基于环境性能的建筑形态生成与建构方法

李麟学 葛康宁 张琪

同济大学建筑与城市规划学院

业主：河南省科技馆

建设地点：河南省郑州市

建筑设计：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司麟和建筑工作室

项目负责人：李麟学

设计团队：吴杰、周凯锋、刘旸、吴琦

总建筑面积：105 000m2

设计时间：2017.05～2018.10

项目状态：在建

建筑性能是一个长久的建筑学科命题。班纳姆在《环境调控的建筑学》中将建筑比喻为“环境调控的机器”，认为建筑发展史是一部环境调控的历史，将建筑中的环境调控提升到与结构、材料和空间设计同样重要的地位。从环境调控到环境性能，体现了当代建筑学科的重要理论发展。建筑环境性能关注物理因素如风、光、热等要素对建筑空间布局和形态的影响，随着环境模拟技术的跨越式发展以及数字技术的引入，环境性能研究逐渐从定性向定量发展。

环境和能量是相互关联的两个主题，威廉·布雷厄姆教授在《建筑与能量：性能与风格》一书中从环境性能优化入手，阐释了能耗如何影响建筑的性能与形式。目前关于建筑节能的研究主要有两方面：一是主动技术，即高效利用建筑设备调控建筑室内环境；二是有意识地将自然通风和自然采光相结合，以被动方式减少能源消耗。将数字技术和工具应用于建筑时，可以对建筑物的节能设计进行有效的计算和模拟，但是这种方法目前仍存在诸多误区，如“回溯性”验算使建筑本体设计边缘化，造成建筑师无力触及能量议题的内核。

环境、能量与建筑息息相关，对建筑物中能量运行机制的科学分析可以为建筑物的形式、功能、空间等的组织提供有力支持，实现从形体到构造的整合。本文以河南省科技馆新馆为例，通过使用数字工具进行环境参数模拟，从而实现建筑形态的生成与建构。

1 环境性能与能量协同

从建筑能量系统的角度来看，与建筑有关的所有能量流动可以分为三类：能量隔离、能量引导和能量整合。

能量隔离是指最大程度地减少建筑与环境之间的能量交换，并将建筑内部视为完全受控的能源系统。洞穴和雪屋是传统建筑中典型的能量隔离案例，在现代建筑中，有效的外部隔热、窗户气密性与遮阳系统的改善也可有效实现能量隔离。

建筑和环境中的能量引导以传导、对流、辐射三种方式进行。能量流的方向由空间中的能量势差决定，并且能量总是从高能势传递到低能势。能量引导是要有依据地在建筑物内合理分配能源。自然通风就是一种典型的能源引导。

热力学第二定律指出，不可能从单个热源提取热量并将其完全转换成有用功而不产生其他影响。该定律指出了能量流动的方向性和不同能量之间的质量差异。对于建筑能源系统，电能和太阳辐射是高质量的能源，而热能是低质量的能源。能源整合是为了捕获和重组内部的能源，以求更有效地利用建筑中的能源。

2 设计路线

2.1 环境与气候模拟

设计的第一步是收集当地的气候和天气数据，并确定相关的设计参数。使用软件对气象数据进行分析和可视化，提取与建筑物能源直接相关的重要参数，包括温度、湿度、太阳辐射、风环境等。

2.2 建筑形态生成

基于环境分析和建筑物的规模和功能要求，建筑师可以在总体规划中设计建筑物的总体布局，同时借助模型软件创建建筑物的粗略体积和形状、立面开口和中庭位置。建筑技术人员试图通过风环境模拟软件寻找“环境响应”的建筑物形态。在不同季节，外部风环境和对建筑自然通风强度的需求有所不同，因此建筑师需要分别在冬季和夏季进行风环境模拟，选择环境参数并根据反馈优化形态以获得最终方案。

2.3 表皮建构

在建筑设计阶段，“建筑实现”常常与建筑表皮形式、结构和材料构造有关。首先，建筑师应充分考虑建筑物外墙材料、颜色、墙面热阻、比热容、外门窗和遮光条件，确定表皮的基本类型和形式。建筑表皮对环境的响应能力可以分为固定、可变和自适应三个级别。在对表皮进行模拟优化后，选出节能和环保功能较好的被动式建筑表皮构件，以增强自然采光和通风。最后，当被动式表皮构件不足以提供舒适感时，需寻求主动式技术的辅助。

