面的發(fā)展，如建筑產(chǎn)品的“簇”庫(kù)逐漸由建筑產(chǎn)品商完成;如虛擬材料庫(kù)逐漸由建筑材料商完善，整個(gè)相關(guān)低碳建筑的各行業(yè)形成一個(gè)跟數(shù)字化技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈的時(shí)候，同時(shí)建筑軟件的各功能整合度提高，我想這張低碳建筑設(shè)計(jì)流程圖會(huì)變得更為簡(jiǎn)潔!

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