基于協(xié)同學(xué)的低能耗公共建筑設(shè)計(jì)體系建構(gòu)

田一辛 黃瓊

摘要：建筑與外界環(huán)境有物質(zhì)、能量和信息交換，是開(kāi)放的復(fù)雜系統(tǒng)。協(xié)同學(xué)重視系統(tǒng)的整體性，研究子系統(tǒng)如何合作，在宏觀尺度上產(chǎn)生空間、時(shí)間或功能結(jié)構(gòu)。引入?yún)f(xié)同學(xué)理論，有助于系統(tǒng)性研究低能耗建筑?；谛騾⒘亢妥越M織原理，提取影響建筑能耗的序參量，建立低能耗建筑結(jié)構(gòu)框架和設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：協(xié)同學(xué)；序參量；低能耗；公共建筑設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2018）01-0001-05

一、引入?yún)f(xié)同學(xué)的必要性

西方各國(guó)節(jié)能建筑設(shè)計(jì)先后經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)化的定性分析到數(shù)字化的定量模擬，從單一技術(shù)的移植嫁接到多種技術(shù)的集成應(yīng)用，從各階段相互脫離到全壽命周期統(tǒng)籌兼顧的轉(zhuǎn)變過(guò)程，逐漸向以跨學(xué)科研究為基礎(chǔ)、多專業(yè)協(xié)同配合的交互式、智能化、整合設(shè)計(jì)方向發(fā)展。低能耗建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展不僅是技術(shù)平臺(tái)的更新，更是低能耗建筑設(shè)計(jì)理論的交叉衍化和低能耗設(shè)計(jì)方法、流程的重構(gòu)[1]。

當(dāng)代科學(xué)研究最高技巧是拆分，即把問(wèn)題分解成盡可能小的部分，但忽視了對(duì)細(xì)部的重組。20世紀(jì)中葉系統(tǒng)科學(xué)和非線性思維崛起，揭示了簡(jiǎn)單性與復(fù)雜性、有序性與無(wú)序性、確定性與隨機(jī)性等現(xiàn)象的普遍存在，將人類社會(huì)與自然界的普遍規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，形成新的自然觀。伊·普里戈金認(rèn)為，線性和非線性之間的一個(gè)明顯區(qū)別就是疊加性質(zhì)有效還是無(wú)效，在線性系統(tǒng)里兩個(gè)不同因素的組合只是簡(jiǎn)單疊加，但在非線性系統(tǒng)中，一個(gè)微觀的因素能導(dǎo)致無(wú)法衡量的戲劇性結(jié)果……可能導(dǎo)致突變[2]。協(xié)同學(xué)針對(duì)復(fù)雜性的相關(guān)研究將非線性科學(xué)推向宇宙各層級(jí)，挖掘和發(fā)展系統(tǒng)的良性漲落。引入?yún)f(xié)同學(xué)有助于低能耗建筑設(shè)計(jì)方法論的研究，對(duì)低能耗建筑及其子系統(tǒng)的協(xié)同具有理論指導(dǎo)意義。

協(xié)同學(xué)理論在城市規(guī)劃和建筑領(lǐng)域已有初步探索，如廈門(mén)大學(xué)王慧提出基于協(xié)同學(xué)的廈漳泉都市圈發(fā)展策略，明確協(xié)同學(xué)的創(chuàng)立與發(fā)展為區(qū)域一體化的協(xié)調(diào)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)[3]，邱宏等提出區(qū)域協(xié)同理念下山地城市空間統(tǒng)籌規(guī)劃策略[4]。在建筑界的協(xié)同探索多是關(guān)于協(xié)同學(xué)的基礎(chǔ)和核心概念——非線性、系統(tǒng)論、自組織等，如劉洋等學(xué)者研究混沌理論對(duì)建筑與城市設(shè)計(jì)領(lǐng)域的啟示和應(yīng)用[5]，韓昀松提出基于協(xié)同學(xué)的高層建筑形態(tài)自組織與自適應(yīng)創(chuàng)作研究[6]。

二、協(xié)同學(xué)理論主要概念

斯圖加特大學(xué)教授、著名物理學(xué)家哈肯于1971 年首次提出了“協(xié)同”概念，其后發(fā)表《協(xié)同學(xué)導(dǎo)論》《協(xié)同學(xué)》《高等協(xié)同學(xué)》等著作。協(xié)同學(xué)的研究對(duì)象為：由完全不同性質(zhì)的大量子系統(tǒng)所構(gòu)成的各種系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)通過(guò)合作在宏觀尺度上產(chǎn)生空間、時(shí)間或功能結(jié)構(gòu)。

