建筑集成設(shè)計模式初探

1、建筑集成設(shè)計模式初探這篇論文主要介紹的是建筑集成設(shè)計模式初探的相關(guān)內(nèi)容，本文作者就是通過對節(jié)能減排的內(nèi)容做出詳細的闡述與介紹，特推薦這篇優(yōu)秀的文章供相關(guān)人士參考。關(guān)鍵詞被動式設(shè)計策略;建筑集成設(shè)計;設(shè)計模式引言節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展是當今人類社會的熱點話題，占全世界生產(chǎn)能耗總量近50%的建筑活動1成為解決環(huán)境問題的重點領(lǐng)域。被動式技術(shù)理論的出現(xiàn)，發(fā)掘了建筑長久以來與環(huán)境協(xié)調(diào)的潛在意識，用現(xiàn)代自然科學(xué)的論斷去客觀理性地總結(jié)建筑適應(yīng)氣候的內(nèi)在規(guī)律。依據(jù)被動式理論，建筑師可以通過對建筑形態(tài)和空間的合理設(shè)計，實現(xiàn)建筑物對環(huán)境氣候的調(diào)節(jié)與融合，在創(chuàng)造滿足人類生活需求的舒適環(huán)境的同時，減少對高能耗、非環(huán)保類

2、主動式設(shè)備的使用2。對于地區(qū)氣候差異大，經(jīng)濟發(fā)展不平衡國情下的中國社會而言,被動式技術(shù)提供了一種促進低能耗綠色建筑發(fā)展的適宜手段3。隨著被動式技術(shù)研究的蓬勃發(fā)展，建筑師獲得了大量的策略參考與選擇。然而，各種技術(shù)策略的環(huán)境控制原理和適用的氣候條件存在明顯的差異，簡單的將所有策略盡數(shù)使用難以得到最理想的氣候調(diào)節(jié)效果，因此，各個環(huán)節(jié)和各種類型被動式設(shè)計策略之間需要相互協(xié)調(diào)。此外，影響建筑的設(shè)計和建造的因素還有諸如：使用功能、結(jié)構(gòu)技術(shù)、藝術(shù)審美以及地域文化等4，氣候適應(yīng)性作為建筑的一方面特質(zhì)和上述諸多因素之間也存在著相互聯(lián)系、影響和制約的矛盾關(guān)系，這些也需要建筑師綜合考慮與協(xié)調(diào)處理。因此，本文引入集成

3、;設(shè)計的概念，借以探討被動式策略在建筑設(shè)計過程中綜合運用的整合與優(yōu)化模式。1建筑集成設(shè)計的概念集成思維;是具有主體性、整合性和倍增性特征的科學(xué)思維方式，它強調(diào)系統(tǒng)與外部環(huán)境之間以及系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的雙向交互作用的整合效應(yīng)，具有明顯的現(xiàn)代思維特性。集成設(shè)計;(IntegratedDesign西姆•范•德萊恩于20世紀80年代提出了)就是采用集成思維方式來指導(dǎo)設(shè)計工作5。從集成設(shè)計的思想出發(fā)，依據(jù)建筑與外部環(huán)境之間相互作用的不同屬性對于建筑內(nèi)部各子系統(tǒng)有著不同的劃分。比如由屋頂，墻體，門窗等子系統(tǒng)組成的外圍護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和熱工性能共同作用的結(jié)果體現(xiàn)了建筑外圍

