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数字技术辅助绿色建筑方案设计策略论文
摘要：本文首先阐述数字技术辅助绿色建筑方案设计的优势并分类具体归纳其技术、流程，而后从组团、体量、细部三个层级展开介绍数字技术介入下的绿色建筑设计策略、思路，对新技术继承传统绿色建筑设计的方法进行了探讨和归纳。
关键词：绿色建筑设计；数字技术；方案设计研究
作者简介：翟炳博，北京市建筑设计研究院有限公司创作中心建筑师，徐卫国，清华大学建筑学院教授，博士生导师
关于数字技术辅助绿色建筑设计，国外学界在其理论基础及技术路线等方面已有一定讨论。该领域可被看作是设计方法的另一切入点，对我国目前推进可持续发展方针和建筑领域语汇的多样性来说均具有切实意义。
一、数字技术辅助绿色建筑设计的理论基础
1．传统绿色建筑设计特征
传统的绿色建筑设计，建筑师无法仅从经验或审美来判断方案的节能与否，因此使用相关软件平台以模拟分析的方式对方案进行评测成为了绿色设计的关键之一。[1]绿色建筑设计的一般技术路线，往往是通过专业软件进行建筑室内外物理环境（如风、光、热、能耗等）的模拟，并将结果数值量化对比，以此评估方案的生态合理性。然而，有关生态性能的评测一般在整体设计的后期开展，如节能计算多在施工图设计阶段应用。[2]因此绿色建筑设计中的“模拟”环节完全沦为方案完成后的评价与检验工序，并未将其有机地纳入设计前期，性能评测工具失去了对建筑方案应有的指导意义，[3]使生态设计效率变得较低。尼尔斯·拉森（NilesLarsson）在GreenbuildingChallenge2000中提到一种建筑设计同性能评测模拟相结合的工作流程，[4]其中建筑初步设计被描绘成一种循环往复的过程—概念模型的各类能耗模拟及结构、机电工程师的评价意见等形成一系列“反馈信息”来对方案提出修正建议。此过程经多次反复，可被看作是一种“循环设计”，其本质在于强调“数据反馈”的重要性。
2．数字技术特征
较有代表性的参数化技术，核心在于“关联模型”（抽象的机器）[5]的构建。一般来讲，Rhino、Maya等参数化软件在其早期开发时都定义了一种被称作“记录建构历史（recordhistory）”的功能，可被看作是“关联性”的体现和参数化技术的早期雏形。当几何体在软件中被描述时，不同维度间往往遵循这样一种规则—“低维构建高维，高维提取低维①”，所谓“记录建构历史”记录的则是这种规则下的具体“关系”。当模型建立过程中每一步“关系”均被记录时，改变初始几何信息而最终结果相应变化，这就是参数化系统基础所体现的“关联性”。传统的建模软件平台即使拥有记录建构历史的功能，也相对局限，当今普及最广的参数化平台Grasshopper，其前身名为ExplicitHistory，意为“清晰完整的历史”，即构建完整的“关联模型”。因此，参数化技术可以被概括为“关联模型”（图2），模型一端提供各类输入数据，被用于指导不同类型的操作并在记录关联的前提下不断传递，最终输出一系列设计结果。该“关联模型”的核心即“关联性”（as-sociative），其在对“过程”和“数据”的控制方面体现较大优势。
3．数字技术运用于绿色建筑设计的优势
绿色建筑设计可被看作一个信息不断反馈、循环的过程（图3）。这种循环的两端分别是建筑设计和评测体系（软件性能模拟、工程师建议），一方面建筑师提供多种可能的预选方案并传递给评测系统，另一方面评测系统将运算、模拟结果数据进行反馈。在这种“循环设计”过程的操作下，建筑方案被不断分析、评价、反馈、选择并最终得到优化。理论上看，这种性能评测同建筑方案相结合的“循环设计”形成了一种完整统一的“绿色建筑设计”技术路线，但在实际方案推进中，建筑设计同绿色技术评价两部分仍是互相脱节。无论是单一方案模拟评测还是多方案对比，建筑设计同技术分析两者间存在的仅是操作上的先后关系。数字技术在绿色建筑设计领域的介入则从根本上消解了方案设计同测评分析间的“时滞性②”，对其“循环设计”过程和数据的传递进行更为有效、高效的控制。在参数化关联模型中，“数据”本身可由“循环设计”中的评测体系反馈得来并被不断驱动和传递，同时通过关联模型对原有方案进行优化或生成新的设计备选方案。关于评测体系反馈得来的数据，笔者认为目前其同参数化关联模型结合有三类思路。
