太陽能建筑的信息模型建構(gòu)

韋 亮 馬麗慧

(華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

太陽能建筑通過建筑與太陽能主動(dòng)式與被動(dòng)式利用的一體化設(shè)計(jì)，開源與節(jié)流并舉，減少碳排放的同時(shí)又提供給人舒適的環(huán)境。信息模型建構(gòu)是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維定式的革命，用建筑數(shù)據(jù)建模就能代表實(shí)體建筑的搭建，不消耗能源、不浪費(fèi)材料但能反應(yīng)真實(shí)結(jié)果。

1 太陽能建筑設(shè)計(jì)采用信息模型建構(gòu)的緣由

1.1 虛實(shí)結(jié)合的必由之路

在太陽能建筑方案構(gòu)思和施工圖設(shè)計(jì)階段，信息模型的建構(gòu)能發(fā)揮傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無法比擬的優(yōu)勢(shì)——模型不是以往簡(jiǎn)單的純視覺形象，模型所承載的信息盡可能接近真實(shí)的物質(zhì)條件，搭建的過程符合建造邏輯，模型成果可以用來模擬實(shí)際建筑的運(yùn)行能耗。“虛”代替“實(shí)”，在方案充分收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，破土動(dòng)工之前就把建筑整個(gè)生命周期預(yù)先推演一遍，不用大費(fèi)周章，代碼運(yùn)算反映了實(shí)際的物質(zhì)和能量運(yùn)動(dòng)，所見即所得[1]。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的大勢(shì)所趨

對(duì)于每一項(xiàng)太陽能建筑設(shè)計(jì)都有多種主動(dòng)式與被動(dòng)式的技術(shù)可供建筑師選擇，設(shè)計(jì)決策不能光靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，而是要有符合邏輯的根據(jù)。

太陽能建筑設(shè)計(jì)具有專業(yè)綜合性的特點(diǎn)，比較一般的設(shè)計(jì)過程，強(qiáng)調(diào)建筑、設(shè)備、給排水和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化，牽一發(fā)而動(dòng)全身[2]。建筑設(shè)計(jì)的過程本質(zhì)上就是一個(gè)決策的過程，信息模型建構(gòu)軟件Revit具有參數(shù)化設(shè)計(jì)互動(dòng)的功能，簡(jiǎn)化了冗余的操作。Revit軟件以建筑設(shè)計(jì)為主線，結(jié)構(gòu)、給排水、設(shè)備等專業(yè)集成在一個(gè)平臺(tái)上，讓分散在各個(gè)專業(yè)不確定的影響因素以參數(shù)的模式成為程序的選項(xiàng)，讓決策過程一目了然。

2 太陽能建筑模型建構(gòu)的程序

2.1 信息模型建構(gòu)的軟件

Revit作為建筑與場(chǎng)地的一體化設(shè)計(jì)的紐帶，并不能完成全部建構(gòu)工作，還需要軟件Ecotect(又稱：生態(tài)建筑大師)輔助。Ecotect軟件嵌入的Weather tool插件有分析氣象條件的功能，建筑師通過其直觀可視化的分析，可以得到準(zhǔn)確的結(jié)論性圖表，為太陽能建筑設(shè)計(jì)過程中采用合理的主動(dòng)式和被動(dòng)式利用技術(shù)提供參照。

2.2 日照計(jì)算

以日照間距系數(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)算方式已經(jīng)不能滿足太陽能建筑日照計(jì)算的要求，常用的SketchUp軟件在分析日照時(shí)間及陰影輪廓時(shí)只考慮了建筑所處的經(jīng)緯度，忽略了其他重要的影響因素。Weather tool的分析功能有了質(zhì)的飛躍——提供了場(chǎng)地太陽能輻射分析，綜合365 d中過熱期以及欠熱期的太陽能輻射熱量，得出建筑形體的最佳朝向。

Weather tool進(jìn)一步對(duì)方案各個(gè)立面上受到太陽能輻射強(qiáng)度進(jìn)行分析比較，分析的結(jié)果對(duì)建筑單體和復(fù)雜建筑群設(shè)計(jì)布局有重要的指導(dǎo)意義。

