綠色建造全過程一體化協同設計方法*

薛 峰，凌蘇揚，崔德鑫

(中國中建設計集團有限公司，北京 100037)

1 綠色建造正向整合設計流程方法研究

1.1 我國存在的問題分析

1)缺乏設計貫穿綠色建造的機制 綠色建造離不開設計的協同統籌和貫穿建造全過程的精益配合。但由于長期割裂的行業管理模式，致使設計、施工、采購和運營完全割裂，設計機制無法協同施工建造工藝、技術和材料選擇，更談不上對運營的統籌。

2)缺乏設計協同綠色建造的方法 缺乏將全產業鏈的生產加工、施工裝配、智慧組織等綠色建造高維復雜系統與設計業務融合的整合設計方法與大數據協同平臺。

3)缺乏設計支撐綠色建造全產業鏈協同的模式 設計院的業務鏈前端優勢沒有發揮出來，設計院和工程企業的“圍墻”沒有打開，行業資源共享平臺沒有建立起來，產業壁壘造成“各說各話”的現象。

1.2 協同設計的方法和內容

要實現高質量、高品質的精益綠色建造離不開設計，設計是綠色建造的關鍵部分，綠色建造所指的設計包括了方案設計、技術設計、施工深化設計和調適提升設計，其高顆粒度的流程控制和頻繁權衡是關鍵保障。

協同設計方法不僅止于技術內容，還包含對團隊的管理與把控，因為協同過程中每個組成部分對整體目標的認知程度甚至積極程度都對項目的最終結果有著很大的影響。成熟的協同方法更強調整個建設過程的團隊隨時都要以優化整體而非部分優化為目標，讓每個組成部分清楚整體的目標和進度，尊重每個組成部分的專業性意見。

建筑師需要掌握的能力也不僅僅止于設計，還必須包括管理、建造等方面的知識和能力。建筑師要明確從項目啟動到結束的全部階段建筑師負責的工作內容，主要職責包括：項目管理服務、支持服務、評估與策劃服務、設計服務、施工采購合同管理服務和設施調試服務。由于建筑師在選擇材料和確定工藝流程方面具有專業性和權威性，應約定建筑師具有指定材料和確定施工工藝的權利等，這對于降低建筑業的碳排放會起到重要作用。

據統計我國碳排放中建筑運行約占21%，建筑業約占比18%，而建材占了很大的比例。要解決這一問題，就要實現設計與綠色建造的大數據融合，推進設計建造一體化的管理數字化、生產數字化(工具&平臺)和技術數字化(技術標準化、知識和數據庫平臺建設)。以數字化為依托，強化設計業務鏈條上各環節的互聯互通；結合BIM，VR，AR等技術的運用，實現結合傳統互聯網，工業互聯網，人體互聯網，構建可支撐數字空間、數字人體、數字建材、數字模擬、可人工智能運算的數字孿生協同工作平臺，實現設計與綠色建造全過程的大數據融合。

1.3 機制、方法、模式和工具

1)應建立與此相對應的新機制 也就是設計建造一體化整合，面向市場，結合建筑師負責制和全過程咨詢的項目實施新機制。

2)應建立與此相對應的新方法 也就是全產業鏈正向整合設計新方法。設計應統籌場地規劃、建筑結構、機電設備、裝飾裝修、景觀環境和各類專項設計，實施全專業一體化協同設計，采用設計總承包方式。設計應統籌策劃、設計、生產、施工、交付建設全過程，實現設計與全產業鏈的生產加工、施工裝配一體化協同，實施全過程一體化協同設計，采用工程總承包模式。設計應負責選擇可降低建筑全壽命期碳排放值，并獲得綠色建材認證標識的建筑材料和產品。

