基于數(shù)字模擬的可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)方法

楊曦 閆昱

【摘要】2009年在丹麥哥本哈根召開的全球氣候大會被譽(yù)為“拯救人類的最后一次機(jī)會”，這次會議上各國專家及政要關(guān)注與爭論最多的議題就是碳排放的問題。過去一百多年來的工業(yè)文明發(fā)展造成大量礦物燃料的燃燒和森林植被的破壞，由此帶來的溫室效應(yīng)使全球氣候不斷變暖。全球變暖直接造成了海平面上升和旱澇等災(zāi)害性氣候不斷加劇，此外還會影響物種的生存、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并且會導(dǎo)致各種疾病的流行。以CO2為主的碳排放量不斷增加正是溫室效應(yīng)愈演愈烈的主要原因。2008年，國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）在發(fā)表的《世界能源評估報(bào)告》中提出，經(jīng)濟(jì)急速增長的中國已經(jīng)超過美國成為世界CO2排放量最大的國家。中國為此承諾到2020年中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%—45%。

【關(guān)鍵詞】建筑設(shè)計(jì);可持續(xù);節(jié)能

在我國，公共建筑數(shù)量越來越多，建設(shè)規(guī)模也越來越大，隨之而來的耗能問題也日益突出。有數(shù)據(jù)表明，大型公共建筑的節(jié)能潛力在30%以上，而辦公建筑正是公共建筑中一種較普遍的建筑類型。辦公建筑的需求量較大，同時由于本身功能的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)的多樣性，使其對能源和環(huán)境的影響較大。由此可見，對辦公建筑的可持續(xù)設(shè)計(jì)方法所進(jìn)行的一系列探索性的研究具有戰(zhàn)略性的意義。

建筑的可持續(xù)設(shè)計(jì)，不僅對建筑環(huán)境工程師、建筑設(shè)備工程師提出挑戰(zhàn)，更重要的是對建筑師的挑戰(zhàn)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國建筑師的可持續(xù)設(shè)計(jì)意識尚很缺乏，更多側(cè)重于建筑的外觀與功能布置，或者將節(jié)能僅僅局限于后期的材料與設(shè)備等具體細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。但事實(shí)往往是：設(shè)計(jì)初期的策略對建筑方案可持續(xù)性能的潛力有著決定性的影響，好的初期策略能達(dá)到事半功倍的節(jié)能效果。尤其是相對于利用建筑設(shè)備對建筑施加能量來維持舒適度的“主動式設(shè)計(jì)”，通過建筑本身的合理設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)來達(dá)到創(chuàng)造良好室內(nèi)外環(huán)境的“被動式節(jié)能設(shè)計(jì)”無疑對于有著更大的經(jīng)濟(jì)可行性。同時，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使場所規(guī)劃、朝向、建筑形體、剖面形態(tài)、立面形式、基本材料等初期決策都可以通過各種計(jì)算機(jī)軟件量化模擬進(jìn)行生態(tài)性能的比較及優(yōu)化，為建筑師在設(shè)計(jì)初期的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了有效的指導(dǎo)和參考。天津泰達(dá)現(xiàn)代服務(wù)產(chǎn)業(yè)區(qū)MSD拓展區(qū)G、H、I地塊的方案評價與設(shè)計(jì)是對建筑初期節(jié)能設(shè)計(jì)的一次探索實(shí)踐，通過計(jì)算機(jī)軟件對原有方案及修改方案的環(huán)境模擬比較分析，對原方案提出了研究性的設(shè)計(jì)修改策略，其過程方法為今后的建筑初期節(jié)能設(shè)計(jì)提供了有益的借鑒。

1、中標(biāo)方案設(shè)計(jì)構(gòu)思

該項(xiàng)目的中標(biāo)方案是由英國的阿特金斯公司所設(shè)計(jì)，其核心理念是以豐富底層裙房的城市空間創(chuàng)造獨(dú)特的城市建筑形態(tài)。該方案在總平面設(shè)計(jì)中采用了“抽屜”模式，使建筑單體之間相互交錯，從而減弱了建筑之間的遮擋，增強(qiáng)了建筑群與周圍城市空間的對話。同時，將建筑之間的場地設(shè)計(jì)成廣場，并利用連續(xù)變化的內(nèi)街步行系統(tǒng)將相鄰的地塊聯(lián)系在一起，形成豐富的外部空間。在建筑的單體設(shè)計(jì)中，建筑師通過巧妙的建筑語言的演變，不僅保持了建筑群連續(xù)的整體性和特點(diǎn)鮮明的建筑形式，局部幕墻和花池的處理也增強(qiáng)了建筑的趣味性。

