氣候適應(yīng)視角下的綠色公共建筑數(shù)據(jù)庫研究及其定量分析框架構(gòu)建

劉倩君，程曉喜，宋修教，連璐，趙建平/LIU Qianjun, CHENG Xiaoxi, SONG Xiujiao, LIAN Lu, ZHAO Jianping

1 研究背景與內(nèi)容

在2015 年巴黎氣候大會及同年中美氣候變化聯(lián)合聲明中，中國承諾到2020 年城鎮(zhèn)新建建筑中，綠色建筑占比達到50%。住建部2017 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國建筑能耗所占社會總能耗的比例已達到33%。而建筑節(jié)能的大量研究和工程實踐表明，40%以上的節(jié)能潛力來自于建筑方案初期的設(shè)計階段[1]，所以在建筑設(shè)計階段通過調(diào)節(jié)建筑形體空間適應(yīng)地域氣候，對于降低建筑能耗具有非常重要的意義。

我國當(dāng)前綠色建筑的研究和設(shè)計中，存在重設(shè)備及圍護結(jié)構(gòu)性能的提升、輕形體優(yōu)化及空間組織的問題。同時，盡管綠色建筑設(shè)計領(lǐng)域有諸多實踐成果，也進行了以被動式建筑為代表的定性理論研究；但是研究領(lǐng)域尚缺乏足量的綠色建筑實踐案例庫，對設(shè)計策略進行歸納總結(jié)，關(guān)于綠色建筑形體空間設(shè)計的定量研究亦較為有限。

為了支撐綠色建筑的形體空間設(shè)計基礎(chǔ)理論的研究，本文探索以建筑形體空間與地域氣候以及建筑能耗的相關(guān)性分析為導(dǎo)向，構(gòu)建出一種綠色建筑設(shè)計數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫以我國京津冀、長三角、珠三角、東北等典型氣候區(qū)的大樣本量能耗監(jiān)測綠色建筑案例為基礎(chǔ)，進一步采集案例建筑的形體空間設(shè)計數(shù)據(jù)以及其所處城市的地域氣候數(shù)據(jù)，旨在總結(jié)歸納綠色建筑的設(shè)計策略，并支撐形體空間參數(shù)與地域氣候、建筑能耗之間相關(guān)性的定量研究，為綠色建筑形體空間設(shè)計新方法歸納提供數(shù)據(jù)支撐。

2 國內(nèi)外綠色建筑數(shù)據(jù)庫進展與分析

1 美國CBECS數(shù)據(jù)庫的主要數(shù)據(jù)分類（繪圖：劉倩君）

本研究所關(guān)注的“綠色建筑數(shù)據(jù)庫”，指以綠色建筑項目為對象，以指導(dǎo)綠色建筑理論研究或工程實踐、綠色建筑評價或標準制定、能源政策制定為目的，對不同氣候區(qū)的各個城市收集建筑工程與設(shè)計實例、能耗指標等基本信息的案例庫。當(dāng)前國內(nèi)外綠色建筑數(shù)據(jù)庫主要包括：（1）以政府或機構(gòu)建筑能耗統(tǒng)計為目標的數(shù)據(jù)庫；（2）指導(dǎo)修正節(jié)能建筑規(guī)范與綠色建筑評估標準的數(shù)據(jù)庫，開發(fā)主體通常為各國家或地區(qū)的綠色建筑評估系統(tǒng)、科研機構(gòu)等；（3）建筑性能模擬與分析軟件所提供的開發(fā)者與用戶能夠在平臺上共享的建筑案例資料。本文主要對占絕大多數(shù)的前兩類數(shù)據(jù)庫展開綜述。

2.1 建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫

能耗統(tǒng)計通常由國家或地區(qū)政府主導(dǎo)，用于統(tǒng)計建筑運行維護相關(guān)信息，以開展建筑節(jié)能工作。能耗統(tǒng)計主要調(diào)查與統(tǒng)計的信息包括：建筑功能、圍護結(jié)構(gòu)、采暖/空調(diào)系統(tǒng)、人員使用情況、照明以及月度、年度能耗等。1970 年代能源危機爆發(fā)后，歐、美、日等發(fā)達國家便開展了建筑能耗統(tǒng)計工作，以詳細了解建筑能耗狀況，制定國家節(jié)能標準。