3)應建立與此相對應的新業務模式 建立行業資源可縱向拉通、橫向聯合、跨界融合的分類城市建設和有機更新精益設計建造一體化產品和業務推廣模式。

4)應建立與此相對應的新工具平臺 結合傳統互聯網，工業互聯網，人體互聯網，構建可支撐數字空間、數字人體、數字建材、數字模擬、可人工智能運算的數字孿生協同工作平臺。

只有這樣，才能發揮設計院業務鏈前端優勢，對應建筑師負責制的實施，構建設計與建造之間合作的機制。創造PDC (planning, design and construction，策劃、設計、施工交付)新型建造業務模式，打造基于“產業鏈縱向一體化”的綜合解決方案和新型業務模式。

2 協同設計流程和工作模板

綠色建筑設計全過程的協同工作是一個“巨系統”，建筑師要想統籌好這個組織環節和技術體系越來越復雜的“巨系統”工程，流程管理至關重要。

2.1 確定流程控制節點

協同設計流程的設定并不是要羅列所有的工作節點，而是要明確建造全過程與建筑質量和品質密切相關的性能控制節點都有哪些、建筑師應該怎么做、做了沒有、是否達到目標要求。本研究將國家標準GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》、各地方編制的綠色建筑設計標準，以及正在編制的團體標準《建筑工程綠色建造評價標準》和《公共建筑后評估標準》等標準規范及技術措施中1 600余項措施要點進行提煉，總結為約70項流程步驟。再將這些流程步驟按照“場地規劃設計、建筑方案設計、技術設計、設計選材、設計交付與調適”5個階段約19項流程(過程)進行控制(其中建筑師主導的關鍵控制節點為7項)，保證每項步驟和關鍵流程節點的過程控制效果。

2.2 制定項目前置控制要求

美國、英國等發達國家的建筑師需要負責編制項目“技術標準(technical specification)”，并在不同的設計階段進行不斷的優化調整，可以形象地說他們的很多設計工作是“寫出來”，而不是“畫出來的”。

我國設計工作很多只是止步于圖面上，多依據“標準”開展設計。實際上，即使標準規定得再詳細，也不可能做到窮盡所有事項，只有根據不同項目的具體情況，結合流程和內容節點控制要求制定詳細的項目級“技術標準”(技術規范書)，形成“一案一標”的前置性能控制要求，并在項目實施過程中不斷優化調整，才能使綠色設計的流程控制有了精細化落地的抓手。

2.3 選取重點節能空間

本研究針對100多個不同類型的公共建筑項目，以及《建筑設計資料集》對于各類型公共建筑不同功能空間的分類，整理出260個功能空間。經過歸類整理，從中歸納出74類主要的功能空間，再經過針對建筑師的問卷調查，并依據《全國民用建筑工程設計技術措施》和相關標準規范中對主要功能空間負荷指標的規定，合并簡化為32類節能重點空間。通過對各類功能空間的供暖熱負荷及電負荷模擬計算，形成節能重點空間的負荷區間取值。

2.4 確定重點節能空間影響因子

針對重點節能空間建筑師通過其優化設計進行有效控制，首先應以空間面積、空間大小、空間在建筑中所處的位置、空間的功能復合性等為影響因子；其次再以圍護結構、通風采光、窗墻比等主動、被動技術手段的應用情況進行數據模擬；最終通過大量設計項目在協同設計平臺的應用，形成大數據疊加，通過機器學習不斷進行自我修正，最終形成技術應用的影響系數區間。

2.5 搭建綠色建筑協同設計模板

隨著新一代信息技術的應用，可以將協同設計流程與方法應用于設計平臺之中，其中綠色建筑協同設計模板作為開展工作的基礎，應包括：量化分析、數值約束、設計要點和性能要求等關鍵要點。與傳統設計方法相比，其優越性具體體現為：①能夠明確重點節能空間、各類空間節能影響率；②前期多方案自查比選方便快捷且科學合理；③對于優先應用被動技術，可直觀估算各技術手段的節能率；④實時比對舒適性、能耗、經濟等指標根據不同技術手段選擇的變動情況；⑤將后期暖通模擬基本系數簡化、前置，形成與建筑師的有效溝通。