2、中標(biāo)方案分析

在阿特金斯的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案中體現(xiàn)出了一定的可持續(xù)設(shè)計(jì)策略的運(yùn)用。如建筑交錯布局可以避免建筑之間的相互遮擋，提高太陽輻射能的利用，也增加了辦公空間的自然采光。這種相互連通、滲透的布局方式也有利于建筑之間的空氣流通，促進(jìn)辦公空間的自然通風(fēng)。同時在設(shè)計(jì)時有效地利用了周圍的集中綠地，并將城市綠化引入建筑群之中，對改善該辦公建筑群的微氣候起到了重要作用。在建筑的單體設(shè)計(jì)中，采用了簡潔的立方體造型，因此體形系數(shù)都比較小，這對于提高建筑的熱工性能有很大作用。在建筑的空間設(shè)計(jì)方面，布置了大量的綠化空間和綠墻等，起到了溫度阻尼區(qū)的作用，其中單體西側(cè)的整體綠化空間有效避免了西曬的影響。

然而，筆者通過軟件對GHI地塊進(jìn)行日照模擬分析后可以看出，阿特金斯的設(shè)計(jì)方案中日照條件不是很理想。首先，由于南側(cè)建筑的遮擋，各層的日照條件比較差，對地面行人的活動和二三層開敞購物平臺的設(shè)置均有不利影響。其次，由于南側(cè)建筑高度較高且比較密集，對北側(cè)建筑的辦公部分的采光遮擋也比較嚴(yán)重。

此外，通過風(fēng)環(huán)境模擬可以發(fā)現(xiàn)該建筑群的規(guī)劃設(shè)計(jì)對冬夏季的風(fēng)環(huán)境有以下影響：

（1）南側(cè)建筑較密集，對北側(cè)建筑的夏季通風(fēng)產(chǎn)生較大遮擋;

（2）北側(cè)建筑相對稀疏，不利于為南側(cè)建筑遮擋冬季風(fēng);

（3）東西相鄰建筑間距過近，易形成樓宇風(fēng)和狹管風(fēng)，不利于行人;

（4）夏季南側(cè)建筑的背風(fēng)面和冬季北側(cè)建筑的迎風(fēng)面風(fēng)情況較差，對開場購物平臺的布置造成影響。

3、總平面調(diào)整

由于本次研究是為阿特金斯公司提供方案修改的參考，因此不希望有過大的變動。在新布局中，通過分析軟件模擬的結(jié)果，最終采用北側(cè)板式南側(cè)點(diǎn)式、南北側(cè)建筑交錯插空布置的平面設(shè)計(jì)，并且使各單體高低相隔布置。這樣的總平面布置方式使南側(cè)建筑對北側(cè)建筑及場地的日照和夏季通風(fēng)遮擋最小，同時可以避免風(fēng)廊和樓宇風(fēng)的形成。

各建筑單體均旋轉(zhuǎn)了一定角度，這樣可以使建筑群獲得最佳風(fēng)向投射角。此外，在建筑轉(zhuǎn)角處采用了流線型處理，避免了高層建筑轉(zhuǎn)角處易形成的風(fēng)向及風(fēng)速紊亂。從模擬結(jié)果可以看出該方案的日照及風(fēng)環(huán)境均有明顯的改善（圖7、圖8）。

在對場地規(guī)劃分析并調(diào)整的過程中可以發(fā)現(xiàn)，通過計(jì)算機(jī)環(huán)境模擬，可以較為直觀的發(fā)現(xiàn)問題所在。通過對不同方案的對比，以及反復(fù)的發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整的過程，可以得到更加合理宜人的規(guī)劃布局，為后面進(jìn)一步的建筑可持續(xù)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

