廖亮 陳天地 尹金秋 龐小輝 / LIAO Liang, CHEN Tiandi, YIN Jinqiu, PANG Xiaohui

綠色建筑的性能化設(shè)計
——實踐建筑師與工程師的融合

廖亮 陳天地 尹金秋 龐小輝 / LIAO Liang, CHEN Tiandi, YIN Jinqiu, PANG Xiaohui

圖1　蘇州國裕二期人視效果

本文探討了在建筑設(shè)計過程中，有別于以藝術(shù)性和功能性為主導(dǎo)的傳統(tǒng)建筑設(shè)計過程，而是以性能為導(dǎo)向的性能化設(shè)計過程。該設(shè)計過程將建筑師和工程師的思維方式相融合，既重視發(fā)展建筑的藝術(shù)性、功能性和社會屬性，也使用計算機建模工具模擬建筑運行過程的風(fēng)環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、節(jié)能、綠色等方面的性能效果，并將這些重要的性能化指標(biāo)作為設(shè)計指標(biāo)。并通過一個實踐案例的設(shè)計過程，闡述了在方案設(shè)計過程中如何實踐建筑師和工程師的專業(yè)分工和融合。

綠色建筑 性能化設(shè)計 建筑師 工程師

綠色建筑設(shè)計要求在實現(xiàn)功能、美觀、安全、舒適的前提下，提高建筑對資源的利用效率、保護(hù)環(huán)境、降低成本。綠色建筑的設(shè)計應(yīng)遵循現(xiàn)代開放、端莊樸實、簡潔流暢、動態(tài)親民的建筑形象，從選址到規(guī)劃、從朝向到風(fēng)向、從平面到立面、從間距到界面、從單體到群落，都要充分利用自然能源，充分體現(xiàn)氣候適宜性和場地適應(yīng)性。它要求在傳統(tǒng)建筑設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行更廣泛的信息共享、更協(xié)調(diào)的專業(yè)合作、更系統(tǒng)的流程整合，以實現(xiàn)自然環(huán)境和建筑體系互動的最優(yōu)化。

基于目前綠色建筑設(shè)計的各方面要求，由建筑師單向主導(dǎo)整個設(shè)計過程的傳統(tǒng)建筑設(shè)計存在種種弊端，相反，以性能化為導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計工作方法可以創(chuàng)造出更能體現(xiàn)建筑性能的綠色建筑。本文將在理論分析的基礎(chǔ)上，以蘇州國裕二期項目的方案設(shè)計過程為例進(jìn)行具體闡述（圖1、2）。

1　綠色建筑設(shè)計的發(fā)展

2006年，我國住建部和質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了第一版的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2006），開始逐步推行綠色建筑，旨在實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)化轉(zhuǎn)型。經(jīng)過近幾年的推廣和發(fā)展，綠色建筑已經(jīng)逐步得到了市場的認(rèn)可，綠色建筑產(chǎn)業(yè)的市場份額逐步增加。在此背景之下，發(fā)展改革委、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014年頒布了第二版的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50378-2014），并于2015年1月起正式執(zhí)行。綠色建筑已經(jīng)成為建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然之路。綠色建筑設(shè)計作為實現(xiàn)綠色建筑發(fā)展的關(guān)鍵，已經(jīng)得到越來越多研究機構(gòu)、設(shè)計院和建筑咨詢單位的重視，提出了一系列的綠色建筑設(shè)計方法，例如整合設(shè)計和全過程設(shè)計。

