基于室內(nèi)熱舒適目標(biāo)為導(dǎo)向的氣候適應(yīng)性可變建筑表皮生成研究
——以成都地區(qū)為例

喬宇， 侯婧雯

（西南交通大學(xué)建筑學(xué)院）

1 引言

相關(guān)研究指出，建筑在日常使用過(guò)程中的能源消耗有近一半是由建筑表皮的性能直接或者間接造成的[1]。隨著建筑設(shè)計(jì)方法和建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，有關(guān)建筑表皮的研究逐漸興起，氣候適應(yīng)性逐漸成為建筑表皮設(shè)計(jì)的重要考慮因素。氣候適應(yīng)性本是來(lái)自生物學(xué)領(lǐng)域的概念，本意是指生物通過(guò)表皮與外部自然環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換來(lái)維持自身的生態(tài)平衡。認(rèn)為能夠適應(yīng)氣候不斷變化的建筑表皮被稱為“適應(yīng)性建筑表皮”。在氣候適應(yīng)性建筑的設(shè)計(jì)研究中，“動(dòng)態(tài)可變”是一個(gè)重要的研究方向，1972年，Charles Eastm提出“適應(yīng)性的建筑理論”，主張利用機(jī)械技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑的動(dòng)態(tài)可變和互動(dòng)性[2]。1981年，由英國(guó)建筑師Michael Davies首次提出建筑皮膚的概念[3]。具有動(dòng)態(tài)可變特征的建筑表皮，在適應(yīng)氣候環(huán)境變化方面更加靈活積極，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑與外界環(huán)境的良性互動(dòng)，改善室內(nèi)環(huán)境并且提高節(jié)能效率[4]。

本次在對(duì)成都地區(qū)可變建筑表皮生成的研究中，是基于ladybug參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)，可變建筑表皮的特性決定在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要大量的數(shù)據(jù)支持來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的氣候環(huán)境。所以本文的目標(biāo)是：

①分析成都地區(qū)的氣候特點(diǎn)，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)工具LadyBug Tools，基于建筑性能優(yōu)化的角度，提高夏季公共建筑室內(nèi)熱舒適的同時(shí)，以降低空調(diào)制冷能耗為目標(biāo)。提出合理的節(jié)能設(shè)計(jì)策略。

②形成表皮的形態(tài)；并通過(guò)建筑性能的模擬預(yù)測(cè)其使用效果，并對(duì)效果形成反饋，根據(jù)反饋的結(jié)果對(duì)方案再次優(yōu)化，形成合理的表皮形態(tài)。

2 氣候適應(yīng)性可變建筑表皮的相關(guān)理論

2.1 概念生成

在建筑系統(tǒng)中，與氣候聯(lián)系最為緊密的是建筑表皮。對(duì)外，建筑通過(guò)建筑表皮獲取或者屏蔽氣候的影響；對(duì)內(nèi)，依靠建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)維持室內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，減少建筑能耗，滿足人體對(duì)于舒適度的需求。氣候適應(yīng)性建筑表皮應(yīng)能有效地利用氣候環(huán)境，通過(guò)控制室內(nèi)的通風(fēng)、熱量、日照、眩光等環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)這種氣候適應(yīng)性，建筑表皮的各種變量，位置、范圍、形狀覆蓋程度、可以調(diào)節(jié)程度以及使用者的操作都十分重要，最終決定建筑表皮的性能表現(xiàn)[5]。

2.2 運(yùn)行原理

氣候適應(yīng)性可變建筑表皮可以根據(jù)外界環(huán)境條件（風(fēng)、光、熱、聲等）或者根據(jù)使用者對(duì)于建筑的不同功能需求，利用多種手段來(lái)調(diào)節(jié)表皮的形態(tài)以及功能。根據(jù)不同的需求來(lái)改變建筑的表皮的性能。氣候適應(yīng)性建筑表皮的運(yùn)動(dòng)形式可以分為兩類，宏觀運(yùn)動(dòng)和微觀運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)是通過(guò)宏觀運(yùn)動(dòng)形式采用機(jī)械控制系統(tǒng)來(lái)控制建筑表皮的形態(tài)。

2.3 可變建筑表皮對(duì)外部環(huán)境的響應(yīng)

可變建筑表皮可以通過(guò)自身大小、形狀、顏色、角度等參數(shù)的變化；控制室內(nèi)風(fēng)、光、熱等環(huán)境因素的能量交換，使得室內(nèi)空間獲得最佳的舒適度并降低能耗。

2.4 LadyBug Tools可變建筑表皮參數(shù)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法

Ladybug Tools是基于Grasshopper平臺(tái)的參數(shù)化性能分析工具。基于Ladybug Tools可變建筑表皮參數(shù)化設(shè)計(jì)方法包含5個(gè)步驟，各個(gè)步驟之中可再細(xì)分若干具體措施，2、3、4步之間可以進(jìn)行循環(huán)反饋得到最優(yōu)解（見(jiàn)圖1）。下面結(jié)合該設(shè)計(jì)流程，探究成都地區(qū)公共建筑基于風(fēng)環(huán)境和光環(huán)境的可變建筑表皮的生成過(guò)程。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