3 協同設計流程編制

3.1 場地規劃設計應符合以下設計流程和節點控制要求

1)城市環境呼應與場地資源利用保護，包括：符合上位規劃和城市設計要求，場地布局與城市環境進行呼應，對場地既有設施和現有資源環境進行利用和保護。

2)對場地規劃布局進行環境模擬分析，包括：日照環境、風環境、光環境、聲環境、遮陰環境等模擬分析。

3)場地交通與公共設施規劃布局合理，包括：場地人行、車行流線和停車設施布局合理；形成開放共享的服務設施和公共空間；室外設施完備，材料安全、耐用、易于維護。

4)優化調整公共空間環境舒適與利用率，包括：提供多樣化的室外空間；公共空間具有舒適度，滿足多季節、多時段使用需求；公共空間具有吸引力，促進使用者交流。

3.2 建筑方案設計應符合以下設計流程和節點控制要求

1)優化調整建筑形態和重點耗能功能空間布局，包括：優化調整建筑形態、體型控制、重點耗能功能空間布局。

2)優化調整窗墻體界面有利于利用自然資源，包括：優化調整不同朝向，周邊自然環境資源影響建筑開窗和窗墻、幕墻比例；優化調整窗體開啟方式和比例。

3)建筑利用自然資源優化模擬分析，包括：對地上地下建筑主要功能空間的光環境、日照環境、自然通風環境進行模擬分析；對窗洞口和構件以及導光構件進行模擬分析。

3.3 技術設計應符合以下設計流程和節點控制要求

1)完成模數和構造節點性能優化設計，包括：對空間模數和用材模數協調進行優化設計；對墻面、窗體、幕墻、地面、吊頂和隔墻等構造節點進行優化設計；對圍護結構和內隔墻的熱工性能、防水性能、隔聲性能等構造節點進行優化設計；對管線集成和安裝節點進行優化設計。

2)結構設計涉及建筑功能、建筑形態、模數、裝配和基坑等優化，包括：結合建筑功能進行結構優化設計；結合建筑形態進行結構優化設計；空間和構件符合模數化設計要求；采用工業化裝配結構；結合實際施工條件進行基坑開挖優化設計。

3)圍護設計涉及建筑性能指標的認定，包括：對圍護結構防火性能、熱工性能、防水性能、隔聲性能等進行優化設計。

4)機電設計涉及設備系統性能指標的認定，包括：對空調熱源和冷源、輸配系統、監控與計量和末端裝置等進行優化設計；對供配電系統、照明系統、電氣設備進行優化設計；對直流供電充電樁配置、蓄能系統等進行優選優化設計；對信息網絡和智能運維系統進行優選優化設計；對可再生能源利用進行優選優化設計。

5)給排水設計涉及生活和設備用水系統性能指標的認定，包括：優化調整衛生器具的用水效率等級；對綠化灌溉系統進行優化設計；對空調冷卻水系統進行優化設計；保證生活飲用水水質符合技術要求。

6)室外環境設計環境豐富度和雨水利用優化設計，包括：進行使室外環境符合綠化充分、景觀層次豐富、環境整潔美觀的優化設計；優化場地豎向設計，對雨水收集利用、排放和海綿滲透進行優化設計。

3.4 設計選材應符合以下設計流程和節點控制要求

1)外界面利用廢棄、自然材料和復合材料選材優化，包括：界面表皮材料利用自然資源就地取材和廢舊材料；外飾采用單元式幕墻、多功能復合墻體等集成墻板材料；室外環境材料采用自然資源就地取材和廢舊材料；采用以廢棄物和建筑垃圾為原料生產的利廢建材。