美國能源信息部管理的“商業(yè)建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫”（CBECS）[2]是全美最具代表性的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。CBECS 的首次調(diào)查于1979 年完成，其平均調(diào)查過程跨越3 ～4 年，目前公開最新的調(diào)查數(shù)據(jù)為2012 年，其在50 個州和哥倫比亞特區(qū)的560萬棟商業(yè)建筑中，按面積、區(qū)域和功能進行多級分類抽樣，選出有代表性的6720 個樣本，并按照面積、氣候區(qū)、功能、使用方式等維度分類進行主要燃料、電能、天然氣、燃油、供暖消耗和相關(guān)費用的統(tǒng)計。由于CBECS 主要目標是國家級的能源審計，該數(shù)據(jù)庫公開部分的主要內(nèi)容為分類統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，并沒有單一項目的能耗或建筑設(shè)計信息。另外，該數(shù)據(jù)庫的建筑設(shè)計數(shù)據(jù)較為簡單，以建筑所在地、建筑面積、建筑年代以及外墻屋面建筑材料信息為主（圖1）。

與之類似的是美國能源署開發(fā)的“建筑能耗表現(xiàn)數(shù)據(jù)庫”（US-BPD）[3]的分析工具。該數(shù)據(jù)庫按項目功能、建筑構(gòu)造（如屋頂形式和幕墻類型等）和運營情況等細分了17 個子數(shù)據(jù)庫，用戶可以進一步設(shè)置條件（包含建筑功能、地區(qū)、建筑設(shè)備系統(tǒng)、LEED 與節(jié)能星級等），查看并比較建筑能耗相關(guān)信息、進行定性定量分析等（圖2）。US-BPD 的特點在于數(shù)據(jù)可視化程度高，對項目的分類維度更多樣，十分適用于研究與分析，但同樣不收錄單一項目的信息。

另外，日本可持續(xù)建筑聯(lián)合會針對日本的非住宅建筑耗能與耗水?dāng)?shù)據(jù)進行統(tǒng)計，建立了“商業(yè)建筑能耗數(shù)據(jù)庫”（DECC）[4]，共收錄3.8 萬個商業(yè)建筑項目，可利用此數(shù)據(jù)庫查看數(shù)據(jù)、圖表并進行分析。歐盟建筑數(shù)據(jù)庫（EU Buildings Database）[5]是由歐盟委員會開發(fā)的建筑能耗統(tǒng)計與分析工具，其收錄了28 個國家各類型建筑項目的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫的邏輯與結(jié)構(gòu)與前述美國US-BPD 相似，主要數(shù)據(jù)更新至2014 年（圖3）。此外，對財務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和“零能耗建筑”能耗表現(xiàn)的統(tǒng)計是該數(shù)據(jù)庫的特色。

我國最早的建筑能耗調(diào)查約起步于1980 年代。為了了解我國建筑能耗狀況，為節(jié)能政策和能源法規(guī)制定提供依據(jù)，“中國建筑節(jié)能經(jīng)濟技術(shù)政策研究組”開始了對我國北方采暖地區(qū)和長江沿線城市的建筑能耗調(diào)查。1996 年起，清華大學(xué)節(jié)能研究中心開始對北京市上百棟國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑進行審計工作，建立了早期公共建筑能耗數(shù)據(jù)庫[6]。此后20 余年國內(nèi)許多高校院所基于各自所在地地域氣候特點，開展建筑能耗調(diào)查分析與相關(guān)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)研究。至2010 年后，我國政府高度重視并大力推廣大型公建能耗統(tǒng)計工作，將公共建筑節(jié)能管理的任務(wù)交由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部與各級相關(guān)部門。

我國目前由政府主導(dǎo)運營的綠色建筑數(shù)據(jù)庫主要包括由住建部管理的全國民用建筑能耗信息統(tǒng)計系統(tǒng)、建筑節(jié)能與綠色建筑綜合信息管理平臺、中央級國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺為代表的全國性數(shù)據(jù)平臺，以及各省市級別的大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺。在能耗數(shù)據(jù)分析平臺，不僅可以查詢各行政區(qū)劃的總能耗和分項能耗，也能查詢單棟建筑的能耗公示信息。不同于西方國家能耗統(tǒng)計的實踐，我國目前的能耗統(tǒng)計平臺數(shù)據(jù)的公開性較為有限，除政府定期發(fā)布的年度報告外，公眾并不能獲取多維度的分析數(shù)據(jù)（圖4）。

綜上，國家或地區(qū)范圍的建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫以覆蓋項目數(shù)量大、類型豐富、收錄信息全面為特點，其數(shù)據(jù)具有較強的統(tǒng)計意義和研究分析的價值，但并不以關(guān)注單一項目為目的。