4、護結(jié)構(gòu)的綜合性能;又如體現(xiàn)建筑視覺審美要求的外觀和造型系統(tǒng)，它由不同形狀尺寸、材質(zhì)顏色的建筑元素通過一定比例，尺度搭配關(guān)系組合而成。而建筑集成設(shè)計就是將建筑看作各種影響因子歸類組合的若干子系統(tǒng)構(gòu)成的整體系統(tǒng)(圖1)，在建筑集成設(shè)計的過程中，充分分析各個子系統(tǒng)的優(yōu)點和相互影響，通過一個動態(tài)演進過程，協(xié)調(diào)其相互矛盾，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)邏輯，在發(fā)揮各子系統(tǒng)自身優(yōu)勢的同時，使整體系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)化的設(shè)計思想。不僅如此，通過系統(tǒng)集成設(shè)計，往往還能使整體性能指標得到提升，甚至優(yōu)于各部分性能指標的簡單疊加(圖2)。2被動式集成設(shè)計原則2.1系統(tǒng)性原則從宏觀策略體系來說，建筑的整體宏觀性能是其內(nèi)部各級子系統(tǒng)微觀性能

5、共同作用的體現(xiàn)。類似短板;原理的描述，宏觀性能表現(xiàn)總是會因為個別微觀性能的明顯缺陷而大打折扣，好比在冬季只要有一處門窗隔熱性能不好，就會引起室內(nèi)采暖效果的明顯下降。因此，被動式策略的設(shè)計集成需要做到系統(tǒng)性的總體規(guī)劃，面面俱到，不應(yīng)忽略任何一個局部性能的完善。從單項策略組合來說，在對玻璃的隔熱性能進行優(yōu)化的設(shè)計過程中，簡單的將玻璃厚度增加為原來的兩倍，其隔熱性能的提升相當微小，只有不到1%的提升;而如果將同樣總厚度的玻璃一分為二，玻璃之間留一個空隙做成真空玻璃，隔熱性能成倍增長，達到1+12;的效果6。因此，采用系統(tǒng)整合的策略方案效果往往能夠事半功倍，在單項策略的有效性提升空間不大的情況下，可以

6、進行多項策略的集成設(shè)計達到性能提升目的。系統(tǒng)性的原則幫助建筑師建立系統(tǒng)觀，用系統(tǒng)整合7的思維進行被動式集成設(shè)計，靈活運用各種有效的技術(shù)策略，綜合性、系統(tǒng)性地解決問題。2.2開放性原則被動式策略的集成設(shè)計對于建筑師的綜合能力是一個巨大的考驗，因為集成設(shè)計是一個開放性的平臺體系，體系內(nèi)部各系統(tǒng)隨設(shè)計進程解體、重構(gòu)，從而優(yōu)化內(nèi)部關(guān)系;同時，被動式新技術(shù)，新方法的不斷涌現(xiàn)，對于集成設(shè)計體系內(nèi)部的關(guān)系產(chǎn)生新的變因，系統(tǒng)通過對這些變因的梳理和整合，實現(xiàn)更新、優(yōu)化、升級換代。例如：功能的復(fù)合化趨勢顛覆了傳統(tǒng)博物館以展覽陳列為主的單一空間功能模式，取而代之的是靈活多變，復(fù)合大量服務(wù)性、商業(yè)性功能的復(fù)合空間模式

7、，這既是被動式設(shè)計策略發(fā)展的機遇也是挑戰(zhàn)，新的功能空間模式、不同的室內(nèi)環(huán)境氣候要求必然改變被動式策略集成設(shè)計體系的內(nèi)在關(guān)系。開放性原則要求建筑師不斷的吸納新的被動式技術(shù)策略以及與策略關(guān)聯(lián)的其他方面的設(shè)計革新，對于被動式策略集成設(shè)計不能因循守舊，應(yīng)采取更靈活、開放的態(tài)度應(yīng)對建筑的發(fā)展和變革。2.3創(chuàng)新性原則集成設(shè)計的系統(tǒng)性和開放性原則要求建筑師具備創(chuàng)新能力，利用創(chuàng)新思維綜合解決設(shè)計問題。過去傳統(tǒng)的被動式設(shè)計模式將建筑設(shè)計的創(chuàng)造性過多的傾注于建筑方案設(shè)計階段，而在創(chuàng)新性原則指導(dǎo)下，建筑師需要參與建筑設(shè)計的全過程，在選址規(guī)劃，建筑設(shè)計以及構(gòu)造設(shè)計各個環(huán)節(jié)綜合考慮被動式設(shè)計策略的使用，同時建筑師要梳理

