气候适应视角下的绿色公共建筑数据库研究及其定量分析框架构建

刘倩君，程晓喜，宋修教，连璐，赵建平/LIU Qianjun, CHENG Xiaoxi, SONG Xiujiao, LIAN Lu, ZHAO Jianping

1 研究背景与内容

在2015 年巴黎气候大会及同年中美气候变化联合声明中，中国承诺到2020 年城镇新建建筑中，绿色建筑占比达到50%。住建部2017 年的统计数据显示，我国建筑能耗所占社会总能耗的比例已达到33%。而建筑节能的大量研究和工程实践表明，40%以上的节能潜力来自于建筑方案初期的设计阶段[1]，所以在建筑设计阶段通过调节建筑形体空间适应地域气候，对于降低建筑能耗具有非常重要的意义。

我国当前绿色建筑的研究和设计中，存在重设备及围护结构性能的提升、轻形体优化及空间组织的问题。同时，尽管绿色建筑设计领域有诸多实践成果，也进行了以被动式建筑为代表的定性理论研究；但是研究领域尚缺乏足量的绿色建筑实践案例库，对设计策略进行归纳总结，关于绿色建筑形体空间设计的定量研究亦较为有限。

为了支撑绿色建筑的形体空间设计基础理论的研究，本文探索以建筑形体空间与地域气候以及建筑能耗的相关性分析为导向，构建出一种绿色建筑设计数据库。该数据库以我国京津冀、长三角、珠三角、东北等典型气候区的大样本量能耗监测绿色建筑案例为基础，进一步采集案例建筑的形体空间设计数据以及其所处城市的地域气候数据，旨在总结归纳绿色建筑的设计策略，并支撑形体空间参数与地域气候、建筑能耗之间相关性的定量研究，为绿色建筑形体空间设计新方法归纳提供数据支撑。

2 国内外绿色建筑数据库进展与分析

1 美国CBECS数据库的主要数据分类（绘图：刘倩君）

本研究所关注的“绿色建筑数据库”，指以绿色建筑项目为对象，以指导绿色建筑理论研究或工程实践、绿色建筑评价或标准制定、能源政策制定为目的，对不同气候区的各个城市收集建筑工程与设计实例、能耗指标等基本信息的案例库。当前国内外绿色建筑数据库主要包括：（1）以政府或机构建筑能耗统计为目标的数据库；（2）指导修正节能建筑规范与绿色建筑评估标准的数据库，开发主体通常为各国家或地区的绿色建筑评估系统、科研机构等；（3）建筑性能模拟与分析软件所提供的开发者与用户能够在平台上共享的建筑案例资料。本文主要对占绝大多数的前两类数据库展开综述。

2.1 建筑能耗统计数据库

能耗统计通常由国家或地区政府主导，用于统计建筑运行维护相关信息，以开展建筑节能工作。能耗统计主要调查与统计的信息包括：建筑功能、围护结构、采暖/空调系统、人员使用情况、照明以及月度、年度能耗等。1970 年代能源危机爆发后，欧、美、日等发达国家便开展了建筑能耗统计工作，以详细了解建筑能耗状况，制定国家节能标准。

美国能源信息部管理的“商业建筑能耗统计数据库”（CBECS）[2]是全美最具代表性的能耗统计数据库。CBECS 的首次调查于1979 年完成，其平均调查过程跨越3 ～4 年，目前公开最新的调查数据为2012 年，其在50 个州和哥伦比亚特区的560万栋商业建筑中，按面积、区域和功能进行多级分类抽样，选出有代表性的6720 个样本，并按照面积、气候区、功能、使用方式等维度分类进行主要燃料、电能、天然气、燃油、供暖消耗和相关费用的统计。由于CBECS 主要目标是国家级的能源审计，该数据库公开部分的主要内容为分类统计的数据，并没有单一项目的能耗或建筑设计信息。另外，该数据库的建筑设计数据较为简单，以建筑所在地、建筑面积、建筑年代以及外墙屋面建筑材料信息为主（图1）。

