基于數(shù)字化技術的低碳建筑設計方法初探

高 路 李嘉軍 林國誠

(上?，F(xiàn)代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

1 研究背景

正如大家所知，傳統(tǒng)建筑設計的方法過程及主要特點是一種單向線性的建筑設計構思，以圖示信息為主的傳統(tǒng)設計方式針對不同設計階段、不同的具體對象，存在著不同程度的抽象化。

如今，數(shù)字化技術發(fā)展如火如荼，憑借當前強大的數(shù)字建模技術、通用集成模型、網(wǎng)絡協(xié)作等手段，數(shù)字化技術為建筑師提供了新的起點。使用這項技術可以使設計真正回歸三維空間和整體性的信息模型之中，也只有在這個層次上，數(shù)字技術才能真正做到輔助設計而非輔助表現(xiàn)。

正如建筑大師弗蘭克·蓋里的設計方法，數(shù)字化技術不僅被采納到他們的設計過程中，而且正戲劇性地改變了它。在他們那里，以電腦圖示為表象的CAAD技術踏入了設計的核心地帶，建筑的空間形式有些已很難用傳統(tǒng)的平、立、剖面圖加以表現(xiàn)了。由此可見，數(shù)字化技術特別是新興的BIM技術在許多方面正以不可阻擋之勢改變著傳統(tǒng)的設計方法和過程，它將會給我們提供了更高的工作效率。

伴隨著數(shù)字化技術的快速化發(fā)展，城市建筑也正在以指數(shù)級增長般快速的建設著，然而代價卻是我們的生活環(huán)境沒有得到更好的改善。作為建筑師的我們，這一切一切的發(fā)生都值得我們認真的思考，要為改善生存環(huán)境，進行綠色低碳的建筑貢獻自己的一份力量。

這就需要建筑師一方面要熟悉建筑的低碳技術，進行低碳建筑的設計，另一方面，在數(shù)字化技術的繁榮背景下，似乎建筑師可以利用諸如BIM那樣先進的技術手段去推進低碳建筑的實施。

2 研究方法

首先，通過調研學習英國貝丁頓社區(qū)(世界第一個零能耗社區(qū))，大致得到低碳建筑設計手法有如下10種。

表1 低碳建筑設計手法

應該說，以上的低碳建筑設計手法是頗具典型性的，那么數(shù)字化技術在中間又有何作為呢?通過比較發(fā)現(xiàn)，首先數(shù)字化手段的介入能讓建筑師更為理性的考慮其中的設計要素，如:通過數(shù)字化的手法，設計前期的調研信息可以更理性化，更有利于建筑展開對自然資源使用的思考。與此同時，似乎建筑師在進行低碳建筑設計的時候有了一套新的設計手法，以下圖表總結了在設計不同階段，建筑師傳統(tǒng)的設計手法和數(shù)字化設計手法的相同和不同之處。

通過以上這個表格，我想我們可以清楚的看到，有了這些數(shù)字化軟件，我們至少在建筑建成前已經(jīng)對建筑各種性能進行了模擬，同時我們利用BIM技術已經(jīng)在計算機中虛擬了真實建筑的各種情況，并提前對建筑的二氧化碳排放量進行模擬和估計。

所以可以看出，數(shù)字化輔助低碳建筑的最大作用就是構建一個強大的“虛擬模型庫”和進行“性能模擬”。關于這兩大方面又可以總結為以下幾對范疇:

2.1 建筑裝配體系和數(shù)字化建筑構件簇庫的創(chuàng)建

低碳建筑的裝配式體系采用以及合適的材料選擇可以減少大量的CO2，但“結構合理化”應該是宏觀上首先要考慮的，北京國家大劇院造價30億人民幣，平均每個座位造價近50萬人民幣。建筑設計在歌劇院、音樂廳和戲劇院三棟建筑之外再重復興建了一個超大結構外殼，整個穹頂?shù)奈蓓斆娣e是上海大劇院的3倍，加上運營時的能耗，這帶來的整個CO2是相當龐大的。有了數(shù)字化技術，建筑方案出現(xiàn)的以上問題就可以通過信息化模型BIM虛擬的搭建出來，在信息化模型中查看結構是否合理，這需要建筑師平時做項目的時候，積累裝配式構件的虛擬模型庫，在Revit中就是“簇”，如果有了長時間的積累，不光可以使得虛擬建筑的搭建效率更高，而且這些“簇”經(jīng)過時間的考驗和跟現(xiàn)實生活中廠家的溝通，低碳建筑的各部分構件也會更加可靠和成熟。