二、数字技术辅助绿色建筑设计的技术归纳
1．性能评测数据的“可视分析”
实质是在参数化关联模型中加入“生态评价模块③”并链接各类生态分析软件，提取评测结果数据并将之反馈至关联模型，以“数据可视化”（如色彩过渡等）的方式对方案进行反馈和评估，设计师可依此调整方案。严格来说，参数化平台的结果数据可视化并不能完全体现数字技术介入的优势，一是目前绝大多数性能评测软件均具有分析数据后处理（可视化）的功能，二是即使数据在参数化平台可视化，但其并未纳入关联模型系统，无法体现数字技术对信息传递的控制。然而，在Grasshopper等参数化平台中的确存在一部分插件来实现生态模拟数据的可视化，其意义是“统一平台界面④”。同直接使用评测软件进行生态分析相比，参数化平台下的结果可视化有利于设计师对方案的直观判断。因其可在设计推敲的同时得到相应的生态分析视觉化结果，在方案初期给使用者较为充分的性能改进建议，所以该类型亦可被看作数字技术同绿色建筑设计的“弱链接”。
2．性能评测数据的“控制深化”
实质是将生态模拟结果作为过程数据参与关联模型构建并指导后续设计生成。如通过模拟得出方案几何体表面每片区域的阳光辐射量数值，以此控制其开窗、遮阳的生成等。该类型特点在于，所涉及方案的前一阶段（如体量、界面等）已确定，而评测数据能够同关联模型对应，并基于现存的几何体量对方案的后续深化进行控制（如开窗大小和多少、遮阳构件形态等）。由此，设计本身与评测数据间建立了直接且相互呼应的关系：阳光辐射模拟数值较大的区域相应开窗较小或遮阳出挑较多，抑或维护结构较厚等，因此方案的立面或细节处理将更具合理性。
3．性能评测数据的“反馈优化”
实质是在参数化关联模型中加入“优化算法模块”，能以生态评测中的某一个或几个指标为优化方向，并反向调节初始的输入参数组合，来使输出结果在满足生态评测标准的前提下较为优化。特点在于，所涉及方案前一阶段（如体量、界面等）并未确定，模拟数据所起的作用即反馈并协助获取方案初期较优化的结果。该类型中，概念方案由关联模型控制，一系列不同的输入参数可生成众多的设计备选。关联模型中的“生态评价模块”用以评测这些潜在的备选方案，并得到相关结果数据；“优化算法模块”（例如“遗传算法”）则将评测结果数据作为设计发展方向，通过反馈调整初期的众多输入参数，来将其协调配比并得到较优化方案。
4．相关工具归纳
基于Grasshopper平台，应用于绿色建筑设计的辅助工具归纳。
三、数字技术辅助绿色建筑设计的策略展开
1．组团层级
（1）概述
宏观层面的城市设计、居住区或传统聚落，其生态策略可从建筑与环境间关系、建筑与建筑间关系两个角度展开。对于建筑与环境，应考虑如何有效利用建筑所处的地域资源，即合理调节阳光、风、地形、土地、水源、绿化等要素同建筑间关系；对于建筑与建筑，则需探讨建筑的组团布局，即合理规划建筑群落整体朝向、建筑间缝隙、街道或开放空地等。总体来说，组团层级的生态策略主要体现在建筑整体布局的关系及形态上的优化，从而达到对室外风环境、自然采光、阳光辐射等方面的利用或防控。
（2）数字技术介入
首先，在数字平台中建立关联模型来描述群组的形态及空间关系，精确、多样化的输入参数（如建筑形态、高度、数量、疏密等）能够对建筑群的整体呈现进行调节；其次，评测体系（计算公式或生态模拟平台）可将室外风环境、热环境、建筑采光优劣、容积率等作为待优化目标，通过性能模拟结果数据来“反馈优化”，得到组团聚落的生态最优方案。具体来说，策略一为城市生成，属于方案从无到有的“控制深化”过程，多见于国际城市设计竞赛或数字城市设计研究等。首先需确定形态结构原型，而后性能模拟则会为城市群落的生成提供“中间数据”或切入点。这类城市设计探索更具建筑设计倾向，因其由参数关联模型整体控制，所生成的城市结构和形态更加有机、整体且较纯粹。策略二为“反馈优化”，多见于建筑群组结构已确定的城市片区或居住区，通过设定单或多目标来优化各个建筑单体的朝向、开间进深、层高和布局等。其在工程实践中帮助较大，能在建筑师人为介入的前提下对群组空间结构、形态进行可控调节。此外，由于众多设计规范（如采光、防火、疏散间距等）的严格限定，加之“行列式”等现存参考模式，数字技术的统筹能极大地提高该尺度层级的设计效率。
2．体量层级
（1）概述