与之类似的是美国能源署开发的“建筑能耗表现数据库”（US-BPD）[3]的分析工具。该数据库按项目功能、建筑构造（如屋顶形式和幕墙类型等）和运营情况等细分了17 个子数据库，用户可以进一步设置条件（包含建筑功能、地区、建筑设备系统、LEED 与节能星级等），查看并比较建筑能耗相关信息、进行定性定量分析等（图2）。US-BPD 的特点在于数据可视化程度高，对项目的分类维度更多样，十分适用于研究与分析，但同样不收录单一项目的信息。

另外，日本可持续建筑联合会针对日本的非住宅建筑耗能与耗水数据进行统计，建立了“商业建筑能耗数据库”（DECC）[4]，共收录3.8 万个商业建筑项目，可利用此数据库查看数据、图表并进行分析。欧盟建筑数据库（EU Buildings Database）[5]是由欧盟委员会开发的建筑能耗统计与分析工具，其收录了28 个国家各类型建筑项目的能耗统计数据，该数据库的逻辑与结构与前述美国US-BPD 相似，主要数据更新至2014 年（图3）。此外，对财务数据的统计和“零能耗建筑”能耗表现的统计是该数据库的特色。

我国最早的建筑能耗调查约起步于1980 年代。为了了解我国建筑能耗状况，为节能政策和能源法规制定提供依据，“中国建筑节能经济技术政策研究组”开始了对我国北方采暖地区和长江沿线城市的建筑能耗调查。1996 年起，清华大学节能研究中心开始对北京市上百栋国家机关办公建筑和大型公共建筑进行审计工作，建立了早期公共建筑能耗数据库[6]。此后20 余年国内许多高校院所基于各自所在地地域气候特点，开展建筑能耗调查分析与相关数据库的开发研究。至2010 年后，我国政府高度重视并大力推广大型公建能耗统计工作，将公共建筑节能管理的任务交由住房和城乡建设部与各级相关部门。

我国目前由政府主导运营的绿色建筑数据库主要包括由住建部管理的全国民用建筑能耗信息统计系统、建筑节能与绿色建筑综合信息管理平台、中央级国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台为代表的全国性数据平台，以及各省市级别的大型公共建筑能耗监测平台。在能耗数据分析平台，不仅可以查询各行政区划的总能耗和分项能耗，也能查询单栋建筑的能耗公示信息。不同于西方国家能耗统计的实践，我国目前的能耗统计平台数据的公开性较为有限，除政府定期发布的年度报告外，公众并不能获取多维度的分析数据（图4）。

综上，国家或地区范围的建筑能耗统计数据库以覆盖项目数量大、类型丰富、收录信息全面为特点，其数据具有较强的统计意义和研究分析的价值，但并不以关注单一项目为目的。

2.2 绿色建筑评价系统的项目数据库

绿色建筑评价体系通常以打分的形式对建筑各个分项指标进行定性或定量的评价，中国、美国、英国、德国、日本等10 余个国家开展形式不同的绿色建筑评价，形成相应的项目评价数据库。

由美国绿色建筑协会设立的LEED 认证系统搭建的数据库网站，向公众开放了全球逾11 万个LEED标识项目的建筑设计与运营能耗相关的信息[7]。每个项目含基本信息和评分表两大类数据。其中基本信息包括建筑功能、使用情况、上报能耗数据（如耗电、耗水、废弃物、人体体验等）、多角度的实景照片和地理位置等。值得一提的是，每个建筑案例为获得LEED 标识所采取的运营和维护策略都会被详细罗列。在评分表信息中，则记录了项目在LEED 评价体系的用地、节水、节电、建材等八大领域的110个细分维度的评分情况（图5）。相对于纯粹的能耗统计数据库，LEED 标识项目数据库统计的信息维度更加多元，并且由于数据库同时侧重建筑设计的节能策略，LEED 标识项目库同时也是面向建筑师和公众的“绿色建筑设计资料集”。

2 美国US-BPD数据库的主要数据结构（绘图：刘倩君）

3 欧盟EU-BD数据库的主要逻辑结构（绘图：刘倩君）

4 中国中央国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台的数据界面（图片来源：中国中央国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台，[2019-03-03]）