8、各種被動式策略與功能、空間、結(jié)構(gòu)設(shè)備等其他技術(shù)問題的關(guān)系，最終完成具體的建筑方案。綜合多種因素而形成的建筑方案需要建筑師創(chuàng)造性的規(guī)劃和設(shè)計，這種形式不再是簡單基于形式美的原則的雕刻和塑造，而是建筑由內(nèi)而外本質(zhì)特性的具體表現(xiàn)，這種設(shè)計和思維的過程本身就是一種創(chuàng)新。3被動式集成設(shè)計內(nèi)容從系統(tǒng)的角度來說，被動式策略集成設(shè)計的內(nèi)容分為兩個層面，第一，被動式設(shè)計策略系統(tǒng)內(nèi)部的集成設(shè)計，其結(jié)果直接影響建筑物的外部氣候調(diào)節(jié)性能、室內(nèi)熱舒適性和設(shè)備能耗。第二，被動式策略系統(tǒng)和建筑其他系統(tǒng)設(shè)計的集成，包括：使用功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計、造型外觀設(shè)計，其結(jié)果決定建筑在適用、安全、美觀各方面的整體性能。3.1物理性能

9、集成被動式氣候調(diào)節(jié)的能力體現(xiàn)了建筑的物理性能，在屋頂?shù)母魺嵩O(shè)計中，可以采用增加隔熱層，設(shè)置架空通風(fēng)屋頂、蓄水屋頂或者種植屋頂?shù)葐雾棽呗缘淖龇ǎ部梢圆捎枚囗棽呗?，在保溫隔熱層屋頂?shù)幕A(chǔ)上增加架空通風(fēng)屋頂共同作用，或者是將蓄水和種植的做法合并設(shè)置屋頂蓄水種植花園來實現(xiàn)屋頂隔熱8。單向策略的效果那種最好，多項策略的使用能否更為理想?這就需要對于被動式設(shè)計策略進行物理性能的集成設(shè)計。物理集成設(shè)計需要考慮策略之間的矛盾性和協(xié)同性問題，矛盾性體現(xiàn)策略之間的相互制約、此消彼長的影響，協(xié)同性則體現(xiàn)策略之間相互促進、事半功倍的作用。比如：夏季室內(nèi)降溫可以采用遮陽和自然通風(fēng)兩種策略，如果外部遮陽的形式不當，就會

10、影響窗戶的開啟或者阻礙自然風(fēng)進入室內(nèi);又如：前述蓄水和種植合二為一的做法，就可以在保證屋頂隔熱性能改善的前提下，利用蓄水池提高土壤的保水性，使屋面種植效果更為理想。因此，被動式策略的物理集成設(shè)計要求建筑師充分理解各種策略的作用和使用方式，采用合理的建筑形式規(guī)避策略之間的矛盾，促進策略間的協(xié)同。3.2功能使用集成建筑物內(nèi)部的使用功能由不同的系統(tǒng)協(xié)調(diào)實現(xiàn)，需要有滿足功能容量的使用空間，也需要滿足功能使用的采光照明，設(shè)備設(shè)施，還需要滿足使用舒適的溫度、濕度和凈化空氣等，這些因素對于被動式策略的采用提出了不同的要求。以博物館建筑的陳列廳為例，展示對象對于空間尺度和室內(nèi)環(huán)境的要求是陳列廳內(nèi)部功能需求的基