2)建筑內裝修采用一體化集成產品選材優化，包括：采用裝配式裝修、選用廚衛集成模塊。

3)材料同壽命族群和部品部件之間壽命匹配選材優化，包括：建立相近使用年限的同壽命期族群適配材料組合；活動配件選用長壽命產品，并考慮部品之間合理的壽命匹配，構造便于通用性拆換。

3.5 設計交付與調適應符合以下設計流程和節點控制要求

1)交付前對建筑圍護系統和各設備系統進行設計調適，包括：圍護結構和設施系統調適；空調、照明系統調適。

2)開展運行能耗與設計工況對比分析，包括：圍護結構熱工性能測試與設計工況對比；空調、照明、插座等系統運行能耗與設計工況對比分析；可再生能源利用與設計工況對比分析。

3)開展室內外環境質量與設計工況對比分析和用戶滿意度評價，包括：測試天然采光、混合采光、人工照明質量；測試室內空氣質量、室內熱舒適度、過渡季自然通風質量；室內外環境的用戶滿意度評價。

4 北京大興國際機場南航運控指揮中心綠色設計

北京大興國際機場南航運控指揮中心是集航運3C運控指揮、飛行簽派出勤、飛行訓練、飛行空勤周轉、飛行體檢康復、飛行數據中心、航勤配套服務和航運管理等功能于一體的大型綜合體建筑，建筑規模50萬m2，是亞洲規模最大的航空運控指揮中心，如圖1所示。

圖1 整體建設效果實景

由于該項目建設周期較短且采用設計總承包方式，項目組按上述全過程設計流程、步驟和節點控制要求進行管理，將規劃設計、建筑結構、機電設備、部品部件、裝配施工、裝飾裝修、景觀環境和各類專項設計以及工藝加工、綠色選材和成本管控等工作流程匯集于一體進行管理。制定了每個步驟相應的設計策略、控制要點、優化要點和目標值，并在關鍵的設計節點進行仿真模擬分析要求。分析不同的功能空間能耗特征，明確節能重點空間，給出相應的關鍵技術索引，獲得了三星級綠色建筑設計標識，形成的流程管理平臺申請了軟件著作權。過程中形成的綠色協同設計流程和節點管控構架如圖2所示。

圖2 南航運控指揮中心協同設計流程和節點管控構架

該項目建設規模大、建設周期短、建設標準高。只有通過這種科學的協同設計流程管理方法，才能保證項目高質量、高品質的實施。①在項目前期就制定了項目“技術標準”(技術規范書)，形成了前置性能控制要求。②建立“高顆粒度”的綠色協同設計流程，有效組織了土建、裝修、景觀、專項、標識等多專業的一體化并行協同設計。③設計優化與施工深化并行協同，節點設計、設備選型、選材等深化設計結合過程管理和運行管理的要求進行優化，既保證了建筑質量、品質，又保證了成本控制、運行實效及建設工期。

該項目采用高性能裝配式圍護結構，達到80%節能率和1.71W/m2·K的整體圍護結構傳熱系數；地板和整體墻板全部采用彈性可變管線空間，解決了大型航空運控設施信息化功能升級調整慢的問題。

為使長時間在封閉狹小機艙工作的空勤人員在此能夠得到心情舒緩，項目跨越城市市政道路設計了1條連接各功能建筑群的“空中綠廊”，可供休憩、交流，擁有良好的天然采光、觀景視線良好。中庭空間隨處可見綠植，所有健身空間和配套服務空間均可天然采光，在室內交通空間節點設計具有良好景色和天然采光的“家庭式相聚單元”，讓空勤人員可以放下一天的疲憊并得到充分的身心休息，建成效果如圖3～9所示。

圖3 高性能裝配式圍護結構及庭院環境

圖4 連接各功能建筑群的“空中綠廊”

圖5 “空中綠廊”庭院環境

圖8 具有良好景色和天然采光的“家庭式相聚單元”

圖9 可有自然天光的空勤人員簽派空間