当代建筑表皮建构日益向模块化设计迈进。根据其工作原理和相应的气候要素，表皮建构可分为日照模块、通风模块、热模块和能量模块。表皮设计不是单纯的拼贴，而应考虑能量系统中不同模块之间的交互作用。不同的建筑表皮可以满足其特定需求，使表皮与环境形成积极互动。

表1 建筑表皮优化和整合进程

1 河南科技馆新馆效果图

2 郑州市气候统计数据

3 郑州市全年相对湿度分析

4 郑州市夏、冬两季焓湿图分析

5 郑州市太阳辐射分析

6 郑州市年风环境分析

3 建筑形态生成与建构——以河南科技馆新馆为例

3.1 项目概况

河南科技馆新馆是麟和建筑工作室在建筑领域探索“能量协同设计”的重要实践。该项目位于河南省郑州市郑东新区象湖湖畔，建筑用地面积54 453m2，总建筑面积105 000m2，容积率1.47，建筑高度42m，地上4层，地下1层（图1）。

3.2 当地环境和气候分析

郑州市属于北温带大陆性季风气候，在太阳辐射、地形地质、大气环流等因素的共同作用下，形成了冷暖适中、四季分明、雨热同期、干冷同季等气候特征（图2）。其中冬季最长，夏季次之，春秋季较短，年平均温度维持在14～14.3℃。郑州的降水量较低，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗少雨，冬季寒冷少雪。年降水量为610mm且主要分布在6～9月，一年中其他季节雨水较少。

3.2.1 温湿度分析

借助可视化工具软件，对郑州地区一天内的温度和相对湿度进行分时分析，可以看出郑州夏季温度和相对湿度都较高，尤其在午后温度达到一天中最高点时，冬季温度和相对湿度较夏季而言都比较低。此外，冬季和夏季常出现极端气候。分时段对一天的气候变化进行分析，发现相对湿度最高点都出现在夜间。郑州全年相对湿度相较于沿海城市低很多，上午较低，夜间较高，整体较为舒适。相较于其他月份，8月份较为潮湿，平均湿度达72%以上，在这个时期应做好适当的除湿措施（图3）。

3.2.2 焓湿图分析

通过焓湿图对郑州的冬季和夏季气候进行分析，图中蓝色部分显示的是郑州室外气候集中出现的区域，而黄色框内是人体感到舒适的区域。蓝色部分远离黄色框，可知夏季郑州气候呈现高温高湿的特点，而在冬季则温度偏低。因此在建筑被动式设计中最有效的方案为：夏季加强自然通风和夜间通风，从而覆盖大量在舒适区域之外的气候数据，提高舒适性；冬季则利用被动式太阳能技术，覆盖部分舒适区域之外的气候数据，同时配合主动式设计来抵御严寒（图4）。

3.2.3 日照分析

郑州日照资源较丰富，全年日照时间约2 400h，最佳日照朝向为南偏西2.5°，在此情况下可以最大程度获取冬季阳光，同时降低夏季太阳辐射对室内环境的影响（图5）。

3.2.4 风环境分析

根据风玫瑰图显示，郑州全年主导风向为北偏东风，次主导风向为东南风和西南风。冬季主导风向为西北风，次主导风向为东北风。考虑到夏季西南风和冬季东北风对冲（图6），在夏季自然通风的设计中应根据东南风布局风道。此外，应对西南方向的风进行灵活的可开闭性设计，夏季导风，冬季阻风。

3.3 基于环境性能的建筑形态生成

3.3.1 风环境模拟

郑州夏季盛行风的主要方向为东南风，为促进通风，建筑布局应在一定程度上顺应风向。通过风环境模拟软件的初步模拟，在室外主要人行区1.5m高度处，场地内风场流线顺畅，无气流死区，无明显的漩涡，风速保持在0.5～2.5m/s，基本符合人体舒适度要求。为了深入探究地形对建筑自然通风的影响，在风环境模拟中加入地形因素，结果显示，地形对场地内建筑的自然通风有着较为明显的影响，在一定程度上降低了场地内风速，但并没有形成明显的涡流或者阻碍（图7）。

7 夏季风环境模拟

8 冬季风环境模拟

9 建筑形态生成策略

10 风洞试验模拟装置

11 表皮结构分析

12 表皮构造分析

郑州冬季盛行风向为西北风。经过风环境模拟软件的初步模拟，我们看到在主要人行区1.5m高度处，场地内风场流线顺畅，无气流死区，无明显的漩涡，风速保持在0.8～2.6m/s，基本符合人体舒适度要求。相较于夏季而言，冬季风速略微偏大，故计划在风速放大区域种植植被，对其进行一定的阻挡（图8）。