2　綠色建筑設(shè)計存在的問題

2.1綠色建筑設(shè)計原則與傳統(tǒng)建筑設(shè)計思維的沖突

傳統(tǒng)設(shè)計思維以建筑師和建造商達(dá)成的設(shè)計概念為開端，包含了整體布局規(guī)劃、朝向、整體外觀設(shè)計、平立剖設(shè)計，以及由此確定基本的建筑材料；各專業(yè)之間共同考慮的最主要因素是“建筑功能”，相互之間只需要簡單的配合和溝通；建筑師幾乎是整個設(shè)計過程的主導(dǎo)者。而在相當(dāng)長的時期內(nèi)（直到今天），建筑師對于建筑設(shè)計的追求仍大量停留于對藝術(shù)和功能的呈現(xiàn)，這種設(shè)計方法使得真正實現(xiàn)建筑最優(yōu)性能表現(xiàn)受到了極大限制。而綠色建筑設(shè)計注重的是建筑運行應(yīng)該遵循的物理規(guī)律和實現(xiàn)建筑的最優(yōu)性能。在突出建筑的最優(yōu)性能而確定出的性能化的設(shè)計指標(biāo)中，可能存在和傳統(tǒng)藝術(shù)呈現(xiàn)為主導(dǎo)的設(shè)計思維相沖突的方面。

2.2綠色建筑設(shè)計團(tuán)隊任務(wù)和分工不明確

圖2　蘇州國裕二期鳥瞰

建設(shè)方（很多情況下同時是使用方或代表使用方）發(fā)現(xiàn)，與以往大多只需和建筑師打交道不同，綠色建筑設(shè)計需要各方的參與，建筑功能、建筑空間、建筑形式、建筑造價等這些曾經(jīng)相對簡單的決策忽然間因為“綠色”而變得異常復(fù)雜。建筑師由于綠色建筑設(shè)計中層出不窮的非建筑專業(yè)新技術(shù)的出現(xiàn)，而對自己的角色定位感到茫然。與以往在常規(guī)設(shè)計中配合建筑專業(yè)完善相應(yīng)的專業(yè)配套不同，綠色建筑設(shè)計中專業(yè)工程師作為綠色技術(shù)的重要設(shè)計力量，在設(shè)計中起著重要作用，但又受到專業(yè)的限制不可能起到整合設(shè)計過程的作用。總體來說，建筑師負(fù)責(zé)對人的認(rèn)識和理解，而工程師負(fù)責(zé)對物理法則的遵從，兩者需要相互依存和妥協(xié)，才能實現(xiàn)綠色建筑設(shè)計。

當(dāng)下在綠色建筑設(shè)計中出現(xiàn)的問題是，設(shè)計過程中的參與者（角色）眾多，但沒有明確的角色定位，從而造成了角色的混亂。每個角色不了解自己應(yīng)該介入的時間、在每一時間段（設(shè)計過程）中應(yīng)該承擔(dān)的任務(wù)和提供的成果，分工與任務(wù)不明確。這兩方面的問題又使本已復(fù)雜的設(shè)計過程更加復(fù)雜。

2.3綠色建筑整合設(shè)計流程缺乏清晰的線索

作為綠色建筑設(shè)計的落實者——建筑師而言，對新技術(shù)的了解與跟進(jìn)非常重要，但更重要的是建立起完整的、合理的設(shè)計流程，在這個流程中，眾多角色各司其職，線索清晰，其成果并非簡單的堆砌式的集成，而是經(jīng)過流程中各階段的多次整合。綠色建筑要求在建筑設(shè)計、建造及使用過程中充分考慮環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟、舒適等綜合因素，實現(xiàn)建筑與生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。此外，現(xiàn)行的教育體制環(huán)境對綠色建筑設(shè)計重視不夠，相應(yīng)的綠色建筑、節(jié)能生態(tài)設(shè)計人才培養(yǎng)體系尚未成熟，市場上缺乏專業(yè)的設(shè)計團(tuán)隊和技術(shù)人才，這些問題制約著綠色建筑設(shè)計水平的提高。

3　以性能化為導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計方法

與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計方法不同，性能化設(shè)計方法更加注重定性設(shè)計方法的定量化、定量設(shè)計方法的可視化、粗放型設(shè)計方法的精細(xì)化，同時更加強調(diào)預(yù)測建筑的未來性能，如能源的消耗、運行特征與管理、室內(nèi)的聲光熱環(huán)境和舒適的人居環(huán)境、消防疏散、各種設(shè)備的安裝和維護(hù)，甚至包括建筑的建造、拆除等各階段的情況。例如在規(guī)劃設(shè)計階段，傳統(tǒng)設(shè)計更加關(guān)心功能的布局，環(huán)境方面也只考慮綠化、水系等內(nèi)容，而綠色建筑更強調(diào)圍繞風(fēng)、熱、聲、光等人居環(huán)境指標(biāo)和節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材方面的資源利用效率方面展開設(shè)計。