该类型建筑的“主体”设计层面，包含建筑形态和功能布局两方面。建筑体量形态在诸多方面（如体形系数、截面形状、庭院设置等）与其节能与否相关；此外，形体的组合关系也会影响建筑整体的生态性能。对于功能布局，可根据用户对其使用的形式及活动量划分，将次要房间作为“生态缓冲区”布置在恶劣气候的朝向，并将机电设备运行区集中布置来降低能耗。
（2）数字技术介入
关于数字技术在体量层级的介入，目前并没有一个被学术或实践界公认的一般流程。因为体量阶段是方案设计从无到有的第一步，而生态策略或评测数据自身无法生成具有广泛适应性的优化方案植入到具体场所语境的基地中去，所以体量阶段的生态优化必须伴随方案设计的逻辑操作同步进行。总体思路是，建筑师首先应结合场地关系、功能诉求、问题分析、背景信息等对方案体量有一个初步的解决策略或预设，而后在数字平台利用参数关联模型对其进行描述，最后通过生态模拟的结果数据来“反馈优化”，使体量朝着某一个方向发展进化。例如可以通过关联模型将方案在一定范围内调整变动（如不同的形体组合、中庭大小或位置等），并通过评测不同可选项的生态性能（体形系数、风阻大小、整体得热等）取得相应数值，以该数据为目标反馈来确定优化的建筑体量方案。
3．细部层级
（1）概述
对于建筑细部层级的绿色设计讨论同样可分为两个方面。一是优化设计方案外围护体系的细部构造。对此，维护结构的热工性能好坏决定其生态与否，一般认为构造层次的传热系数K值较小则较为绿色低碳，[6]即“墙体越厚越保温”。而细部的优化处理则为了防止因结构外露及门、窗等处形成“冷热桥”而降低外围护体系的整体性能。二是建筑外立面（如开窗、遮阳等元素）的设计深化。开窗处往往是维护体系热工性能的薄弱环节，其大小、位置以及用材、构造等都需从生态优化的角度重新定位。遮阳是建筑被动节能的主要措施之一，其能有效降低进入室内的阳光辐射，并改善自然采光均匀度，是构成建筑外立面的一类重要元素。有研究显示，外遮阳措施节能效率可达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。[7]
（2）数字技术介入
在已经确定方案体量的前提之下，数字技术在细部层级的介入主要体现在性能评测结果数据的“控制深化”，例如运用参数化关联模型总体控制建筑表皮的生成，而生态模拟则为之提供了合理的数据来源，即表皮构件中各元素递变的“外力”，用以整体控制、干预界面的结构形态和呈现效果。
4．数字技术辅助绿色建筑设计策略归纳
数字技术辅助绿色建筑设计的策略，按照不同层级，可归纳如表3所示。
四、结语
影响建筑生态性能的主要策略基本在方案设计阶段确定，即初期的概念设计成果往往对建筑最终生态节能与否有较大影响。[8]无论从国家对建筑节能的硬性指标、国内目前的建筑能耗现状，还是从建筑师所肩负的社会责任出发，推行绿色低能耗设计都势在必行。数字技术是设计中的一股革新力量，其并非“宏大叙事”，而是以“局部渗透”的方式影响建筑研究及实践领域。除新的组织形式、形态关系创生外，其在建筑的生态低碳、结构优化、辅助施工等领域也极具潜力。而参数化技术将在建筑的绿色可持续方面发挥巨大价值，体现出社会及人类发展的关怀。
参考文献
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[2]胡玉梅．面向节能建筑设计的计算机能耗模拟[D]．天津：河北工业大学，2007．
[3]申杰．基于Grasshopper的绿色建筑技术分析方法应用研究[D]．广州：华南理工大学，2012．
[4]张承．面向建筑设计过程的能耗模拟分析—采暖地区居住建筑节能设计程序的开发[D]．西安：西安建筑科技大学，2003．
[5]徐卫国．褶子思想，游牧空间—关于非线性建筑参数化设计的访谈[J]．世界建筑，2009（8）：16-17．
[6]张欢，杨斌，由世俊，等．遮阳板在建筑节能中的应用研究[J]．太阳能学报，2005（3）：14-18．
[7]胡深，冉茂宇，袁炯炯，等．关于居住建筑遮阳优化设计的探讨[J]．建筑科学，2010（12）：88-91．
[8]夏春海，朱颖心，林波荣．方案设计阶段建筑性能模拟方法综述[J]．暖通空调，2007（12）：32-40。
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