（一）序參量

協(xié)同學(xué)的動(dòng)態(tài)原則中，方式的增長(zhǎng)率起決定性作用，增長(zhǎng)率最高的方式通常獲得優(yōu)勢(shì)并決定宏觀結(jié)構(gòu)，幾個(gè)這樣的集體運(yùn)動(dòng)也稱之為序參量[7]。影響系統(tǒng)的要素很多，但是有主次之分，序參量是影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，序參量與被支配系統(tǒng)之間的一系列相互關(guān)系可用數(shù)學(xué)模型來(lái)處理[7]。對(duì)于低能耗建筑體系而言，將降低能耗、加強(qiáng)利用自然資源的設(shè)計(jì)參數(shù)稱之為參量，利用參量對(duì)能耗的敏感性，提取敏感度高的參量為序參量。如英國(guó)建筑師諾曼·福斯特設(shè)計(jì)倫敦市政廳，以降低太陽(yáng)輻射得熱為目標(biāo)，將建筑傾斜度、寬度、高度等作為序參量，

用微型工作站（MicroStation）調(diào)整優(yōu)化建筑體型。在低能耗建筑研究中，王麗娟、楊柳利用主成分分析法得出窗墻比、體形系數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)對(duì)西安、北京、拉薩的建筑能耗影響是有差異的[8]，孫澄帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)空間設(shè)計(jì)參量的敏感性有系列分析，分析開(kāi)間進(jìn)深比、樓層數(shù)、各朝向窗墻比、外墻屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等設(shè)計(jì)參量對(duì)整體能耗的敏感性[9]，及外窗透過(guò)率、進(jìn)深、窗墻比、朝向等設(shè)計(jì)參數(shù)的節(jié)能敏感性[10]。

（二）自組織

自組織是系統(tǒng)在外參量的驅(qū)動(dòng)下，子系統(tǒng)間通過(guò)非線性作用產(chǎn)生協(xié)同現(xiàn)象和協(xié)同效應(yīng)，在宏觀尺度上形成空間、時(shí)間或功能的有序結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)言之，系統(tǒng)形成怎樣的結(jié)構(gòu)，并不取決于外界環(huán)境提供的信息或給出的指令，而是由系統(tǒng)內(nèi)部自行組織[11]。協(xié)同學(xué)把系統(tǒng)的有序稱為“自組織”，子系統(tǒng)間會(huì)出現(xiàn)差異性漲落，自組織的任務(wù)則是扶持和放大良性漲落，抑制和衰減不良漲落，使系統(tǒng)達(dá)到高級(jí)有序（圖1）。孔宇航在著作中提到建筑的自組織演化研究重點(diǎn)在建筑空間進(jìn)化與自身更新上，從而分析建筑空間系統(tǒng)在與外界能量交換過(guò)程中的自組織形態(tài)，解析自組織系統(tǒng)在演化過(guò)程中發(fā)展的誘因和途徑[1]。

三、低能耗公共建筑設(shè)計(jì)體系架構(gòu)

（一）基于節(jié)能目標(biāo)的序參量

降低建筑能耗可從兩方面考慮，一是降低能耗需求量，二是增加自然資源的利用。建筑能耗由照明能耗、采暖空調(diào)能耗和通風(fēng)能耗共同構(gòu)成，之間存在合作競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。例如：自然采光可降低照明能耗，但也會(huì)影響建筑的采暖或制冷能耗。因此，建筑節(jié)能研究不可孤立片面地看問(wèn)題，而應(yīng)系統(tǒng)性研究照明、自然通風(fēng)、采暖、降溫等，以整體性能最佳為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的參量限值變化，證明了以上參量的控制有利于節(jié)能（表1）。公共建筑的耗熱量主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量和空氣滲透耗熱量?jī)刹糠纸M成，隨著技術(shù)的進(jìn)步，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)和氣密性都有較大發(fā)展。以寒冷地區(qū)屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為例，20世紀(jì)80年代屋面的傳熱系數(shù)為1.26 W/（m3·K），2005年規(guī)范最大允許值0.55，相對(duì)于80年代節(jié)約了56.3%，這一數(shù)值在2015年規(guī)范中提高為0.45，相對(duì)于2005年規(guī)范提高了18.2%。外窗氣密性由2005年的4級(jí)提高為大于6或7級(jí)。