蘇州中科院全周期綠色建筑研究院結(jié)合自身在BIM全周期管理和性能化導(dǎo)向的設(shè)計研發(fā)方面的優(yōu)勢，引用循證設(shè)計的理念，形成了全周期綠色建筑的設(shè)計發(fā)展路線（圖3）。該設(shè)計思路和傳統(tǒng)由建筑師單向主導(dǎo)的設(shè)計流程的最大區(qū)別是將性能化為導(dǎo)向的設(shè)計流程融入其中，性能化導(dǎo)向的設(shè)計指標(biāo)在方案設(shè)計初期就和傳統(tǒng)設(shè)計理念進(jìn)行關(guān)聯(lián)。通過循證設(shè)計模型基于項目的特征和定位決定性能化導(dǎo)向的設(shè)計指標(biāo)，進(jìn)而篩選出適合的技術(shù)措施，生成不同的集成技術(shù)方案，并與設(shè)計方案融合成多種綜合方案，經(jīng)過對這些綜合方案的比較，以及對應(yīng)用成本評估模型進(jìn)行評估，得出優(yōu)選方案供最后篩選和深化。在建筑投入使用后，再通過BIM模型不斷收集運行數(shù)據(jù)信息，檢查方案設(shè)計的有效性，研究成果可應(yīng)用于類似項目設(shè)計的性能化指標(biāo)選取方法中。

綠色建筑設(shè)計一方面要求建筑師要了解設(shè)計的相關(guān)知識、建造過程和運行使用的要求，另一方面需要設(shè)計師通過一些定量方法，比如最近快速發(fā)展的計算機模擬技術(shù)BIM等，用于評估重要的設(shè)計指標(biāo)能否實現(xiàn)，計算和分析設(shè)計方案的優(yōu)劣。在設(shè)計行業(yè)專業(yè)逐步細(xì)化的今天，單個建筑師不需要也無法全部掌握這些技術(shù)，為了適應(yīng)這兩方面的需求，重要的是改變傳統(tǒng)的設(shè)計流程和方式，以建筑最終的性能指標(biāo)為導(dǎo)向，充分利用計算機模型工具指導(dǎo)、輔助設(shè)計，提出以性能化為導(dǎo)向的綠色建筑方案設(shè)計的階段工作方法（圖4）。

4　實踐案例

4.1項目簡介

圖3　全周期綠色建筑設(shè)計發(fā)展路線

蘇州國裕二期位于蘇州市吳中區(qū)中心城區(qū)，南鄰國裕大廈一期，西靠東吳北路（交通干道），北側(cè)是吳中區(qū)市民文化廣場，總建筑面積5.1萬m2，包括5層裙樓和地上19層塔樓，地下一層為停車庫和設(shè)備機房，裙樓部分主要業(yè)態(tài)為銀行、會議、食堂和餐飲，塔樓部分為辦公業(yè)態(tài)（圖5）。項目在策劃過程中即將目標(biāo)定位為美國綠色建筑LEED（Leadership in Energy & Environmental Design，能源與環(huán)境設(shè)計先鋒）金獎及中國綠色建筑二星級認(rèn)證。

圖4　性能化為導(dǎo)向的綠色建筑方案設(shè)計流程

4.2項目性能化設(shè)計過程

4.2.1草模建立與基地分析

獲得設(shè)計任務(wù)后的第1步，建筑師分析了建筑功能的定位及要求，以及項目的場地特點和氣候特點，設(shè)計形成了4種草模形體（圖6）。

在對4種建筑方案進(jìn)行分析時，建筑物理工程師建立了風(fēng)環(huán)境和聲環(huán)境模型，對場地風(fēng)環(huán)境與聲環(huán)境進(jìn)行量化分析，參考性能化指標(biāo)對設(shè)計模型進(jìn)行評價和比較分析，提供比較結(jié)果供建筑師參考，再綜合各種考量因素確定深化設(shè)計模型（表1）。