2.2 低碳建筑材料和虛擬材料庫的創(chuàng)建

低碳建筑材料對于低碳建筑的重要性是不言而喻的，除了建筑主體結構需要選好以外，圍護結構也非常重要，因為這關系到建筑熱工性能的優(yōu)劣。參考綠色建材的定義，低碳材料大致可以分為四類:第一類:無匱乏危機的自然材料;第二類:低逸散性低污染的建材;第三類:循環(huán)利用的建材;第四類:廢棄物再生建材。當然筆者在本章中指的低碳建材，除了像綠色建材定義的那樣強調材料本身的環(huán)保特點、還需要知道材料的熱工參數(shù)、構造做法等，這些信息的獲取才能讓建筑師對建筑方案進行建筑能耗的模擬。這里，筆者在平時會使用Design Builder這個軟件建立低碳建筑材料的虛擬材料庫，以數(shù)據(jù)庫形式積累起來，好處是方便能耗的計算，減少復雜的數(shù)據(jù)輸入的過程(如厚度、材料種類、傳熱系統(tǒng)等)。

2.3 建筑太陽輻射能利用和數(shù)字化太陽輻射分析

低碳建筑非常強調對太陽輻射跟建筑的關系，不光建筑屋頂上都能看到太陽能光伏板，連建筑本身的形體也是為了充分利用太陽能進行設計的，因此這些建筑都有一個類似的“坡屋頂”。但是這些“坡屋頂”的角度卻不一定是最佳的，很多時候是根據(jù)建筑師的草圖和經(jīng)驗判斷的。這時候 Ecotect就可以把這些最優(yōu)角度進行定量化。圖1所示的案例就是使用Ecotect對最佳遮陽角度的確定(旋轉角度以10°為變化)。

2.4 建筑碳排量計算和能耗模擬軟件

對于建筑“碳排放量”有兩重理解:一是建筑使用過程中的排放，主要就是建筑的能源利用;二是建筑全壽命周期的碳排放，包括了土地利用、材料選擇、能源系統(tǒng)配置等。在建筑物整個壽命周期中，使用過程的能耗與碳排放在各種損耗中所占比例最大，因此，建筑使用過程的節(jié)能對于實現(xiàn)低碳建筑是至關重要的。這里，能耗模擬軟件能夠做的就是可以模擬建筑方案在使用過程當中的CO2排放，也就解決了以上關于“碳排放量”理解中最重要的部分(圖2)。

3 研究小結

以上幾對低碳建筑與數(shù)字建筑相輔相成的范疇是筆者實踐后的一點小心得，處理好這些范疇對于使用數(shù)字化技術輔助低碳建筑設計比較關鍵。不過建筑師要完成一個低碳建筑設計的流程，除了需要掌握一定的軟件使用方法、還要充分做好大量的前期設計準備。本章開頭已經(jīng)介紹了建筑構件庫(如:Revit的簇庫)、虛擬材料庫的作用。其實建筑師的準備工作還需要有一個相對完善的氣象數(shù)據(jù)庫(Ecotect中有部分數(shù)據(jù)，其他需要的氣象數(shù)據(jù)可以從美國能源部網(wǎng)站 http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data下載)，另外、建筑師需要經(jīng)常留意可持續(xù)方面最新的技術和產(chǎn)品，這樣這個庫可以為建筑設計低碳建筑提供不少思路和相關產(chǎn)品參數(shù)。

數(shù)字化技術輔助低碳建筑設計的常用方法涉及到的技術點和軟件非常龐雜，所以筆者對利用數(shù)字化技術初步探索低碳建筑設計的系統(tǒng)性方法以流程圖的形式表達出來，更簡明的表達設計方法中的相互關系。(如圖3)特別需要說明的是，這個流程圖中標明的軟件只是筆者覺得最為常用的，建筑師在具體設計時可以根據(jù)軟件分類挑選習慣的就行(如建筑策略中的Sketchup也可以是體量推導軟件中的Rhino、Cinema4D 等)。

當然，這里本人總結的這個設計流程和方法一是基于對BEDZED的思考，二是對本人熟悉的一些數(shù)字化軟件的總結和思考，或許在今后由于社會方方面面的發(fā)展，如建筑產(chǎn)品的“簇”庫逐漸由建筑產(chǎn)品商完成;如虛擬材料庫逐漸由建筑材料商完善，整個相關低碳建筑的各行業(yè)形成一個跟數(shù)字化技術相關的產(chǎn)業(yè)鏈的時候，同時建筑軟件的各功能整合度提高，我想這張低碳建筑設計流程圖會變得更為簡潔!

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