運用數字技術的適應環境型建筑表皮設計初探

俸 瑜

(重慶大學B區建筑城規學院 重慶 400044)

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運用數字技術的適應環境型建筑表皮設計初探

俸 瑜

(重慶大學B區建筑城規學院 重慶 400044)

建設綠色低碳節能的城市已是現在建筑設計的一大趨勢，讓表皮(遮陽、窗洞)實現對不同環境與變化的環境相適應， 對于節能控制與空間造型塑造都有重要意義， 結合造型與節能技術進行設計是一個復雜的過程，隨著數字技術的發展，設計師可以利用數字技術的輔助，在不斷的反饋、優化下設計與環境契合節能的理想造型，并且利用數字技術進行復雜建模與模擬建造，并在建筑運行時利用數字技術進行可變表皮的控制，同時進行信息反饋，進一步優化以后的設計。

數字技術;可變表皮;適應環境;綠色節能

一、運用數字技術的適應型建筑表皮設計的需求與趨勢

(一)建筑表皮設計巨大潛力

建設綠色低碳節能城市，用以應對氣候的變化已經成為國際社會的共識，在這樣的趨勢引導下，建筑的節能設計也已成為不可逆轉的趨勢。建筑的表皮包括開窗、遮陽，是實現建筑內部空間與外部環境相互作用與影響的媒介，除了視覺作用與維護作用外，它應該還具備良好的熱工性，從而降低建筑的能耗。而建筑的開窗處往往是維護體系熱工性能的薄弱環節， 其大小、位置以及用材、構造等方面都需從生態優化的角度進行思考定位與設計。表皮的氣候適應性越強，建筑的能耗越低，反之則越高[1]

(二)適應型表皮的需求

當下不少設計師在建筑形體完成的基礎上不負責地任意附上表皮，也有部分設計師考慮到對遮陽或窗洞的設計，但是這些建筑的遮陽或表皮大多是采用靜態的遮陽板、遮陽蓬等，而面對的是動態的有差異性的因素，不同的地區的氣候因素，不同季節的氣候因素，一天不同時間的光照情況的差異，同一建筑界面的不同位置也可能存在光環境或風環境的差異等等。面對這樣變化的問題與因素，表皮的可變和對環境的適應在表皮的設計中越發重要。可調節節能構件或表皮能夠根據室內外環境的變化，通過調節構件的角度和開啟程度，保持建筑室內的采光和溫度，為人們帶來舒適的環境[2]。

(三)數字技術運用于適應型表皮設計的優勢

1.及時交互式反饋與循環設計。綠色建筑的設計是在建筑設計與評測體系不斷作用、反饋、循環的過程，以求得在不斷地推導、演進與循環中優化設計方案。在一般情況下，建筑設計與綠色技術的評估往往是兩個脫離的環節，二者的關系主要是操作上的先后。利用數字技術介入建筑設計的環節可以有效的環節評測分析的滯后性，能更有效地對設計相關的數據進行反饋與調控，大大節約循環的時間與人力成本。

2.合理模擬的科學性。在建筑的熱工、節能設計環節，建筑師常常會的畫一些通風、采光的示意圖指導設計，但由于實際環境的復雜或是設計師知識儲備有限，很多時候這種圖紙是一個理想的狀態。適應型的表皮由于會根據環境的變化相適應同時還會進行變化，這樣的表皮在形態上、技術上、模擬上都會相當復雜。利用數字技術介入設計， 可以對環境、設計、建造等進行模擬， 可以真實地了解到方案的情況和問題，使設計有據可依，解決適應型表皮設計中的諸多問題。

3.對全生命周期的參與。綠色節能目標下的建筑表皮數字化設計，建筑師需要縱觀全局、有始有終，其設計不應只局限于從熱工性能和環境模擬方面進行生態建筑分析， 繼而需要通過參數建模、智能控制等方面進行優化設計，從建筑設計的前期環境分析，到設計的模擬優化，到后期實施后的智能控制，在建筑的全生命周期中我們都可以利用數字技術參與建筑的不斷優化同時探尋更好的模式， 并在這種完整的過程中完善建筑表皮技術與建筑設計技術，從而實現表皮低碳設計的合理化、高效化、標準化。

二、運用數字技術進行適應環境型表皮設計要點

(一)方案設計的“可視分析”