4.2.1.1風(fēng)環(huán)境模擬分析

場地風(fēng)環(huán)境的影響因素有以下幾點：（1）室外距地1.5m高處風(fēng)速；（2）裙房屋面風(fēng)速；（3）建筑前后壓差；（4）人行活動區(qū)是否出現(xiàn)渦旋。

對表2中的4種方案進(jìn)行比較分析，可知：

方案1：夏季裙房屋面風(fēng)速較大，對室外活動較為不利；裙房屋面風(fēng)速較適宜冬季室外活動。夏季的建筑前后壓差為7Pa，利于室內(nèi)自然通風(fēng)；冬季的壓差為10Pa，不利于建筑保溫。

方案2：夏冬季裙房屋面風(fēng)速均較大，對室外活動較為不利。夏季的建筑前后壓差為9Pa，利于室內(nèi)自然通風(fēng)；冬季的壓差為15Pa，不利于建筑保溫。

方案3：夏冬季裙房屋面風(fēng)速均較大，對室外活動較為不利。夏季的建筑前后壓差為9Pa，利于室內(nèi)自然通風(fēng)；冬季的壓差為13Pa，不利于建筑保溫。

方案4：夏季裙房屋面風(fēng)速對室外活動較為適宜；裙房屋面風(fēng)速較適宜冬季室外活動。夏季的建筑前后壓差為9Pa，利于室內(nèi)自然通風(fēng)；冬季的壓差為5Pa，利于建筑保溫。

綜合比較發(fā)現(xiàn)，各方案1.5m人行區(qū)域高度風(fēng)速均在5m/s以下，符合基本要求，但在節(jié)能性能以及良好人居環(huán)境營造上，方案4體現(xiàn)了較高水平。

4.2.1.2聲環(huán)境模擬分析

場地周圍主要噪聲源為交通噪聲，根據(jù)交通規(guī)模預(yù)測交通噪聲量，通過計算機模擬分析交通噪聲對區(qū)域聲環(huán)境的影響，本文將以方案4為例闡述對聲環(huán)境的分析過程。根據(jù)《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3096-2008）的要求，本項目場地環(huán)境噪聲應(yīng)達(dá)到晝間≤70dB（A）的規(guī)定。

根據(jù)Cadna/A軟件三維模型圖，裙房距外墻1m處噪聲及塔樓距外墻1m處噪聲，各方案均存在噪聲超過70dB的情況，需對方案進(jìn)一步優(yōu)化比較（圖7；表3、4），擬采取通過室外綠化帶屏蔽主要噪聲源的措施。

綜合比較裙房與塔樓處噪聲，方案4在采取綠化屏障措施后能夠?qū)⒃肼曋悼刂圃谳^低的水平。通過場地風(fēng)環(huán)境與聲環(huán)境的綜合分析比較，方案4優(yōu)于其他3個方案。

綜合考量其他主要影響因素，建筑師選擇方案4作為進(jìn)一步深化的對象，在此方案基礎(chǔ)上進(jìn)行更為深入的性能分析比較。

4.2.2平立剖深化

在第1步確定好深化方向后，第2步的主要工作是深化模型，確定平立剖設(shè)計。在這一步的工作中，建筑物理工程師進(jìn)行了建筑單體風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境和熱環(huán)境的分析，對平面布局、形體優(yōu)化和立面設(shè)計都提供了具體的深化意見。