11、本標準，對于要求恒溫恒濕的陳列廳，采用自然通風(fēng)和大面積的自然采光策略顯然是不合理的，通風(fēng)和光照帶來的溫度和濕度波動違背了功能使用的要求;然而，增加陳列廳墻體的蓄熱性則是保持內(nèi)部溫度穩(wěn)定減少空調(diào)能耗的合理策略。相反，就會展建筑的展廳而言，展品沒有恒溫恒濕的環(huán)境要求，因此可采用自然通風(fēng)和自然采光以節(jié)約空調(diào)和照明能源9、10。當然，使用功能對于被動式策略也并不都是限制，相反在某些情況下還有促進作用，例如：采用自然通風(fēng)和天窗自然采光的會展展廳，其使用空間高大的特性有利于熱壓形式的自然通風(fēng)，而頂部的自然采光口通過太陽輻射增大熱壓通風(fēng)的效應(yīng)，為散熱換氣提供風(fēng)道。3.3結(jié)構(gòu)技術(shù)集成建筑被動式設(shè)計策略要通過具

12、體的建筑構(gòu)件來實現(xiàn)，而實現(xiàn)這些需要結(jié)構(gòu)技術(shù)的有力支持，在同一性能前提下，不同的策略對于結(jié)構(gòu)技術(shù)的影響也不同，合理的策略不僅能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，降低結(jié)構(gòu)的荷載，還可以利用結(jié)構(gòu)體系原本的物理特性提高策略的效用。簡單來說，玻璃幕墻的外遮陽百葉如利用幕墻龍骨和框料的分隔關(guān)系來設(shè)置就是簡化結(jié)構(gòu)形式，順應(yīng)結(jié)構(gòu)特點的合理方法。同理，在無充分理由的情況下，如果采用加厚墻體的策略來提高蓄熱性就會增加結(jié)構(gòu)體系的荷載，倒不如采用帶空氣間層的輕質(zhì)墻體作法。此外，被動式策略也可以利用結(jié)構(gòu)本身的蓄熱性，比如鋼筋混凝土大跨度結(jié)構(gòu)梁和采用剪力墻結(jié)構(gòu)做法的交通核心都是良好的蓄熱體，建筑合理的布置這些蓄熱體可以大大提高整體熱穩(wěn)定

13、性能，降低內(nèi)部空調(diào)能耗11。3.4造型美學(xué)集成被動式設(shè)計策略最終落實到具體的建筑形態(tài)，將滿足被動式策略氣候調(diào)節(jié)性能的各種空間、構(gòu)件和材料作為美學(xué)設(shè)計元素，考慮它們自身與組合的形式美關(guān)系，形成滿足視覺審美和地域文化表達的建筑外觀造型，就是被動式設(shè)計策略的造型美學(xué)集成。例如：建筑外窗遮陽設(shè)計選取水平遮陽板的做法，遮陽板的形狀可以是厚重的立方體的混凝土板狀形式，也可以是輕薄的流線或曲線型金屬片狀形式。在設(shè)計和選擇時，建筑師除了要考慮其遮陽構(gòu)件本身的造型是否美觀，還要考慮遮陽構(gòu)件、窗洞以及整個建筑立面形體之間的尺度和比例關(guān)系是否協(xié)調(diào)。審美多元化的思潮為被動式策略的造型美學(xué)集成設(shè)計提供了積極的創(chuàng)作環(huán)境，

14、使得建筑師的創(chuàng)造性得到更自由的發(fā)揮;而對基于地域氣候適應(yīng)性的被動式策略還能深度發(fā)掘建筑的地域性特征，促進建筑文化地域特性的延續(xù)和發(fā)展。4被動式策略集成設(shè)計模式被動式策略的集成設(shè)計模式是一個設(shè)計分析評價設(shè)計的動態(tài)演進的過程，該過程需要全面考慮的設(shè)計影響因素更多，分析、比較、判斷和系統(tǒng)整合的流程更為復(fù)雜，引入集成設(shè)計模式需要做好兩方面工作：第一，充分理解和辨析建筑各組成部分和影響設(shè)計的諸多因素之間的關(guān)系，進行全面的客觀基礎(chǔ)資料(包括：氣候、文化、經(jīng)濟、技術(shù)等等)的系統(tǒng)分析，以滿足集成設(shè)計所需要的基礎(chǔ)條件。第二，搭建一個強大的集成設(shè)計平臺。君欲善其事，必先利其器，對于各種不同類型和需求的設(shè)計因子的系