3 氣候適應(yīng)性可變建筑表皮的生成

3.1 根據(jù)氣象資料分析制定環(huán)境響應(yīng)策略

氣象資料分析是可變建筑表皮設(shè)計(jì)的前提，在氣候適應(yīng)性的設(shè)計(jì)導(dǎo)向之下，通過(guò)表皮形態(tài)來(lái)響應(yīng)氣候環(huán)境的變化，通過(guò)建筑表皮形態(tài)的變化來(lái)調(diào)整室內(nèi)的物理環(huán)境。同時(shí)結(jié)合氣候特征，來(lái)制定相應(yīng)的環(huán)境響應(yīng)策略。本次實(shí)驗(yàn)是通過(guò)對(duì)建筑表皮形態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改善室內(nèi)環(huán)境舒適度，降低建筑能耗。

通過(guò)Ladybug的氣象數(shù)據(jù)可視化分析（見(jiàn)圖2），成都市氣候環(huán)境有以下特點(diǎn)：年平均溫度較高，晝夜溫差較小，夏季炎熱多雨，多集中于夏秋兩季，日照較少，全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和輻射量較低，全年相對(duì)濕度較高，夏季濕熱問(wèn)題嚴(yán)重，風(fēng)速較低。根據(jù)成都市建筑氣候的特征，初步制定可變建筑表皮設(shè)計(jì)的環(huán)境響應(yīng)策略（見(jiàn)表1）。

圖2 成都市氣候數(shù)據(jù)

表1 可變建筑表皮環(huán)境響應(yīng)策略

續(xù)表

3.2 根據(jù)典型氣象節(jié)點(diǎn)制定可變建筑表皮適應(yīng)性參數(shù)以及控制周期

根據(jù)上述對(duì)成都地區(qū)氣候特征的分析，并根據(jù)其調(diào)節(jié)目標(biāo)制定的調(diào)節(jié)策略確定具體氣候適應(yīng)性建筑表皮的參數(shù)和控制范圍；根據(jù)該地區(qū)典型的氣象節(jié)點(diǎn)，應(yīng)在春分、夏至、秋分等時(shí)間對(duì)建筑表皮的可調(diào)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體的調(diào)節(jié)周期為：實(shí)時(shí)調(diào)控+季節(jié)調(diào)控。

3.3 生成適應(yīng)性可變建筑表皮形體

可變建筑表皮的形體包括基本形體以及在相應(yīng)周期控制周期下經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變生成的一系列形體?；拘误w由Grasshopper通過(guò)設(shè)計(jì)算法控制相應(yīng)的變量生成，同時(shí)還包含了不同形體之間的轉(zhuǎn)化等內(nèi)容。本文嘗試采用文獻(xiàn)[6]的方法來(lái)模擬設(shè)置表皮結(jié)構(gòu)。根據(jù)表皮的運(yùn)動(dòng)形式，以三角形為例，借助滑動(dòng)，旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)形式的變化來(lái)控制建筑表皮的形體?？刂票砥ば误w的參數(shù)，例如矩形的邊長(zhǎng)、三角形的旋轉(zhuǎn)角度、三角形滑動(dòng)的距離都由Grasshopper中的滑塊來(lái)控制。我們根據(jù)需要設(shè)置滑塊的數(shù)值范圍；同時(shí)，在今后的尋優(yōu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)單個(gè)變量或者是多個(gè)變量的變化尋優(yōu)，來(lái)獲取對(duì)于某一要素性能或者是整體性能的最優(yōu)解。

3.4 建筑性能模擬驗(yàn)證與反饋分析

通過(guò)Grasshopper模擬平臺(tái)，可以對(duì)建筑表皮的變化是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，即在本次實(shí)驗(yàn)中，是否達(dá)到對(duì)于光環(huán)境和風(fēng)環(huán)境的改善的目的，最終達(dá)到降低室內(nèi)空調(diào)建筑能耗、提高室內(nèi)舒適度的目標(biāo)。同樣Grasshopper模擬平臺(tái)還可以通過(guò)插件Galapagos Octopus，結(jié)合遺傳算法和退火算法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行尋優(yōu)，找到最合適的參數(shù)設(shè)置，達(dá)到最佳的室內(nèi)物理環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從可變建筑表皮生成概念出發(fā)，嘗試歸納了可變建筑表皮的生成機(jī)理、運(yùn)行模式，同時(shí)還對(duì)氣候適應(yīng)性建筑表皮對(duì)自然環(huán)境的響應(yīng)進(jìn)行歸納總結(jié)；最后以成都地區(qū)氣候特征為例，采用ladybug模擬參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，嘗試生成適合該地區(qū)氣候特征的可變建筑表皮。