2.2 綠色建筑評價系統(tǒng)的項目數(shù)據(jù)庫

綠色建筑評價體系通常以打分的形式對建筑各個分項指標進行定性或定量的評價，中國、美國、英國、德國、日本等10 余個國家開展形式不同的綠色建筑評價，形成相應(yīng)的項目評價數(shù)據(jù)庫。

由美國綠色建筑協(xié)會設(shè)立的LEED 認證系統(tǒng)搭建的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站，向公眾開放了全球逾11 萬個LEED標識項目的建筑設(shè)計與運營能耗相關(guān)的信息[7]。每個項目含基本信息和評分表兩大類數(shù)據(jù)。其中基本信息包括建筑功能、使用情況、上報能耗數(shù)據(jù)（如耗電、耗水、廢棄物、人體體驗等）、多角度的實景照片和地理位置等。值得一提的是，每個建筑案例為獲得LEED 標識所采取的運營和維護策略都會被詳細羅列。在評分表信息中，則記錄了項目在LEED 評價體系的用地、節(jié)水、節(jié)電、建材等八大領(lǐng)域的110個細分維度的評分情況（圖5）。相對于純粹的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫，LEED 標識項目數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計的信息維度更加多元，并且由于數(shù)據(jù)庫同時側(cè)重建筑設(shè)計的節(jié)能策略，LEED 標識項目庫同時也是面向建筑師和公眾的“綠色建筑設(shè)計資料集”。

2 美國US-BPD數(shù)據(jù)庫的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（繪圖：劉倩君）

3 歐盟EU-BD數(shù)據(jù)庫的主要邏輯結(jié)構(gòu)（繪圖：劉倩君）

4 中國中央國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)界面（圖片來源：中國中央國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺，[2019-03-03]）

我國的“綠色建筑標識”在目前的公開信息中，僅能查詢到標識項目名稱、星級和所在省份的基礎(chǔ)信息，而建筑設(shè)計、能耗表現(xiàn)等關(guān)鍵信息尚未在系統(tǒng)中開放。

除了官方的綠色建筑評價系統(tǒng)外，一些研究機構(gòu)也在嘗試建立公開的建筑數(shù)據(jù)庫。其中，英國的“環(huán)保建筑協(xié)會”于2010 年起著手建立的“英國被動式住宅組織”[8]是收錄案例較多、結(jié)構(gòu)較為完備的數(shù)據(jù)庫平臺。平臺共收錄236 個位于英國的被動式住宅項目，計劃收集建筑的圖像、能耗、設(shè)計策略、室內(nèi)設(shè)備和其他工程信息；在能耗方面，計劃收集項目前期開發(fā)、計算和運行能耗。而該數(shù)據(jù)庫面臨的挑戰(zhàn)在于數(shù)據(jù)獲取，大多數(shù)項目的能耗、設(shè)計策略和其他工程信息尚未錄入（圖6）。

5 美國LEED項目庫的數(shù)據(jù)分類界面（圖片來源：參考文獻[7]）

6 英國“被動式住宅”數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（繪圖：劉倩君）

7 一種以建筑形體空間的氣候適應(yīng)性設(shè)計為視角的綠色公共建筑數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)框架（繪圖：宋修教）

綜上，綠色建筑評價系統(tǒng)有優(yōu)秀案例作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，收集并分析其設(shè)計策略、能耗表現(xiàn)等信息對綠色建筑的研究與實踐均有較高的價值；但對于非官方機構(gòu)而言，盡管綠色建筑案例數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)設(shè)計已較為成熟，獲取所需信息與數(shù)據(jù)仍存在較大挑戰(zhàn)。

2.3 已有綠色建筑數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)與不足

當(dāng)前國內(nèi)外綠色建筑數(shù)據(jù)庫已經(jīng)具備的研究基礎(chǔ)包括：（1）案例及數(shù)據(jù)量豐富，具備從中遴選和對照的基礎(chǔ)。雖然多數(shù)數(shù)據(jù)庫不公開單項目信息，但從LEED 公開庫和住建部數(shù)據(jù)庫中，可獲得較多數(shù)量的單項目信息；（2）數(shù)據(jù)類別和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)相對成熟，其中地域氣候數(shù)據(jù)和建筑能耗數(shù)據(jù)這兩類數(shù)據(jù)清晰，可直接選用。

但同時現(xiàn)有綠色建筑數(shù)據(jù)庫仍然存在的不足包括：（1）目前國內(nèi)外的綠色建筑數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量大，缺乏研究的針對性，尤其是不同地域氣候分區(qū)的數(shù)據(jù)比較分析不足；（2）數(shù)據(jù)庫中與建筑空間設(shè)計和節(jié)能策略設(shè)計相關(guān)的信息較為有限，建筑項目的圖像化、模型化程度較低；（3）對于非政府和評價體系的官方機構(gòu)，數(shù)據(jù)獲取存在較大挑戰(zhàn)。

