數字技術輔助綠色建筑方案設計策略

Word版本，下載可自由編輯數字技術輔助綠色建筑方案設計策略本文首先闡述數字技術輔助綠色建造計劃設計的優(yōu)勢并分類詳細歸納其技術、流程，而后從組團、體量、細部三個層級綻開介紹數字技術介入下的綠色建造設計策略、思路，對新技術繼承傳統(tǒng)綠色建造設計的辦法舉行了探討和歸納。

關于數字技術輔助綠色建造設計，國外學界在其理論基礎及技術路線等方面已有一定研究。該領域可被看作是設計辦法的另一切入點，對我國目前推動可持續(xù)進展方針和建造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造設計的理論基礎

1．傳統(tǒng)綠色建造設計特征

傳統(tǒng)的綠色建造設計，建造師無法僅從閱歷或審美來推斷計劃的節(jié)能與否，因此使用相關軟件平臺以模擬分析的方式對計劃舉行評測成為了綠色設計的關鍵之一。綠色建造設計的普通技術路線，往往是利用專業(yè)軟件舉行建造室內外物理環(huán)境的模擬，并將結果數值量化對照，以此評估計劃的生態(tài)合理性。然而，有關生態(tài)性能的評測普通在整體設計的后期開展，如節(jié)能計算多在施工圖設計階段應用。

因此綠色建造設計中的“模擬”環(huán)節(jié)徹低淪為計劃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造計劃應有些指導意義，使生態(tài)設計效率變得較低。尼爾斯·拉森在GreenbuildingChallenge2000中提到一種建造設計同性能評測模擬相結合的工作流程，其中建造初步設計被描繪成一種循環(huán)往復的過程—概念模型的各類能耗模擬及結構、機電工程師的評價看法等形成一系列“反饋信息”來對計劃提出修正建議。此過程經多次反復，可被看作是一種“循環(huán)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(lián)模型”的構建。普通來講，Rhino、Maya等參數化軟件在其早期開發(fā)時都定義了一種被稱作“記錄建構歷史”的功能，可被看作是“關聯(lián)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，不同維度間往往遵從這樣一種規(guī)章—“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(guī)章下的詳細“關系”。

當模型建立過程中每一步“關系”均被記錄時，轉變初始幾何信息而終于結果相應變化，這就是參數化系統(tǒng)基礎所體現的“關聯(lián)性”。傳統(tǒng)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“清楚完整的歷史”，即構建完整的“關聯(lián)模型”。因此，參數化技術可以被概括為“關聯(lián)模型”，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(lián)的前提下不斷傳遞，終于輸出一系列設計結果。該“關聯(lián)模型”的核心即“關聯(lián)性”，其在對“過程”和“數據”的控制方面體現較大優(yōu)勢。

3．數字技術運用于綠色建造設計的優(yōu)勢

綠色建造設計可被看作一個信息不斷反饋、循環(huán)的過程。這種循環(huán)的兩端分離是建造設計和評測體系，一方面建造師提供多種可能的預選計劃并傳遞給評測系統(tǒng)，另一方面評測系統(tǒng)將運算、模擬結果數據舉行反饋。在這種“循環(huán)設計”過程的操作下，建造計劃被不斷分析、評價、反饋、挑選并終于得到優(yōu)化。理論上看，這種性能評測同建造計劃相結合的“循環(huán)設計”形成了一種完整統(tǒng)一的“綠色建造設計”技術路線，但在實際計劃推動中，建造設計同綠色技術評價兩部分仍是相互脫節(jié)。

無論是單一計劃模擬評測還是多計劃對照，建造設計同技術分析兩者間存在的僅是操作上的先后關系。數字技術在綠色建造設計領域的介入則從根本上消解了計劃設計同測評分析間的“時滯性②”，對其“循環(huán)設計”過程和數據的傳遞舉行更為有效、高效的控制。在參數化關聯(lián)模型中，“數據”本身可由“循環(huán)設計”中的評測體系反饋得來并被不斷驅動和傳遞，同時利用關聯(lián)模型對原有計劃舉行優(yōu)化或生成新的設計備選計劃。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(lián)模型結合有三類思路。

二、數字技術輔助綠色建造設計的技術歸納

1．性能評測數據的“可視分析”

實質是在參數化關聯(lián)模型中加入“生態(tài)評價模塊③”并鏈接各類生態(tài)分析軟件，提取評測結果數據并將之反饋至關聯(lián)模型，以“數據可視化”的方式對計劃舉行反饋和評估，設計師可依此調節(jié)計劃。嚴格來說，參數化平臺的結果數據可視化并不能徹低體現數字技術介入的優(yōu)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(lián)模型系統(tǒng)，無法體現數字技術對信息傳遞的控制。然而，在Grasshopper等參數化平臺中確實存在一部分插件來實現生態(tài)模擬數據的可視化，其意義是“統(tǒng)一平臺界面④”。同直接使用評測軟件舉行生態(tài)分析相比，參數化平臺下的結果可視化有利于設計師對計劃的直觀推斷。因其可在設計推敲的同時得到相應的生態(tài)分析視覺化結果，在計劃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造設計的“弱鏈接”。

2．性能評測數據的“控制深入”

實質是將生態(tài)模擬結果作為過程數據參加關聯(lián)模型構建并指導后續(xù)設計生成。如利用模擬得出計劃幾何體表面每片區(qū)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，所涉及計劃的前一階段已確定，而評測數據能夠同關聯(lián)模型對應，并基于現存的幾何體量對計劃的后續(xù)深入舉行控制。由此，設計本身與評測數據間建立了直接且互相呼應的關系：陽光輻射模擬數值較大的區(qū)域相應開窗較小或遮陽出挑較多，抑或維護結構較厚等，因此計劃的立面或細節(jié)處理將更具合理性。