2.3 氣象條件的提煉

除了采集太陽能利用相關(guān)的日照條件、輻射量數(shù)據(jù)，太陽能建筑設(shè)計(jì)還要對(duì)項(xiàng)目所處位置的氣象條件進(jìn)行提煉，內(nèi)容包括場(chǎng)地溫濕度、風(fēng)玫瑰圖和降水量。建筑師利用Weather tool對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行各種針對(duì)性的可視化分析，再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)太陽能建筑各種主、被動(dòng)式技術(shù)進(jìn)行針對(duì)性的取舍和優(yōu)化。

利用Weather tool的鏈接搜索到基地的氣象數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊焓濕圖分析就可以人機(jī)互動(dòng)。焓濕圖上的坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)基地的溫度和濕度狀態(tài)：X坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的是氣溫，Y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的是絕對(duì)濕度。特別值得設(shè)計(jì)者關(guān)注的是代表人體熱舒適的黃色多邊形區(qū)域，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)使這一區(qū)域覆蓋范圍最大化[3]。

2.4 微型地理環(huán)境的建構(gòu)

太陽能建筑設(shè)計(jì)如何針對(duì)具體的外部環(huán)境，營(yíng)造出舒適的內(nèi)部環(huán)境，強(qiáng)調(diào)由外而內(nèi)的設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)是建構(gòu)外部的場(chǎng)地信息化模型。太陽能建筑所處的場(chǎng)地環(huán)境對(duì)設(shè)計(jì)的影響尤為突出，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)該與實(shí)地調(diào)研緊密結(jié)合，強(qiáng)調(diào)針對(duì)場(chǎng)地地理位置具體問題具體分析，營(yíng)造接近真實(shí)的場(chǎng)地，通過建構(gòu)建筑模型、地形和氣候使設(shè)計(jì)者“身臨其境”。

2.5 太陽能利用設(shè)備通過“族”整合設(shè)計(jì)

太陽能建筑設(shè)計(jì)具有建筑技術(shù)上的特殊要求，以往的太陽能主動(dòng)式利用設(shè)備都是在施工后期簡(jiǎn)單生硬的加在建筑屋頂或向陽墻面，疊加的設(shè)備既影響建筑外觀，太陽能利用效率也大打折扣。

在信息模型中，太陽能主動(dòng)式利用的設(shè)備，如太陽能光電板、集熱板與建筑的承重、圍護(hù)結(jié)構(gòu)一樣都是各種各樣的“族”——具有各自屬性的圖元集合，在搭建過程中可以無縫銜接，融為一體。以光伏發(fā)電技術(shù)為例，在Revit中建構(gòu)與光伏發(fā)電系統(tǒng)“族”結(jié)合的建筑構(gòu)造“族”，恰當(dāng)?shù)匕才殴怆姲宓奈恢茫_定光伏設(shè)備最佳的傾角，進(jìn)而估算光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量。

2.6 太陽能技術(shù)與模型藝術(shù)的結(jié)合

以往的太陽能建筑重技術(shù)集成，輕造型藝術(shù)，外觀看起來“奇奇怪怪”是其設(shè)計(jì)的短板。太陽能建筑不能滿足公眾審美要求的主要原因不外是形象設(shè)計(jì)對(duì)決策過程影響力小，效果反饋滯后，設(shè)計(jì)交互體驗(yàn)欠佳。

有了信息模型這個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，即便是沒受過正統(tǒng)美學(xué)教育的工程師也可以通過實(shí)時(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)來判斷建筑的美丑，建筑不再是籠罩在迷霧中不可知的形象，而是展示在公眾視野下的模型。在最終確定太陽能建筑方案前，Revit虛擬建構(gòu)的模型受到科學(xué)與美學(xué)共同作用，建筑藝術(shù)與技術(shù)相得益彰。

對(duì)于非建筑專業(yè)的設(shè)計(jì)者，大多數(shù)時(shí)間只是關(guān)注建筑外立面效果如何，從外部看建筑，信息模型建構(gòu)強(qiáng)調(diào)從室內(nèi)向外看的體驗(yàn)，因?yàn)楦嗟臅r(shí)間人們都是在建筑物內(nèi)活動(dòng)，以前決策者忽略的恰恰是最應(yīng)該關(guān)注的人的空間體驗(yàn)，因此建筑設(shè)計(jì)師建筑技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合思想在Revit軟件的協(xié)助下可以充分體現(xiàn)。

