关于数字技术辅助绿色建筑方案设计的研究

2021-03-30胡吉恺

居业 2021年9期

胡吉恺

(内蒙古呼和浩特 010000)

1 数字技术与绿色建筑设计的基础特征

1.1 数字技术特征

数字技术是典型的参数化技术，其核心在于构建相应的“关系模型”。目前，部分参数化软件在早期开发过程中，均被赋予了“记录建构历史”的功能特性，其中最具代表的软件就是Rhino、Maya等，此类软件也是早期关联性技术和参数化技术的具体体现。当软件在描述建筑设计中各几何体结构时，自始至终坚持“高维提取低维，低维构建高维”的理念原则。但从某种角度来看，“记录建构历史”主要所记录内容为各种规则下的具体“关系”，如，模型建立“关系”，并且通过对原始几何信息相关结果的有效更改，可在某种程度上强化参数化系统内部“关联性”。由于传统建模软件平台中Record History实际功能存在某种限制，目前，“Grasshopper”参数化平台是应用最为广泛的关系模型软件。

因而，参数化技术又被认为是一种“关联模型”，相关数据的输出主要由模型一端所负责，可有效指导不同类型的系统操作，并在对关联记录后进行传递，最终形成对设计结果的有效输出。而该“关联模型”的核心就是“关联性”，可以有效控制相关“过程”和“数据”。

1.2 传统绿色建筑设计特征

从传统绿色建筑设计来看，具体方案的节能与否无法凭借设计师自身经验和审美判断，而以数字技术为平台所建立的各种数据模拟技术可以对建筑绿色设计方案进行综合测评。所以绿色建筑所采取的设计路线为常规设计，即运用专业软件模拟建筑室内外风、光、热、能耗等物理环境，并围绕结果数值进行量化比对，从而实现对方案节能与能耗的有效评估。

一般情况下，建筑设计方案的生态性测评活动需在前期所有设计工作完成后开展，如施工图设计完成后方可进行节能计算。因此，绿色建筑设计的“模拟”也是一种评价和检验方案的流程，而并非全部纳入设计前期。若绿色设计工具在建筑方案中无法发挥自身作用和效应，将对生态设计整体效率产生严重影响。Niles Larsson在GBC2000中提出一种全新的工作流程，即：绿色技术+建筑设计模式。其中，在建筑的初步设计环节，能耗模拟、结构设计以及设备设计等相关内容被设计为一个循环体，可将工程师相关设计评价和设计意见进行总结和统计，生成系列化的“反馈信息”，进而对初始方案进行修缮和更新。该过程也被视为循环设计，主要目的在于突出“数据反馈”的重要地位。

2 数字技术辅助绿色建筑设计的策略

2.1 组团层级

从宏观层面来看，传统聚落、居住区域以及城市设计等的绿色生态设计主要可以从两个关系着手：建筑与建筑的关系、建筑与环境的关系。

在各建筑体系之间，需要综合规划和设计建筑群落整体朝向、建筑与街道、建筑楼间距以及建筑与开放空地等建筑组团布局；而在建筑与环境关系中，则需要考虑自然环境中各个不同要素与建筑之间的关系，如，光照、风、土地、地形、水源和植被等。从整体上来看，以组团形式为主的生态策略，重点在于优化建筑整体布局的形态和关系，进而从根本上提高对室外风环境、自然采光以及阳光辐射等自然资源的有效利用。

依托相关数字化平台进行关联模型的建立，以便于对群组形态及空间关系的系统描述，通过有效输入建筑相关参数，如，形态、高度、数量以及疏密等等，合理调节建筑最终所呈现效果。从评测体系所设定待优化目标来看，室外风环境、热环境、容积率以及建筑采光优劣等均可借助性能模拟所获结果数据实现“反馈优化”，进而从根本上确保建筑组团布局的生态性与科学性。

城市生成。该策略主要在一些国际性城市设计竞赛或数字城市设计研究中较为常见，其生成主要是为了进一步确定建筑整体形态结构的原型，而相关性能模型则可在一定程度上为城市群落的生成，提供“中间数据”支撑。相较于其他形式，这种在城市设计上的创新与探索，极富建筑设计色彩，并且在参数关联模型的相关控制之下，因此可生成更具整体性、有机性、纯粹性的城市结构和城市形态。

反馈优化。该策略主要在一些已经确定城市片区或居住区的建筑群组结构中较为常见，通过单个目标或多个目标的设定，以实现对各建筑单体朝向、层高、布局和开间进行系统优化。该策略在工程实践过程中发挥着十分重要的作用，可以在建筑师介入的情况下对群组空间结构、形态等进行调节。此外，出于对相关设计规范和要求的考虑，再加上“行列式”等现存参考模式，数字化技术的统筹应用能够在一定程度上促使该尺度层级设计效率的全面提升。

2.2 体量层级

在设计体量层级建筑主体时，需综合考虑两方面内容：一是建筑形态，二是功能布局。前者对建筑节能的影响主要包括以下三种因素，如，建筑体型系数、庭院设置以及界面形状等。另外，形体组合关系也是影响建筑整体性能的一大重要影响因素。而针对建筑的不同功能的布局和划分，需将用户使用形式和用户在空间内的活动量等因素纳入考虑方位。在恶劣气候朝向设置次要房间，充当整个建筑空间的“生态缓冲区”，并通过各机电设备进行区域化和集中化布置，进而从根本上降低对建筑能源的过度消耗。

目前，数字技术在体量层级中的渗透与介入，广大建筑设计领域尚未形成统一的流程。因为在建筑方案实际设计过程中体量层级属于设计的第一环节，而若要确保建筑设计方案的优越性与适应性，单纯的依靠相关生态策略和测评数据难以实现，因此，需不断优化该阶段整体生态环境，严格按照方案设计相关流程和步骤开展具体操作。

整体上而言，建筑设计需在充分考虑多种因素的基础上，如，问题分析、场地关系、背景信息以及功能诉求等，初步制定方案体量相关解决策略，而后以数字平台中的参数关联模型加以描述，最终以生态模拟所获数据实现“反馈优化”，并确保体量发展的统一性。比如，为获取相应数值，可对不同选项的生态性能进行综合测评，并将数据作为目标进行有效反馈，并不断优化建筑最终体量方案。

2.3 细部层级

在讨论建筑细部层级的绿色设计时，同样可从两方面入手：一方面，围绕设计方案中外围体系的细部构造进行优化。对此，方案设计的生态与否很大程度上取决于结构热工性能的维护质量，通常构造层次的传热系数K值越小则绿色化和低碳化越高。而在处理细部层级相关问题时，为避免某些部位产生“冷热桥”，如长期处于裸露的门窗部位等等，引发的整个外围体系性能的降低。另一方面，优化开窗、遮阳等建筑外立面元素的设计。纵观建筑外立面整个维护体系热工性能最为薄弱的环节就是开窗洞口的布置，无论是开窗大小、位置，还是用材、构造均需要充分考虑生态优化因素。而合理遮阳则是整个建筑被动节能的主要措施之一，可有效阻挡室外阳光辐射，调节空间内光分布的均匀度，也是建筑外立面设计中不可或缺的元素之一。相关研究显示，外遮阳元素的节能效率可达到10%～24%，而其造价仅占工程总造价的2%～5%，可被看作低投入、高效率的建筑被动式节能技术典范。