（二）系統(tǒng)建構(gòu)原理

1.整體性

系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)按一定結(jié)構(gòu)組合起來(lái)的整體，開(kāi)放系統(tǒng)的特性在于整體性，即各個(gè)部分之間的相互聯(lián)系，自然環(huán)境的特性也是如此。低能耗建筑充分利用建筑所在環(huán)境的自然能源，因此需要重視建筑的整體性。

2.動(dòng)態(tài)性

非線性科學(xué)表明環(huán)境具有復(fù)雜性和變動(dòng)性特征，難以用靜止規(guī)則描述，應(yīng)注重低能耗建筑與環(huán)境在時(shí)空上的關(guān)系。例如，建筑與周圍環(huán)境的熱傳遞——輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱均為動(dòng)態(tài)，建筑能耗隨日出日落和季節(jié)呈周期性變化。時(shí)間參數(shù)的關(guān)鍵作用也導(dǎo)致了一個(gè)特點(diǎn)——隨機(jī)性，因此，在低能耗建筑研究中越來(lái)越多引入遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等涉及隨機(jī)性的優(yōu)化算法。

3.開(kāi)放性

建筑是人類在自然環(huán)境中建造的遮蔽所，與外部環(huán)境的能量交換從未停止，是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。節(jié)能建筑運(yùn)用協(xié)同學(xué)原理將建筑嵌入環(huán)境，使建筑與環(huán)境共生，建筑成為物質(zhì)和能源流通的一個(gè)環(huán)節(jié)，而不是終端。

4.層次性

由于子系統(tǒng)之間的差異，包括序參量和節(jié)能策略的差異，子系統(tǒng)在地位與作用、結(jié)構(gòu)與功能上表現(xiàn)出等級(jí)秩序。為了深化研究，可先從低能耗建筑體系的不同層次入手，然后進(jìn)行耦合研究。

（三）低能耗建筑自組織系統(tǒng)建構(gòu)

早期建筑作為遮蔽所，自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的物質(zhì)、信息和能量輸入與輸出基本平衡。隨著技術(shù)發(fā)展，人類對(duì)環(huán)境的控制力逐漸增強(qiáng)，自然環(huán)境對(duì)建筑的影響變?nèi)?，生態(tài)平衡被打破，建筑呈現(xiàn)高能耗舒適型特征。但是，面臨能源危機(jī)和環(huán)境惡化，人們意識(shí)到需發(fā)展低能耗建筑。從1986年到2015年的節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)節(jié)能建筑的認(rèn)知已從簡(jiǎn)單系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜系統(tǒng)，早期重視建筑和采暖節(jié)能，2005年的規(guī)范增加了制冷節(jié)能，2015年的規(guī)范添加了給水排水、電氣和可再生能源方面的節(jié)能內(nèi)容，但建筑本體的節(jié)能是不變的主題。

在低能耗建筑自組織體系中按照環(huán)境、建筑與人的關(guān)系將建筑劃分為室外環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空間3個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)同關(guān)系促進(jìn)自組織的發(fā)展（圖2）。各子系統(tǒng)有不同的構(gòu)成，對(duì)應(yīng)不同的序參量，如：傳熱系數(shù)、窗墻比、體形系數(shù)等是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的序參量。低能耗建筑以利用自然資源

降低能耗量為優(yōu)先原則，其次利用技術(shù)設(shè)備降低能耗量，對(duì)不同的子系統(tǒng)有不同的設(shè)計(jì)策略，如：界面設(shè)計(jì)和遮陽(yáng)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)策略（表2）。

低能耗建筑協(xié)同設(shè)計(jì)流程首先是設(shè)定目標(biāo)，目標(biāo)可涉及能耗、熱性能、光性能等；其次是對(duì)設(shè)計(jì)信息的處理，幾何信息、材料信息、構(gòu)造信息、運(yùn)行信息是設(shè)計(jì)參量方面，地理位置信息、日照環(huán)境信息、室外溫濕度信息、室外風(fēng)環(huán)境信息等是設(shè)計(jì)條件方面；然后對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行能耗模擬與評(píng)價(jià)；最后是信息反饋與設(shè)計(jì)優(yōu)化（圖3）。

四、結(jié)語(yǔ)

協(xié)同學(xué)理論引入建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有助于將建筑作為開(kāi)放系統(tǒng)來(lái)研究，通過(guò)序參量和自組織原理解析低能耗公共建筑。按照環(huán)境、建筑與人的關(guān)系將低能耗建筑分解為3個(gè)子系統(tǒng)，從子系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)計(jì)參量和節(jié)能策略層面進(jìn)行研究，并提出低能耗建筑設(shè)計(jì)流程。

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