太陽能建筑的信息模型建構

韋 亮 馬麗慧

(華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

太陽能建筑通過建筑與太陽能主動式與被動式利用的一體化設計，開源與節流并舉，減少碳排放的同時又提供給人舒適的環境。信息模型建構是對傳統設計思維定式的革命，用建筑數據建模就能代表實體建筑的搭建，不消耗能源、不浪費材料但能反應真實結果。

1 太陽能建筑設計采用信息模型建構的緣由

1.1 虛實結合的必由之路

在太陽能建筑方案構思和施工圖設計階段，信息模型的建構能發揮傳統設計無法比擬的優勢——模型不是以往簡單的純視覺形象，模型所承載的信息盡可能接近真實的物質條件，搭建的過程符合建造邏輯，模型成果可以用來模擬實際建筑的運行能耗。“虛”代替“實”，在方案充分收集數據的基礎上，破土動工之前就把建筑整個生命周期預先推演一遍，不用大費周章，代碼運算反映了實際的物質和能量運動，所見即所得[1]。

1.2 參數化設計的大勢所趨

對于每一項太陽能建筑設計都有多種主動式與被動式的技術可供建筑師選擇，設計決策不能光靠個人經驗，而是要有符合邏輯的根據。

太陽能建筑設計具有專業綜合性的特點，比較一般的設計過程，強調建筑、設備、給排水和結構設計一體化，牽一發而動全身[2]。建筑設計的過程本質上就是一個決策的過程，信息模型建構軟件Revit具有參數化設計互動的功能，簡化了冗余的操作。Revit軟件以建筑設計為主線，結構、給排水、設備等專業集成在一個平臺上，讓分散在各個專業不確定的影響因素以參數的模式成為程序的選項，讓決策過程一目了然。

2 太陽能建筑模型建構的程序

2.1 信息模型建構的軟件

Revit作為建筑與場地的一體化設計的紐帶，并不能完成全部建構工作，還需要軟件Ecotect(又稱：生態建筑大師)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，可以得到準確的結論性圖表，為太陽能建筑設計過程中采用合理的主動式和被動式利用技術提供參照。

2.2 日照計算

以日照間距系數為基礎的傳統計算方式已經不能滿足太陽能建筑日照計算的要求，常用的SketchUp軟件在分析日照時間及陰影輪廓時只考慮了建筑所處的經緯度，忽略了其他重要的影響因素。Weather tool的分析功能有了質的飛躍——提供了場地太陽能輻射分析，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進一步對方案各個立面上受到太陽能輻射強度進行分析比較，分析的結果對建筑單體和復雜建筑群設計布局有重要的指導意義。

2.3 氣象條件的提煉

除了采集太陽能利用相關的日照條件、輻射量數據，太陽能建筑設計還要對項目所處位置的氣象條件進行提煉，內容包括場地溫濕度、風玫瑰圖和降水量。建筑師利用Weather tool對氣象數據進行各種針對性的可視化分析，再根據分析結果對太陽能建筑各種主、被動式技術進行針對性的取舍和優化。

利用Weather tool的鏈接搜索到基地的氣象數據，點擊焓濕圖分析就可以人機互動。焓濕圖上的坐標值對應基地的溫度和濕度狀態：X坐標對應的是氣溫，Y坐標對應的是絕對濕度。特別值得設計者關注的是代表人體熱舒適的黃色多邊形區域，調整設計參數使這一區域覆蓋范圍最大化[3]。

2.4 微型地理環境的建構

太陽能建筑設計如何針對具體的外部環境，營造出舒適的內部環境，強調由外而內的設計過程，重點是建構外部的場地信息化模型。太陽能建筑所處的場地環境對設計的影響尤為突出，建筑設計應該與實地調研緊密結合，強調針對場地地理位置具體問題具體分析，營造接近真實的場地，通過建構建筑模型、地形和氣候使設計者“身臨其境”。

2.5 太陽能利用設備通過“族”整合設計

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

在信息模型中，太陽能主動式利用的設備，如太陽能光電板、集熱板與建筑的承重、圍護結構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。以光伏發電技術為例，在Revit中建構與光伏發電系統“族”結合的建筑構造“族”，恰當地安排光電板的位置，確定光伏設備最佳的傾角，進而估算光伏系統的年發電量。

2.6 太陽能技術與模型藝術的結合

以往的太陽能建筑重技術集成，輕造型藝術，外觀看起來“奇奇怪怪”是其設計的短板。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計對決策過程影響力小，效果反饋滯后，設計交互體驗欠佳。

有了信息模型這個設計平臺，即便是沒受過正統美學教育的工程師也可以通過實時的虛擬現實來判斷建筑的美丑，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虛擬建構的模型受到科學與美學共同作用，建筑藝術與技術相得益彰。

對于非建筑專業的設計者，大多數時間只是關注建筑外立面效果如何，從外部看建筑，信息模型建構強調從室內向外看的體驗，因為更多的時間人們都是在建筑物內活動，以前決策者忽略的恰恰是最應該關注的人的空間體驗，因此建筑設計師建筑技術與藝術結合思想在Revit軟件的協助下可以充分體現。

3 太陽能建筑信息模型建構的項目實踐

3.1 北京市昌平區實驗小學

基于信息模型的建構，筆者在設計的北京市昌平區實驗小學項目方案時，通過Revit建構信息模型，導出gbXML格式到Ecotect軟件，以參數化分析結果為指導，最終把太陽能建筑的設計理念落實為實際的工程。

設計之初，筆者先提取項目場地的日照、氣象條件作為方案的設計依據。因為小學是住宅區的配套公建，周邊都是高層住宅，能滿足日照條件的可用基地很少，以日照分析的數據布置建筑群的總體布局。與簡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，設計進一步綜合考慮夏季炎熱時間段，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性變化的一體化設計。

太陽能建筑除了形體自身開窗要南北通透實現自然通風之外，針對小學校建筑，還要顧及校園場地的室外活動。筆者通過信息模型的建構，模擬整個校園的風場環境，最初的方案分析顯示大操場冬季有很凜冽的寒風，學生冬天室外活動時體感會很冷，于是調整校園的整體布局，讓各個單體建筑圍合成一個背風的三合院，再次分析發現操場的近地風速大大降低，優化了使用環境。

3.2 谷雨杯全國大學生可持續建筑設計競賽

結合筆者指導此次競賽過程中的思考，運用信息模型建構技術貫穿設計始終，以Revit軟件為主線探索太陽能建筑創作的新思路。

學生選定基地為長城風景旅游區——白羊峪村。經過實地調研，通過Revit結合Ecotect軟件對場地環境信息建構，包括對白羊峪地區一年中二十四節氣的日照角度和強度的數據提取，確定東南向17.5°為最佳朝向，建筑朝這個方向可以在四季最大限度地利用太陽能，方案的建筑規劃朝向基本與分析結果一致。

抽取完成日照和氣象條件后，通過Revit攫取順應地勢的曲線，開始對場地建模。收集的信息集中一個模型內研究，便于研究人員進行探索和分析，也使小組成員獲得高效的設計互動。待場地模型確立后，把建筑不同的方案放置其中，各個專業的知識觸類旁通，使得方案得到全方位的優化。參賽方案最終通過在Revit建構的模型推敲，結合場地分析，確定建筑形態呈環抱狀架于湖面之上。

4 結語

信息模型建構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計建筑技術與藝術之間的壁壘，設計者能使用參數化的思考方式來完成建筑方案。依靠先進的信息模型建構技術支撐，建筑師可以創造出更加科學的太陽能建筑。