針對以上3 個問題，本文研究探索在既有綠色建筑數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，提出一種包含建筑空間形體數(shù)據(jù)、所在地域氣候數(shù)據(jù)和建筑能耗數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，進行同一地域氣候分區(qū)內(nèi)的多案例數(shù)據(jù)采集，以及同類建筑在多個地域氣候分區(qū)的多案例數(shù)據(jù)采集。同時，從建筑師和建筑設(shè)計的角度完善綠色建筑的數(shù)據(jù)采集方式，以實地測繪和建模等方式提取項目的圖像與設(shè)計信息。

3 一種建筑設(shè)計視角下的綠色公共建筑數(shù)據(jù)庫框架構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)庫目標分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了定量地分析案例建筑項目的綠色性能表現(xiàn)、形體空間與地域氣候之間的關(guān)系，探索地域氣候適應(yīng)型建筑的空間設(shè)計策略，本文提出一種形體空間氣候適應(yīng)性視角下的綠色建筑數(shù)據(jù)庫框架。

數(shù)據(jù)庫的4 個目標功能如下：（1）對案例項目所在地域的氣候數(shù)據(jù)進行查詢；（2）對案例項目的建筑能耗進行統(tǒng)計；（3）對案例項目的形體空間設(shè)計數(shù)據(jù)進行查詢；（4）為以上3 組數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)聯(lián)分析提供數(shù)據(jù)輸出和分析的接口。因此，本數(shù)據(jù)庫的主體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括項目基本信息、地域氣候數(shù)據(jù)、建筑能耗數(shù)據(jù)、建筑形體空間數(shù)據(jù)。

基于我國建筑氣候區(qū)劃，數(shù)據(jù)庫的地域城市選擇盡可能覆蓋嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)。在同一氣候區(qū)中聚焦選取氣候特征典型、案例建筑項目集中的城市，以便形成足量數(shù)據(jù)來進行數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)聯(lián)分析。因此，本數(shù)據(jù)庫首批以京津冀、長三角、珠三角、東北4 個地區(qū)的北京、上海、廣州-深圳、哈爾濱-大慶，作為數(shù)據(jù)庫案例項目錄入的城市選擇，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫項目覆蓋區(qū)域的代表性。同時，數(shù)據(jù)庫計劃在上述城市收錄不少于50 個綠色公共建筑項目。數(shù)據(jù)庫選擇的案例包括各相關(guān)城市的優(yōu)秀綠色公共建筑設(shè)計項目、綠色建筑標識項目以及住建部公共建筑能耗監(jiān)測平臺已接入的項目等。由于數(shù)據(jù)庫建設(shè)和數(shù)據(jù)積累是一個長期積累的過程，本數(shù)據(jù)庫將面向綠色建筑設(shè)計研究的院校與單位，搭建開放的經(jīng)驗交流與共享平臺，各機構(gòu)可以輸入各自綠色建筑設(shè)計項目的相關(guān)成果數(shù)據(jù)。

基于以上數(shù)據(jù)庫的目標和需求分析，數(shù)據(jù)庫基本結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7 所示。

3.2 數(shù)據(jù)的選取、來源與處理

（1）采集形體空間數(shù)據(jù)，形成建筑設(shè)計定量分析的基礎(chǔ)

既有綠色建筑數(shù)據(jù)庫的建筑數(shù)據(jù)，通常僅包括建筑規(guī)模、功能類型、建造時間等信息，難以從建筑設(shè)計的視角開展綠色建筑定量分析。因此本數(shù)據(jù)庫將通過資料收集和實地調(diào)研測繪的方法，采集入庫項目的形體空間數(shù)據(jù)。

第一層形體空間數(shù)據(jù)包括入庫項目的建筑各層平面圖、各向立面圖、反映形體空間變化的剖面圖、建筑外墻剖面（含遮陽構(gòu)造）節(jié)點詳圖、建筑門窗表（含建筑內(nèi)外可開啟門窗及洞口的數(shù)據(jù)信息）、建筑三維模型、場地及周邊城市環(huán)境空間形態(tài)模型等。在第一層數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過建筑形體的地域氣候適應(yīng)性機理分析，進而提煉出第二層形體空間數(shù)據(jù)，其在場地布局、空間組織、表皮設(shè)計3 個方面包括但不限于場地建筑密度、場地規(guī)模以上綠地率、場地建筑群迎風(fēng)面積比、建筑緩沖空間比、建筑外區(qū)空間比、建筑內(nèi)部可透風(fēng)度、建筑表面接觸系數(shù)、建筑最佳太陽朝向窗墻比、建筑最佳迎風(fēng)方向外窗可開啟面積比等若干關(guān)鍵性指標（圖8）。