圖5　蘇州國裕二期沿路透視

圖6　草模形體

表1　草模風(fēng)環(huán)境計算機模擬圖匯總

表2　各方案風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果匯總

表3　優(yōu)化前聲環(huán)境分析

4.2.2.1裙樓屋頂局部架空

通過對方案4冬季室外風(fēng)環(huán)境的進(jìn)一步分析得知，裙房屋面由于受到塔樓遮擋，通風(fēng)不暢（圖8）?？刹扇【植考芸辗绞竭M(jìn)行優(yōu)化，改善效果包括：（1）冬季通過導(dǎo)流降低迎風(fēng)面的風(fēng)壓，進(jìn)而減少壓差，降低冬季滲透風(fēng)產(chǎn)生的空調(diào)能耗；（2）增大夏季裙房屋面風(fēng)速，改善人員休閑活動的熱環(huán)境。

4.2.2.2增加邊庭

表4　優(yōu)化設(shè)計后聲環(huán)境分析

圖7　聲環(huán)境計算機模擬分析

圖8　建筑形體風(fēng)環(huán)境優(yōu)化分析

通過對方案4室內(nèi)采光進(jìn)一步分析得知，主要功能房間采光系數(shù)平均值為6.6%，進(jìn)深較大處采光系數(shù)較低（圖9）。可采取增加邊庭、擴大采光面等方式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后的對比如下：引入邊庭前，主要功能房間采光系數(shù)平均值為6.6%，中間灰色區(qū)域低于3.3%；引入邊庭后，主要功能房間采光系數(shù)平均值為9.0%，采光良好區(qū)域明顯增加。

4.2.2.3立面自遮陽設(shè)計

通過對方案4西、北立面的太陽得熱量進(jìn)行分析（圖10），在高輻射量區(qū)域增加外遮陽，采用淺色高反射玻璃外窗，低輻射量區(qū)域不采用外遮陽措施，形成具有一定規(guī)律性的表皮形式，形成自遮陽設(shè)計，既能達(dá)到較好的節(jié)能效果，又具有一定的美學(xué)感受。

4.2.3專業(yè)整合與綠色技術(shù)集成

第3步工作的主要目標(biāo)是將綠色建筑技術(shù)按照項目的設(shè)計意圖和本地氣候特征進(jìn)一步分析可行性，并集成到項目方案設(shè)計中。在集成技術(shù)的篩選過程中，既考慮了實現(xiàn)項目節(jié)能減排方面的性能指標(biāo)，同時也參照美國LEED綠色建筑認(rèn)證的金獎標(biāo)準(zhǔn)和中國綠色建筑評價二星級標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計進(jìn)行預(yù)評估和優(yōu)化。

4.2.3.1節(jié)能潛力分析

本項目設(shè)計分3個層級實現(xiàn)項目節(jié)能設(shè)計的目標(biāo)。第1個層級，優(yōu)先考慮被動式的節(jié)能技術(shù)，降低能耗需求，包括在設(shè)計中整合了種植屋面技術(shù)、雙層幕墻技術(shù)、光導(dǎo)管技術(shù)等；第2個層級，進(jìn)一步考慮主動節(jié)能技術(shù)，提升能源效率，在設(shè)計中整合了VRV多聯(lián)機系統(tǒng)、新風(fēng)熱回收、溶液調(diào)濕機組、CO2監(jiān)測、高效節(jié)能燈具照明；第3個層級，使用可再生能源技術(shù)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)并進(jìn)一步降低能耗，在設(shè)計中整合了電梯勢能再生發(fā)電、太陽能光熱和光伏發(fā)電。通過建立動態(tài)能耗分析模型，實施第1個層級的技術(shù)后能耗比參考建筑降低9%；繼續(xù)實施第2個層級的技術(shù)后能耗比參考建筑降低24.5%；再繼續(xù)實施第3個層級的技術(shù)后能耗比參考建筑降低30%。