15、統(tǒng)整合優(yōu)化，傳統(tǒng)的人力手工設(shè)計評價體系只能起到杯水車薪效果，建立一個集設(shè)計、分析、評價于一體的高效集成設(shè)計平臺具有相當重要的意義。4.1被動式策略集成設(shè)計的流程4.1.1收集準備階段本階段是被動式策略集成設(shè)計的基礎(chǔ)階段，是對后續(xù)設(shè)計階段的準備工作。其工作內(nèi)容包括一下四方面：第一，對于設(shè)計區(qū)域氣候環(huán)境資料的收集和整理，分析和提出適用的環(huán)境應(yīng)對策略，包括可利用的環(huán)境氣候資源、被動式設(shè)計策略和主動式設(shè)備技術(shù)等12。第二，解讀設(shè)計任務(wù)書解讀，對業(yè)主以及使用者的調(diào)研、訪談等，了解設(shè)計項目的基本功能組合關(guān)系和使用要求，分析單個功能空間的使用特性、空間規(guī)模和能耗標準，區(qū)別不同功能空間的使用差別，在滿足項目工

16、藝流程使用和研究其歷史沿革、發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，列舉更多有利于建筑集成設(shè)計的整體功能組合關(guān)系的方案備選。第三，對設(shè)計項目可能會使用到的結(jié)構(gòu)選型和技術(shù)進行列舉，對當?shù)氐目衫玫慕ㄔ旒夹g(shù)資源進行收集整理，在權(quán)衡可行性、安全性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，分析結(jié)構(gòu)和建造技術(shù)的地區(qū)適宜性以及結(jié)構(gòu)體系選型的合理性范圍。第四，對同類型項目的空間造型案例進行收集整理，分析其設(shè)計手法和藝術(shù)處理的特點和規(guī)律;對項目所在地區(qū)建筑的文化地域性特征進行挖掘;對可采用的當?shù)夭牧线M行收集，判斷其對于策略目的的協(xié)同性;提出在形式美學(xué)上需要表達的重點意向，結(jié)合地域性特點歸納各種造型、空間和符號的設(shè)計可能。4.1.2分析設(shè)計階段如果說收集準

17、備階段是對被動式策略集成設(shè)計各種資源和可能性的列舉，那么，分析設(shè)計階段就是要將這些資源和可能進行復(fù)雜的系統(tǒng)整合，形成建筑設(shè)計方案，將影響建筑設(shè)計的各種因素綜合表達在具體的建筑形體上。這個過程是一個表現(xiàn)為通過系統(tǒng)內(nèi)部因子的矛盾與協(xié)同、分化與重構(gòu)建立一個具有動態(tài)平衡秩序體系的過程。對于建筑師而言，這個階段的工作需要采用主體主導(dǎo)型和客體優(yōu)選型兩種的思維方式去處理：第一，主體主導(dǎo)型是以設(shè)計主體也就是建筑師的主觀想法為主，通常是建筑師憑借自身對大量資料的理解和分析、對設(shè)計理論的學(xué)習(xí)和研究以及長期工程實踐的歷練和經(jīng)驗，通過理性思維分析，確定一個主要的概念方案意向，而后在此基礎(chǔ)上深化和調(diào)整最終形成設(shè)計方案。