3．性能評測數據的“反饋優(yōu)化”

實質是在參數化關聯(lián)模型中加入“優(yōu)化算法模塊”，能以生態(tài)評測中的某一個或幾個指標為優(yōu)化方向，并反向調整初始的輸入參數組合，來使輸出結果在滿足生態(tài)評測標準的前提下較為優(yōu)化。特點在于，所涉及計劃前一階段并未確定，模擬數據所起的作用即反饋并幫助獵取計劃初期較優(yōu)化的結果。該類型中，概念計劃由關聯(lián)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(lián)模型中的“生態(tài)評價模塊”用以評測這些潛在的備選計劃，并得到相關結果數據；“優(yōu)化算法模塊”則將評測結果數據作為設計進展方向，利用反饋調節(jié)初期的眾多輸入參數，來將其協(xié)調配比并得到較優(yōu)化計劃。

4．相關工具歸納

基于Grasshopper平臺，應用于綠色建造設計的輔助工具歸納。

三、數字技術輔助綠色建造設計的策略綻開

1．組團層級

概述

宏觀層面的城市設計、居住區(qū)或傳統(tǒng)聚落，其生態(tài)策略可從建造與環(huán)境間關系、建造與建造間關系兩個角度綻開。對于建造與環(huán)境，應考慮如何有效通過建造所處的地域資源，即合理調整陽光、風、地形、土地、水源、綠化等要素同建造間關系；對于建造與建造，則需探討建造的組團布局，即合理規(guī)劃建造群落整體朝向、建造間縫隙、街道或開放空地等?？傮w來說，組團層級的生態(tài)策略主要體現在建造整體布局的關系及形態(tài)上的優(yōu)化，從而達到對室外風環(huán)境、自然采光、陽光輻射等方面的通過或防控。

數字技術介入

首先，在數字平臺中建立關聯(lián)模型來描述群組的形態(tài)及空間關系，精確、多樣化的輸入參數能夠對建造群的整體展現舉行調整；第二，評測體系可將室外風環(huán)境、熱環(huán)境、建造采光優(yōu)劣、容積率等作為待優(yōu)化目標，利用性能模擬結果數據來“反饋優(yōu)化”，得到組團圓落的生態(tài)最優(yōu)計劃。詳細來說，策略一為城市生成，屬于計劃從無到有些“控制深入”過程，多見于國際城市設計比賽或數字城市設計討論等。

首先需確定形態(tài)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。這類城市設計探究更具建造設計傾向，因其由參數關聯(lián)模型整體控制，所生成的城市結構和形態(tài)越發(fā)有機、整體且較純粹。策略二為“反饋優(yōu)化”，多見于建造群組結構已確定的城市片區(qū)或居住區(qū)，利用設定單或多目標來優(yōu)化各個建造單體的朝向、開間進深、層高和布局等。其在工程實踐中協(xié)助較大，能在建造師人為介入的前提下對群組空間結構、形態(tài)舉行可控調整。此外，因為眾多設計規(guī)范的嚴格限定，加之“行列式”等現存參考模式，數字技術的統(tǒng)籌能極大地提升該尺度層級的設計效率。

2．體量層級

概述

該類型建造的“主體”設計層面，包含建造形態(tài)和功能布局兩方面。建造體量形態(tài)在諸多方面與其節(jié)能與否相關；此外，形體的組合關系也會影響建造整體的生態(tài)性能。對于功能布局，可按照用戶對其使用的形式及活動量劃分，將次要房間作為“生態(tài)緩沖區(qū)”布置在惡劣氣候的朝向，并將機電設備運行區(qū)集中布置來降低能耗。

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普通流程。由于體量階段是計劃設計從無到有些第一步，而生態(tài)策略或評測數據自身無法生成具有廣泛適應性的優(yōu)化計劃植入到詳細場所語境的基地中去，所以體量階段的生態(tài)優(yōu)化必需陪同計劃設計的規(guī)律操作同步舉行。總體思路是，建造師首先應結合場地關系、功能訴求、問題分析、背景信息等對計劃體量有一個初步的解決策略或預設，而后在數字平臺通過參數關聯(lián)模型對其舉行描述，最后利用生態(tài)模擬的結果數據來“反饋優(yōu)化”，使體量朝著某一個方向進展進化。例如可以利用關聯(lián)模型將計劃在一定范圍內調節(jié)變動，并利用評測不同可選項的生態(tài)性能取得相應數值，以該數據為目標反饋來確定優(yōu)化的建造體量計劃。

3．細部層級

概述

對于建造細部層級的綠色設計研究同樣可分為兩個方面。一是優(yōu)化設計計劃外圍護體系的細部構造。對此，維護結構的熱工性能好壞打算其生態(tài)與否，普通認為構造層次的傳熱系數K值較小則較為綠色低碳，即“墻體越厚越保溫”。而細部的優(yōu)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。二是建造外立面的設計深入。開窗處往往是維護體系熱工性能的薄弱環(huán)節(jié)，其大小、位置以及用材、構造等都需從生態(tài)優(yōu)化的角度重新定位。遮陽是建造被動節(jié)能的主要措施之一，其能有效降低進入室內的陽光輻射，并改善自然采光勻稱度，是構成建造外立面的一類重要元素。有討論顯示，外遮陽措施節(jié)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、高效率的建造被動式節(jié)能技術典范。

數字技術介入

在已經確定計劃體量的前提之下，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“控制深入”，例如運用參數化關聯(lián)模型總體控制建造表皮的生成，而生態(tài)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(tài)和展現效果。

4．數字技術輔助綠色建造設計策略歸納

數字技術輔助綠色建造設計的策略，根據不同層級，可歸納如表3所示。

四、結語

影響建造生態(tài)性能的主要策略基本在計