4.2.3.2綠色建筑技術(shù)集成

按照美國LEED金獎目標(biāo)以及中國綠建二星級認(rèn)證目標(biāo)，對項目綠色建筑技術(shù)應(yīng)用可行性的初步評估（圖11）。

在建筑師和工程師的共同努力下，項目完成最終的設(shè)計方案，綠色建筑技術(shù)集成成果如圖12所示。

5　結(jié)論和展望

本文介紹了一個項目實踐案例的方案設(shè)計過程，闡述了以性能化為導(dǎo)向的綠色建筑設(shè)計工作方法。與傳統(tǒng)建筑設(shè)計由建筑師單向主導(dǎo)整個設(shè)計過程不同，以性能化為導(dǎo)向的建筑設(shè)計過程融合了建筑師和工程師的思維方式，延續(xù)了建筑師展開思維的設(shè)計演變路徑，也充分考慮了建筑的物理特征，并遵循建筑和氣候的物理規(guī)律，進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計。在設(shè)計過程中，由建筑師負(fù)責(zé)在設(shè)計過程中對建筑、社會、人的活動的關(guān)系進(jìn)行詮釋和表達(dá)，由工程師負(fù)責(zé)對自然物理規(guī)律的遵從，并通過對物理規(guī)律的分析和計算機模擬計算，給予建筑設(shè)計具體的參數(shù)指引。通過建筑師和工程師工作方法的融合，創(chuàng)造出更能體現(xiàn)建筑性能的綠色建筑。

圖9　建筑平面光環(huán)境模擬優(yōu)化分析

圖10　建筑立面得熱模擬優(yōu)化分析

在建筑師和工程師工作方法融合的設(shè)計過程中，項目成功的一個關(guān)鍵因素是，在項目初期即明確了將實現(xiàn)建筑全周期的最優(yōu)性能作為目標(biāo)，并采納一系列的性能化導(dǎo)向的設(shè)計指標(biāo)；另一個關(guān)鍵因素是，如何選擇適合項目特征的性能化指標(biāo)，而性能化指標(biāo)的科學(xué)性有賴于循證設(shè)計的大數(shù)據(jù)平臺的建立和針對項目特征的篩選分析。這些性能化指標(biāo)通過合理設(shè)計后，在建筑實際運行過程中不斷監(jiān)測其性能表現(xiàn)，通過BIM模型收集到大數(shù)據(jù)平臺，通過分析歸納形成經(jīng)驗反饋，從而加強循證設(shè)計過程的科學(xué)性和性能化導(dǎo)向的設(shè)計指標(biāo)的科學(xué)性。

圖11　LEED及中國綠色建筑評價結(jié)果

[1] 陳天地，尹金秋，陳勇.中國城市發(fā)展報告(2015)[M](審稿中).

[2] 陳冰，張華，尹金秋，等.循證設(shè)計原理及其在綠色建筑領(lǐng)域的運用[J].建筑學(xué)報（審核中）.

[3] 夏麟.綠色建筑設(shè)計理念、技術(shù)和實踐[C]//第九屆國際綠色建筑與建筑節(jié)能大會論文集，2013.

[4] 賈瓊.綠色建筑設(shè)計與技術(shù)方面的問題探討[J].城市建筑，2013（23）.

廖亮，GBPP綠色建筑研究中心總監(jiān)，原蘇州中科院全周期綠色建筑研究院性能化設(shè)計所總監(jiān)，中國建筑節(jié)能與綠色建筑青年委員會成員

陳天地，蘇州中科院全周期綠色建筑研究院常務(wù)副院長

尹金秋，蘇州中科院全周期綠色建筑研究院性能化設(shè)計所綠色建筑顧問

龐小輝，蘇州中科院全周期綠色建筑研究院性能化設(shè)計所綠色建筑顧問

2015-04-29

THE PERFORMANCE-BASED DESIGN OF GREEN BUILDING: PRACTICE THE FUSION OF ARCHITECTS AND ENGINEERS

This paper discusses the performance-based in the process of design, which is different from traditional architectural design dominated by artistic and functional. The process of design combines the thinking of architects and engineers, which attaches great importance to the development of the art, function and social attributes of buildings, and also uses the computer modeling tool, proposing the performance effect of the wind environment, sound environment, light environment, thermal environment, energy saving, green, etc. in buildings operations, and setting these important performance-based indicators as design indicators. This paper also takes a practical case as an example to expound how to practice the architects and engineers professional division and integration in the scheme design.

Green Building, Performance-Based Design, Architect, Engineer