3 太陽能建筑信息模型建構(gòu)的項(xiàng)目實(shí)踐

3.1 北京市昌平區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)

基于信息模型的建構(gòu)，筆者在設(shè)計(jì)的北京市昌平區(qū)實(shí)驗(yàn)小學(xué)項(xiàng)目方案時(shí)，通過Revit建構(gòu)信息模型，導(dǎo)出gbXML格式到Ecotect軟件，以參數(shù)化分析結(jié)果為指導(dǎo)，最終把太陽能建筑的設(shè)計(jì)理念落實(shí)為實(shí)際的工程。

設(shè)計(jì)之初，筆者先提取項(xiàng)目場(chǎng)地的日照、氣象條件作為方案的設(shè)計(jì)依據(jù)。因?yàn)樾W(xué)是住宅區(qū)的配套公建，周邊都是高層住宅，能滿足日照條件的可用基地很少，以日照分析的數(shù)據(jù)布置建筑群的總體布局。與簡(jiǎn)單的考慮冬季大寒日建筑功能房間滿足2 h滿窗日照不同，設(shè)計(jì)進(jìn)一步綜合考慮夏季炎熱時(shí)間段，完善建筑減少太陽光直射的方案，增加建筑自遮陽與采光窗適應(yīng)性變化的一體化設(shè)計(jì)。

太陽能建筑除了形體自身開窗要南北通透實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)之外，針對(duì)小學(xué)校建筑，還要顧及校園場(chǎng)地的室外活動(dòng)。筆者通過信息模型的建構(gòu)，模擬整個(gè)校園的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，最初的方案分析顯示大操場(chǎng)冬季有很凜冽的寒風(fēng)，學(xué)生冬天室外活動(dòng)時(shí)體感會(huì)很冷，于是調(diào)整校園的整體布局，讓各個(gè)單體建筑圍合成一個(gè)背風(fēng)的三合院，再次分析發(fā)現(xiàn)操場(chǎng)的近地風(fēng)速大大降低，優(yōu)化了使用環(huán)境。

3.2 谷雨杯全國(guó)大學(xué)生可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)競(jìng)賽

結(jié)合筆者指導(dǎo)此次競(jìng)賽過程中的思考，運(yùn)用信息模型建構(gòu)技術(shù)貫穿設(shè)計(jì)始終，以Revit軟件為主線探索太陽能建筑創(chuàng)作的新思路。

學(xué)生選定基地為長(zhǎng)城風(fēng)景旅游區(qū)——白羊峪村。經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，通過Revit結(jié)合Ecotect軟件對(duì)場(chǎng)地環(huán)境信息建構(gòu)，包括對(duì)白羊峪地區(qū)一年中二十四節(jié)氣的日照角度和強(qiáng)度的數(shù)據(jù)提取，確定東南向17.5°為最佳朝向，建筑朝這個(gè)方向可以在四季最大限度地利用太陽能，方案的建筑規(guī)劃朝向基本與分析結(jié)果一致。

抽取完成日照和氣象條件后，通過Revit攫取順應(yīng)地勢(shì)的曲線，開始對(duì)場(chǎng)地建模。收集的信息集中一個(gè)模型內(nèi)研究，便于研究人員進(jìn)行探索和分析，也使小組成員獲得高效的設(shè)計(jì)互動(dòng)。待場(chǎng)地模型確立后，把建筑不同的方案放置其中，各個(gè)專業(yè)的知識(shí)觸類旁通，使得方案得到全方位的優(yōu)化。參賽方案最終通過在Revit建構(gòu)的模型推敲，結(jié)合場(chǎng)地分析，確定建筑形態(tài)呈環(huán)抱狀架于湖面之上。

4 結(jié)語

信息模型建構(gòu)不僅擁有了三維可視化的工具，更重要的是通過工具的提升，突破了太陽能建筑設(shè)計(jì)建筑技術(shù)與藝術(shù)之間的壁壘，設(shè)計(jì)者能使用參數(shù)化的思考方式來完成建筑方案。依靠先進(jìn)的信息模型建構(gòu)技術(shù)支撐，建筑師可以創(chuàng)造出更加科學(xué)的太陽能建筑。