计算机辅助设计在绿色建筑设计领域应用综述

张睿智

(中国矿业大学(北京)，北京 100083)

1 概述

随着工业的繁荣与城市的发展，人类利用自然和改造自然的进程加大，在社会进步的同时也产生了一系列的环境危机，温室效应、资源短缺以及土地沙化都是亟待解决的难题。而房屋建设作为城市化进程的主角之一，越来越为人们所期待成为转型的主力军，因此“绿色建筑”的理念产生了。同时，计算机辅助设计(CAD)技术已经逐渐进入成熟阶段，其在绿色建筑设计过程、评估、模拟和实现中所体现出的优势使得CAD最终成为绿色建筑设计不可或缺的工具之一。介于“CAD在绿色建筑设计中的应用”这一议题日益为人们所关注，相关的文献资料也层出不穷，这其中宏微兼具，乏善可陈，本文主要将对2001年～2013年国内外的相关文献做出综合论述，罗列重要观点、观点的相关性、可靠性以及重要实例并做出相应的评价与建议，以达到为广大同僚奠定理论基础、提供延伸契机的目的。这一时期内，文献整体呈现出从微观走向宏观、国内国际步调不一致的特点，本综述将采用从观点的宏观性到微观性的组织次序，见图1。

图1 综述思维导图

2 CAD在绿色建筑设计领域综述

2.1 三个主要的历史发展阶段

计算机辅助设计诞生于20世纪60年代的美国，1973年，致力于满足建筑设计师需求的CAD(计算机辅助建筑设计)作为其分支应运而生。20世纪70年代～90年代之间，计算机在建筑设计方面的使用日趋合理化、实用化，特别是在建筑设计的进程中得到相当的体现。一个重要的应用是CAD绘图技术，它帮助建筑设计师从繁杂的工作当中解放出来，例如计算机绘制建筑草图和透视图的应用。21世纪以来，计算机数字图像信息处理和仿真模拟技术日趋成熟，特别是其模拟功能在对象成形和处理以及虚实同步上显示出的优越性使得CAD越来越体现出其重要性。与此同时，绿色建筑理念、生态建设以及建筑环境一体化也逐渐进入人们的视线。计算机辅助模拟仿真因此被应用到绿色建筑设计领域，并在促进生态建筑的实践和研究方面做出了巨大的贡献。

2.2 发展现状

从近3年中文文献中可知，宏观上来看，绿色建筑设计的过程反复多变的特点决定了计算机在其辅助设计中显现出阶段——整体性和循环性，每一阶段有明确目标和方法论，阶段间有层次关系，将不同阶段结合成为整体;而阶段本身需要不断修改和完善又是其循环性的体现［3］。另一方面，节能减排应为设计过程中贯彻始终的主要目的，也正是仿真模拟应用的主要平台［1］。我国最早涉足此领域在2006年，根据GB/T 50378-2006绿色建筑评价标准参照CASBEE(Comprehensive Assessment System for Building Environmental Efficiency，日本研制的绿色建筑评价系统)为2008奥运会开发的《绿色奥运建筑评估体系》，在此之前国际上已有诸多较为成熟的评价系统如 LEEDTM，NABER，GBC等［2］。计算机辅助的绿色评价系统实则为宏观循环性提供了切实可行的手段，是绿色建筑设计反复修正的根据和标准。就国际上的形势来看，目前较为先进的评估体系主要运用在房屋采光和供暖上，如TRNSYS(动态系统仿真软件)即被应用在评估水平遮阳板的设计当中［4］。为计算机评估绿色建筑设计体系提供有力支撑的当属计算机辅助设计的模拟仿真技术，全方位的BIM(建筑信息建模)、首创的精确定量以及具有极大参考价值的知识库体系共同完善和升级了计算机辅助设计的模拟功能。