通過相應的分析軟件，可以將評測的數據結果進行整理處理成可視化的數據對方案進行反饋與評估，如常見的可以通過顏色的變化分辨遮陽構件與室內熱輻射的關系。并且如在Grasshopper等參數化的平臺軟件中可以通過插件使模擬的數據可視化，這樣的好處是可以統一平臺，參數化平臺下的可視化結果有利于更為直觀的認識與判斷。這樣可以使評測分析不再是一個設計方案后脫離的流程與評測結果，可以與模型相聯系成為一個動態、直觀反應模型變化的可視化的評測體系。

(二)表皮設計的控制深化與數據反饋優化

利用數字技術，對建筑與生態進行模擬得到的參數與模型可以有效的指導后續的設計。例如在方案初步整體平面與體量大致確定情況下，可以通過對不同方案體量表皮陽光輻射量調整建筑的開窗與遮陽的位置、大小與形式，可以更加有根據與效率地處理建筑的立面與細節部分。同時可以在參數化的關聯模型中設置優化算法的模型，使數據趨于優化方向，同時調整相應的設計部分，得到接近理想的滿足生態評測與設計效果的輸出結果[3]。

(三)可視化建模

在可視化建模的幫助下，建筑師可以通過調節參數使數字模型不斷調整更新，支持建筑表皮形態更加精細靈動，同時通過可視化的建模使建筑表皮向著更加節能、生態的方向調節。運用腳本編程建模，將環境因素、建筑形體與數學編程相結合，從而影響表皮形態的設計結果，達到順應氣候環境、低碳節能的目的。與此同時，經過腳本編程之后的表皮形態更具動態變化，也可以為建筑帶來別具一格的藝術特色和視覺沖擊力。

三、運用數字技術的適應型表皮設計

(一)在設計階段的應用

在適應型表皮設計階段，數字技術應用在對環境的模擬分析，形態的推敲與生成，可變模式的選取，材料的選取等。通過使用數字軟件如Ecotect分析、CFD模擬，在設計時了解建筑布局和體量所在環境的微氣候特點，設置合理的遮陽、窗洞口位置。結合設計師想要的空間效果與立面效果，對表皮的形態，角度，組合方式，構成等等進行建模與評測。適應型可變的表皮往往是相對于傳統普通表皮是比較精密且復雜的，可變式表皮中還有許多控制、供電電路，通過模擬建造過程可以解決后期施工的很多問題。

(二)在運行階段的應用

可變化的表皮孔洞在充分考慮光線、溫濕度、通風、遮陽等事宜后，結合電腦控制科技協同自動控制系統，可以改變孔洞的大小、形態、或者是百葉等構件的方向，以達到理想的低碳化、生態化的功效。同時在很多建筑設計中運用了智能的日光偏轉系統，該技術利用光線的反射和散射，將照射到室內的太陽光方向和強度進行選擇。建筑運用檢測系統和自動控制系統協調運作，隨日光偏轉調整構建的角度，改變表皮孔洞的模式，對使用者的需求做出及時反饋。表皮如玻璃幕墻和幕墻外部智能控制的水平金屬百葉，每片百葉可以根據太陽的方位自動調節開啟的角度，以改變透光表皮的孔洞模式。雖然在使用中需要運用電能進行探測和操控，但可以有效地降低夏日降溫能耗以及采光能耗，幫助完成建筑低碳目標的實現。

小結

無論是從節能設計角度還是從建筑形態設計角度，對于建筑遮陽、窗體、表皮的設計都有重要的意義，但是也面對很多挑戰，數字技術給建筑師帶了很多可能性，彌補了傳統設計的不足。建筑的表皮的設計與它的熱工功能不再應該是一個被動在建成之后觀察實驗的過程，而是應該在建筑的全生命周期開始考慮，具體需求，以低碳可持續為目標，運用數字技術的信息傳遞、數字編程、參數化設計和優化建模等功能，系統地思考整個表皮設計過程，以促進建筑低碳化設計的發展和創新。

[1]李鋼,李保峰,龔斌.建筑表皮的生態意義[J].新建筑,2008,(02):14-19.

[2]劉娣.基于節能技術影響的建筑表皮構成研究[D].北方工業大學,2016.

[3]翟炳博,徐衛國.數字技術輔助綠色建筑方案設計研究[J].城市建筑,2015,(31):114-117.

俸瑜(1993.06-)，男，漢族，四川人，重慶大學建筑城規學院碩士研究生，研究方向：建筑歷史與理論。