整个外墙为“响应环境”采用了流线形设计，没有明确的边界和界限，建筑体量呈现三叉形，每一个分叉都在截面方向扭转了90°，使得建筑部分屋顶和另一部分的外墙处于同一个曲面，外墙、屋顶和架空楼板融为一体。建筑面对象湖方向形成了多层次的错落空间，在湖畔绵延展开，利用自然高差呈现出阶梯状的立体态势，形成错落流畅的天际线。建筑的整体形态生成与场地风场的最大化契合，使其可以平衡最小化能源的使用和最舒适环境性能的营造（图9）。

3.3.2 风洞试验

河南科技馆新馆形体基本确定后，在同济大学风洞实验室，结合环境参数化技术平台进行实测验证。实验室中，3D打印的刚体模型设660个风压测点，通过细管传压至电子扫描阀，每个点312次/s扫描测定点所在的时空动脉特性（图10），在环境模拟技术平台进行风环境分析，以1/300的几何缩尺比模拟了B类风场，同时模拟了位于周边约850m直径范围内的主要建筑，得出每个点的设计风压，以此精准验证建筑形态与界面设计，形随流定，从而推动环境、能量与建筑的互动设计。

3.4 基于环境性能的表皮建构

3.4.1 双层铝板幕墙体系

河南科技馆新馆的外墙采用双层框架式幕墙体系。外层是带翻转遮阳构件的开放式银白色阳极氧化铝板装饰挂板幕墙，内层为框架式玻璃幕墙，双层幕墙通过连接构件固定在主体结构上。其中，内层玻璃幕墙距离主体钢结构250mm，装饰面层距离主体钢结构1 000mm。玻璃幕墙传热系数K≤1.9，玻璃幕墙遮阳系数0.47。外侧的开放式阳极氧化铝板幕墙使用钢框与银白色阳极氧化铝板装饰面板，装饰面板内侧防水层采用氧化铝单板+防水透气层+保温层+龙骨+隔音层+室内装饰吸音面层的构造做法（图10）。

建筑物被连续的铝制外壳包裹，形成了能量的界面。根据白天内部功能的不同要求，对表皮进行参数化控制，通过一组模块化系统控制幕墙的打开率。不透明部分采用鱼鳞状的铝板，透明部分根据铝板的翻转角度满足不同的功能需求（图11，12）。

13 表皮效果图

14 表皮建构模拟和优化

15 表皮立面和剖面图

3.4.2 表皮建构

通过软件模拟和优化，可将面板尺寸模块化，使整个建筑曲面转换为一系列平板组件，最大程度地减少曲面面板，从而控制建造成本。幕墙框架安装在主体结构上，建筑表皮的翻转角度可以根据不同的光照环境自动变化，同时实现有效的通风控制（图13）。

在设计初期，主体钢结构由水平和垂直框架形成3m×3m的正方形正交网格，每个网格支撑四个铝板单元。在计算结构的强度和刚度之后，通过在正方形网格对角线方向增加斜杆，将幕墙支撑结构优化为更合理的三角形单元。

同时，表皮的阳极氧化铝板配备了纳米技术防尘自洁涂层，以应对中国北方的多尘环境。自洁涂层的使用也可以视为一种“环境响应”的材料选择（图14）。

3.5 整合主动与被动的通风系统

河南科技馆新馆按照LEED白金标准和国家三星级绿色建筑标准进行设计建造，考虑到局部空间机械通风的必要性，采用了自然通风与机械通风协同的设计方法。以中庭通风为例，中庭通风采用了主动式与被动式协同的策略。在夏季和冬季，中庭以主动式空调送风为主，空调采用分层送风，保证冷热量均匀分布。考虑到科技馆中庭高大空间送风的有效性，经与暖通工程师沟通，结合座椅设置送风口，在满足送风量标准的同时，综合考虑中庭空间的美观性和舒适度，风管需穿越楼板下的桁架空间到达指定座椅下方的送风口。在春秋过渡季节，中庭屋顶开启，利用烟囱热压效应进行自然通风。

4 总结

环境、能量和建筑是三个相互关联的主题。基于建筑环境性能和能量系统的运行机制，利用技术平台和模拟工具，实现“材料—能量—形式—性能”之间的关系转换，是当代建筑设计的重要方法。文章以环境性能为评价指标，以河南科技馆新馆项目为例，对如何借助数字化工具从气候参数分析出发进行建筑形态的生成和建构进行了阐述，所提出的“环境响应”以及物质化的“建造实现”将成为建筑设计发展的重要机遇，也是当代建筑学科的重要理论发展。