1)BIM。高集成化的BIM融合了各种相关工程数据，可兼容多种相关建筑模型软件如ECOTECT和GBS等，从而成为仿真模拟技术的中坚优势［1］。一方面，其可视化建筑模型在绿色建筑设计过程当中不仅将建筑物本身的内外部结构直观体现，还将周边环境的信息摄入处理，直接实现建筑环境一体虚拟成形，摒除了传统设计经验论、不可重复的弊病。另一方面，由于BIM的专业化、集成化，大量的建筑设计及结构信息的部分或整体模型大大减轻了建筑设计师的工作量，也一定程度上实现了建筑设计的模块化。由于BIM乃计算机辅助设计模型，其开发维护也需要不断更新完善。意大利研究者F.Gugliermetti和 F.Bisegna于2006年简化完备了外部遮阳设备的算法，加快了运行速度，极其注重节能隔热效果更加体现环境友好的意义［5］。

2)精确定量。传统建筑设计方法难于解决精确定量的问题，也就无从谈起模拟技术。计算机辅助设计强大的计算能力和数据处理能力首先将人类社会环境数字化，如温度、光照、湿度等，不仅记录了历史数据，而且生成均值、预测值、经验值直接模拟应用进入建筑设计场景。例如SUNTOOL模拟某年某日的光照在虚拟建筑物内形成光照域并得出精确值反馈给设计者［5］。更加值得注意的是，定量模拟同时也实现了模拟的动态化，它可以根据录入的时间轴和力学模型，直接改变对象角度或依据理论记录对象运动轨迹及其物理特征，得到绿色建筑物的最终使用效果。

3)知识库体系。计算机辅助设计利用其惊人的存储和调用能力，建立起具有巨大参考意义的知识库体系，知识库集结了除像BIM等模块化工程数据外的又一大专家案例库，从一定程度上实现了标准化［2］。知识库体系可以被直接运用于两大方式:等级化，这种方式体现了软件友好型的特点，通过人机交互的方式，设计师根据自身要求自选等级，避免僵化;模板化，体现软件智能的特点，易上手，根据已有的知识库生成模板供设计师参考或直接使用，解放劳动力，利于批量生产。

3 结语

计算机辅助设计技术的迅猛发展和其在建筑设计行业突出的革命性，使CAD以及配套软件必将在绿色建筑设计舞台上生辉。就目前国际趋势来看，BIM和知识库体系正在逐步走向简化、标准化和环境友好化，为更高层次的模拟仿真奠定了坚实基础。同时，由于计算机处理系统的升级不断满足数据量化的需求，绿色建筑设计评估体系也在向着动态评估的方向发展。CAD的全方位提升意味着此技术不但将会充分配合建筑设计的阶段——整体性和循环性，还将突破现有认识进入到绿色建筑设计的调研勘测阶段［6］，真正做到全面辅助行业发展。

［1］Lei Z，Weifang Y.BIM Technology of Computer Aided Architectural Design and Green Architecture［J］.IEEE Symposium on Robotics and Applications(ISRA)，2012(12)：91-93.

［2］王有为，孙大明，苑 麒，等.绿色建筑辅助设计与评价软件［J］.建筑科学，2007(2)：53-55.

［3］毛鸿霖.浅析计算机辅助建筑设计与绿色建筑设计结合［J］.科技传播，2010(6)：9-11.

［4］Datta G.Effect of fixed horizontal louver shading devices on thermal perfomance of building by TRNSYS simulation［J］.Renewable Energy，2001(23)：25-27.

［5］Gugliermetti F，Bisegna F.Daylighting with external shading devices：design and simulation algorithms［J］.Building and Environment，2006(41)：78-80.

［6］Yuan C，Ng E.Practical application of CFD on environmentally sensitive architectural design at high density cities：A case study in Hong Kong［J］.Urban Climate，2013(12)：98-100.

［7］Zhao X，Bai X，Zhao X，et al.Key Technologies of Green Building Design and Their Software Simulation［J］.International Conforence on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE)，2010(3)：85-88.

［8］袁春晓，于 军.计算机辅助绿色建筑设计初探［J］.建筑科学，2010(22)：7-9.

［9］王鹏飞.浅谈计算机辅助建筑设计与绿色建筑设计的结合［J］.智慧城市，2013(6)：53-54.