4、建筑形體調(diào)整

建筑單體的被動式節(jié)能設(shè)計(jì)涉及到建筑形體、平面布局、立面設(shè)計(jì)、維護(hù)結(jié)構(gòu)材料、遮陽通風(fēng)措施等諸多方面。原方案的建筑單體采用典型高層辦公樓形式，方形或矩形的建筑平面，中心布置核心筒，四周為敞開式辦公空間。

在對規(guī)劃方案中南側(cè)點(diǎn)式建筑的調(diào)整中，考慮到其臨街效果及最大化接收太陽輻射和采光，在保證外墻總面積不變的情況下，增大東、南向墻的面積，減小西北向墻的面積。而對于北側(cè)板式建筑的調(diào)整，由于冬季寒風(fēng)對其保溫影響較大，因此移動核心筒位置，將其置于建筑北側(cè)，以增強(qiáng)建筑整體保溫性能。

利用能耗軟件HTB2進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)定人體舒適溫度為18-26℃時，在采用相同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下（外墻為一般保溫隔熱墻體，傳熱系數(shù)1.65;窗采用雙層玻璃窗，傳熱系數(shù)2.7），經(jīng)過平面形式調(diào)整后的北側(cè)和南側(cè)建筑相比原平面形式能耗均有明顯下降。

5、表皮設(shè)計(jì)

在立面處理上，由于窗體是建筑保溫的薄弱環(huán)節(jié)，原來 0.7的窗墻比會對建筑整體節(jié)能有較大影響，因此考慮根據(jù)不同朝向分別適當(dāng)降低窗墻比。以點(diǎn)式建筑為例，將其窗墻比調(diào)整為北向0.25，東西向0.3，南向0.4，同時為了進(jìn)一步降低夏季進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量，調(diào)節(jié)自然采光、避免眩光，在南向采用了水平遮陽方式，而在東西向采用了垂直遮陽方式。

利用能耗軟件HTB2模擬可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)定人體舒適溫度為18-26℃時，全年室外溫度為非人體舒適時間為6426小時。以這段時間作為分析對象，在采用相同墻體及窗體材料情況下（外墻為一般保溫隔熱墻體，傳熱系數(shù)1.65;窗采用雙層玻璃窗，傳熱系數(shù)2.7），原窗墻比情況下需要機(jī)械制冷（或制熱）的時間為3840小時，占總小時數(shù)59.7%;而改變窗墻比后需要機(jī)械制冷或制熱時間為3271小時，占總小時50.9%。

窗墻比的降低雖然會給室內(nèi)自然采光帶來一定弊端，但是考慮到目前以計(jì)算機(jī)操作為主的辦公方式，對采光的要求已經(jīng)較以前降低了許多。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50033—2001要求，辦公建筑室內(nèi)采光系數(shù)最低值是2%，室內(nèi)天然光臨界照度是100lx。用ECOTECT對采光進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，在全陰天的最不利條件下，室內(nèi)絕大部分區(qū)域照度均在l00lx以上，滿足采光標(biāo)準(zhǔn)要求。

總結(jié)：

隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的成熟，其對建筑的各項(xiàng)數(shù)字模擬結(jié)果的可靠性越來越高。加之軟件模擬的經(jīng)濟(jì)性和易操作性，軟件在未來的可持續(xù)辦公建筑設(shè)計(jì)中將扮演越來越重要的角色。辦公建筑的形式也將通過參數(shù)化設(shè)計(jì)和軟件模擬的相互結(jié)合不斷創(chuàng)新，給建筑師帶來新的創(chuàng)作靈感。此外，結(jié)合可持續(xù)策略的設(shè)計(jì)手法將會使得辦公建筑形體不再是千篇一律的玻璃方盒子，而是每一棟辦公建筑都是根據(jù)周圍的環(huán)境和氣候產(chǎn)生的。這種“量體裁衣”式的設(shè)計(jì)方法不僅會產(chǎn)生環(huán)境友好、舒適、經(jīng)濟(jì)的效果，還會由此為辦公建筑的形體帶來地域性特點(diǎn)。總之，這種基于數(shù)字模擬的可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)是一種環(huán)境友好型的設(shè)計(jì)方法，可以使建筑更好地適應(yīng)環(huán)境，在一定程度上可以延續(xù)建筑的使用壽命。

作者簡介：

楊曦（1985—），男，漢族，山西太原人，碩士，建筑師，中國建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，研究方向：可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)。