（2）采集氣候數(shù)據(jù)，區(qū)分不同地域不同時段的建筑氣候適應(yīng)性

既有綠色建筑數(shù)據(jù)庫的氣候數(shù)據(jù)，通常僅間接地顯示建筑所處的國家和城市，并不關(guān)注通用建筑能耗與特定地域之間的相關(guān)性分析。因此本數(shù)據(jù)庫為了深入定量分析綠色公共建筑的地域氣候適應(yīng)性，將精細化地錄入逐時段的地域氣候數(shù)據(jù)。

在我國《綠色建筑評價標準》、美國LEED 和英國BREEAM 為代表的綠色建筑評價標準中[9]，氣候影響因素主要為溫濕度、日照和風(fēng)。因此，本數(shù)據(jù)庫采集的氣候數(shù)據(jù)包括溫濕度（包括干濕球溫度和相對濕度）、日照（包括輻射強度和輻射角度）、風(fēng)（包括風(fēng)向和風(fēng)速）數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的來源以中國國家氣象中心的地面資料、高空資料和輻射資料等數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，同時參考能耗模擬軟件IES 等的氣候數(shù)據(jù)庫（圖9）。以上跨城市的、逐時段的數(shù)據(jù)將有可能定量地揭示出建筑在不同時空下不同的氣候適應(yīng)性規(guī)律。

（3）完善和處理建筑能耗數(shù)據(jù)

能耗數(shù)據(jù)方面，本數(shù)據(jù)庫計劃分別收集入庫項目的實測運行能耗和計算能耗，其中：計算能耗主要選取適宜的能耗模擬軟件或數(shù)學(xué)模型公式[10]計算得出；而實測能耗數(shù)據(jù)，則來源于住建部的中央級國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺，主要選取空調(diào)用電、照明插座用電和動力用電等，由于能耗有明顯的季節(jié)性特征，因此逐時段采集和錄入實測能耗數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)分析（圖10）。

以上兩類數(shù)據(jù)分別存在一定局限：實測運行能耗較大程度地受設(shè)備使用習(xí)慣、建筑使用習(xí)慣等噪音的影響，且北方城市的冬季集中采暖的能耗需要進行補充處理。計算能耗則由于模型模擬工具本身已先驗地預(yù)設(shè)了影響能耗的相關(guān)因素，因此價值更多地體現(xiàn)為驗證和映射某種規(guī)律。因而在后續(xù)研究的定量分析中，宜綜合考慮上述兩組能耗數(shù)據(jù)，研判其各自的適用性，進行適當(dāng)?shù)倪x擇和應(yīng)用。

8 建筑形體空間數(shù)據(jù)的建模與采集示意（繪圖：連璐）

9 地域氣候數(shù)據(jù)的逐時段采集示意（繪圖：劉倩君，根據(jù)IES軟件截圖編輯）

10 建筑能耗數(shù)據(jù)的逐時段采集與計算示意（繪圖：劉倩君根據(jù)IES軟件截圖編輯）

4 結(jié)語與展望

針對既有綠色公共建筑在設(shè)計方法上定量研究不足的問題，本文研究構(gòu)建一種可支撐建筑形體空間氣候適應(yīng)性定量分析的數(shù)據(jù)庫框架，實現(xiàn)建筑項目的形體空間設(shè)計、能耗數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)的儲存與管理，旨在解決地域氣候適應(yīng)型綠色公共建筑設(shè)計的理論研究中因設(shè)計、建設(shè)、運營等數(shù)據(jù)離散所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)支撐不足的問題。同時，該數(shù)據(jù)庫在案例項目數(shù)據(jù)不斷積累的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)聯(lián)分析，歸納不同地域控制建筑能耗的關(guān)鍵性形體空間要素，為揭示綠色公共建筑的地域氣候適應(yīng)機理和提出新方法形成堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)（表1）。該體系建立后，將持續(xù)充實、更新數(shù)據(jù)庫中的案例信息，并實現(xiàn)氣候適應(yīng)型建筑設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)共享。□

表1 基于綠色公共建筑數(shù)據(jù)庫的定量分析框架示意(制表：宋修教)