我国的“绿色建筑标识”在目前的公开信息中，仅能查询到标识项目名称、星级和所在省份的基础信息，而建筑设计、能耗表现等关键信息尚未在系统中开放。

除了官方的绿色建筑评价系统外，一些研究机构也在尝试建立公开的建筑数据库。其中，英国的“环保建筑协会”于2010 年起着手建立的“英国被动式住宅组织”[8]是收录案例较多、结构较为完备的数据库平台。平台共收录236 个位于英国的被动式住宅项目，计划收集建筑的图像、能耗、设计策略、室内设备和其他工程信息；在能耗方面，计划收集项目前期开发、计算和运行能耗。而该数据库面临的挑战在于数据获取，大多数项目的能耗、设计策略和其他工程信息尚未录入（图6）。

5 美国LEED项目库的数据分类界面（图片来源：参考文献[7]）

6 英国“被动式住宅”数据库的数据结构（绘图：刘倩君）

7 一种以建筑形体空间的气候适应性设计为视角的绿色公共建筑数据库结构框架（绘图：宋修教）

综上，绿色建筑评价系统有优秀案例作为基础数据，收集并分析其设计策略、能耗表现等信息对绿色建筑的研究与实践均有较高的价值；但对于非官方机构而言，尽管绿色建筑案例数据库的架构设计已较为成熟，获取所需信息与数据仍存在较大挑战。

2.3 已有绿色建筑数据库的基础与不足

当前国内外绿色建筑数据库已经具备的研究基础包括：（1）案例及数据量丰富，具备从中遴选和对照的基础。虽然多数数据库不公开单项目信息，但从LEED 公开库和住建部数据库中，可获得较多数量的单项目信息；（2）数据类别和数据库结构相对成熟，其中地域气候数据和建筑能耗数据这两类数据清晰，可直接选用。

但同时现有绿色建筑数据库仍然存在的不足包括：（1）目前国内外的绿色建筑数据库数据量大，缺乏研究的针对性，尤其是不同地域气候分区的数据比较分析不足；（2）数据库中与建筑空间设计和节能策略设计相关的信息较为有限，建筑项目的图像化、模型化程度较低；（3）对于非政府和评价体系的官方机构，数据获取存在较大挑战。

针对以上3 个问题，本文研究探索在既有绿色建筑数据库的基础上，提出一种包含建筑空间形体数据、所在地域气候数据和建筑能耗数据的新数据库结构，进行同一地域气候分区内的多案例数据采集，以及同类建筑在多个地域气候分区的多案例数据采集。同时，从建筑师和建筑设计的角度完善绿色建筑的数据采集方式，以实地测绘和建模等方式提取项目的图像与设计信息。

3 一种建筑设计视角下的绿色公共建筑数据库框架构建

3.1 数据库目标分析与结构设计

为了定量地分析案例建筑项目的绿色性能表现、形体空间与地域气候之间的关系，探索地域气候适应型建筑的空间设计策略，本文提出一种形体空间气候适应性视角下的绿色建筑数据库框架。

数据库的4 个目标功能如下：（1）对案例项目所在地域的气候数据进行查询；（2）对案例项目的建筑能耗进行统计；（3）对案例项目的形体空间设计数据进行查询；（4）为以上3 组数据之间的耦合关联分析提供数据输出和分析的接口。因此，本数据库的主体数据结构包括项目基本信息、地域气候数据、建筑能耗数据、建筑形体空间数据。

基于我国建筑气候区划，数据库的地域城市选择尽可能覆盖严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。在同一气候区中聚焦选取气候特征典型、案例建筑项目集中的城市，以便形成足量数据来进行数据之间的耦合关联分析。因此，本数据库首批以京津冀、长三角、珠三角、东北4 个地区的北京、上海、广州-深圳、哈尔滨-大庆，作为数据库案例项目录入的城市选择，以实现数据库项目覆盖区域的代表性。同时，数据库计划在上述城市收录不少于50 个绿色公共建筑项目。数据库选择的案例包括各相关城市的优秀绿色公共建筑设计项目、绿色建筑标识项目以及住建部公共建筑能耗监测平台已接入的项目等。由于数据库建设和数据积累是一个长期积累的过程，本数据库将面向绿色建筑设计研究的院校与单位，搭建开放的经验交流与共享平台，各机构可以输入各自绿色建筑设计项目的相关成果数据。