18、其優(yōu)點在于，建筑師的主導(dǎo)設(shè)計的方向明確，設(shè)計和深化的周期短可以很快得到一個成型的設(shè)計方案，提高工作效率。但缺點也在于所形成的設(shè)計方案的正確性完全取決于建筑師的個人能力，這對建筑師的綜合素質(zhì)提出極高的要求。這種方式適用于規(guī)模不大，功能簡單、設(shè)計復(fù)雜程度不高的項目。第二、客體優(yōu)選型是以設(shè)計方案的綜合性能優(yōu)選為主，通過多個設(shè)計方案的比較分析，優(yōu)選或者合并形成最后方案的方式。通常情況下，一個建筑設(shè)計項目所有設(shè)計問題的解決并不是只有一個方案作為答案，每種方案都有自身優(yōu)缺點，將多個方案進行對比，優(yōu)選其中一個方案或者將幾個方案的優(yōu)點合理的結(jié)合，這種集思廣益的做法，可以降低不合理設(shè)計出現(xiàn)的概率，使得最終的設(shè)計

19、方案在各方面的性能都有較好表現(xiàn)。但是，這種方式也會帶來成倍增加的設(shè)計工作量，方案優(yōu)選成為一個循序漸進的漫長過程，設(shè)計周期延長，大量人力和技術(shù)投入降低了工作的效率。因此，這種方式適用于規(guī)模大，功能復(fù)雜，設(shè)計難度大，設(shè)計周期長的大型工程項目。4.1.3整合評價階段整合評價階段并不是設(shè)計的最終階段，當設(shè)計方案的綜合評價結(jié)論不理想的時候，整合評價就會對本階段的設(shè)計分析工作進行反饋和調(diào)整，重新整合各設(shè)計要素的關(guān)系后形成修改過的新方案，再回到此階段進行綜合評價，在多個循環(huán)往復(fù)的過程之后，形成最后理想的方案。下文將整合評價階段的工作歸為客觀指標和主觀因素兩大類：對于建筑被動式策略的物理性能、功能使用以及結(jié)構(gòu)

20、技術(shù)三方面集成設(shè)計的評價屬于客觀指標評價類型，其中物理性能集成的評價取決于被動式設(shè)計有效性，最終體現(xiàn)在各種氣候適應(yīng)性調(diào)節(jié)的計算機模擬數(shù)據(jù)以及能耗數(shù)據(jù)上。而功能使用和結(jié)構(gòu)技術(shù)的集成設(shè)計的評價主要是體現(xiàn)在建設(shè)指標與結(jié)構(gòu)成本的合理性上，如果僅僅為了滿足被動式設(shè)計策略發(fā)揮作用而造成使用的弊端和建造難度的提高是不合理，也不符合集成設(shè)計的基本原則。對于造型審美的評價則是主觀因素，包括基本的形式美原則，文化地域性的形式表達，建筑師、業(yè)主、使用者、城市居民的審美取向，對于這部分評價工作通常采用公示和公開投票的評價方法，對于專業(yè)人事和業(yè)主的意見要提高權(quán)重比例，具體操作方法視項目實際情況而定。4.2被動式策略集成設(shè)計數(shù)字化平臺被動式策略集成設(shè)計的數(shù)字化設(shè)計平臺是基于被動式策略集成設(shè)計的理論和設(shè)計工作流程框架通過接口軟件程序的編寫，對建筑信息建模軟件，參數(shù)化編程軟件和建筑環(huán)境性能模擬軟件進行集成開發(fā)得到的設(shè)計輔助工具。它利用參數(shù)化編程將建筑功能結(jié)構(gòu)的參數(shù)要求和組合邏輯落實到建筑的三維模型上，通過接口程序使得建筑調(diào)節(jié)環(huán)境的物理性能和建筑三維模型在數(shù)據(jù)上聯(lián)動起來，依靠計算機對大量數(shù)據(jù)高效處理能力，實現(xiàn)建筑環(huán)境性能模擬、建筑信息建模與建筑形態(tài)建模3個過程之間的數(shù)形關(guān)聯(lián)與交互設(shè)計(圖3)。被動式策略集成設(shè)計的數(shù)字化設(shè)計平臺分為建筑性能模擬平臺、建筑信息建