基于以上数据库的目标和需求分析，数据库基本结构设计如图7 所示。

3.2 数据的选取、来源与处理

（1）采集形体空间数据，形成建筑设计定量分析的基础

既有绿色建筑数据库的建筑数据，通常仅包括建筑规模、功能类型、建造时间等信息，难以从建筑设计的视角开展绿色建筑定量分析。因此本数据库将通过资料收集和实地调研测绘的方法，采集入库项目的形体空间数据。

第一层形体空间数据包括入库项目的建筑各层平面图、各向立面图、反映形体空间变化的剖面图、建筑外墙剖面（含遮阳构造）节点详图、建筑门窗表（含建筑内外可开启门窗及洞口的数据信息）、建筑三维模型、场地及周边城市环境空间形态模型等。在第一层数据基础上，通过建筑形体的地域气候适应性机理分析，进而提炼出第二层形体空间数据，其在场地布局、空间组织、表皮设计3 个方面包括但不限于场地建筑密度、场地规模以上绿地率、场地建筑群迎风面积比、建筑缓冲空间比、建筑外区空间比、建筑内部可透风度、建筑表面接触系数、建筑最佳太阳朝向窗墙比、建筑最佳迎风方向外窗可开启面积比等若干关键性指标（图8）。

（2）采集气候数据，区分不同地域不同时段的建筑气候适应性

既有绿色建筑数据库的气候数据，通常仅间接地显示建筑所处的国家和城市，并不关注通用建筑能耗与特定地域之间的相关性分析。因此本数据库为了深入定量分析绿色公共建筑的地域气候适应性，将精细化地录入逐时段的地域气候数据。

在我国《绿色建筑评价标准》、美国LEED 和英国BREEAM 为代表的绿色建筑评价标准中[9]，气候影响因素主要为温湿度、日照和风。因此，本数据库采集的气候数据包括温湿度（包括干湿球温度和相对湿度）、日照（包括辐射强度和辐射角度）、风（包括风向和风速）数据。这些数据的来源以中国国家气象中心的地面资料、高空资料和辐射资料等数据库为基础，同时参考能耗模拟软件IES 等的气候数据库（图9）。以上跨城市的、逐时段的数据将有可能定量地揭示出建筑在不同时空下不同的气候适应性规律。

（3）完善和处理建筑能耗数据

能耗数据方面，本数据库计划分别收集入库项目的实测运行能耗和计算能耗，其中：计算能耗主要选取适宜的能耗模拟软件或数学模型公式[10]计算得出；而实测能耗数据，则来源于住建部的中央级国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台，主要选取空调用电、照明插座用电和动力用电等，由于能耗有明显的季节性特征，因此逐时段采集和录入实测能耗数据，以便于后续分析（图10）。

以上两类数据分别存在一定局限：实测运行能耗较大程度地受设备使用习惯、建筑使用习惯等噪音的影响，且北方城市的冬季集中采暖的能耗需要进行补充处理。计算能耗则由于模型模拟工具本身已先验地预设了影响能耗的相关因素，因此价值更多地体现为验证和映射某种规律。因而在后续研究的定量分析中，宜综合考虑上述两组能耗数据，研判其各自的适用性，进行适当的选择和应用。

8 建筑形体空间数据的建模与采集示意（绘图：连璐）

9 地域气候数据的逐时段采集示意（绘图：刘倩君，根据IES软件截图编辑）

10 建筑能耗数据的逐时段采集与计算示意（绘图：刘倩君根据IES软件截图编辑）

4 结语与展望

针对既有绿色公共建筑在设计方法上定量研究不足的问题，本文研究构建一种可支撑建筑形体空间气候适应性定量分析的数据库框架，实现建筑项目的形体空间设计、能耗数据和气候数据的储存与管理，旨在解决地域气候适应型绿色公共建筑设计的理论研究中因设计、建设、运营等数据离散所导致的数据支撑不足的问题。同时，该数据库在案例项目数据不断积累的基础上，通过数据之间的耦合关联分析，归纳不同地域控制建筑能耗的关键性形体空间要素，为揭示绿色公共建筑的地域气候适应机理和提出新方法形成坚实的数据基础（表1）。该体系建立后，将持续充实、更新数据库中的案例信息，并实现气候适应型建筑设计领域内的数据共享。□

表1 基于绿色公共建筑数据库的定量分析框架示意(制表：宋修教)